Prévention des défauts de mise à la terre dans les alimentations de commande : solutions de conception PCB pour la perte d'isolement

Description de l'isolement

Dans un système de distribution CA 380 V ordinaire, l'alimentation de commande provient généralement du système d'alimentation CC. En tant qu'alimentation de secours critique et alimentation de commande des centrales électriques, le défaut le plus courant et le plus dangereux du système CC réside dans le défaut de mise à la terre CC. À partir d'un défaut d'isolement fréquent, cet article identifie une série de causes entraînant une réduction de l'isolement de l'alimentation de commande CC.

Recherche des défauts et analyse des causes

Présentation de la boucle

Le circuit secondaire mentionné dans la suite de cet article correspond principalement au système CA 380 V. Dans le circuit secondaire de commutation, l'alimentation de commande provient de l'alimentation de commande CA via la borne d'alimentation auxiliaire de protection contre les fuites de courant dans le dispositif de protection et la partie transformateur de courant. Les bornes 5 et 7 mentionnées ci-après font respectivement référence à l'électrode positive et à l'électrode négative de la borne d'entrée dans l'alimentation CC de protection contre les fuites, tandis que les bornes 8 et 9 correspondent à K et L du transformateur de courant.

Recherche des causes du défaut

a. Défauts d'isolement fréquents dans le système CA

Peu après la mise en service du système basse tension CA-CC pendant environ un an, une alarme de mise à la terre CC se produit fréquemment et le dispositif de surveillance d'isolement inspecte que le système CA en aval contrôle le circuit de dérivation correspondant. Il est signalé que la résistance d'isolement diminue avec une valeur d'alarme de 7 kΩ et la tension normale du bus CC 110 V est respectivement de +55 V et -55 V. Cependant, le bus CC négatif ou positif pratique lors de l'alarme est proche de 0 V. Dans cette condition, si une autre mise à la terre CC se produit sur l'autre électrode, une boucle sera créée entre le pôle positif et le pôle négatif CC.

On peut en conclure que dans le système CA, l'isolement est qualifié entre la boucle principale et la boucle de commande sans pénétration CC dans le CA ou mise à la terre, donc les problèmes de défaut ne surviennent que dans la partie commande CC de la boucle CA. Chaque partie doit être inspectée dans la boucle de commande et le problème réside dans la protection contre les fuites et le transformateur de courant.

b. Réduction de l'isolement à l'intérieur de la protection contre les fuites

Concernant ces défauts, le numéro de type de la protection contre les fuites est *** M40 (110 V CC) et celui du transformateur de courant est un transformateur de courant de fuite de terre de la même marque. Par le démontage du dispositif de protection, on constate qu'il est composé de trois cartes de circuit, dont une carte de commande de protection contre les fuites. Après mesure point par point, on observe :

• 1) La valeur d'isolement entre la borne 7 et la borne 9 est d'environ 5 kΩ (la plupart inférieures à 5 kΩ) ;
• 2) La valeur d'isolement entre la borne 5 et la borne 7 est de 12,9 kΩ ;
• 3) La valeur d'isolement entre la borne 5 et la borne 8 est de 18 kΩ ;
• 4) La valeur d'isolement entre la borne 8 et la borne 9 est d'environ 50 kΩ.

Par comparaison, sans application de charge, la valeur d'isolement de la protection contre les fuites entre la borne 7 et la borne 9 est d'environ 150 kΩ dans un commutateur de type tiroir, tandis qu'avec l'application fréquente de charge, la valeur d'isolement est réduite à 5 kΩ.

c. Mise à la terre de protection du côté secondaire du transformateur de courant

Parce qu'une mise à la terre de protection est prévue au transformateur de courant lors de la conception et de l'assemblage de la protection contre les fuites et du transformateur, la borne L de la bobine 001TI utilise l'assemblage de fuite de terre. Cette conception vise à empêcher la bobine du transformateur de courant de créer une boucle qui entraînerait une première pénétration de haute tension dans la boucle secondaire avec destruction de composants tels que le dispositif de protection contre les fuites directement connecté. Pire encore, le problème d'isolement entre la borne 7 et la borne 9 pourrait entraîner une pénétration de haute tension dans la boucle de commande CC.

Néanmoins, en raison du point de mise à la terre et de la réduction de l'isolement du PCB de protection contre les fuites, l'électrode négative de l'alimentation est contrôlée par le CC.

Conséquences du défaut

Généralement, ce problème survient sur certaines charges du même système CA, ce qui signifie que le bus CC négatif est en parallèle avec certaines résistances de 5 kΩ, conduisant finalement à une tension et une tension du bus CC négatif proches de zéro.

Lors du processus de mise à la terre du bus négatif, si une autre mise à la terre de bus se produit sur l'autre électrode, un court-circuit sera causé entre les électrodes positives et négatives. Le fusible ou le disjoncteur rompra la boucle suite à une surcharge et une protection contre les défauts. De plus, l'alimentation CC perdra l'électricité, entraînant la coupure de toutes les charges en aval et la perte d'alimentation CC des charges clés, ce qui mettra en danger le bon fonctionnement de tous les équipements. En outre, la mise à la terre multipoint dans le système CC entraîne de nombreuses conséquences telles que dysfonctionnement des composants, non-fonctionnement et perte d'alimentation CC.

Schéma de traitement et analyse du principe

Suppression du point de mise à la terre de la bobine du transformateur de courant

Basé sur la conception de la boucle du transformateur de courant, il existe un point de mise à la terre du côté secondaire. Théoriquement, une haute tension est produite par la boucle du côté secondaire du transformateur de courant, ce qui détruira d'autres composants dans la boucle secondaire. Une surtension détruira même les composants. La mise à la terre ici vise à empêcher la production de haute tension afin de protéger la boucle secondaire.

Cependant, sur la base de l'analyse mentionnée ci-dessus, lorsque le point de mise à la terre est supprimé, la résistance d'isolement de la boucle de commande CC peut être assurée de ne pas être réduite, éliminant ainsi les défauts de mise à la terre dans le système CC. Par conséquent, si le point de mise à la terre est supprimé, il faut vérifier si la valeur de tension de la boucle secondaire du transformateur de courant basse tension est dans une plage acceptable. En d'autres termes, le risque doit être inférieur à celui apporté par la mise à la terre du système CC.

Pour un transformateur de courant basse tension similaire à 0,5 kV, une haute pression peut ne pas être définitivement produite par la boucle du côté secondaire. Lorsqu'un côté traverse le courant nominal avec la boucle secondaire existante, le noyau de fer pourrait être soit loin de la saturation, soit loin d'une saturation excessive, le flux du noyau et la force électromotrice induite ont essentiellement seulement l'onde fondamentale et le côté secondaire ne produira pas de haute pression, ce qui indique pleinement que le noyau du transformateur de courant a une marge de conception relativement grande, c'est-à-dire un rapport tetsushige relativement élevé. Par conséquent, la charge en aval fonctionne normalement avec un courant inférieur au courant nominal, ce qui est acceptable pour rendre le transformateur de courant légèrement vacant.

Cependant, pour ce type de transformateur de courant à boucle secondaire, si un courant important survient sur la charge en aval ou un court-circuit se produit sur une phase ou entre phases, le noyau de fer sera définitivement saturé lorsque la haute pression sera produite au côté secondaire. Par conséquent, la production ou non de haute tension par le transformateur de courant au niveau de la boucle secondaire dépend totalement du degré de saturation du noyau de fer. Les courbes d'augmentation de la valeur de tension dépendent des courbes de saturation du transformateur. Dans de telles conditions, un transformateur de courant légèrement vacant présente un léger risque. Néanmoins, grâce à la boucle de protection, le risque de destruction des composants sera relativement diminué.

Ainsi, avec la structure physique du transformateur de courant pleinement prise en compte, les dispositifs de distribution d'électricité fonctionnent dans un environnement relativement bon et la première bobine présente une probabilité relativement faible de coupure. Même si un courant en aval se produit avec coupure de bobine et que l'action de protection de la boucle présente un délai relativement long, la haute tension secondaire détruira les composants, ce qui a une probabilité extrêmement faible. Par conséquent, notre schéma de traitement pour ce défaut réside dans la suppression du point de mise à la terre.

Remplacement de la protection contre les fuites correspondante

Bien que ce point de mise à la terre de protection du transformateur de courant ait été éliminé et les défauts CC éliminés, la cause fondamentale de la mise à la terre réside dans le PCB de la protection contre les fuites. Sous le privilège d'aucune humidité ni corrosion, la valeur d'isolement diminue en un à deux ans d'exploitation.

Sur la base de la situation de mesure, jusqu'à présent, la valeur d'isolement n'est faible qu'entre une seule électrode et la terre et aucune valeur d'isolement faible n'est trouvée entre les électrodes, donc les courts-circuits ne se produisent pas entre les électrodes. À l'avenir, cette donnée peut être enregistrée dans la maintenance périodique. Si cette valeur a tendance à diminuer ou si une boucle unique se produit au transformateur de courant au début, le remplacement de la protection contre les fuites devrait être envisagé.

Ressources utiles

• Analyse des stratégies anti-brouillage et de mise à la terre pour les PCB
• Discussion sur l'alimentation et la mise à la terre dans la compatibilité électromagnétique des PCB
• Conception de PCB haute puissance en environnement haute température
• Service de fabrication PCB complet de PCBCart - Options à valeur ajoutée multiples
• Service d'assemblage PCB avancé de PCBCart - À partir de 1 pièce