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PERFECTIONNEMENTS AUX SYSTEMES DE PROTECTION DES :MACHINES DYNAMO-ELECTRIQUES. la présente invention vise des perfectionnements aux systèmes de protection des machines dynamo-électriques, notamment pour machines dynamo- électriques synchrones, cantre les défauts d'isolement. L'invention offre tout d'abord un système ou équipement perfectionné destiné à protéger les machines dynamo-électriques et Remettant de discriminer, de manière certaine, les dé- fauts survenant à l'intérieur et à l'extérieur d'une machine et d'obtenir un degré de sensibilité élevé, grâce à quoi un défaut marne naissant peut être fa- cilement détecté avant de s'aggraver au point de créer des dommages graves.
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avan- tages de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins
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qui l'accompagnant, donnés simplement à titre d'exemple, et dans lesquels:
La Fig.1 reposante un schéma des connexions d'un système de pro- tection conforme à l'invention*
Les Fig.2 à 6 inclusivement sant des schémas relatifs à des va- riantes de l'invention.
Les Fig.7 et 8 sont des formes d'ondes montrant les conditions et les valeurs de la force électromotrice dans diverses parties de l'enroulement inducteur d'une machine-électrique synchrones dont une partie de l'enroulement d'induit est accidentellement court-circuitée
Les Fig. 9 et 10 enfin sont des schémas relatifs à d'autres va- ri an tes.
La machine dynamo-électrique représentée Fig.l comporte deux en- roulements 10 et 11, mobiles l'un par rapport à l'autre, constituant respecti- vement l'enroulement inducteur et l'enroulement d'induit d'une machine synchre ne, par exemple une génératrice, un condensateur tournant ou un moteur.
L'enroulement d'induit 11 peut être relié à une ligne 12 par des organes appropriés de commanda de circuit, tels qu'un disjoncteur 13 à verrouil lage mécanique et muni d'un enroulement de déclenchement 14. Les enroulements 10 et 11 peuvent être indifféremment l'enroulement de rotor ou l'enroulement da stator, mais dans les diverses figures du dessin on a supposé que l'enroulement inducteur est l'enroulement mobile, et il est, en conséquence, muni des bagues 15,16 et 17.
Le circuit de l'enroulement inducteur 10 comprend un groupe exci- tateur approprié 18 et une résistance de réglage 19. Il est agencé pour être commandé par des moyens appropriés, par exemple un disjoncteur de circuit 20 fermé avec verrouillage et muni d'un enroulement de déclenchement 21.
Conformément à l'invention, on dispose des organes Influencés par un défaut touchant une partie d'un des enroulements de la machine, par exemple l'enroulement d'induit 11, et reliés de façon à être alimentés ou exci- tés en fonction des valeurs relatives des forces électromotrices Induites à un instant quelconque dans deux nombres déterminés de spires de l'autre enroule- ment 10, par le déplacement relatif de cet enroulement et de la partie accide tée de l'enroulement 11.- Comme représenté Fig.1, ces organes comprennent un dispositif à commande électrique, par exemple un relais 22 comportant deux enroulements cou-
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pérants 23 et 24 reliés respectivement, le premier en dérivation sur toutes les spires de l'enroulement 10,
et le second sur la partiedes spires de l'enrou- lement 10 comprise entre les bagues 15 et 16. Des moyens appropriés, tels que des résistances 25, sont montés en circuit avec les enroulements de relais 23 et 24, pour limiter l'intensité du courant continu ou courant d'excitation pas- sant dans ces enroulements.
En vue d'éviter toute possibilité de fonctionnement du relais 22 sous m'effet du courant continu passant normalement dans ses enroulements 23 et 24, les spires de ces enroulements peuvent 'être proportionnées, comme re- présenté, inversement aux nombres de spires de l'enrobement inducteur 10 aux- quelles ces éléments sont reliés. Bien que l'enroulement inducteur 10 soi% re- présenté comme comprenant seulement quatre pôles. avec l'enroulement de relais 24 relié en dérivation sur un seul de ces p'bles, on comprend que le nombre to- tale de pâles, de la machine n'est pas important, et que le nombre des spires sur lesquelles sont reliés en dérivation les enroulements de relais, peut être varié et choisi pour se conformer à divers systèmes de machines.
De préférence, le rapport entre les nombres plus grands et plus petits des spires de l'enroulement inducteur, est rendu aussi grand que possible, car cela fournit le déséquilibre maximum de tension. biais, lorsque le nombre de p'bles aumente, le rapport peut 'être réduit car en agissant ainsi, il est possible de maintenir sur le relais une valeur efficace des forces électromotrices induites non équilibrées, pendant une certaine durée, et d'assurer ainsi le fonctionnement définitif du relais.
Dans l'équipement représenté Fig.l, le relais 22 est du type dif- férentiel, et l'effet résultant des enroulements 23 et 24, dû au courant conti- nu qui les traverse, est à peu près nul, dans les conditions normales-. Mais, en cas de production d'un défaut tel qu'm court-circuit ne touchantqu'une partie de l'enroulement 11, chaque fois que la partie court-circuitée passe devant l'enroulement bobiné sur un pale inducteur, elle induit dans cet élé- ment une force électromotrice alternative dont la grandeur dépend du nombre des spires court@@rcuitées. Pour une partie ou fraction déterminée quelconque de l'enroulement inducteur,par exemple un pôle,
cette force électromotrice possède une valeur relativement élevée, comme indiqué par les plus grandes pointes dans la forme d'onde représentée Fig.7, tandis que pour l'enroulement inducteur total, la force électromotrice alternative résultante est relative-
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mant faible, comme représenté par la forme d'onde de la Fig.8
Cela est facile à comprendre car la tension induite dans la frac- tion déterminée de l'enroulement inducteur est pratiquement entièrement abso- bée par la partie restante de l'enroulement, du fait que l'impédance de cet enroulement est très grande en comparaison de l'impédance du circuit.
En d'au- tres termes, pour un défaut intérieur sur l'enroulement 11, la tension appa- raissant aux bornes de l'enroulement inducteur 10 est à peu près nulle, mais des tensions apparaissent périodiquement dans les enroulements des pales suc- cessifs, lorsqu'ils passent devant la partie court-oirouitée de l'enroulement d'induit.
La tension par pôle n'est pas uniforme et peut atteindre un mul- tiple de la tension appliquée à l'enroulement inducteur 10, comme représenté par les Fig*7 et 8.
Mais ii est apparent que, lorsque la force électromotrice alter- native relativement élevée apparaît dans l'enroulement 24 du relais à nombres ses spires, son effet recontre l'effet antagoniste de la force électromotrice relativement faible obtenue dans l'enroulement 23 de quelques spires, et, en conséquence, l'effet différentiel résultant de ces enroulements produit l'o- pération du relais 22, qui peut être agencé pour commander des contacts dans un circuit auxiliaire, afin de donner une alarme, ou exécuter un déclenche- mercit, par exemple avec le circuit des enroulements de déclenchement 14 et 21.
Au contraire, si l'enroulement inducteur 10 est sain, et si un défaut se. produit à l'extérieur de Il enroulement d'induit 11, par exemple un court-circuit sur la ligne 12, la tension apparaissant dans l'enroulement in- ducteur 10 est distribuée uniformément, c'est-à-dire que chaque pôle'prend sa portion propre, de sorte que les enroulements différentiels 23 et 24 du re- lais 22 demeurent équilibrés et que le relais ne fonctionne pas.
S'il se produit un défaut extérieur avec un court-circuit exis- tant entre un nombre suffisant des spires inductrices suffisantes, l'équili- bre entre les enroulements de relais 23 et 24 est rompu. Le relais 22 peut être agencé pour fonctionner dans ces conditions.
Dans la réalisation représentée Fig.2, on relie, d'une part, en dérivation sur l'enroulement inducteur 10, une impédance appropriée, telle qu'une résistance 26, et d'autre part, entre des points intermédiaires de la résistance 26 et de l'enroulement inducteur 10, l'enroulement 27 d'un dispo-
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sitif à commande électrique, tel qu'un relais 28.
Ces points intermédiaires sont choissi de façon à être normalement équipotentiels et de manière qu'un courant alternatif suffisant pour actionner le relais 28, traverse l'enroule- ment 27 de ce dernier seulement en cas de production d'un court-circuit inté- rieur à l'enroulement d'induit 11, (qui n'est représente dans aucune des fi- gures 2 à 6 inclusivement),où à l'enroulement inducteur 10.
Si on le désire, le relais 28 peut 'être à deux enroulements coo- pérants, le second enroulement 29 étant relié à l'inducteur 10, de façon quivec l'alimentation simultanéedes deux enroulements 27 et 29. un couple soit exercé pour fermer les contacts du relaiso Etant donné qu'aucun courant n'apparaît dans l'enroulement 27 dans la marche normale ou dans des conditions accompagnant des défauts extérieurs, à moins qu'il ne se produise un court- circuit dans l'enroulement inducteur 10, il ne se produit donc aucun couple résultant tendant à actionner le relais 28.
La réalisation représentée Fig.3 est analogue à celle de la Fig.2 sauf que le relais 28 n'est muni que d'un enroulement unique 27 relié de la même façon que l'enroulement 27 du relais 28 de la Fig.2. Bien que dans les réalisations représentées Fig.2 et 3, la résistance peut être d'un type quel- conque, on peut, soit en vue de maintenir la perte d'énergie normale dans la résistance à une valeur très faible, soit pour obtenir une plus grande sensi- bilité, soit pour l'obtention de ces deux résultats, faire appel à une matiè- re de résistance possédant une caractéristique négative d'intensité sans tem- porisation, par exemple celle qui est couverte par le brevet 352,309 de la Société demanderesse*
Dans upe telle insistance,
la perte normale d'énergie peut être relativement faible, car sa caractéristique est de la forme exponentielle et donnée par la formule :
I=KEn dans laquelle I désigne l@intensité, E la tension, K une constante et n un exposant supérieur à l'unité* Ainsi, à la tension d'alimentation ou d'excitai tion normale, un courant relativement faible apparaît dans la résistance 24, et à peu près aucun courant ne traverse l'enroulement de relais 27.
Mais en cas de production d'un court-circuit dans l'enroulement d'induit li, la ten- sion élevée induite dans la fraction de l'enroulement inducteur considérée, par le passage des spires court-circuitées, fait passer un courant relative=
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ment Intense dans le circuit de l'enroulement du relais 27. Pour une tension déterminée, ce courant peut, en raison de la caractéristique de cette réais- tance, être beaucoup plus intense que pour un élément des résistances dont la valeur de résistance ne varie pas de manière sensible avec la tension appli- quée.
Lorsqu'on désire éviter toutes pertes par courant continu dans l'impédance 26, on peut faire appel à une impédance du modèle représenté Fig* 4. Cette impédance 30 peut être constituée par une capacité, par exemple par le condensateur représenté.
Au lieu de faire appel à une impédance constituée uniquement par une capacité, comme représenté Fig.4, on peut aussi faire appel à une impé- dance comportant une inductance 31 et des condensateurs 32, comme représenté Fig.5. Bans cet équipement, le relais 28' est représenté de manière sohémati- que comme étant du type à disque d'induction*
Dans l'équipement représenté Fig.5, l'enroulement 27 du relais 28 est relié en série avec plusieurs enroulements en série 33 qui sont bobinés sur les ptles inducteurs de la maohine, de manière que leur force électromo- trioe résultante soit normalement nulle* @
Avec cet équipement, on voit qu'en cas d'un défaut intérieur,
la force électromotrice alternative induite dans l'un quelconque des enroule- ments 33 est relativement élevée, tandis que, dans les autres enroulements, elle est relativement faible, de aorte que la différence apparaît dans l'en- roulement de relais 27 avec une valeur relativement grande et suffisante pour actionner le relais.
Dans la variante da la Fig.9 9 analogue à celle de la Fig.2, on a prévu une impédance, telle qu'une résistance 26, reliée en dérivation sur l'enrouelement Inducteur 10, et un dispositif de commande actionné par voie électrique, par exemple un relais 28' muni d'un enroulement d'excitation 27, qui est connecté Entre les points intermédiaires de la résistance et de l'en- roulement inducteur.
Ces points intermédiaires sont choisis de façon à être normale- ment équipotentiels et de manière qu'un courant alternatif suffisant pour actionner le relais 28' traverse l'enroulement 27 seulement lorsqu'il se pro- duit un court-circuit intérieur dans l'enroulement d'induit 11 ou l'enroule- ment inducteur 10. L'équipement fonctionne d'une façon analogue à celle de la
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fig.2, mais on a supprimé l'impédalce 29.
Dans l'équipement de la Fig.10, on voit que l'enroulement de relais 27 est monté en série avec une résistance 26' possédant aussi une caractéristique négative, en dérivation sur un nombre de spires déterminé de l'enroulement inducteur*
Dans ce oas, lorsque le courant d'excitation de l'inducteur tend à apparaître dans l'enroulement de relais 27. en raison du défaut de l'effet différentiel, l'intensité de ce courant est relativement faible, car, pour les tensions d'excitation relativement faibles qui sont employées, la valeur de la résistance 26' est très élevée.
Inversement, pour les forces électromotrices alternatives rela- tivement élevées, qui sont induites dans la partie de l'enroulement inducteur en dérivation sur laquelle la résistance 26' et l'enroulement de relais 27 sont reliés en série, on obtient un courant suffisamment intense pour action- ner le celais 28'.
Etant donné que ces forces électromotrices induites relativement élevées paraissant seulement pour des défauts intérieurs, le relais 28' n'a pas tendance à fonctionner pour des défauts extérieurs.
@
Il est bien entendu que les dispositions et les applications qui ont été indiquées ci-dessus, à titre d'exemple. ne sont nullement limitatives et qu'on peut s'en écarter sans pour cela sortir du cadre de l'invention.
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IMPROVEMENTS IN PROTECTION SYSTEMS FOR: DYNAMO-ELECTRIC MACHINES. the present invention is aimed at improvements to systems for protecting dynamo-electric machines, in particular for synchronous dynamo-electric machines, creels insulation faults. The invention first of all provides an improved system or equipment intended to protect dynamo-electric machines and to discriminate, with certainty, the faults occurring inside and outside a machine and from it. 'Obtain a high degree of sensitivity, whereby an incipient marl defect can be easily detected before it escalates to the point of creating serious damage.
The novel features and advantages of the invention will be better understood by reference to the following description and to the drawings.
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accompanying it, given simply as an example, and in which:
Fig. 1 is a diagram of the connections of a protection system according to the invention *
Figures 2 to 6 inclusive are diagrams relating to variants of the invention.
Figs. 7 and 8 are waveforms showing the conditions and values of the electromotive force in various parts of the inductor winding of a synchronous electric-machine of which part of the armature winding is accidentally short - circuit
Figs. 9 and 10 finally are diagrams relating to other variants.
The dynamo-electric machine shown in Fig.l comprises two windings 10 and 11, movable with respect to one another, constituting respectively the inductor winding and the armature winding of a synchronous machine. , for example a generator, a rotating capacitor or a motor.
The armature winding 11 can be connected to a line 12 by suitable circuit control members, such as a circuit breaker 13 with mechanical latching and provided with a tripping winding 14. The windings 10 and 11 can be indifferently the rotor winding or the stator winding, but in the various figures of the drawing it has been assumed that the inductor winding is the movable winding, and it is, consequently, provided with the rings 15, 16 and 17.
The circuit of the inductor winding 10 comprises a suitable exciter group 18 and an adjustment resistor 19. It is arranged to be controlled by suitable means, for example a closed circuit breaker 20 with latch and provided with a winding. trigger 21.
According to the invention, there are organs Influenced by a defect affecting a part of one of the windings of the machine, for example the armature winding 11, and connected so as to be supplied or energized according to the requirements. relative values of the electromotive forces induced at any instant in two determined numbers of turns of the other winding 10, by the relative displacement of this winding and of the sharp part of the winding 11.- As shown in Fig. 1 , these members comprise an electrically controlled device, for example a relay 22 comprising two windings cou-
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perants 23 and 24 respectively connected, the first by branching on all the turns of winding 10,
and the second on the part of the turns of the winding 10 between the rings 15 and 16. Suitable means, such as resistors 25, are connected in circuit with the relay windings 23 and 24, to limit the current. direct current or excitation current flowing through these windings.
In order to avoid any possibility of operation of the relay 22 under the effect of the direct current flowing normally in its windings 23 and 24, the turns of these windings can be proportioned, as shown, inversely to the numbers of turns of the. inductor coating 10 to which these elements are connected. Although the inductor winding 10 is shown to have only four poles. with the relay winding 24 connected in derivation on only one of these cables, it will be understood that the total number of blades of the machine is not important, and that the number of turns on which are connected in bypass relay windings, can be varied and chosen to conform to various machine systems.
Preferably, the ratio between the larger and smaller numbers of turns of the field winding is made as large as possible, as this provides the maximum voltage imbalance. bias, when the number of p'bles alumente, the ratio can be reduced because by acting thus, it is possible to maintain on the relay an effective value of the unbalanced induced electromotive forces, for a certain duration, and thus to ensure the final operation of the relay.
In the equipment shown in Fig.l, the relay 22 is of the differential type, and the resulting effect of the windings 23 and 24, due to the direct current flowing through them, is almost zero, under normal conditions. -. But, in the event of production of a fault such as a short-circuit affecting only a part of the winding 11, each time the short-circuited part passes in front of the winding wound on an inductor blade, it induces in this element an alternating electromotive force, the magnitude of which depends on the number of short turns. For any part or determined fraction of the inductor winding, for example a pole,
this electromotive force has a relatively high value, as indicated by the larger spikes in the waveform shown in Fig. 7, while for the total inductive winding, the resulting alternating electromotive force is relative-
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weak mant, as represented by the waveform in Fig. 8
This is easy to understand because the voltage induced in the determined fraction of the inductor winding is almost entirely absorbed by the remaining part of the winding, because the impedance of this winding is very large compared to the impedance of the circuit.
In other words, for an internal fault on winding 11, the voltage appearing at the terminals of the field winding 10 is almost zero, but voltages appear periodically in the windings of the successive blades. , when they pass in front of the short-oirouitée part of the armature winding.
The voltage per pole is not uniform and can reach a multiple of the voltage applied to the field winding 10, as shown in Figs * 7 and 8.
But it is apparent that, when the relatively high alternating electromotive force occurs in the winding 24 of the number relay its turns, its effect counteracts the antagonistic effect of the relatively low electromotive force obtained in the winding 23 of a few turns. , and, consequently, the differential effect resulting from these windings produces the operation of relay 22, which may be arranged to control contacts in an auxiliary circuit, in order to give an alarm, or to execute a trigger-mercit, for example with the circuit of the trip windings 14 and 21.
On the contrary, if the inductor winding 10 is healthy, and if a fault occurs. produced outside the armature winding 11, for example a short circuit on line 12, the voltage appearing in the inductor winding 10 is distributed evenly, i.e. each pole ' takes its own portion, so that the differential windings 23 and 24 of the relay 22 remain balanced and the relay does not operate.
If an external fault occurs with an existing short circuit between a sufficient number of sufficient field turns, the balance between the relay windings 23 and 24 is broken. Relay 22 can be arranged to operate under these conditions.
In the embodiment shown in Fig. 2, a suitable impedance, such as a resistor 26, is connected on the one hand, in shunt on the inductor winding 10, and on the other hand, between intermediate points of the resistor 26 and of the inductor winding 10, the winding 27 of a device
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electrically controlled device, such as a relay 28.
These intermediate points are chosen so as to be normally equipotential and so that an alternating current sufficient to actuate the relay 28, passes through the winding 27 of the latter only in the event of production of an internal short-circuit. to armature winding 11, (which is not shown in any of Figures 2 to 6 inclusive), or to field winding 10.
If desired, relay 28 can have two co-operating windings, the second winding 29 being connected to inductor 10, so that the two windings 27 and 29 are fed simultaneously. Torque is exerted to close the two windings. relay contacts o Since no current appears in winding 27 in normal operation or in conditions accompanying external faults, unless a short circuit occurs in field winding 10, it is therefore no resulting torque is produced tending to actuate relay 28.
The embodiment shown in Fig.3 is similar to that of Fig.2 except that the relay 28 is provided with only a single winding 27 connected in the same way as the winding 27 of the relay 28 of Fig.2. Although in the embodiments shown in Figs. 2 and 3, the resistance can be of any type, it is possible either in order to maintain the normal energy loss in the resistance at a very low value, or to obtain greater sensitivity, or to obtain these two results, to use a resistance material having a negative characteristic of intensity without delay, for example that which is covered by the patent 352,309 of the Applicant company *
With such insistence,
the normal loss of energy can be relatively small, since its characteristic is of the exponential form and given by the formula:
I = KEn where I denotes l @ current, E the voltage, K a constant and n an exponent greater than unity * Thus, at the normal supply or excitation voltage, a relatively low current appears in the resistor 24, and hardly any current flows through relay winding 27.
But in the event of production of a short-circuit in the armature winding li, the high voltage induced in the fraction of the field winding considered, by the passage of the short-circuited turns, causes a relative current to pass. =
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Intense in the circuit of the winding of relay 27. For a given voltage, this current can, owing to the characteristic of this reactance, be much more intense than for an element of the resistors whose resistance value does not vary. not noticeably with the applied voltage.
When it is desired to avoid all losses by direct current in the impedance 26, it is possible to use an impedance of the model shown in FIG. 4. This impedance 30 can be constituted by a capacitor, for example by the capacitor shown.
Instead of using an impedance consisting only of a capacitor, as shown in Fig.4, it is also possible to use an impedance comprising an inductor 31 and capacitors 32, as shown in Fig.5. In this equipment, relay 28 'is represented sohaematically as being of the induction disc type *
In the equipment shown in Fig. 5, the winding 27 of the relay 28 is connected in series with several series windings 33 which are wound on the inductors of the maohine, so that their resulting electromotive force is normally zero * @
With this equipment, we see that in the event of an internal fault,
the alternating electromotive force induced in any one of the windings 33 is relatively high, while in the other windings it is relatively low, so that the difference appears in the relay winding 27 with a value relatively large and sufficient to actuate the relay.
In the variant of Fig. 9 9 similar to that of Fig. 2, there is provided an impedance, such as a resistor 26, connected in shunt on the inductor coiling 10, and an electrically actuated control device , for example a relay 28 'provided with an excitation winding 27, which is connected between the intermediate points of the resistor and the inductor winding.
These intermediate points are chosen so as to be normally equipotential and so that an alternating current sufficient to actuate the relay 28 'passes through the winding 27 only when an internal short-circuit occurs in the winding. armature 11 or the inductor winding 10. The equipment operates in a manner similar to that of the
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fig. 2, but the impedance 29 has been removed.
In the equipment of Fig. 10, it can be seen that the relay winding 27 is connected in series with a resistor 26 'also having a negative characteristic, in shunt on a determined number of turns of the inductor winding *
In this oas, when the excitation current of the inductor tends to appear in the relay winding 27. due to the fault of the differential effect, the intensity of this current is relatively low, because, for the voltages relatively low excitation values that are employed, the value of resistor 26 'is very high.
Conversely, for the relatively high alternating electromotive forces, which are induced in the part of the shunt field winding to which the resistor 26 'and the relay winding 27 are connected in series, a current is obtained which is sufficiently intense to activate cell 28 '.
Since these relatively high induced electromotive forces appear only for internal faults, relay 28 'does not tend to operate for external faults.
@
It is understood that the provisions and applications which have been indicated above, by way of example. are in no way limiting and can be deviated from without departing from the scope of the invention.