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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.