FR2697384A1

FR2697384A1 - Device for protecting electrical distribution network against abnormal voltages - uses voltage monitoring circuits to operate circuit-breaker, preventing reclosure for prescribed time after abnormalities disappear

Info

Publication number: FR2697384A1
Application number: FR9212766A
Authority: FR
Inventors: Chappus Philippe; Darnaud Guy; Gonzalez Serge; Petry Gerard; Vanderbosse Pierre
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1992-10-27
Filing date: 1992-10-27
Publication date: 1994-04-29
Anticipated expiration: 2012-10-27
Also published as: FR2697384B1

Abstract

In the device phase voltage (RPh/RN), transformed (2) and rectified (3), gives a 30 V DC output, which, filtered (4,7,8) and regulated (6), provides a 12 V power supply (Vcc). The transformer sec. voltage is applied (9) to paired photo-transistors (10), acting as a zero-phase detector which provides one line (11) to a NAND-gate (13). The other line (22) derives from an overvoltage detector, a subtractor (18) with associated Zener diodes (19,20). The gate output, inverted (39), drives a transistor switching unit (23,24), energising the circuit-breaker (27) operating coil (26), so interrupting the main circuit. It is also (29) applied to a NAND-gate (30) whose other input is the subtractor output, inverted (31). This gate initiates the delay unit (33) which (34,35) resets the circuit-breaker control circuit (23), provided the original overvoltage has disappeared. USE - Esp. for neutral voltage displacements.

Description

DISPOSITIF DE PROTECTION D'UN RESEAU ELECTRIQUE
CONTRE DES ANOMALIES DE TENSION
DESCRIPTION
La présente invention concerne un dispositif de protection d'un réseau électrique contre des anomalies de tension.PROTECTION DEVICE OF AN ELECTRICAL NETWORK
AGAINST VOLTAGE ABNORMALITIES
DESCRIPTION
The present invention relates to a device for protecting an electrical network against voltage anomalies.

Les réseaux électriques usuels sont protégés contre les surchages électriques et les courts-circuits par des disjoncteurs, mais ces dispositifs sont inopérant s quand un e surtensi on appa ra9 t su r le réseau : une telle situation est ainsi produite quand la ligne de neutre du réseau prend un potentiel électrique anormal après une coupure, un contact accidentel d'un objet extérieur ou une ;se à un autre potentiel. On arrive alors souvent à une condition de ne ut r e f I ott an t , où la 1 i gn e d e ne ut r e es t à un potentiel arbitraire déterminé entre autres par les appareils en service chez les autres abonnés du réseau. The usual electrical networks are protected against electrical overloads and short-circuits by circuit breakers, but these devices are inoperative when an overvoltage occurs on the network: such a situation is thus produced when the neutral line of the network takes an abnormal electrical potential after a cut, an accidental contact of an external object or a to another potential. We often arrive at a condition of ne ut r e f I ott an t, where the 1 i gn e of ne ut r e is at an arbitrary potential determined inter alia by the devices in service with other subscribers of the network.

Ces apparei Is qui sont en servi ce sur le réseau risquent d'être endommagés par les surtensions. Les sous-tensions qui peuvent aussi apparaître sont également nuisibles pour certains apparei Is.These Is devices that are used on the network may be damaged by overvoltages. Undervoltage which can also appear is also harmful for certain Is devices.

Il existe des dispositifs, dont le brevet français 2 671 240 illustre une réalisation, qui permettent de détecter les surtensions dues aux variations du potentiel de neutre et d'ouvrir le disjoncteur, mais le fonctionnement du réseau est interrompu jusqu a ce que le disjoncteur soit réarmé, même si l'anomalie n'est que de courte durée, et l'invention est précisément relative à un dispositif conçu pour que le réseau soit remis en service quand la situation le permet de nouveau. Le dispositif comprend un moyen de mesure des anomalies de tension entre deux
lignes du réseau ainsi qu'un moyen de commande comprenant un relais composé d'un interrupteur apte à fermer ou ouvrir une ligne du réseau et d'une bobine de commande de l'interrupteur, qui est excitée dès qu'une anomalie de tension apparaît et commande l'ouverture de
l'interrupteur.There are devices, of which French patent 2,671,240 illustrates an embodiment, which make it possible to detect overvoltages due to variations in the neutral potential and to open the circuit breaker, but the operation of the network is interrupted until the circuit breaker is rearmed, even if the anomaly is only of short duration, and the invention relates precisely to a device designed so that the network is put back into service when the situation allows it again. The device includes a means of measuring voltage anomalies between two
network lines as well as a control means comprising a relay composed of a switch able to close or open a network line and a switch control coil, which is energized as soon as a voltage anomaly occurs and orders the opening of
the switch.

Il est cependant nécessaire de se prémunir contre un danger. Dans Les conditions habituelles de neutre flottant branché sur un réseau de courant alternatif, le potentiel du neutre varie sans cesse et passe très souvent par sa valeur normale. Il ne faut pas que le dispositi f interprète ce passage comme un r établissement de l'état normal du réseau et relâche alors l'interrupteur, car le réseau et la charge qu'il alimente subiraient d'incessantes commutations d'ouverture et de fermeture. It is however necessary to guard against a danger. Under the usual conditions of floating neutral connected to an alternating current network, the potential of the neutral varies constantly and very often passes through its normal value. The device must not interpret this passage as a re-establishment of the normal state of the network and then releases the switch, because the network and the load which it supplies would undergo incessant switching operations of opening and closing .

C'est pourquoi le dispositif comprend encore une minuterie qui maintient la bobine excitée pendant un temps minimal après la disparition de l'anomalie. This is why the device also includes a timer which keeps the coil energized for a minimum time after the anomaly has disappeared.

Avantageusement, le dispositif comprend encore un détecteur de zéro faisant office de temporisateur qui ne permet l'excitation de la bobine que quand une différence de potentiel inférieure à un seuil existe entre les lignes du réseau : on tolère des anomalies de tension brèves sur le réseau, que le dispositif n'ouvre que quand un faible courant y circule, afin d'éviter des arcs et des phénomènes analogues. Advantageously, the device also comprises a zero detector acting as a timer which allows the excitation of the coil only when a potential difference below a threshold exists between the lines of the network: brief voltage anomalies on the network are tolerated , that the device only opens when a weak current flows through it, in order to avoid arcs and similar phenomena.

Les moyens de mesure et de commande peuvent être conçus pour fonctionner pou r des sous-tensions du réseau comme pour des surtensions. The measurement and control means can be designed to operate for network undervoltages as for overvoltages.

On va maintenant décrire une réalisation non
limitative de l'invention plus en détail à l'aide des figures suivantes
- la figure 1 est une vue du dispositif, et
- la figure 2 i Illustre une variante du dispositif, et
- la figure 3 i Illustre une application du dispositif.We will now describe an achievement not
limiting of the invention in more detail using the following figures
FIG. 1 is a view of the device, and
FIG. 2 i illustrates a variant of the device, and
- Figure 3 i illustrates an application of the device.

Le dispositif comprend un raccord RN à la ligne de neutre e t un raccord RPh à une ligne de phase du réseau. On trouve successivement entre ces raccords et en parallèle à une diode de type Transi I 1 qui absorbe les surtensions de haute fréquence, un transformateur à saturation 2 qui écrête la tension de sortie à 30 volts, un pont redresseur 3, un condensateur 4 de fi Itrage , un voyant lumineux 5 en série avec une résistance et drldicateur du bon état de
l'alimentation, un régulateur de tension 6 et deux autres condensateurs 7 et 8 de filtrage en parallèle.The device comprises an RN connection to the neutral line and an RPh connection to a network phase line. There are successively between these connections and in parallel to a Transi I 1 type diode which absorbs high frequency overvoltages, a saturation transformer 2 which peaks the output voltage at 30 volts, a rectifier bridge 3, a capacitor 4 of fi Image, a 5 indicator light in series with a resistance and indicator of good condition
the power supply, a voltage regulator 6 and two other capacitors 7 and 8 for filtering in parallel.

Tous ces dispositifs ont pour but de transforme r la tension alternative entre les raccords RN et RPh en une tension d'alimentation VC C presque parfaitement continue à L'extrémité du raccord de phase RPh, l'extrémité du raccord au neutre Rn étant mise à la masse M. La va leur de cette tension d 'alimentation VCC peut être de 12 volts si la tension entre les raccords est de 240 volts, et s'élève dans le même rapport jusqu'à 30 volts si une surtension apparaît au réseau.The aim of all these devices is to transform the alternating voltage between the RN and RPh connections into a supply voltage VC C which is almost perfectly continuous at the end of the phase connection RPh, the end of the connection to neutral Rn being set to the mass M. The value of this supply voltage VCC can be 12 volts if the voltage between the connections is 240 volts, and rises in the same ratio up to 30 volts if an overvoltage appears on the network.

Un circuit 9 est branché aux raccords RN et
RPh, entre le transformateur à saturation 2 et le pont redresseur 3. Il est ramifié en deux boucles dont chacune porte une photodiode d'un composant MOC 10 dont les phototransistors sont situés sur un circuit 11 et branchés entre l'alimentation VCC et la masse M via une résistance 12. De p lus les émetteurs des deux phototransistors sont tous deux branchés à une borne d'entrée d'une porte NON-ET 13. Quand une différence de tension existe entre les raccords RN et RPh, une des photodiodes est traversée par du courant (et une seule, car elles sont situées tête-bêche sur les boucles du circuit 9) et le phototransistor associé à cette photodiode devient passant.La borne d'entrée de la porte N ON-E T 13 est mi se sens i b le men t a u potentiel de la masse M, c'est-à-dire à l'état logique égal à 0. Si les tensions dans les raccords RN et RPh sont comparables, les deux transistors sont bloquants et la borne d'entrée de la porte NON-ET 13 est mise à un potentiel plus proche de la tension d'alimentation VCC, correspondant à un état logique 1.A circuit 9 is connected to the RN connections and
RPh, between the saturation transformer 2 and the rectifier bridge 3. It is branched into two loops, each of which carries a photodiode of an MOC component 10 whose phototransistors are located on a circuit 11 and connected between the VCC power supply and ground M via a resistor 12. In addition, the emitters of the two phototransistors are both connected to an input terminal of a NAND gate 13. When a voltage difference exists between the RN and RPh connections, one of the photodiodes is crossed by current (and only one, because they are located head to tail on the loops of circuit 9) and the phototransistor associated with this photodiode becomes conducting. The input terminal of gate N ON-E T 13 is mi se sense ib the potential men tau of the mass M, that is to say in the logic state equal to 0. If the voltages in the connections RN and RPh are comparable, the two transistors are blocking and the input terminal of the NAND gate 13 is brought to a closer potential e of the supply voltage VCC, corresponding to a logic state 1.

Un autre circuit 14 est branché par une extrémité au raccord de phase RPh entre le pont redresseur 3 et le condensateur 4. Il comprend un condensateur 15, mis par ailleurs à la masse M et qui fait office de filtre passe-bas pour éliminer les surtensions de haute fréquence, un potentiomètre 16 en parallèle au condensateur 15, et la ligne 17 connectée au contact mobile du potentiomètre 16 est reliée à la borne positive d-'un soustracteur 18 ; une diode Zener 19 reliée à la masse M permet de limiter à 12 volts la tension sur la ligne 17. Another circuit 14 is connected at one end to the phase connection RPh between the rectifier bridge 3 and the capacitor 4. It comprises a capacitor 15, furthermore grounded M and which acts as a low-pass filter to eliminate overvoltages of high frequency, a potentiometer 16 in parallel with the capacitor 15, and the line 17 connected to the movable contact of the potentiometer 16 is connected to the positive terminal of a subtractor 18; a Zener diode 19 connected to ground M makes it possible to limit the voltage on line 17 to 12 volts.

La tension d'alimentation VCC est reliée à la borne d'entrée négative du soustracteur 18, et une autre diode Zener 20 reliée à la masse M fixe à 6 volts la tension sur la ligne 21 correspondante. The supply voltage VCC is connected to the negative input terminal of the subtractor 18, and another Zener diode 20 connected to the ground M fixes the voltage on the corresponding line 21 at 6 volts.

Le potentiomètre 16 permet d'obtenir le
réglage de seuil souhaité : des que la tension sur la li gn e 1 7 dépasse 6 volt s e n conséquence d'une surtension sur le raccord de phase RPh, un état logique
1 apparaît à la sorti e du soustracteur 18 et est
appliqué par une Ligne 22 à l'autre borne d'entrée de la porte NON-ET 13.The potentiometer 16 provides the
desired threshold setting: as soon as the voltage on line 1 7 exceeds 6 volts due to an overvoltage on the phase connection RPh, a logic state
1 appears at the exit e from subtractor 18 and is
applied by a Line 22 to the other input terminal of the NAND gate 13.

Un signal de sortie à l'état logique O apparat à La sortie de la porte NON-ET 13 seulement quand ses deux bornes d'entrée sont à la valeur 1, c 'est-à-dire quand une surtension entre les raccords de p ha se RPh e t de neut re RN, exprimée en valeur efficace et mesurée sur une tension redressée, coïncide avec un passage du potentiel si nusoida I du raccord de phase RPh au potentiel du raccord de neutre RN. La coupure du réseau qui est maintenant commandée e t dont on va décrire le procédé intervient donc à un moment où le courant ne circule pas ou guère dans le réseau.Le signal de sortie de la porte NON-ET 13 est appliqué aux deux bornes d'entrée d'une seconde porte NON-ET 39 qui joue le rôle d 'inverseur, et un signal positif est donc émis vers une bascule 23, qui communique un signal d'état logique 1 à la base d'un transistor 24 branché par une ligne 25 entre la tension d'alimentation VCC et la masse M. Le transistor 24 devient passant et laisse le courant circuler à travers la ligne 25, sur laquelle une bobine 26 de relais est placée. La bobine 26 est excitée et déplace un interrupteur 27 qui ouvre la ligne de phase Ph du réseau électrique. An output signal in the logic state O appears at the output of the NAND gate 13 only when its two input terminals are at the value 1, that is to say when an overvoltage between the connections of p ha se RPh and neutral NR, expressed in rms value and measured on a rectified voltage, coincides with a transition from the potential if nusoida I of the phase connection RPh to the potential of the neutral connection RN. The cut of the network which is now controlled and whose method will be described therefore occurs at a time when the current does not circulate or hardly in the network. The output signal of the NAND gate 13 is applied to the two terminals of input of a second NAND gate 39 which acts as an inverter, and a positive signal is therefore sent to a flip-flop 23, which communicates a logic state signal 1 at the base of a transistor 24 connected by a line 25 between the supply voltage VCC and ground M. The transistor 24 turns on and lets current flow through line 25, on which a relay coil 26 is placed. The coil 26 is energized and moves a switch 27 which opens the phase line Ph of the electrical network.

Un voyant lumineux 28 disposé sur la ligne 25 signale cet état d'excitation de la bobine 26 et d'activité du dispositif. Il est de préférence bicolore et prend la couleur verte quand le transistor 24 est bloquant, et la couleur rouge quand l'interrupteur 27 est ouvert. Il est cependant éteint quand le dispositif est hors de service et que la tension d'alimentation
VCC est défaillante. Une diode 36 parallèle à la bobine 26 empêche la destructio n du transistor 24 en écrêtant les surtensions.An indicator light 28 placed on line 25 signals this state of excitation of the coil 26 and activity of the device. It is preferably two-tone and takes the color green when the transistor 24 is blocking, and the color red when the switch 27 is open. However, it is switched off when the device is out of service and the supply voltage
VCC has failed. A diode 36 parallel to the coil 26 prevents the destructio n of the transistor 24 by clipping the overvoltages.

Le signal de La bascule 23 est également envoyé par une ligne 29 à une borne d'entrée d'une porte NON-ET 30 dont l'autre borne d'entrée est reliée à la sortie du soustracteur 18, via une porte NON-ET préliminaire 31 jouant le rôle d' inverseur puisque ses deux bornes d'entrée sont reliées à la sorti e du soustracteur 18. The signal from flip-flop 23 is also sent by a line 29 to an input terminal of a NAND gate 30, the other input terminal of which is connected to the output of the subtractor 18, via a NAND gate. preliminary 31 playing the role of inverter since its two input terminals are connected to the output e of the subtractor 18.

Une troisième porte NON-ET 32 faisant office d'inverseur d'état logique est disposée à la sortie de la porte NON-ET 30 et on trouve ensuite une minuterie 33 qui n'émet, en réponse à un signal positif reçu de la porte NON-ET 32, un signal positif sur une ligne de sorti e 34 qu'après un temps déterminé qui peut être de quelques secondes seulement.La ligne de sortie 34 est reliée à la base d'un transistor 35 qui devient passant a lors et laisse du courant passer par son émetteur et son collecteur, qui sont situés entre la tension d 'alimentation VCC et la bascule 23 ; cette dernière interrompt l'état positif à sa sortie : transistor 24 et la bobine 26 sont remis au repos et la ligne de phase Ph est remise en service, à moins que les conditions d'anomalie du réseau, exprimées par un état logique égal à 1 à la sorti e des portes NON-ET 39 et 32, ne subsistent. A third NAND gate 32 acting as a logic state reverser is disposed at the output of the NAND gate 30 and there is then a timer 33 which does not emit, in response to a positive signal received from the gate NAND 32, a positive signal on an output line 34 only after a determined time which can be only a few seconds. The output line 34 is connected to the base of a transistor 35 which becomes on at allows current to pass through its transmitter and its collector, which are located between the supply voltage VCC and the flip-flop 23; the latter interrupts the positive state at its output: transistor 24 and the coil 26 are put back to rest and the phase line Ph is put back into service, unless the network anomaly conditions, expressed by a logic state equal to 1 at the exit of NAND gates 39 and 32, do not remain.

La figure 2 représente les modifications apportées au dispositif pou r le rendre apte à détecte r également des sous-tensions du réseau. Il comprend un second soustracteur 18' branché en parallèle à l'autre (18) mais avec une inversion du branchement de ses bornes d'entrée, c'est-à-dire que sa borne positive est reliée à la tension d'alimentation VCC et sa borne négative à la ligne 17. Les bornes de sortie des deux soustracteurs 18 et 18' se rejoignent avant la porte
NON-ET 31 préliminaire qui est ainsi alimentée par la somme des états logiques déterminés par les soustracteurs. Des diodes 38 et 38' empêchent le retour de courant vers les soustracteurs 18 et 18' et réalisent ainsi la fonction "OU".FIG. 2 represents the modifications made to the device in order to make it capable of also detecting undervoltage of the network. It includes a second subtractor 18 'connected in parallel to the other (18) but with a reversal of the connection of its input terminals, that is to say that its positive terminal is connected to the supply voltage VCC and its negative terminal on line 17. The output terminals of the two subtractors 18 and 18 'meet before the door
NAND AND preliminary 31 which is thus fed by the sum of the logical states determined by the subtractors. Diodes 38 and 38 'prevent the return of current to the subtractors 18 and 18' and thus perform the "OR" function.

La figure 3 représente le dispositif dans une application particulière. Il est référencé par 40 et comprend un boit; er muni d'éléments de connexion électrique qui permettent de l'insérer entre une prise 41 murale et une fiche 42 de câble 43 d'un appareil électrique Q constituant la charge du réseau. Il comprend encore des prolongements de neutre et de phase
PN et PPh d'où partent les raccords RN et RPh et qui relient les lignes de neutre N et de phase Ph aux fils conducteurs 44 du câble 43. L'interrupteur 27 est situé devant une interruption du prolongement PPh
Le dispositif pourrait aussi être placé sur un tableau modulaire de disitribution ou dans une rallonge de câble.Figure 3 shows the device in a particular application. It is referenced by 40 and includes a box; er provided with electrical connection elements which allow it to be inserted between a wall socket 41 and a cable plug 42 of an electrical appliance Q constituting the load of the network. It also includes neutral and phase extensions
PN and PPh from which the RN and RPh connections start and which connect the neutral N and phase Ph lines to the conductive wires 44 of the cable 43. The switch 27 is located before an interruption of the PPh extension
The device could also be placed on a modular distribution board or in a cable extension.

Le seuil de surtension peut être de 250 volts entre les deux lignes. The overvoltage threshold can be 250 volts between the two lines.

Claims

1. Device for protecting an electrical network consisting of two lines (N, RN; Ph, RPh) against voltage anomalies between the two lines, comprising a means for measuring anomalies (18), characterized in that it comprises a switch (27) connected to the network, and control means (23) of the switch comprising a coil (26) energized when an anomaly exists, as well as a timer (33) which keeps the coil energized for a minimum time after the disappearance of anomalies.

2. Device according to claim 1, characterized in that it comprises a zero detector (9, 10) which allows the excitation of the coil (26) only when a potential difference less than a threshold exists between the two lines.

3. Device according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the measurement means and the control means are designed to operate during network under-voltages as during overvoltages.