FR2590740A1

FR2590740A1 - Signal conditioning circuit for electronic circuit breakers

Info

Publication number: FR2590740A1
Application number: FR8615920A
Authority: FR
Inventors: John James Dougherty; Edward Keith Howell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1985-11-22
Filing date: 1986-11-17
Publication date: 1987-05-29
Also published as: CN86107740A; IT8622417A1; IT1198144B; IT8622417A0; JPS62155720A; DE3638935A1

Abstract

The invention relates to the protection of electrical energy distribution systems. A signal conditioning circuit for electronic circuit breakers comprises in particular current detection means CT1-CT3, circuit cutting means 11-14, signal processing means 15 and a set of load resistors Rb. Separate load resistors are connected into each of the three phases of the protected system in order to apply root-mean-square values of current to the signal processing means, for the determination of a current surge. The three load resistors achieve a significant saving by comparison with auxiliary current transformers, with equivalent results. Application to electronically triggered circuit breakers.

Description

L'application des techniques de traitement numérique aux dispositifs de protection de circuits a permis d'utiliser l'échantillonnage de la valeur efficace pour la détermination de surintensité. L'utilisation de valeurs efficaces de courant pour la détermination de la combinaison temps/surintensité réduit l'apparition de déclenchements intempestifs qui se produisent lorsqu'on détecte le courant de crête. Les valeurs de courant de crête ne tiennent pas compte de la distorsion harmonique de la fréquence de l'énergie électrique, ce qui conduit à des coupures de circuit alors que la valeur efficace réelle du courant est comprise dans des limites acceptables. The application of digital processing techniques to circuit protection devices has made it possible to use RMS sampling for determining overcurrent. The use of rms current values to determine the time / overcurrent combination reduces the occurrence of nuisance trips that occur when peak current is detected. The peak current values do not take into account the harmonic distortion of the frequency of electrical energy, which leads to circuit breaks while the actual effective value of the current is within acceptable limits.

La demande de brevet française déposée le même jour par la demanderesse sous le titre Disjoncteur utilisant un echantillonnage de valeur efficace" décrit les avantages de l'utilisation de l'échantillonnage de la valeur efficace dans des conditions de surcharge, pour la détermination précise de la combinaison temps/surintensité, et de l'utilisation de l'échantillonnage du courant de crête dans des conditions de court-circuit. La demande de brevet des E.U.A. nO 743337 déposée le 10 juin 1985 décrit un moyen pour effectuer des calculs de valeur efficace, sans nécessiter l'emploi d'un processeur de signal numérique. La demande de brevet des ,U.A. nO 631708, déposée le 17 juillet 1984, décrit un disjoncteur numérique utilisant des techniques d'échantillonnage de courant de crête.On se réfèrera à cette dernière demande pour avoir une description de l'utilisation de transformateurs d'intensité pour échantillonner des courants de phase individuels pour la détermination de la combinaison temps/surintensité, et pour fournir l'énergie d'alimentation nécessaire au processeur numérique. The French patent application filed on the same day by the applicant under the title Circuit breaker using efficient value sampling "describes the advantages of using efficient value sampling under overload conditions, for the precise determination of the time / overcurrent combination, and the use of peak current sampling under short circuit conditions. US patent application no. 743337 filed June 10, 1985 describes a means for performing efficient value calculations, without requiring the use of a digital signal processor. Des, patent application UA No. 631708, filed July 17, 1984, describes a digital circuit breaker using peak current sampling techniques. request for a description of the use of current transformers to sample individual phase currents for the determination of the time combination / overcurrent, and to provide the power supply necessary for the digital processor.

Un moyen connu pour effectuer un échantillonnage de valeur efficace pour une détermination de surintensite exige d'utiliser des transformateurs dlintensite séparés pour chaque phase, pcur alimenter le processeur de signal, ainsi que des transformateurs d'intensité séparés pour chaque phase, pour fournir des valeurs efficaces au processeur de signal, pour la détermination de surintensité. One known means for performing efficient value sampling for overcurrent determination requires the use of separate intensity transformers for each phase, to power the signal processor, as well as separate intensity transformers for each phase, to provide values. signal processor, for determining overcurrent.

La présente invention a pour but de procurer des moyens d'échantillonnage de valeur efficace pour des disjoncteurs électroniques, n'exigeant pas des transformateurs d'in tensité auxiliaires. The present invention aims to provide efficient value sampling means for electronic circuit breakers, not requiring auxiliary current transformers.

L'invention procure un circuit de conditionnement de signal de valeur efficace pour des disjoncteurs électroniques utilisant trois transformateurs d'intensité, c'est-à-dire un pour chaque phase d'un circuit de distribution d'énergie triphasé, avec trois résistances de charge séparées pour ge nérer des signaux de phase individuels pour la détermination de la combinaison temps/surintensité dans un processeur de si signal. Les mêmes transformateurs d'intensité fournissent l'énergie nécessaire à l'alimentation du disjoncteur pour alimenter à la fois le processeur numérique et les composants actifs de coupure de circuit. The invention provides an effective value signal conditioning circuit for electronic circuit breakers using three current transformers, that is to say one for each phase of a three-phase power distribution circuit, with three resistors of separate loads to generate individual phase signals for determining the time / overcurrent combination in a signal processor. The same current transformers supply the energy required to supply the circuit breaker to supply both the digital processor and the active circuit breaker components.

La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent respectivement
Figure 1 : une représentation schématique du circuit de conditionnement de signal de valeur efficace incorporé dans un disjoncteur à module de déclenchement électronique conforme à l'invention ;
Figure 2 : une représentation schématique des composants incorporés dans le disjoncteur de la figure 1
Figure 3 : une représentation schématique d'une autre configuration des composants incorporés dans le disjoncteur de la figure 1 ; et
Figure 4 : une représentation schématique dsune configuration du circuit de la figure 3 conçue pour procurer des fonctions de protection supplémentaires.The following description refers to the accompanying drawings which respectively represent
Figure 1: a schematic representation of the RMS signal conditioning circuit incorporated in a circuit breaker with electronic trip module according to the invention;
Figure 2: a schematic representation of the components incorporated in the circuit breaker of Figure 1
Figure 3: a schematic representation of another configuration of the components incorporated in the circuit breaker of Figure 1; and
Figure 4: a schematic representation of a configuration of the circuit of Figure 3 designed to provide additional protection functions.

La figure 1 montre un disjoncteur 10 qui comprend trois contacts séparables 11 connectés dans chaque phase séparée (A-C) d'un système de distribution d'énergie électrique triphasé dont les courants de phase sont échantillonnés au moyen de transformateurs d'intensité CT1-CT3 et redressés dans un redresseur 17, avant de générer des tensions représentatives de chacun des 3 courants de phase, au moyen de résistances de charge Rb. Les courants de phase fournissent également l'énergie nécessaire à l'alimentation 19 qui alimente le module de déclenchement à circuit intégré 15, ainsi que le circuit d'attaque 14, par une connexion réalisée par la ligne 16. Le circuit d'attaque actionne la bobine de déclenchement 12 au moyen d'un thyristor 13, pour séparer les contacts par l'intermédiaire d'un accouplement fonctionnel représenté par la ligne 7.Le disjoncteur remplit une fonction similaire à celle décrite dans la demande de brevet des E.U.A. nO 631708 précitée, sauf en ce qui concerne les trois conducteurs 18A18C qui appliquent trois échantillons de courant séparés aux résistances de charge Rb, qui sont connectées à la masse par la ligne 8 et à l'alimentation par la ligne 9. Les représentations sous forme de tensions des trois courants de phase séparés sont appliquées par les lignes 18A-18C à l'entrée I IC du module de déclenchement, comme il est indiqué, pour la détermination de la valeur efficace. L'autre borne de l'alimentation 19 est connectée à la borne d'entrée de tension négative du module de déclenchement.Un ensemble d'interrupteurs numériques 30 connectés au module de déclenchement par les lignes 21-29 fournissent les valeurs d'entrée numériques ne- cessaires à la partie de processeur numérique du module de déclenchement, comme il est décrit de façon plus détaillée dans la demande de brevet mentionnée en dernier. Alors que le disjoncteur de la demande de brevet mentionne en dernier uti lise un échantillonnage du courant de crête pour déterminer des conditions de surintensité, l'invention utilise un échantillonnage de la valeur efficace pour de telles déterminations de la combinaison temps/surintensité.Le circuit de condi- tiorneErrt de signal de valeur efficace 6 qui fait partie du disjoncteur 10 est représenté sur la figure 2 sous une forme comprenant des transformateurs d'intensité CT1-CT3 destinés à échantillonner les courants de phase IRA'IL Le redresseur 17 est constitué par trois redresseurs en pont tels que des diodes D1-D4 pour le courant de phase Ic, des diodes D5-D8 pour le courant de phase 1B et des diodes Dg-Dl2 pour le courant de phase IA. Le circuit de résistances de charge Rb comprend trois résistances séparées R -RC connectées en commun par l'une de leurs bornes à la ligne 9 qui est directement con nectée à l'alimentation 19.L'autre borne de chacune des résistances de phase individuelles est connectée au module de déclenchement 15 par des lignes séparées 18A-18C, pour échan tiTlonner chaque -signal--de valeur efficace individuel pour chacune des trois phases. L'alimentation 19 est similaire à celle décrite dans le brevet des E.U.A. nO 4 271 447. L'alimentation comprend fondamentalement un transistor de puissance Darlington 35 dont l'émetteur est connecté aux anodes des diodes D3, D4 par la ligne 33. L'émetteur du transistor de puissance Darlington est également connecté en commun aux anodes des diodes D7, D8, par la ligne 34, et aux anodes des diodes D11, D12, par la ligne 20. La base ou électrode de commande du transistor de puissance est connectee au collecteur d'un transistor bipolaire de commande Q1 dont la base est connectée à la ligne de commande 32. Le collecteur du transistor de puissance et l'émetteur du transistor de commande sont connectés en commun à la ligne 9 et à la borne de sortie positive 30. La borne de sortie négative 31 est con bectée par la diode D13 à l'émetteur du transistor de puissance et aux lignes 20 et 33. FIG. 1 shows a circuit breaker 10 which comprises three separable contacts 11 connected in each separate phase (AC) of a three-phase electrical energy distribution system whose phase currents are sampled by means of current transformers CT1-CT3 and rectified in a rectifier 17, before generating voltages representative of each of the 3 phase currents, by means of load resistors Rb. The phase currents also provide the energy necessary for the power supply 19 which supplies the tripping module with integrated circuit 15, as well as the driving circuit 14, by a connection made by the line 16. The driving circuit actuates the tripping coil 12 by means of a thyristor 13, to separate the contacts by means of a functional coupling represented by line 7. The circuit breaker fulfills a function similar to that described in the patent application of the USA No. 631708 above, except for the three conductors 18A18C which apply three separate current samples to the load resistors Rb, which are connected to ground by line 8 and to supply by line 9. Representations in form voltages of the three separate phase currents are applied by lines 18A-18C to the input I IC of the trip module, as indicated, for the determination of the RMS value. The other terminal of the power supply 19 is connected to the negative voltage input terminal of the trigger module. A set of digital switches 30 connected to the trigger module by lines 21-29 provide the digital input values necessary for the digital processor part of the trigger module, as described in more detail in the last mentioned patent application. While the circuit breaker of the patent application lastly mentions a sampling of the peak current to determine overcurrent conditions, the invention uses a sampling of the effective value for such determinations of the time / overcurrent combination. RMS signal conditioner 6 which is part of the circuit breaker 10 is shown in FIG. 2 in a form comprising CT1-CT3 current transformers intended to sample the phase currents IRA'IL The rectifier 17 is constituted by three bridge rectifiers such as diodes D1-D4 for the phase current Ic, diodes D5-D8 for the phase current 1B and diodes Dg-Dl2 for the phase current IA. The load resistance circuit Rb comprises three separate resistors R -RC connected in common by one of their terminals to line 9 which is directly connected to the power supply 19. The other terminal of each of the individual phase resistors is connected to the trigger module 15 by separate lines 18A-18C, to sample each - signal - of individual effective value for each of the three phases. The power supply 19 is similar to that described in the US patent. No. 4,271,447. The power supply basically comprises a Darlington power transistor 35 whose emitter is connected to the anodes of the diodes D3, D4 by line 33. The emitter of the Darlington power transistor is also connected in common to the anodes of the diodes D7, D8, by line 34, and to the anodes of diodes D11, D12, by line 20. The base or control electrode of the power transistor is connected to the collector of a bipolar control transistor Q1, the base of which is connected to the control line 32. The collector of the power transistor and the emitter of the control transistor are connected in common to line 9 and to the positive output terminal 30. The negative output terminal 31 is connected by the diode D13 to the emitter of the power transistor and to lines 20 and 33.

La figure 3 montre une autre configuration possible pour les composants du circuit de conditionnement de signal de valeur efficace de l'invention, désignée par la référence 5, dans laquelle les transformateurs d'intensité CT1-CT3 et les diodes D 1-D12 sont connectés à la ligne positive 37 qui aboutit à la borne positive 39 par l'intermédiaire de la diode de blocage D13, et ils sont connectés par le circuit de résistances de charge R b à la ligne négative 38 qui aboutit à la borne de ligne négative 41. La résistance de charge RA est connectée entre la ligne négative et la ligne 39 de façon à fournir la représentation sous forme de tension efficace, VA, du courant qui circule dans la première phase du circuit. FIG. 3 shows another possible configuration for the components of the RMS signal conditioning circuit of the invention, designated by the reference 5, in which the current transformers CT1-CT3 and the diodes D 1-D12 are connected to the positive line 37 which terminates in the positive terminal 39 via the blocking diode D13, and they are connected by the load resistance circuit R b to the negative line 38 which terminates in the negative line terminal 41 The load resistor RA is connected between the negative line and the line 39 so as to provide the representation in the form of an effective voltage, VA, of the current flowing in the first phase of the circuit.

Les résistances de charge RB, RC sont connectées à la ligne négative pour fournir par l'intermédiaire des lignes 40, 41 des représentations sous forme de tension efficace des courants qui circulent dans les deux phases restantes. Le transistor de puissance Darlington est connecté par son collecteur à la ligne positive et par son émetteur à la ligne négative
Le transistor de commande Q1 est connecté par sa base à la ligne de commande 32 et à la borne 40, et il est connecté par sa borne de collecteur à la base du transistor de puissance.The load resistors RB, RC are connected to the negative line to provide, via the lines 40, 41, representations in the form of an effective voltage of the currents flowing in the two remaining phases. The Darlington power transistor is connected by its collector to the positive line and by its emitter to the negative line
The control transistor Q1 is connected by its base to the control line 32 and to the terminal 40, and it is connected by its collector terminal to the base of the power transistor.

Les trois bornes 39-41 sont toutes connectées au circuit d'alimentation de la manière décrite précédemment en relation avec la figure 2.The three terminals 39-41 are all connected to the supply circuit as described above in relation to FIG. 2.

La configuration représentée sur la figure 4, qui comprend des résistances de charge supplémentaires RA2-RC2 et des bornes supplémentaires VA2-Vc2, procure une fonction de protection supplémentaire pour le système de distribution d'énergie. Par une orientation correcte des transformateurs d'intensité par rapport aux résistances de charge, on peut déterminer avec précision les valeurs de courant pour le demicycle positif comme pour le demi-cycle négatif. Ceci est utile lorsqu'une fonction de mesure de quantité d'énergie est nécessaire, ainsi que pour des déterminations de facteur de puissance et d'inversion de sens de circulation de l'énergie. The configuration shown in Figure 4, which includes additional load resistors RA2-RC2 and additional terminals VA2-Vc2, provides an additional protection function for the power distribution system. By correct orientation of the current transformers with respect to the load resistors, it is possible to determine with precision the current values for the positive half-cycle as for the negative half-cycle. This is useful when a function for measuring the amount of energy is required, as well as for determinations of power factor and reversal of the direction of energy flow.

L'utilisation de résistances de charge séparées pour contrôler le courant d'un demi-cycle de façon à effectuer une détermination d'inversion de sens de circulation de l'énergie, constitue une caractéristique importante dans la protection de circuits de distribution d'énergie en milieu industriel, du fait que la plupart des dispositifs de protection contre les surintensités sont incapables de déterminer l'apparition d'une inversion du sens de circulation de l'énergie, sous l'effet de laquelle la charge renvoie du courant vers la source, sans augmentation mesurable du courant.The use of separate load resistors to control the current of a half-cycle so as to carry out a determination of reversal of the direction of energy circulation, constitutes an important characteristic in the protection of energy distribution circuits. in an industrial environment, since most overcurrent protection devices are unable to determine the appearance of an inversion of the direction of energy flow, under the effect of which the charge returns current to the source , with no measurable increase in current.

Le circuit de conditionnement de signal de valeur efficace de l'invention procure ainsi des valeurs de tension efficace indépendantes, représentant le courant détecté dans chacune des trois phases, pour effectuer un échantillonnate de valeur efficace d'une manière continue, tout en fournissant l'énergie d'alimentation nécessaire au processeur de signal et aux composants d'interruption, sans nécessiter trois transformateurs d'intensité de phase supplémentaires. L'invention s'applique aussi bien lorsqu'on utilise un micro-ordinateur pour les déterminations de combinaison temps/surintensité, comme dans la demande de brevet française précitée, que lorsqu'on utilise des compteurs réversibles, comme dans le circuit intégré de déclenchement numérique qui est décrit dans la demande de brevet des E.U.A. nO 631708 précitée. The RMS signal conditioning circuit of the invention thus provides independent RMS values, representing the current detected in each of the three phases, to perform RMS sampling continuously, while providing the power supply for the signal processor and interrupt components, without the need for three additional phase intensity transformers. The invention applies as well when using a microcomputer for determinations of time / overcurrent combination, as in the aforementioned French patent application, as when using reversible counters, as in the integrated trip circuit. digital which is described in the US patent application No. 631708 above.

Claims

REVENDICATIONS

1. Circuit de conditionnement de signal pour des disjoncteurs électroniques, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de détection de courant (CT1-CT3) destinés à fournir des valeurs de courant représentatives du courant qui circule dans chacune des trois phases d'un système de distribution d'énergie électrique ; des moyens de coupure de circuit (11, 12, 13, 14) connectés aux trois phases pour interrompre la circulation du courant lorsque les valeurs de courant dépassent des valeurs de surintensité prédéterminées des moyens de traitement de signal (15) connectés aux moyens de détection de courant (CT1-CT3) et aux moyens de coupure de circuit (11, 12, 13, 14), de façon à comparer les valeurs de courant aux valeurs de surintensité prédéterminées, et à actionner par un ordre les moyens de coupure de circuit ; des moyens d'alimentation (19) connectés aux moyens de détection de courant (CT1-CT3), pour recevoir de l'énergie d'alimentation, et connectés aux moyens de coupure de circuit (11, 12, 13, 14) et aux moyens de traitement de signal (15), pour fournir de l'énergie d'alimentation aux moyens de coupure de circuit et aux moyens de traitement de signal ; et un ensemblé de résistances de charge (%) connectees aux moyens de détection de courant (CT1-CT3) et aux moyens de traitement de signal (15), de façon à fournir une représentation sous forme de tension des valeurs de courant précitées, cet ensemble de résistances de charge comprenant trois résistances séparées (RA-RC), chacune d'elles étant connectée dans l'une respective des trois phases, pour fournir une représentation sous forme de tension séparée pour chacune des trois phases. 1. Signal conditioning circuit for electronic circuit breakers, characterized in that it comprises: current detection means (CT1-CT3) intended to supply current values representative of the current flowing in each of the three phases of an electrical energy distribution system; circuit breaker means (11, 12, 13, 14) connected to the three phases for interrupting the flow of current when the current values exceed predetermined overcurrent values of the signal processing means (15) connected to the detection means current (CT1-CT3) and to the circuit breaking means (11, 12, 13, 14), so as to compare the current values with the predetermined overcurrent values, and to actuate by order the circuit breaking means ; supply means (19) connected to the current detection means (CT1-CT3), for receiving supply energy, and connected to the circuit breaking means (11, 12, 13, 14) and to the signal processing means (15) for supplying power to the circuit breaker means and the signal processing means; and a set of load resistors (%) connected to the current detection means (CT1-CT3) and to the signal processing means (15), so as to provide a representation in voltage form of the aforementioned current values, this set of load resistors comprising three separate resistors (RA-RC), each of which is connected in a respective one of the three phases, to provide a separate voltage representation for each of the three phases.

2. Circuit de conditionnement de signal pour des disjoncteurs électroniques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens redresseurs (17) connectés aux moyens de détection de courant (CT1-CT3), pour effectuer un redressement à double alternance des valeurs de courant. 2. Signal conditioning circuit for electronic circuit breakers according to claim 1, characterized in that it comprises rectifier means (17) connected to the current detection means (CT1-CT3), for carrying out a full-wave rectification of the current values.

3. Circuit de conditionnement de signal pour des disjoncteurs électroniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des trois résistances (R 'RC) comprend une paire distincte de première et seconde connexions, et une première connexion de chacune de ces paires de connexions est connectée en commun en un point (9), tandis qu'une seconde connexion (18A, 18B, 18C) de chaque paire de connexions est connectée séparément au processeur de signal (15), pour fournir une représentation séparée de chacune des valeurs de courant pour chacune des trois phases séparées. 3. signal conditioning circuit for electronic circuit breakers according to claim 1, characterized in that each of the three resistors (R 'RC) comprises a separate pair of first and second connections, and a first connection of each of these pairs of connections is connected in common at a point (9), while a second connection (18A, 18B, 18C) of each pair of connections is connected separately to the signal processor (15), to provide a separate representation of each of the values of current for each of the three separate phases.

4. Circuit de conditionnement de signal pour disjoncteurs électroniques selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'alimentation (19) comprend un transistor de puissance (35) ou un autre dispositif à semiconducteur approprié, et en ce qu'un collecteur ou un émetteur de ce transistor de puissance est connecté aux trois résistances, au point commun précité (9). 4. Signal conditioning circuit for electronic circuit breakers according to claim 3, characterized in that the power supply (19) comprises a power transistor (35) or another suitable semiconductor device, and in that a collector or a emitter of this power transistor is connected to the three resistors, at the aforementioned common point (9).

5. Circuit de conditionnement de signal pour disjoncteurs électroniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection de courant comprennent trois transformateurs d'intensité séparés (CT1-CT3). 5. Signal conditioning circuit for electronic circuit breakers according to claim 1, characterized in that the current detection means comprise three separate current transformers (CT1-CT3).

6. Circuit de conditionnement de signal pour disjoncteurs électroniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de résistances de charge (Rb) comprend trois résistances supplémentaires (RA2-RC2), et une résistance supplémentaire est connectée dans chacune des trois phases pour procurer une fonction de mesure de consommation d'énergie et une fonction de protection supplémentaire pour les disjoncteurs. 6. Signal conditioning circuit for electronic circuit breakers according to claim 1, characterized in that the set of load resistors (Rb) comprises three additional resistors (RA2-RC2), and an additional resistor is connected in each of the three phases to provide an energy consumption measurement function and an additional protection function for circuit breakers.