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BREVET D' INVENTION RELAIS A TEMPS A IMPEDANCE POUR PROTÉGER DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES
Pour protéger des installations électriques contre les effets de courts-circuits, on emploie fréquemment des relais dont le temps de déclenchement augmente proportionnellement à l'impédance, à la réactance ou à la résistance du circuit mis en court-circuit. Des relais à temps de ce genre possèdent une bonne action protectrice,en ce qu'ils mettent sélectivement et aveo un court temps de déclenchement hors circuit l'endroit court-circuité.
Bar contre, un inconvénient sensible des relais à temps à impédan- ce employés jusqu'ici consiste en ce qu'ils sont d'une construc- tion très compliquée. En particulier, les parties de ces relais, qui déterminent le temps de déclenchement,consistent la plupart du temps en plusieurs dispositifs coopérant entre eux, tels que ohmmètres, mécanismes d'horlogerie, voltmètres et analogues. Ces relais constituent par suite des appareils très délicats, qui exi- gent un contrôle fréquent et beaucoup de frais d'entretien. Ils ne répondent nullement aux desiderata des techniciens au point de vue de la simplicité, de la robustesse et de la constance de leurs
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propriétés et ne sont pour cette raison employés que pour des ins- tallations motrices importantes.
La présente invention concerne un relais à temps à im- pédance, qui remplit toutes les conditions mentionnées, qui possède un minimum d'organes mobiles et qui est en outre d'une construc- tion particulièrement simple et robuste.
La fig. 1 représente un exemple de réalisation, expliquant le mode opératoire. Les fig. 2 et 3 représentent différentes va- riantes.
Sur la fig. 1 des dessins, a et b désignent la ligne à surveiller. Le transformateur d'intensité 26 produit, dans son en- roulement secondaire, un courant qui est proportionnel au courant de court-circuit et qui passe par l'électro-aimant de surintensité 1 et les deux contacts fermés 2. Lors d'un court-circuit, l'éleo- tro-aimant 1 est excité, l'armature 3 est attirée et les contacts 2 sont ouverts. Le courant revient alors par l'enroulement primai- re du transformateur d'intensité 4. L'enroulement secondaire 5 de ce transformateur d'intensité est fermé par une lame bimétalli- que 6, qui s'échauffe lors du passage d'un courant. A cette lame bimétallique 6 est fixé un crochet de verrouillage 7, qui maintient un bras 8 avec les contacts de déclenchement 23 dans la position ouverte.
Lorsque la lame bimétallique 6 s'échauffe, elle se courbe vers le haut et libère le bras de déclenchement 8. Mais ce mouve- ment est empêché par un électro-aimant de tension 9, qui attire une armature 10, reliée rigidement à la lame bimétallique 6. Cet élea- tro-aimant 9 est soumis, en passant par un transformateur de ten- sion 27, à la tension U de la ligne à protéger a-b ou à une partie de cette tension, et empêche le mouvement de la lame bimétallique
6, et par suite du crochet 7, aussi longtemps que la force,aveo la- quelle la tension U attire l'armature 10,est supérieure à la for- ce engendrée par la lame bimétallique 6.
Le transformateur d'in- tensité 4 est saturé et sa section transversale de fer est dé- terminée de telle manière que l'intensité du courant dans la lame
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bimétallique augmente proportionnellement à #J. Le circuit dans le fer de l'éleotro-aimant de tension 9 est également saturé en particulier le noyau et l'armature) et possède un entrefer, de sor- te que la force attractive est proportionnelle à U (J et U sont les valeurs effectives de l'intensité et de la tension dans la ligne à protéger a-b). La lame bimétallique 6 produira par suite une force, qui augmente initialement proportionnellement au temps et à l'intensité du courant: k1= c1.t.J.
Le relais se déclenchera lorsque cette force devient supérieure à la force engendrée par l'électro-aimant de tension 9 : k2 = c2. U. Le temps de déclenchement est par suite donné par: k1=k2, c'est-à-dire c1.t. j=c2. U, d'où t= c2. u. c1 J
Le temps de déclenchement devient par suite directe ment proportionnel à U, c'est-à-dire à l'impédance de la ligne mise
J en court-circuit a-b.
Pour que le temps de déclenchement devienne indépendant de la température ambiante, une deuxième lame bimétallique 12 est disposée en dehors du circuit de l'enroulement secondaire 5 ; cette deuxième lame 12 se courbe en sens inverse de la lame bimétallique 6 et est reliée à oelle-ci par une bielle articulée 13. Dans le cas où les deux lames bimétalliques produisent des forces égales et agissant en sens opposé, une influence de la température am- biante est complètement évitée. Pour que la bobine de tension 33 ne devienne pas trop chaude et échauffe ainsi la lame 6, et en ou- tre pour diminuer la consommation constante en volts-ampères, on met avantageusement en circuit la tension totale seulement lors l'une surintensité ou d'un court-circuit sur l'installation.
Mais on pourra également souvent contrôler la bobine de tension et le circuit de tension en fonctionnement normal. On peut atteindre ces deux résultats, lorsque la bobine de tension 33 est en fonctionne- ment normal montée en série avec une résistance 20, connectée en avant, qui, lors d'un court-circuit sur la ligne a-b, est mise en court-circuit par l'éleotro-aimant de surintensité 1 au moyen des deux contacts 24. Pour le oontrôle, la résistanoe 20 peut consister
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entièrement ou en partie en un milliampèremètre 21 ou en un ampère- remètre, de sorte qu'on peut facilement constater un défaut dans le circuit de tension en fonotionnement normal.
Pour que la lame bimétallique ne soit pas inutilement fortement échauffée, le bras de déclenchement 8 peut également ac- tionner une deuxième paire de contacts 25, qui met en court-circuit complètement ou partiellement les circuits du relais à temps. Ceci est d'une importanoe particulière pour des installations, oùles interrupteurs à huile exigent de longs temps pour fonctionner, ou pour ménager le relais lors d'un manque de fonctionnement des in- terrupteurs à huile.
L'entrefer 22 de l'électro-aimant de tension peut être réglé au moyen d'une vis en matière non magnétique 14, et on peut de cette manière faire varier la pente de la caractéristique de déclenchement. On peut obtenir une autre modification par des prises différentes 36 de la bobine de tension 33 (fig.2). Pour que les enroulements 1 et 4 du relais puissent être adaptés à un courant compris dans des limites favorables, on peut les diviser en plusieurs parties, qu'on peut monter en série ou en parallèle lors du réglage du relais (comme représenté en 43 et 44 sur la figure 2).
Le relais décrit ne comporte pas de contrôle particulier de la polarisation. On peut l'obtenir en montant (comme représen- té sur la fig.l) les contacts de déclenchement 23 en série avec les contacts 28 d'un relais de polarisation particulier. Le cou- rant provenant de la batterie 30 pourra alors exciter l'enroule- ment de déllenchement 29 de l'interrupteur à huile seulement lors- que les deux paires de contacts 23 et 28 sont fermées. Pour le contrôle de la polarisation, on peut également intercaler un watt- mètre particulier 32 de construction connue, de telle manière qu'il peut, au moyen d'un bras de verrouillage 31, permettre on empêcher mécaniquement le mouvement du bras de déclenchement 8, indépendam- ment de la position du crochet de verrouillage 7.
Dans le cas où on Veut protéger une installation à oou-
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rant triphasé, les lames bimétalliques 38,39 et 40 peuvent être alimentées par les trois phases et actionner un dispositif de déclenchement commun, comme représenté sur la fig. 3. Dans ce cas, on peut également employer avantageusement un wattmètre commun 37 (par exemple dans le montage à deux wattmètres), qui contrôle la polarisation par un verrouillage mécanique 41 du bras de dé- clenchement.
Pour que le relais soit insensible à des influences mécaniques (coups et chocs), on peut avantageusement construire l'électro-aimant de surintensité 1 de telle manière qu'il verrouil- le mécaniquement le bras de déclenchement 8, par exemple au moyen d'un bras 42 (fig.l). Le relais ne pourra alors se déclencher que lorsque l'armature 3 de l'électro-aimant de surintensité 1 est attirée. Lorsque l'armature revient dans sa position de repos, le bras 42 ouvrira à nouveau les contacts de déclenchement 23.
Le relais décrit jusqu'ici travaille de façon complète- ment indépendante de l'angle de phase entre l'intensité et la tension dans la ligne a-b. Mais, dans le cas où une certaine dépen- dance angulaire de phase devrait être désirable (par exemple une dépendance approximative au point de vue de la réactance dans certaines limites angulaires), on peut l'obtenir en excitant une partie 34 de l'enroulement de l'électro-aimant de tension 9 par le courant de court-circuit (fig.2). Au moyen d'une résistance en dé- rivation réglable,36, on peut obtenir un déphasage approprié des deux courants magnétisants.
Pour pouvoir indiquer la distance entre l'endroit où se produit un défaut et l'emplacement du relais à temps, on doit con- naître le temps de déclenchement du relais. On peut l'obtenir par le fait que l'électro-aimant de surintensité 1 met en action, au moyen d'un contact particulier, un chronomètre à déclic,qui reste arrêté lorsque le contact de déclenchement 23 est fermé ou lorsque l'électro-aimant de surintensité 1 revient en arrière.
Les formes de réalisation décrites jusqu'ici conviennent particulièrement pour les conditions où la simplicité du relais
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présente la plus grande importance, tandis que la précision du temps de déclenchement n'entre en ligne de compte qu'en second lieu.
Comme la bobine de tension 33 (fig.l) est excitée par une tension alternative, on ne peut éviter des vibrations de l'armature 10, et ces vibrations peuvent dans certaines circonstances provoquer une certaine imprécision (de quelques dixièmes de seconde) du temps de déclenchement.
II est décrit ci-après quelques exemples de réalisation,' qui ont pour but d'éviter ces vibrations et qui présentent en ou- tre encore d'autres possibilités d'exercer une influence sur le mode d'action du relais.
Comme représenté sur les fig. 4,5 et 6, les vibrations sont avantageusement évitées par l'epploi de courants redressés.
L'enroulement de tension 33 du relais à temps est connecté,en pas- sant par un redresseur 15, au transformateur de tension 27.Pendant une demi-période,il passe dans ce redresseur un courant magnétisant qui, par suite de la self-induction du circuit magnétique, passera également pendant la deuxième demi-période par le redresseur 16.
Le flux magnétique ne subira par suite que de faibles variations, la force attractive sur l'armature 10 devient prati- quement constante, et il ne peut se produire des vibrations nuisi- bles. Comme la composante déwattée du courant magnétisant, ainsi que la totalité des pertes de la magnétisation sont supprimées, la consommation d'énergie de la bobine de tension est réduite jus- qu'à un degré tel qu'on peut alors également la raooorder à des éléments de capacité 17 (condensateurs et analogues),lorsqu'il n'existe pas de transformateur de tension. Les fig. 5 et 6 repré- sentent deux autres exemples de réalisation pour le montage des redresseurs. Sur la fig.5, le redresseur 18 agit pendant une demi- période, la tension est appliquée à la moitié supérieure 45 de la bobine de tension.
Pendant l'autre demi-péricde, c'est le redresseur
19 qui agit, tandis que la tension fait passer le courant magnéti- sant par la moitié inférieure 46 de la bobine de tension. Le mon- tage produit par suite l'effet d'un dispositif redresseur à onde
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complète et engendre ainsi un flux magnétique particulier constant.
Sur la fig. 6, on utilise la disposition habituelle des redresseurs 57 en pont de Wheatstone; on a ici également un dispositif à dou- ble effet. Ce montage présente également l'avantage que la bobine de tension toute entière est connectée de façon permanente à la tension magnétisante; on obtient par suite une consommation d'éner- gie particulièrement faible.
Sur la fig. 2, il a déjà été montré qu'on peut exercer une influence sur l'électro-aimant de tension 9 du relais au moyen de deux bobines 33 et 34 au point de vue de la tension et de l'inten- sité. Ce montage peut également être employé avec un avantage par- tioulier lorsque l'électro-aimant de tension est excité par des courants redressés. les avantages consistent, d'une part, en ce que la charge additionnelle des transformateurs d'intensité par cette excitation additionnelle devient très petite, et, d'autre part, en ce qu'on peut obtenir, par l'excitation par des courants redressés, que le mode d'action du relais devient indépendant de l'angle de phase entre l'intensité et la tension.
La fig. 7 représente le principe d'un montage de ce gen- re ; la fig. 8 montre le mode d'aotion caractéristique de ces monta- ges, tandis que les fig. 9 à 15 représentent différents exemples de réalisation.
Sur la fig. 7 des dessins, 27 désigne les bornes auxquel- les est connecté le transformateur de tension, qui amène la tension du réseau au relais à temps. L'enroulement de la bobine de tension elle-même est réalisé en deux parties ; ses deux moitiés sont dési- gnées par 45 et 46. Deux des extrémités des enroulements de la bo- bine de tension sont connectées entre elles en passant par deux redresseurs 18 et 19 montés en série ; les deux autres extrémités de ces enroulements 45 et 46 sont connectées à une impédance 52.
50 désigne l'enroulement secondaire d'un transformateur d'intensité auxiliaire,dont l'enroulement primaire est parcouru par un courant auxiliaire correspondant à l'intensité du réseau. Les redresseurs 47 et 48 servent à redresser la tension fournie par l'enroulement
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secondaire 50. Ce montage fonctionne de telle manière qu'il passe par l'impédance 52 un oourant,fourni par l'enroulement secondaire 50 et nedressé par les redresseurs 47,48, courant qui produit une ohute de tension dans cette impédance 52. Le courant,fourni par le transformateur de tension aux bornes 27 et redressé par les re- dresseurs 18,19, peut commencer à passer à travers les enroulements 45,46 seulement lorsque la tension aux bornes 27 est devenue suf- fisamment élevée par rapport à la chute de tension mentionnée.
La caractéristique du relais occupera par conséquent la position qui est représentée par la ligne droite a sur la fig.8, tandis qu' un relais, tel que décrit précédemment, possède une caractéristique correspondant à la ligne droite b sur la fig.8.
Comme il sera expliqué ci-après au moyen d'un court calcul, on peut facilement obtenir, avec le montage suivant la fig. 7, également des positions de la caractéristique correspondant à la ligne droite en traits interrompus sur la fig.8. A cet effet, il suffit d'inverser le sens de passage du courant dans les redresseurs 47,48. La force k1. qui est exeroée par la lame bimé- tallique sur l'armature de la bobine de tension, est donnée par l'équation : k1 = c1.J.t, dans laquelle c1 désigne une constan- te, J l'intensité du réseau et t le temps. Les deux bobines de %en- sion 45,46 sont parcourues aussi bien par un courant, qui corres- pond à la tension aux bornes 27, que par un courant correspondant à la tension dans l'enroulement secondaire 50 du transformateur d'intensité auxiliaire.
Si on désigne par U la tension aux bor- nes 27 et par c2 et c3 deux constantes,ainsi que par k2 la force exeroée sur l'armature par la bobine de tension, on obtient : k2 = c2.U + c3. J.
Comme déjà mentionné, le relais à temps se déclenche lorsque la force, exeroée par la lame bimétallique sur l'armature, dépasse la force exeroée par la bobine de tension. Le temps de déclenchement t est alors donné par :
EMI8.1
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Cette dernière équation correspond à la ligne droite en traits in- terrompus c, représentée sur la fig.8.
Une caractéristique correspondant à la ligne droite c sur la fig. 8 peut encore être obtenue d'une autre manière. Les fig. 9 - 13 représentent quelques montages pouvant être utilisés dans ce but. Sur la fig. 9, il y a lieu de considérer provisoire- ment comme mis en court-circuit les contacts 49, entourés par des lignes en traits interrompus. La bobine de tension du relais comporte à nouveau deux enroulements 45 et 46, qui sont toutefois montés d'une manière un peu différente de :ceux de la fig.7. L'en- roulement partiel 45 est alimenté, en passant par les redresseurs 18, 19, par le transformateur de tension, qui est connecté aux bornes 27; l'enroulement partiel 46 est alimenté par le transformateur d'intensité auxiliaire, dont l'enroulement secondaire est encore désigné par 50.
Les redresseurs 47, 48 servent à redresser les cou- rants du transformateur d'intensité auxiliaire. La fig. 10 repré- sente un autre montage. La bobine de tension du relais consiste, contrairement aux montages des fig. 7 et 9, seulement en un enrou- lement, qui comporte une prise médiane. L'enroulement secondaire 50 du transformateur d'intensité auxiliaire comporte également une prise médiane. Le condensateur 51 sert à arrêter le courant con- tinu, fourni par l'enroulement secondaire 50. Sur la fig.ll,la bo- bine de tension du relais est construite de la même manière que dans le cas de la fig. 10. L'enroulement secondaire 50 ne compor- te toutefois, contrairement au montage suivant la fig.10,pas de prise médiane. Il n'existe également qu'un seul redresseur 47' pour l'enroulement secondaire 50.
Dans le montage suivant la fig.12, il n'existe que deux redresseurs 18' et 19',qui remplissent aussi bien le rôle des redresseurs 18,19 que celui des redresseurs 47, 48 de la fig.9. Il en est de même pour le montage suivant la figJ3,
Les montages représentés sur les fig. 9 à 13 fonotion- nent tous de la manière suivante : outre d'un courant continu, correspondant à la tension du réseau, il passe par l'enroulement de tension du relais, ou par le deuxième enroulement de la bobine
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de tension du relais, un courant continu qui correspond à l'inten- sité du réseau. Par conséquent, comme il ressort du calcul précé- dent, tous ces montages sont propres à donner au relais à temps une caractéristique correspondant à la ligne droite sur la fig.8.
Une autre forme de réalisation de l'objet de l'invention consiste à intercaler dans le circuit,- par lequel la bobine de tension du relais, ou une partie de cette bobine de tension,est ali- mentée d'un courant continu qui correspond à l'intensité du réseau,- des contacts d'un relais wattmétrique.
On peut alors obtenir que, pour une polarisation, le relais à temps possède une caractérisit- que correspondant aux lignes droites a,b ou aussi à la ligne droi- te en traits mixtes d sur la fig. 8, tandis que pour l'autre pola- risation, on obtient une alimentation additionnelle,correspondant à l'intensité du réseau, de la bobine de tension, alimentation qui est provoquée par les contacts wattmétriques,de telle manière que la caractéristique du relais, pour cette polarisation inverse, oc- oupe la position de la ligne droite c sur la fig.8 ou est en- core déplacée davantage vers le haut. Le temps to doit alors être déterminé de telle manière qu'il devienne plus grand que le temps de déclenchement maximum se produisant pour la première polari- sation mentionnée.
Sur la fig. 9, il est représenté, à l'intérieur du rec- tangle en traits interrompus,comment les contacts 49 du relais wattmétrique peuvent être connectés. Au lieu de la disposition re- présentée sur cette fig.9, les contacts 49 peuvent également être disposés de telle manière qu'ils mettent en court-circuit l'enrou- lement primaire ou l'enroulement secondaire 50 du transformateur d'intensité auxiliaire pour le mode de polarisation pour lequel le relais doit posséder la caractéristique a,b,d sur la fig.8 et qu'ils suppriment ce court-circuit pour la polarisation inverse, pour laquelle on désire obtenir la caractéristique e sur la fig.8.
La fig. 14 représente schématiquement le montage complet du relais à temps avec utilisation d'une alimentation de la bo- bine de tension par du courant continu correspondant à l'intensité
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du réseau; cette alimentation en courant continu sert à donner au relais des caractéristiques différentes pour des polarisations différentes. Sur cette fig. 14 du dessin, 53 désigne la ligne à surveiller,à laquelle sont connectés un transformateur d'intensité 26 et un transformateur de tension 27. En série avec l'enroulement primaire du transformateur intermédiaire 4 sont montés les enrou- lements 54 du relais wattmétrique,ainsi que l'enroulement primaire du transformateur d'intensité auxiliaire 56.
Ces enroulements ne sont par suite pas excités en temps normal et sont parcorus par un courant seulement lors de l'attraction de l'armature de l'éleo- tro-aimant de surintensité 1 et lors de l'ouverture des contacts 2.
49 désigne les contacts du relais wattmétrique. Comme contrôle pour le circuit de tension du relais, il est représenté une lampe à luminescence 55. Pour le reste, toutes les parties présentent les mêmes significations et sont désignées par les mêmes références que dans les formes de réalisation précédentes. Suivant la pola- risation, le relais présentera les caractéristiques b ou c de la fig. 8.
La fig.15 représente un montage pour un relais polyphasé, dans lequel on utilise la disposition suivant la fig.9 pour l'ali- mentation de chaque phase. Il n'existe qu'une seule paire de con- tacts 49 et ceux-ci exercent en même temps une influence sur les trois phases. Si on fait, comme il est proposé conformément à l'in- vention, agir l'élément de polarisation sur la caractéristique du relais à temps, on obtient l'avantage que les contacts très faibles du relais wattmétrique ne sont chargés qu'avec un courant très petit, notamment seulement avec le courant continu, correspon- dant à l'intensité du réseau, pour la bobine de tension.
Cette dis- position est par suite beaucoup plus avantageuse que celle, habi- tuellement employée jusqu'ici dans des relais à temps à impédance, consistant à intercaler les contacts du relais wattmétrique dans le circuit de déclenchement pour l'interrupteur à vide. En ce dernier endroit, la charge des contacts sera toujours beaucoup plus forte qu'à l'endroit proposé conformément à l'invention. Le mon- tage entraîne également encore un grand avantage au point de vue n
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de la technique de fonctionnement. Lorsque l'énergie d'arrêt blo- que complètement le relais à temps,comme c'est le cas lors de la disposition des contacts wattmétriques dans le circuit de déolen- nhement de l'interrupteur à huile, on n'a pas de protection de la barre collectrice.
Lors d'un court-circuit de la barre collectri- ce, tous les relais reçoivent de l'énergie de bloquage et ne peu- vent par suite pas se déclencher. Conformément à l'invention, les relais se déclenchent toutefois tous après un temps to, ce qui est extraordinairement désirable.
Comme redresseurs, on utilise, dans tous les montages dé- crits,avantageusement des redresseurs secs,par exemple des redres- seurs à l'oxyde cuivreux ou des redresseurs au sélénium et au fer.
REVENDICATIONS
1) Relais à temps à impédance pour protéger des instal- lations électriques, caractérisé en oe que le courant de court- circuit chauffe un élément thermique, qui produit une force agis- sant dans un sens tendant à déclencher le relais et croissant avec le temps, et en ce qu'à cette force s'oppose une autre force, qui dépend de la tension à surveiller,et en ce que le relais se dé- clenche lorsque la force mentionnée en premier lieu l'emporte.
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PATENT OF INVENTION IMPEDANCE TIME RELAYS TO PROTECT ELECTRICAL INSTALLATIONS
To protect electrical installations against the effects of short circuits, relays are frequently used whose tripping time increases proportionally to the impedance, reactance or resistance of the short-circuited circuit. Timed relays of this kind possess a good protective action, in that they selectively and with a short tripping time switch off the short-circuited location.
On the other hand, a noticeable drawback of the impedance time relays employed heretofore is that they are of very complicated construction. In particular, the parts of these relays, which determine the tripping time, mostly consist of several devices cooperating with each other, such as ohmmeters, clockwork mechanisms, voltmeters and the like. These relays are therefore very delicate devices, which require frequent testing and high maintenance costs. They in no way meet the wishes of technicians from the point of view of the simplicity, robustness and consistency of their
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properties and are therefore only used for large motor installations.
The present invention relates to an impedance time relay which fulfills all the conditions mentioned, which has a minimum of moving parts and which is, moreover, of a particularly simple and robust construction.
Fig. 1 represents an exemplary embodiment, explaining the operating mode. Figs. 2 and 3 represent different variations.
In fig. 1 of the drawings, a and b designate the line to be monitored. The current transformer 26 produces, in its secondary winding, a current which is proportional to the short-circuit current and which passes through the overcurrent electromagnet 1 and the two closed contacts 2. During a short -circuit, the electro-magnet 1 is energized, the armature 3 is attracted and the contacts 2 are open. The current then returns via the primary winding of the current transformer 4. The secondary winding 5 of this current transformer is closed by a bimetallic strip 6, which heats up when a current flows. . To this bimetallic strip 6 is fixed a locking hook 7, which maintains an arm 8 with the trigger contacts 23 in the open position.
When the bimetallic blade 6 heats up, it bends upwards and releases the trigger arm 8. But this movement is prevented by a tension electromagnet 9, which attracts an armature 10, rigidly connected to the blade. bimetallic 6. This electromagnet 9 is subjected, passing through a voltage transformer 27, to the voltage U of the line to be protected ab or to a part of this voltage, and prevents the movement of the bimetallic strip
6, and as a result of the hook 7, as long as the force, with which the tension U attracts the armature 10, is greater than the force generated by the bimetallic strip 6.
The current transformer 4 is saturated and its cross section of iron is determined in such a way that the intensity of the current in the blade
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bimetallic increases in proportion to #J. The circuit in the iron of the voltage electromagnet 9 is also saturated especially the core and the armature) and has an air gap, so that the attractive force is proportional to U (J and U are the values effective current and voltage in the line to be protected ab). The bimetallic strip 6 will consequently produce a force, which initially increases in proportion to time and to the intensity of the current: k1 = c1.t.J.
The relay will trigger when this force becomes greater than the force generated by the voltage electromagnet 9: k2 = c2. U. The tripping time is therefore given by: k1 = k2, that is to say c1.t. j = c2. U, hence t = c2. u. c1 J
The tripping time therefore becomes directly proportional to U, that is to say to the impedance of the connected line.
J short-circuited a-b.
In order for the tripping time to become independent of the ambient temperature, a second bimetallic strip 12 is arranged outside the circuit of the secondary winding 5; this second blade 12 curves in the opposite direction to the bimetallic blade 6 and is connected to the latter by an articulated connecting rod 13. In the case where the two bimetallic blades produce equal forces and acting in the opposite direction, an influence of the temperature ambient is completely avoided. So that the voltage coil 33 does not become too hot and thus heats up the blade 6, and in addition to reduce the constant consumption in volts-amperes, the total voltage is advantageously switched on only during an overcurrent or d '' a short circuit on the installation.
But it is also often possible to check the voltage coil and the voltage circuit in normal operation. These two results can be achieved when the voltage coil 33 is in normal operation connected in series with a resistor 20, connected in front, which, upon a short circuit on the line ab, is shorted. circuit by the overcurrent electromagnet 1 by means of the two contacts 24. For checking, the resistor 20 can consist of
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wholly or in part in a milli-ammeter 21 or in an ammeter, so that a fault in the voltage circuit can easily be seen in normal operation.
In order that the bimetal blade is not unnecessarily overheated, the trigger arm 8 can also actuate a second pair of contacts 25, which completely or partially short-circuits the relay circuits in time. This is of particular importance for installations where the oil switches require a long time to operate, or to spare the relay when the oil switches fail.
The air gap 22 of the voltage solenoid can be adjusted by means of a non-magnetic screw 14, and in this way the slope of the tripping characteristic can be varied. Another modification can be obtained by different taps 36 of the tension coil 33 (fig.2). So that the windings 1 and 4 of the relay can be adapted to a current within favorable limits, they can be divided into several parts, which can be connected in series or in parallel when adjusting the relay (as shown at 43 and 44 in figure 2).
The relay described does not include any particular control of the polarization. This can be achieved by mounting (as shown in fig.l) the trip contacts 23 in series with the contacts 28 of a particular bias relay. The current from the battery 30 will then be able to energize the trip coil 29 of the oil switch only when the two pairs of contacts 23 and 28 are closed. For the control of the polarization, it is also possible to insert a particular watt-meter 32 of known construction, in such a way that it can, by means of a locking arm 31, allow the movement of the trigger arm 8 to be mechanically prevented. , regardless of the position of the locking hook 7.
If we want to protect an installation where
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Three-phase rant, the bimetallic blades 38, 39 and 40 can be supplied by the three phases and actuate a common tripping device, as shown in fig. 3. In this case, one can also advantageously employ a common power meter 37 (for example in the arrangement with two wattmeters), which controls the polarization by a mechanical locking 41 of the trigger arm.
So that the relay is insensitive to mechanical influences (knocks and shocks), the overcurrent electromagnet 1 can advantageously be constructed in such a way that it mechanically locks the trigger arm 8, for example by means of an arm 42 (fig.l). The relay will then be able to trip only when the armature 3 of the overcurrent electromagnet 1 is attracted. When the armature returns to its rest position, the arm 42 will again open the trigger contacts 23.
The relay described so far works completely independent of the phase angle between current and voltage in line a-b. But, in the case where some angular phase dependence should be desirable (for example an approximate dependence on reactance within certain angular limits), this can be obtained by energizing part 34 of the winding. of the voltage solenoid 9 by the short-circuit current (fig. 2). By means of an adjustable shunt resistance 36, an appropriate phase shift of the two magnetizing currents can be obtained.
In order to be able to indicate the distance between the place where a fault occurs and the location of the relay in time, the trip time of the relay must be known. This can be obtained by the fact that the overcurrent electromagnet 1 activates, by means of a particular contact, a click timer, which remains stopped when the trip contact 23 is closed or when the electro -overcurrent magnet 1 goes back.
The embodiments described so far are particularly suitable for conditions where the simplicity of the relay
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is of the utmost importance, while the accuracy of the trip time is only a secondary consideration.
As the tension coil 33 (fig.l) is excited by an alternating voltage, one cannot avoid vibrations of the armature 10, and these vibrations can in certain circumstances cause a certain imprecision (of a few tenths of a second) of the time trigger.
A few exemplary embodiments are described below, the purpose of which is to avoid these vibrations and which furthermore have other possibilities of exerting an influence on the mode of action of the relay.
As shown in Figs. 4, 5 and 6, vibrations are advantageously avoided by the application of rectified currents.
The voltage winding 33 of the time relay is connected, passing through a rectifier 15, to the voltage transformer 27. For half a period, a magnetizing current flows through this rectifier which, as a result of the self- induction of the magnetic circuit, will also pass during the second half-period through the rectifier 16.
The magnetic flux will therefore undergo only small variations, the attractive force on the armature 10 becomes almost constant, and harmful vibrations cannot occur. As the dewatted component of the magnetizing current, as well as all the losses of the magnetization are removed, the energy consumption of the voltage coil is reduced to such an extent that it can then also be adjusted to 17 capacitor elements (capacitors and the like), when there is no voltage transformer. Figs. 5 and 6 show two other exemplary embodiments for mounting the rectifiers. In fig.5, the rectifier 18 acts for half a period, the voltage is applied to the upper half 45 of the voltage coil.
During the other half-pericde, it is the rectifier
19 which acts, while the voltage causes the magnetizing current to pass through the lower half 46 of the voltage coil. The assembly consequently produces the effect of a wave rectifier device.
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complete and thus generates a particular constant magnetic flux.
In fig. 6, the usual arrangement of rectifiers 57 in Wheatstone bridge is used; here we also have a double-acting device. This arrangement also has the advantage that the entire voltage coil is permanently connected to the magnetizing voltage; particularly low energy consumption is obtained.
In fig. 2, it has already been shown that an influence can be exerted on the voltage electromagnet 9 of the relay by means of two coils 33 and 34 from the point of view of voltage and current. This assembly can also be used with a partial advantage when the voltage electromagnet is excited by rectified currents. the advantages consist, on the one hand, in that the additional load of the current transformers by this additional excitation becomes very small, and, on the other hand, in that one can obtain, by the excitation by currents rectified, that the mode of action of the relay becomes independent of the phase angle between current and voltage.
Fig. 7 shows the principle of an assembly of this type; fig. 8 shows the mode of action characteristic of these assemblies, while FIGS. 9 to 15 represent different embodiments.
In fig. 7 of the drawings, 27 denote the terminals to which is connected the voltage transformer, which brings the mains voltage to the relay in time. The winding of the tension coil itself is made in two parts; its two halves are denoted by 45 and 46. Two of the ends of the windings of the voltage coil are connected to each other through two rectifiers 18 and 19 connected in series; the other two ends of these windings 45 and 46 are connected to an impedance 52.
50 designates the secondary winding of an auxiliary current transformer, the primary winding of which is traversed by an auxiliary current corresponding to the intensity of the network. The rectifiers 47 and 48 serve to rectify the voltage supplied by the winding
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secondary 50. This assembly works in such a way that it passes through the impedance 52 a current, supplied by the secondary winding 50 and rectified by the rectifiers 47,48, current which produces a voltage ohute in this impedance 52. The current, supplied by the voltage transformer at terminals 27 and rectified by rectifiers 18,19, can begin to flow through windings 45,46 only when the voltage at terminals 27 has become sufficiently high relative to the voltage drop mentioned.
The characteristic of the relay will therefore occupy the position which is represented by the straight line a in Fig. 8, while a relay, as previously described, has a characteristic corresponding to the straight line b in Fig. 8.
As will be explained below by means of a short calculation, one can easily obtain, with the assembly according to fig. 7, also positions of the characteristic corresponding to the straight line in broken lines in fig.8. For this purpose, it suffices to reverse the direction of flow of the current in the rectifiers 47,48. The force k1. which is exeroed by the bimetallic strip on the reinforcement of the tension coil, is given by the equation: k1 = c1.Jt, in which c1 denotes a constant, J the intensity of the network and t the time. The two coils of% en- sion 45.46 are traversed both by a current, which corresponds to the voltage at terminals 27, and by a current corresponding to the voltage in the secondary winding 50 of the auxiliary current transformer. .
If we denote by U the voltage at terminals 27 and by c2 and c3 two constants, as well as by k2 the force exerted on the armature by the tension coil, we obtain: k2 = c2.U + c3. J.
As already mentioned, the time relay is triggered when the force exerted by the bimetal blade on the armature exceeds the force exerted by the tension coil. The tripping time t is then given by:
EMI8.1
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This last equation corresponds to the dotted straight line c, shown in fig. 8.
A characteristic corresponding to the straight line c in FIG. 8 can still be obtained in another way. Figs. 9 - 13 show some assemblies which can be used for this purpose. In fig. 9, the contacts 49, surrounded by dashed lines, should be considered provisionally as short-circuited. The voltage coil of the relay again has two windings 45 and 46, which are however mounted in a slightly different way from: those of fig. 7. The partial winding 45 is supplied, passing through the rectifiers 18, 19, by the voltage transformer, which is connected to the terminals 27; the partial winding 46 is supplied by the auxiliary current transformer, the secondary winding of which is also designated by 50.
The rectifiers 47, 48 serve to rectify the currents of the auxiliary current transformer. Fig. 10 represents another assembly. The voltage coil of the relay consists, unlike the assemblies of fig. 7 and 9, only in one winding, which has a midpoint. The secondary winding 50 of the auxiliary current transformer also has a center tap. The capacitor 51 serves to stop the direct current, supplied by the secondary winding 50. In fig.ll, the voltage coil of the relay is constructed in the same way as in the case of fig. 10. However, unlike the assembly according to fig.10, the secondary winding 50 does not have a center tap. There is also only one rectifier 47 'for the secondary winding 50.
In the assembly according to fig.12, there are only two rectifiers 18 'and 19', which fulfill both the role of the rectifiers 18,19 and that of the rectifiers 47, 48 of fig.9. It is the same for the assembly according to figJ3,
The assemblies shown in FIGS. 9 to 13 all function as follows: in addition to a direct current, corresponding to the voltage of the network, it passes through the voltage winding of the relay, or through the second winding of the coil
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voltage of the relay, a direct current corresponding to the intensity of the network. Consequently, as emerges from the previous calculation, all these arrangements are suitable for giving the time relay a characteristic corresponding to the straight line in fig.8.
Another embodiment of the object of the invention consists in inserting in the circuit, - by which the voltage coil of the relay, or part of this voltage coil, is supplied with a direct current which corresponds the current of the network, - the contacts of a wattmeter relay.
It can then be obtained that, for a polarization, the time relay has a characteristic corresponding to the straight lines a, b or also to the straight line in phantom d in fig. 8, while for the other polarization, we obtain an additional supply, corresponding to the current of the network, of the voltage coil, supply which is caused by the wattmetric contacts, so that the characteristic of the relay, for this reverse bias, oc- cles the position of the straight line c in fig.8 or is shifted further upwards. The time to must then be determined in such a way that it becomes greater than the maximum tripping time occurring for the first mentioned polarization.
In fig. 9, it is shown, inside the rectangle in dotted lines, how the contacts 49 of the wattmeter relay can be connected. Instead of the arrangement shown in this fig. 9, the contacts 49 can also be arranged in such a way that they short-circuit the primary winding or the secondary winding 50 of the auxiliary current transformer. for the polarization mode for which the relay must have the characteristic a, b, d in fig. 8 and that they eliminate this short-circuit for the reverse polarization, for which we want to obtain the characteristic e in fig. 8 .
Fig. 14 shows schematically the complete assembly of the time relay with use of a supply of the voltage coil by direct current corresponding to the current
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of the network; this direct current supply is used to give the relay different characteristics for different polarizations. In this fig. 14 of the drawing, 53 designates the line to be monitored, to which are connected a current transformer 26 and a voltage transformer 27. In series with the primary winding of the intermediate transformer 4 are mounted the windings 54 of the wattmeter relay, as well as the primary winding of the auxiliary current transformer 56.
These windings are therefore not energized in normal times and are caused by a current only when the armature of the overcurrent electro-magnet 1 is pulled in and when the contacts 2 are opened.
49 designates the contacts of the wattmeter relay. As a control for the voltage circuit of the relay, there is shown a luminescent lamp 55. Otherwise, all parts have the same meanings and are designated by the same references as in the previous embodiments. Depending on the polarization, the relay will have the characteristics b or c in fig. 8.
Fig. 15 shows an assembly for a polyphase relay, in which the arrangement according to fig. 9 is used for the supply of each phase. There is only one pair of contacts 49 and these exert an influence on all three phases at the same time. If, as proposed in accordance with the invention, the biasing element is effected on the characteristic of the time relay, the advantage is obtained that the very weak contacts of the wattmeter relay are only charged with a very small current, especially only with direct current, corresponding to the current of the network, for the voltage coil.
This arrangement is therefore much more advantageous than that usually employed heretofore in impedance time relays, consisting in interposing the contacts of the wattmeter relay in the trip circuit for the vacuum interrupter. In the latter location, the load on the contacts will always be much greater than the location proposed in accordance with the invention. The mounting also entails a great advantage from the point of view n
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of the operating technique. When the shutdown energy completely blocks the relay in time, as is the case with the arrangement of the wattmeter contacts in the unwinding circuit of the oil switch, there is no protection. of the bus bar.
In the event of a short-circuit of the busbar, all the relays receive blocking energy and cannot therefore be tripped. According to the invention, however, all the relays are triggered after a time to, which is extraordinarily desirable.
As rectifiers, use is made, in all the arrangements described, advantageously of dry rectifiers, for example copper oxide rectifiers or selenium and iron rectifiers.
CLAIMS
1) Impedance time relay to protect electrical installations, characterized in that the short-circuit current heats a thermal element, which produces a force acting in a direction tending to trip the relay and increasing with time , and in that this force opposes another force, which depends on the voltage to be monitored, and in that the relay is triggered when the force mentioned first wins.