FR2709616A1 - Differential circuit breaker and surge limiter - Google Patents
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Abstract
Description
DISJONCTEUR DIFFERENTIEL ET PARASURTENSEUR
La présente invention concerne un dispositif qui combine les fonctions d'un disjoncteur différentiel et d'un parasurtenseur pour connecter une installation électrique à un réseau électrique.DIFFERENTIAL CIRCUIT BREAKER AND SURGE PROTECTOR
The present invention relates to a device which combines the functions of a residual current device and a surge protector for connecting an electrical installation to an electrical network.
Des disjoncteurs différentiels sont des dispositifs de sécurité électrique bien connus et employés dans une installation électrique pour détecter l'écart entre le courant d'entrée et le courant de sortie de l'installation. Sur un circuit magnétique en forme de tore sont enroulées les bobines des conducteurs de phase et du conducteur neutre. En régime normal, s'il n'y a aucune perte, le flux résultant dans le tore est nul. Si un courant de défaut se produit, par exemple un courant de fuite à la terre à cause d'un court-circuit, le flux résultant n'est plus nul et un flux circule dans le tore. Une bobine secondaire détecte le flux magnétique dans le tore et fournit un courant induit à un circuit de mesure et/ou un mécanisme de déclenchement, qui coupe le courant de l'installation.Differential circuit breakers are well known electrical safety devices used in an electrical installation to detect the difference between the input current and the output current of the installation. On a toroidal magnetic circuit are wound the coils of the phase conductors and the neutral conductor. Under normal conditions, if there is no loss, the resulting flux in the torus is zero. If a fault current occurs, for example a leakage current to earth due to a short circuit, the resulting flux is no longer zero and a flux circulates in the toroid. A secondary coil detects the magnetic flux in the torus and supplies an induced current to a measuring circuit and / or a triggering mechanism, which cuts the current of the installation.
Le terme "parasurtenseur" (qui comprend les parafoudres) désigne un dispositif qui devient conducteur quand la tension dépasse une valeur de seuil et est utilisé pour protéger une installation contre les surtensions qui se présentent sur le réseau secteur. Un parasurtenseur peut comprendre, par exemple, deux diodes Zener montées têtebêche ou un varistor branché entre un conducteur de phase et le conducteur neutre en amont de l'installation.The term "surge protector" (which includes surge arresters) designates a device which becomes conductive when the voltage exceeds a threshold value and is used to protect an installation against overvoltages which occur on the mains supply. A surge protector can include, for example, two Zener diodes mounted head to tail or a varistor connected between a phase conductor and the neutral conductor upstream of the installation.
S'il y a une surtension entre les conducteurs, le parasurtenseur deviendra conducteur et la tension transmise à l'installation ne dépassera pas les limites acceptables. If there is an overvoltage between the conductors, the surge protector will become conductive and the voltage transmitted to the installation will not exceed the acceptable limits.
Des problèmes concernant la sécurité des paratenseurs peuvent se présenter, par exemple, à cause de défaillance des parasurtenseurs ou des courants élevés circulant dans des parasurtenseurs qui peuvent les faire chauffer.Problems with the safety of surge protectors can arise, for example, due to failure of surge protectors or high currents flowing in surge protectors which can cause them to heat up.
En particulier, la plupart des parasurtenseurs ne supportent pas des surtensions se produisant à 50Hz et il peut se produire un risque d'explosion ou d'incendie si de telles surtensions durent longtemps.In particular, most surge protectors do not support overvoltages occurring at 50Hz and there may be a risk of explosion or fire if such overvoltages last a long time.
L'objet de l'invention est ainsi de protéger l'usager contre les défaillances et les défauts des parasurtenseurs et, en particulier, de protéger l'usager contre les défaillances des parasurtenseurs à cause des surtensions sur le réseau secteur ayant une fréquence élevée, par exemple, des surtensions à 50 Hz.The object of the invention is thus to protect the user against the failures and faults of the surge protectors and, in particular, to protect the user against the failures of the surge protectors due to overvoltages on the mains network having a high frequency, for example, overvoltages at 50 Hz.
La présente invention est caractérisée en ce qu'elle comprend un disjoncteur différentiel ayant un tore magnétique, un circuit primaire comprenant au moins un enroulement d'un conducteur neutre et au moins un enroulement d'un ou plusieurs conducteurs de phase, un circuit secondaire pour détecter le flux magnétique circulant dans le tore pour fournir un signal à un mécanisme de déclenchement pour couper le courant de l'installation, le dispositif comprenant également au moins un parasurtenseur relié entre le conducteur neutre et un conducteur de phase, les enroulements du circuit primaire et le parasurtenseur étant choisis et connectés de telle sorte qu'un flux résultant soit induit dans le tore si le parasurtenseur est dans un état passant ou si l'intensité du courant total entrant dans l'installation via le conducteur de phase ou les conducteurs de phase n'est pas égale à l'intensité du courant sortant de l'installation via le conducteur neutre. The present invention is characterized in that it comprises a differential circuit breaker having a magnetic toroid, a primary circuit comprising at least one winding of a neutral conductor and at least one winding of one or more phase conductors, a secondary circuit for detecting the magnetic flux circulating in the torus to provide a signal to a triggering mechanism to cut the current of the installation, the device also comprising at least one surge protector connected between the neutral conductor and a phase conductor, the windings of the primary circuit and the surge protector being chosen and connected so that a resulting flux is induced in the toroid if the surge protector is in a conducting state or if the intensity of the total current entering the installation via the phase conductor or conductors phase is not equal to the intensity of the current leaving the installation via the neutral conductor.
Par ces moyens, la présente invention fournit un dispositif simple qui combine les fonctions d'un disjoncteur différentiel conventionnel et d'un parasurtenseur, le dispositif pouvant détecter le fonctionnement du parasurtenseur par la génération d'un flux dans le tore du disjoncteur pour couper le courant de l'installation et protéger le parasurtenseur.By these means, the present invention provides a simple device which combines the functions of a conventional differential circuit breaker and a surge protector, the device being able to detect the operation of the surge protector by generating a flux in the toroid of the circuit breaker to cut the installation current and protect the surge protector.
Ainsi, le risque d'incendie ou explosion à cause de défaillance ou défaut du parasurtenseur est évité.Thus, the risk of fire or explosion due to failure or fault of the surge protector is avoided.
De préférence, le dispositif comprend également des moyens de temporisation reliés entre le circuit secondaire et le mécanisme de déclenchement afin que le fonctionnement du mécanisme de déclenchement dépende de la durée du flux circulant dans le tore.Preferably, the device also comprises timing means connected between the secondary circuit and the triggering mechanism so that the operation of the triggering mechanism depends on the duration of the flow circulating in the torus.
Par ces moyens, l'appareil évite des déclenchements indésirables du disjoncteur, par exemple, où le parasurtenseur répond à une surtension d'une durée brève et où il n'y a aucun risque d'échauffement du parasurtenseur, mais continue à surveiller les conditions dangeureuses, c'est-à-dire, l'opération continuelle du parasurtenseur à cause de défauts ou à cause des surtensions d'une longue durée.By these means, the device avoids unwanted trips of the circuit breaker, for example, where the surge protector responds to a short-term overvoltage and where there is no risk of overheating of the surge protector, but continues to monitor the conditions dangerous, that is to say, the continuous operation of the surge protector because of faults or because of long-term overvoltages.
Selon un mode de réalisation, les moyens de temporisation comprennent des moyens pour fournir un signal au mécanisme de déclenchement pour couper le courant quand le signal du circuit secondaire est plus élevé qu'une valeur de seuil pour une période de temps prédéterminée.According to one embodiment, the delay means comprise means for supplying a signal to the trigger mechanism to cut off the current when the signal from the secondary circuit is higher than a threshold value for a predetermined period of time.
Cependant, de préférence, les moyens de temporisation comprennent un intégrateur relié entre le circuit secondaire et le mécanisme de déclenchement, ce dernier fonctionnant pour couper le courant quand le signal de l'intégrateur dépasse une valeur de seuil prédéterminée. Les moyens pour détecter que la valeur de seuil est dépassée peut comprendre un amplificateur différentiel qui compare la valeur du signal de l'intégrateur avec une valeur de tension référence et qui fournit un signal aux moyens de déclenchement. Egalement le mécanisme de déclenchement lui-même peut comprendre de tels moyens.However, preferably, the delay means comprise an integrator connected between the secondary circuit and the trigger mechanism, the latter operating to cut the current when the signal from the integrator exceeds a predetermined threshold value. The means for detecting that the threshold value is exceeded may comprise a differential amplifier which compares the value of the signal from the integrator with a reference voltage value and which supplies a signal to the triggering means. Also the trigger mechanism itself can include such means.
Ce mode de réalisation facilite la détection des surtensions dangereuses ayant une amplitude moyenne mais qui durent relativement longtemps. Egalement, l'appareil détecte les défauts du parasurtenseur où ce dernier est dans un état passant constant, mais évite le déclenchement du disjoncteur à cause des surtensions singulières d'une brève durée (des pointes de tension) qui sont supprimées par le parasurtenseur sans aucun problème.This embodiment facilitates the detection of dangerous overvoltages having an average amplitude but which last relatively long. Also, the device detects faults in the surge protector where the latter is in a constant on state, but avoids tripping of the circuit breaker because of singular short-term overvoltages (voltage spikes) which are suppressed by the surge protector without any problem.
La connexion du parasurtenseur et des enroulements du circuit primaire peut être réalisée de façons différentes.The connection of the surge protector and the windings of the primary circuit can be carried out in different ways.
Selon un mode de réalisation, l'enroulement du conducteur de phase comprend deux parties, le sens de l'enroulement de l'une des parties étant inverse du sens de l'autre, et le parasurtenseur étant relié entre un point qui se trouve entre les deux parties et un point du conducteur neutre. Le nombre de spires des parties de l'enroulement du conducteur de phase et l'enroulement du conducteur neutre peut être choisi afin que le flux résultant circulant dans le tore soit nul quand le parasurtenseur est dans un état nonpassant. Quand une surtension se présente et que le parasurtenseur est dans un état passant, le courant circulant dans l'enroulement aval de la connexion du parasurtenseur sera diminué, le circuit ne sera plus équilibré et le flux circulant dans le tore ne sera plus nul. D'autres arrangements des enroulements du circuit primaire et du parasurtenseur qui produisent le même effet sont possibles. According to one embodiment, the winding of the phase conductor comprises two parts, the direction of the winding of one of the parts being opposite to the direction of the other, and the surge arrester being connected between a point which is between the two parts and a point of the neutral conductor. The number of turns of the parts of the winding of the phase conductor and the winding of the neutral conductor can be chosen so that the resulting flux flowing in the toroid is zero when the surge arrester is in a non-passing state. When an overvoltage occurs and the surge protector is in a passing state, the current flowing in the winding downstream of the surge protector connection will be reduced, the circuit will no longer be balanced and the flux flowing in the toroid will no longer be zero. Other arrangements of the windings of the primary circuit and the surge protector which produce the same effect are possible.
Selon un mode de réalisation pour utilisation avec un réseau multiphase, le dispositif comprends plusieurs conducteurs de phase, chaque conducteur ayant un enroulement appartenant au circuit primaire, et un parasurtenseur relié entre chaque conducteur de phase et le conducteur neutre, les enroulements du circuit primaire et les parasurtenseurs étant arrangés afin qu'un flux résultant soit induit dans le tore si un parasurtenseur quelconque est dans un état passant ou si l'intensité totale du courant entrant dans l'installation via les conducteurs de phase n'est pas égale à l'intensité du courant sortant de l'installation via le conducteur neutre, par exemple s'il y a un défaut à la terre sur un conducteur de phase quelconque ou sur le conducteur neutre.According to an embodiment for use with a multiphase network, the device comprises several phase conductors, each conductor having a winding belonging to the primary circuit, and a surge protector connected between each phase conductor and the neutral conductor, the windings of the primary circuit and the surge arresters being arranged so that a resulting flux is induced in the toroid if any surge arrester is in a passing state or if the total intensity of the current entering the installation via the phase conductors is not equal to the intensity of the current leaving the installation via the neutral conductor, for example if there is an earth fault on any phase conductor or on the neutral conductor.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs.The invention will be better understood on reading the following description of several embodiments of the invention given by way of non-limiting examples.
La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles
La Figure 1 représente un dispositif combinant les fonctions d'un disjoncteur différentiel et un parasurtenseur pour utilisation avec un réseau électrique monophase, selon un premier mode de réalisation de l'invention;
La Figure 2 montre d'autres arrangements des enroulements du circuit primaire et le parasurtenseur du dispositif de la
Figure 1.The description refers to the appended figures in which
Figure 1 shows a device combining the functions of a differential circuit breaker and a surge protector for use with a single-phase electrical network, according to a first embodiment of the invention;
Figure 2 shows other arrangements of the primary circuit windings and the surge protector of the
Figure 1.
La Figure 3 montre un dispositif pour utilisation avec un réseau électrique triphasé selon un autre mode de réalisaton de l'invention. Figure 3 shows a device for use with a three-phase electrical network according to another embodiment of the invention.
Comme le montre la Figure 1, le dispositif comporte un disjoncteur différentiel 1 avec un parasurtenseur 2. Le disjoncteur différentiel comprend un tore magnétique 3, un circuit primaire 4 comprenant un premier enroulement en deux parties 5 et 6 appartenant à un conducteur de phase P et un deuxième enroulement 7 appartenant à un conducteur neutre N. Les conducteurs P et N peuvent être reliés entre les lignes d'un réseau électrique et une installation électrique. Le disjoncteur comprend également un circuit secondaire 8 qui fournit un signal à un redresseur 9 relié par un intégrateur 10, comprenant une résistance 11 et un condensateur 12, à un mécanisme de déclenchement 13.As shown in FIG. 1, the device comprises a differential circuit breaker 1 with a surge protector 2. The differential circuit breaker comprises a magnetic toroid 3, a primary circuit 4 comprising a first winding in two parts 5 and 6 belonging to a phase conductor P and a second winding 7 belonging to a neutral conductor N. The conductors P and N can be connected between the lines of an electrical network and an electrical installation. The circuit breaker also includes a secondary circuit 8 which supplies a signal to a rectifier 9 connected by an integrator 10, comprising a resistor 11 and a capacitor 12, to a tripping mechanism 13.
Le parasurtenseur 2 et le mécanisme de déclenchement 13 sont des dispositif conventionnels et bien connus de l'homme de métier et ne seront pas décrits.The surge protector 2 and the trigger mechanism 13 are conventional devices and well known to those skilled in the art and will not be described.
La première partie 5 et la deuxième partie 6 de l'enroulement 4 possède respectivement 2T spires et T spires. L'enroulement 7 du conducteur neutre N possède T spires. Le sens des enroulements 5, 6 et 7 est choisi pour que le flux circulant dans le tore 3 soit proportionnel à 2T.12 - T.Il - T.In où I2 et li, sont les courants circulant dans les enroulements respectivement 5 et 6 et In est le courant circulant dans l'enroulement 7.The first part 5 and the second part 6 of the winding 4 have respectively 2T turns and T turns. The winding 7 of the neutral conductor N has T turns. The direction of the windings 5, 6 and 7 is chosen so that the flow flowing in the torus 3 is proportional to 2T.12 - T.Il - T.In where I2 and li, are the currents flowing in the windings respectively 5 and 6 and In is the current flowing in the winding 7.
En régime normal, sans surtension ou fuite à la terre, l'intensité du courant entrant dans une installation électrique sur la ligne P est égale à l'intensité du courant sortant de l'installation sur la ligne neutre N, c'est-à-dire I2 = I1 = In et le flux résultant dans le tore est nul.In normal operation, without overvoltage or earth leakage, the intensity of the current entering an electrical installation on line P is equal to the intensity of the current leaving the installation on neutral line N, i.e. - say I2 = I1 = In and the resulting flux in the torus is zero.
S'il y a une fuite à la terre, par exemple à cause d'un court circuit du conducteur de phase, l'intensité du courant circulant dans la ligne neutre diminue et le flux circulant dans le tore est proportionnel à Ip - In, où Ip = I1 = 12. Dans ce cas, un courant est induit dans la bobine du circuit secondaire 8 à une fréquence correspondant à la fréquence du réseau électrique. Ce courant est redressé par le redresseur 9 et le signal redressé est intégré par l'intégrateur. Quand le signal fourni au mécanisme de déclenchement dépasse la valeur de seuil du mécanisme, le mécanisme se déclenche et le courant de l'installation est coupé. Ainsi, le dispositif fonctionne comme un disjoncteur conventionnel.If there is a ground leak, for example due to a short circuit of the phase conductor, the intensity of the current flowing in the neutral line decreases and the flux flowing in the toroid is proportional to Ip - In, where Ip = I1 = 12. In this case, a current is induced in the coil of the secondary circuit 8 at a frequency corresponding to the frequency of the electrical network. This current is rectified by the rectifier 9 and the rectified signal is integrated by the integrator. When the signal supplied to the trigger mechanism exceeds the threshold value of the mechanism, the mechanism is triggered and the installation current is cut. Thus, the device functions like a conventional circuit breaker.
S'il y a une surtension sur les lignes et que le parasurtenseur est dans un état passant, l'intensité du courant I1 sera moins élevée que l'intensité du courant I2 et le courant In, et le flux résultant dans le tore ne sera plus nul. Pour une surtension d'une durée brève, par exemple une pointe de tension, le signal intégré par l'intégrateur 10 ne dépassera pas la valeur de seuil du mécanisme de déclenchement.If there is an overvoltage on the lines and the surge protector is in a conducting state, the intensity of the current I1 will be lower than the intensity of the current I2 and the current In, and the resulting flux in the torus will not be no longer zero. For a short-term overvoltage, for example a voltage spike, the signal integrated by the integrator 10 will not exceed the threshold value of the triggering mechanism.
Ainsi, le dispositif évite des déclenchements indésirables où le paratenseur a réagi correctement à une surtension.Thus, the device avoids unwanted trips where the surge suppressor reacted correctly to a surge.
Cependant, s'il y a une surtension à la fréquence du réseau qui dure longtemps le signal à la sortie de l'intégrateur augmente jusqu'à ce que la valeur de seuil du mécanisme de déclenchement soit dépassée et que le courant de l'installation soit coupé. Egalement, s'il y a un défaut du parasurtenseur où le parasurtenseur est dans un état passant constant celui-ci sera détecté et le mécanisme de déclenchement coupera le courant de l'installation. Le délai à cause de l'intégrateur peut être déterminé selon la valeur de fréquence du réseau et les valeurs des composants de l'intégrateur.However, if there is an overvoltage at the frequency of the network which lasts a long time, the signal at the output of the integrator increases until the threshold value of the triggering mechanism is exceeded and the current of the installation. either cut. Also, if there is a fault in the surge protector where the surge protector is in a constant on state, this will be detected and the tripping mechanism will cut the current of the installation. The delay due to the integrator can be determined according to the frequency value of the network and the values of the components of the integrator.
La connexion du parasurtenseur et des enroulements du circuit primaire peuvent être réalisés de façons différentes.The connection of the surge protector and the windings of the primary circuit can be made in different ways.
La Figure 2 représente de façon schématique d'autres arrangements des enroulements 5, 6, 7 avec le paratenseur 2. Le nombre des spires de chaque enroulement est montré par T,2T etc. avec un signe qui indique le sens du flux induit dans le tore quand un courant circule dans le conducteur approprié en régime normal. Dans chaque cas, le flux dans le tore est nul sauf s'il y a une différence entre l'intensité des courants sur les conducteurs de phase et neutre ou si le parasurtenseur fonctionne.Figure 2 schematically shows other arrangements of the windings 5, 6, 7 with the paratensor 2. The number of turns of each winding is shown by T, 2T etc. with a sign which indicates the direction of the flow induced in the torus when a current flows in the appropriate conductor under normal conditions. In each case, the flux in the torus is zero unless there is a difference between the intensity of the currents on the phase and neutral conductors or if the surge protector is working.
La Figure 3 représente de façon schématique un arrangement des enroulements du circuit primaire et des parasurtenseurs d'un mode de réalisation pour utilisation avec un réseau multiphase. Les autres éléments du dispositif de ce mode de réalisation sont indentiques aux éléments de la Figure 1 et ne sont pas montrés. Chaque conducteur de phase P1, P2, P3 possède un enroulement ayant deux parties 5, 6 enroulées autour d'un tore commun avec l'enroulement 7 de la ligne neutre N. Le nombre des spires et le sens du flux induit dans le tore par chaque enroulement sont montrés. En régime normal l'intensité normale des courants entrant dans l'installation sur les conducteurs de phase P1,
P2, P3 est égale à l'intensité du courant sortant de l'installation sur le conducteur neutre N. Dans ce cas le flux total induit par tous les enroulements des conducteurs de phase est égal et opposé au flux induit par l'enroulement seul du conducteur neutre et le flux résultant du tore est nul.Figure 3 shows schematically an arrangement of the windings of the primary circuit and surge protectors of an embodiment for use with a multiphase network. The other elements of the device of this embodiment are identical to the elements of Figure 1 and are not shown. Each phase conductor P1, P2, P3 has a winding having two parts 5, 6 wound around a common torus with winding 7 of the neutral line N. The number of turns and the direction of flow induced in the torus by each winding are shown. In normal operation, the normal intensity of the currents entering the installation on the P1 phase conductors,
P2, P3 is equal to the intensity of the current leaving the installation on the neutral conductor N. In this case the total flux induced by all the windings of the phase conductors is equal and opposite to the flux induced by the winding alone of the neutral conductor and the flux resulting from the torus is zero.
S'il y a un défaut à la terre sur un conducteur de phase quelconque ou si un parasurtenseur quelconque est dans un état passant le circuit magnétique ne sera plus équilibré et un flux résultant sera induit dans le tore. If there is an earth fault on any phase conductor or if any surge protector is in a passing state, the magnetic circuit will no longer be balanced and a resulting flux will be induced in the toroid.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |