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Indicateur de distance de défaut.
Il est désirable, lorsqu'un court-circuit ou un défaut d'isolement s'est produit sur une ligne de transport d'énergie élec- trique, de connaître avec une approximation suffisante l'endroit de la ligne où le défaut a eu lieu. Certaines-sections de ligne ayant des longueurs très grandes qui peuvent dépasser largement cent kilomètres, des économies de temps considérables peuvent être réalisées de ce fait.
Lorsqu'il s'agit de câbles souterrains le problème est résolu depuis fort longtemps. Après "affranchissement" du défaut, la distance du défaut est mesurée, soit en courant continu, par la méthode dite de la boucle, soit par des méthodes utilisant la ré- flexion au point de défaut de courants alternatifs de haute fré- quence.
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Lorsqu'il s'agit de lignes aériennes, au contraire, le défaut ne peut pas être "affranchi", étant donné les distances d'isolement considérables entre phases ou entre phases et terre.
La conséquence d'un défaut est souvent le percement d'un seul élé- ment d'une chaîne d'isolateurs. La remise en service de la ligne est alors souvent possible après le défaut, mais il subsiste un point faible dans l'isolement, et un amorçage se produira sûrement à la première circonstance favorable. Si l'on avait pû connaître l'endroit où s'est produit le défaut, on aurait pû procéder, dans les délais les plus réduits, au remplacement de l'élément d'isola- teur détérioré et éviter ainsi les accidents ultérieurs, avec les interruptions de service qu'ils peuvent entraîner.
Comme on ne peut "affranchir" un défaut dans une ligne aé- rienne, la mesure de sa distance ne peut s'effectuer au'en utilisant les grandeurs électriques mises en jeu dans cette ligne pour pro- duire le défaut : courant, tension, puissance, etc... Il s'ensuit qu'on ne dispose, pour effectuer la mesure, que du temps pendant lequel le défaut subsiste. Or, on sait que les conditions de sta- bilité des lignes de transport et d'interconnexion obligent à éli- miner sélectivement et automatiquement les défauts sur ces lignes dans des temps très réduits qui sont, pour préciser, de l'ordre de 0,2 à 0,5 seconde.
Il est connu que la distance d'un défaut sur une ligne aérienne est caractérisée avec le maximum de précision par la réac- tance de la boucle constituée par les conducteurs qui aboutissent au défaut.
Cette réactance, donnée par la formule :
X = U/I sin est mesurée habituellement par le rapport des deux grandeurs UI sin (puissance réactive) et I2. La présente invention a pour objet un appareil indicateur qui, dans le temps très court que dure un défaut,
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mesure la distance de ce défaut et en conserve trace, en utilisant à cet effet le principe général de mesure de la réactance de la boucle de défaut. Elle est caractérisée par l'emploi de deux ap- pareils de mesure à fort amortissement et à très faible période propre, de façon qu'ils prennent leur position d'équilibre dans un temps très court, inférieur, par exemple, à 0,2 seconde.
L'un de ces appareils mesure la puissance réactive de la boucle U I sin et l'autre le courant I, le second ayant de préférence une échelle quadratique en fonction de I, si le premier a une échelle linéaire en fonction de UI sin .
Les deux appareils ont, soit un dispositif de blocage qui permet de maintenir leurs équipages mobiles dans la position qu'ils occupent, soit un dispositif qui ne leur permet de dévier que dans le sens de l'augmentation de la déviation. Le quotient des deux dé- viations des appareils est égal à la réactance jusqu'au défaut, et est donc proportionnel à la longueur de la ligne jusqu'au défaut.
L'invention est en outre caractérisée par une application nouvelle de moyens connus permettant de mesurer correctement la réactance, c'est-à-dire la distance du défaut dans un circuit tri- phasé, en cas de défaut entre deux phases, entre une phase et la terre, ou entre deux phases et la terre et par une application nou- velle d'autres moyens connus permettant d'utiliser un sa[ ensemble d'appareils de mesure quel que soit le défaut particulier qui se produise.
Elle est enfin caractérisée par l'emploi de moyens permet- tant d'ajuster simultanément et, dans certains cas, automatiquement, la sensibilité des deux appareils de mesure, en fonction du courant de défaut, de façon que la précision de mesure de la distance soit dans tous les cas supérieure à une valeur déterminée.
Les caractéristiques principales de l'invention seront mieux comprises en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés dans lesquels :
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La fig. 1 représente l'un des deux éléments principaux du dispositif constituant l'invention, à savoir l'appareil de me- sure de puissance réactive, qui reste automatiquement accroché dans la position qu'il occupe au moment du défaut.
La fig. 2 représente l'autre élément principal, à savoir l'appareil de mesure du courant qui reste aussi accroché dans la position qu'il occupe au moment du défaut.
La fig. 3 représente la vue par l'avant d'un appareil, comportant les deux éléments ci-dessus, leurs deux index et une graduation commune.
La fig. 4 représente un montage des appareils permettant un réglage facile et simultané de leurs sensibilités.
La fig. 5 représente un montage permettant un réglage au- tomatique de la sensibilité des deux appareils.
La fig. 6 représente un schéma de branchement des appa- reils selon l'invention, sur une ligne triphasée à haute tension, conjointement avec un ensemble de relais permettant, quel que soit le défaut particulier qui se produise sur la ligne, d'alimenter lesdits appareils avec le courant et la tension qui caractérisent le défaut et au moyen desquels la mesure de distance peut s'effec- tuer correctement.
La fig. 7 représente en coupe l'un des éléments confor- mes à l'invention avec un dispositif différent de celui des figs.
1 et 2 pour maintenir l'équipage en position.
En se reportant maintenant à la fig. 1 on voit un watt- mètre de puissance réactive 10 constitué par un circuit magnéti- que comprenant une culasse 11 et un noyau 12, un enroulement de courant 13, alimenté par un transformateur de courant 14 placé sur une ligne 15. L'équipage mobile de cet appareil comprend un double enroulement 16, 16', fixé sur un axe 17, cet enroulement étant ali- menté à travers une réactance 18 et un condensateur 19, par un transformateur de tension 20, branché sur la ligne 15. Ce montage
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du circuit de tension, d'ailleurs connu, présente l'avantage d'an- nuler les actions parasites qui faussent les indications des watt- mètres de puissance réactive.
Il est toutefois bien entendu que la présente invention n'est pas limitée à un montage particulier de wattmètre de puissance réactive et tout autre montage permettant la mesure de cette puissance entrerait dans le cadre de l'inven- tion.
Sur l'axe 17 de l'équipage mobile est monté un miroir 21 qui sert à envoyer, sur une échelle 22, une image lumineuse fournie par une source 23, une lentille ou système de condensa- teur 24 et un diaphragme 25 constituant l'objet lumineux dont l'i- mage doit être reproduite sur l'échelle.
Un ressort antagoniste et un amortisseur, non représen- tés, fournissent les éléments d'équilibre statique et dynamique qui existent dans tout appareil de mesure. Un secteur denté, à denture extrêmement fine, 26, est monté sur l'équipage mobile. Une lame élastique 27 suffisamment souple appuie sur la denture du secteur. L'ensemble constitue une sorte de cliquet ne permettant à l'équipage de dévier que dans un seul sens, tant que la lame ap- puie sur le secteur denté.
Le couple moteur de l'appareil, son moment d'inertie, son couple d'amortissement, ainsi que le couple de frottement dû à la lame élastique ont, par construction, des valeurs telles que, lors- que l'équipage est au zéro, et qu'on lui applique pendant un temps très court une tension U et un courant I déterminés, il prend iramé- dia.tement sa position d'équilibre correspondant au produit U I sin# et il conserve cette position lorsque la tension et le courant sont supprimés, jusqu'à ce qu'on intervienne, manuellement ou automati- quement, pour dégager la lame élastique du secteur denté, ce qui libère l'équipage, qui est alors rappelé au zéro par son ressort antagoniste. Le dispositif de dégagement de la lame élastique n'est
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pas représenté sur la figure.
Sa forme est indifférente eu égard à l'invention.
Il a été jugé utile, pour que l'équipage mobile puisse prendre rapidement sa position d'équilibre; de réduire au minimum son moment d'inertie. C'est ce qui a conduit à utiliser un dispo- sitif de lecture à index lumineux, préférablement à l'aiguille em- ployée habituellement dans les appareils de mesure.
L'équipage ampèremétrique est de construction analogue.
Il est représenté sur la fig. 2, où les mêmes repères ont la même signification que dans la fig. 1. L'enroulement fixe 13 est ali- menté par le transformateur de courant 14 et les deux enroulements mobiles 16 et 16' sont montés en série et sont alimentés par un courant proportionnel au courant de l'inducteur, mais ramené à une valeur plus faible au moyen du transformateur de courant auxiliai- re 28, ceci afin de ne pas faire passer un courant trop élevé par les amenées de courant de l'équipage mobile.
Avec le montage indiqué le couple moteur de l'appareil de mesure est proportionnel au carré de l'intensité efficace. Il s'ensuit que l'angle de déviation est proportionnel également au carré du courant si le couple antagoniste est proportionnel à l'an- gle.
En réunissant dans un même boîtier les appareils des fi- gures 1 et 2 et en projetant leurs index lumineux sur une même échelle, divisée proportionnellement en unités arbitraires, com- me il est indiqué sur la fig. 3, il est facile de comprendre que le rapport des indications des deux index donne directement la fraction de la longueur de ligne comprise entre l'appareil et le défaut. Sur la fig. 3, on a :
8,2/9,7=84,6%, si on a réglé la sensibilité des deux appareils de façon que, pour un défaut à l'extrémité de la ligne, leurs déviations soient égales.
Un premier ajustage des appareils consistera donc à leur
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faire indiquer la même déviation pour un défaut situé à l'extré- mité de la section surveillée. C'est un ajustage relatif d'un appareil par rapport à l'autre. Il suffira d'agir, par exemple, sur le rapport de transformation du transformateur de tension 20 de la fig. 1, ou sur un transformateur de tension auxiliaire muni de prises de réglage. Ceci modifie la déviation de l'appareil de la fig. 1 sans modifier celle de l'appareil de la fig. 2. On pour- ra encore agir sur le rapport de transformation du transformateur de courant auxiliaire 28 de la fig. 2, lequel sera muni à cet effet de prises de réglage. On modifiera ainsi la déviation de l'appareil de la fig. 2 sans modifier celle de l'appareil de la fig. 1.
Ce premier ajustage relatif étant effectué il s'agira de conserver aux deux appareils une déviation d'amplitude suffisante en dépit des valeurs très variables du courant pour un défaut dé- terminé, ceci afin de maintenir une précision de lecture suffisante.
Pour fixer les idées si le courant, pour une même distan- ce de défaut, est deux fois plus faible, les déviations angulaires des deux appareils seront quatre fois plus petites. Pour les rame- ner à la valeur primitive il faut doubler le courant secondaire fourni par le transformateur de courant, en supposant que les deux appareils sont alimentés par le même transformateur, et doubler en même temps la tension secondaire fournie par le transformateur de tension 20.
Le Lontage de la fig. 4 permet d'agir seulement sur le courant fourni aux enroulements 13. Dans cette figure, 29 repré- sente le wattmètre de puissance réactive de la fig. l, avec son enroulement de courant 30, et ses enroulements de tension 31 bran- chés, par l'intermédiaire de la self-inductance 18 et de la capa- cité 19, sur le transformateur de tension 20, muni de prises de ré- glage. L'ampèremètre est représenté en 32, avec, son enroulement fixe
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33 et son enroulement mobile 34. Les enroulements fixes des deux appareils sont branchés en série et alimentés par l'intermédiaire d'un auto-transformateur de courant 35 muni de prises -de régla=, ge, par le transformateur de courant principal 14.
L'enroulement mobile 34 de l'ampèremètre est alimenté, comme dans la fig. 2, par un transformateur de courant auxiliaire 28, muni également de prises de réglage, et branché dans le circuit secondaire du trans- formateur de courant principal 14. Avec ce montage l'ajustage des appareils aux constantes de la ligne peut s'effectuer soit par le moyen de prises du transformateur 28, soit par le moyen des prises du transformateur 20 et l'ajustage des appareils en fonction de la grandeur du courant de défaut s'effectue, sans modifier leurs dé- viations relatives, par les prises de réglage du transformateur 35.
Ce réglage pourra s'effectuer, soit manuellement, si l'on connaît l'ordre de grandeur du courant de défaut, soit automati- quement si cet ordre de grandeur est inconnu. Il suffira pour cela d'utiliser un certain nombre de relais instantanés à maximum de courant, réglés à des valeurs échelonnées du courant, chacun d'eux étant chargé de commuter le transformateur de courant 35 d'une prise à la suivante.
La fig. 5 représente un tel dispositif. Dans cette figure, les mêmes repères ont la même signification que dans la fig. 4. 36, 37, 38 représentent trois relais instantanés à maximum de courant, réglés à des valeurs croissantes, c'est-à-dire 36 est réglé à la valeur la plus faible et 38 à la valeur la plus forte. Chacun de ces relais manoeuvre un contact à ouverture et à fermeture, le passage d'un contact à l'autre s'effectuant sans coupure. Les con- tacts sont reliés comme il est indiqué à des prises correspondant à des courants de valeur décroissante sur le transformateur 35.
Le fonctionnement de cet ensemble est évident; plus le courant débi- té par le transformateur 14 est grand, plus le courant secondaire du transformateur 35 est relativement réduit, ce qui a pour effet de rapprocher les limites extrêmes des courants traversant les enroulements 30 et 33. Le nombre des relais tels que 36, 37, 38 @
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peut être aussi élevé qu'il est nécessaire.
Il se limitera pratiquement à quatre ou cinq lorsque le courant débité par le transformateur 14 varie de 1 à 20.
Sous la forme où les montages décrits ci-dessus sont réa- lisés, les appareils de mesure sont intéressés par un courant et une tension monophasés. Il est connu que lorsqu'on doit effectuer des mesures de réactance sur une ligne triphasée il y a lieu d'u- tiliser différentes combinaisons de courants et de tensions selon le défaut particulier qui se produit.
Si l'on appelle Il. I2, I3 les valeurs efficaces des courants dans les trois phases, It la valeur efficace du courant dans le sol (It = Il + I2 + I3 en valeu vectorielles), U1, U2, U3 les valeurs efficaces des trois tensions entre phases et terre, U1-2, U2-3' U3-1 les valeurs efficaces des trois tensions entre phases, la réactance d'un défaut survenant entre les phases 1 et 2 est mesurée par le quotient
EMI9.1
# 1-2 étant le déphasage entre les vecteurs Ul¯2 et (I1- I2)
On obtient de manière analogue les réactances de défaut en cas de défaut entre les phases 2 et 3, à savoir :
EMI9.2
et en ce cas de défaut entre les phases 3 et 1, à savoir :
EMI9.3
En cas de défaut triphasé symétrique la réactance peut être mesurée par l'une quelconque des valeurs précédentes.
En cas de défaut entre une phase et la terre, par exemple entre la phase 1 et la terre, la réactance de défaut a pour valeur:
EMI9.4
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où K est un coefficient numérique, caractérisé par les écartements relatifs des conducteurs entre eux et par rapport au sol, et par la conductibilité du sol, et 1-t désigne le déphasage entre les vecteurs Il et K It.
Les formules sont analogues en cas de défaut entre la phase 2 et la terre et entre la phase 3 et la terre.
Il est intéressant de n'utiliser qu'un seul système de mesure pour les différents cas de défaut et d'alimenter ce système, selon le défaut particulier qui se produit, par les combinaisons correctes de courants et de tensions.
On utilisera à cet effet le dispositif suivant, représen- té sur la fig. 6, où 31 et 32 sont les mêmes appareils que ceux des figs. 4 et 5, 39 un relais de protection du type à réactance, 40 une ligne triphasée dont les phases sont numérotées 1, 2, 3, et qui est reliée à un jeu de barres 41 par l'intermédiaire d'un dis- joncteur 42 dont la bobine de déclenchement 43 est commandée par le contact 44 du relais 39, au moyen d'une source auxiliaire, dont les pôles sont 4 et 5. Trois transformateurs de tension 45 sont montés sur le jeu de barres et trois transformateurs de courant 46 sur le départ de la ligne. Deux relais ampèremétriques balancés 47 et 48 comparent respectivement entre eux les courants des phases 1 et 2 et des phases 3 et 1.
Un relais ampèremétrique à maximum 49 est branché dans le fil neutre des transformateurs de courant et est donc parcouru par un courant proportionnel à It. Trois trans- forrnateurs de courant auxiliaires 50, 51, 52 comportent chacun deux enroulements primaires, l'un parcouru respectivement par les cou- rants Il, I2 ou I3 et l'autre, muni de prises de réglage, parcouru par le courant It.
Les trois enroulements secondaires fournissent donc au circuit extérieur trois courants respectivement proportion- nels à Il-KIt, I2-KIt, I3-KIt, le coefficient K étant défini par les prises de réglage, ceci lorsque les trois enroulements secon- daires sont couplés en étoile, ou trois courants respectivement
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proportionnels à I1-I2, I2-I3, I3-I1, lorsque les trois enroule- ments secondaires sont couplés en triangle. Ces couplages sont faits automatiquement par un relais intermédiaire 53, dont la bo- bine est excitée lorsque le relais 49 ferme son contact.
Le couplage de transformateurs est fait en triangle dans la position de repos du relais 53, c'est-à-dire quand le relais 49 n'est pas excité; il est fait en étoile lorsque le relais 49 est excité, c'est-à-dire lorsqu'il se produit un défaut à la terre, lequel est caractérisé, comme il est connu, par l'existence d'un courant dans le fil neutre des transformateurs de courant. Trois autres relais intermédiaires 54, 55, 56 sont excités, par les con- tacts des relais 47 et 48, de telle façon que, lorsque le relais 47 ferme son contact, les deux relais 54 et 55 soient excités et que, lorsque le relais 48 ferme son contact, les deux relais 56 et 55 soient excités.
Le relais 47 fonctionne lorsque I1# I2 et le relais 48 lorsque I3# Il.
Le fonctionnement des relais est alors le suivant: - défaut entre 1 et 2, aucun relais ne fonctionne, - défaut entre 2 et 3, fonctionnement du relais 48, donc des relais 55 et 56, - défaut entre 3. et 1, fonctionnement du relais 47, donc des re- lais 54 et 55, - défaut triphasé symétrique, aucun relais ne fonctionne, - défaut entre 1 et T, fonctionnement des relais 47 et 49, donc des relais 54,55 et 53, - défaut entre 2 et T, fonctionnement du relais 49, donc du re- lais 53, - défaut entre 3 et T, fonctionnement des relais 48 et 49, donc des relais 55, 56 et 53.
On voit, en suivant le schéma que les enroulements des appareils 31 et 32, et du relais 39, sont soumis, dans chaque cas
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de défaut, aux courants ou aux tensions qui permettent la mesure correcte de le réactance de ce défaut particulier.
Il est évident que le temps qui est laissé aux appareils 31 et 32 pour effectuer leur mesure est le temps d'élimination du défaut, limité par le fonctionnement du relais 59 et du disjonc- teur 42.
Ce temps est généralement compris entre 1 seconde et 0,2 seconde, selon la position du défaut et la rapidité. du relais et du disjoncteur.
Dans la fig. 6, on suppose que les appareils restent tou- jours en circuit, mais on peut aussi prévoir un dispositif permet- tant de ne mettre en circuit l'un des enroulements au moins de cha- que appareil qu'au moment d'un défaut, de façon qu'en temps normal les équipages restent au zéro.
Dans ce qui précède, on a envisagé un moyen permettant aux équipages mobiles des appareils de mesure de distance de rester dans leur position d'équilibre lorsque le courant et la tension ont été coupés. Mais il reste entendu que ce moyen est simplement donné à titre d'exemple non limitatif et qu'on ne sort pas du do- maine de l'invention en utilisant tout autre moyen permettant d'ob- tenir ce résultat.
On pourra par exemple utiliser le dispositif de la fig. 7 dans laquelle 57 est une coupe du circuit magnétique in- ducteur de l'appareil de mesure, 58 le cadre mobile, 59 l'axe sur lequel ce dernier est fixé, 60 le miroir, 61 le ressort spiral an- tagoniste et 62 un électro-aimant fixe monté coaxialement à l'équi- page mobile et pouvant, lorsque sa bobine 63 est excitée, soulever légèrement et bloquer l'équipage mobile en attirant un disque de fer 64 fixé à cet équipage. Le pivotage de l'appareil sera réalisé en conséquence et comportera, par exemple, deux tiges cylindriques 66 et 67 tourillonnant dans des paliers de saphir-68 et 69. Un grain de saphir inférieur 70 servira à supporter l'équipage mobile lorsqu'il @
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n'est pas soulevé.
Le fonctionnement sera le suivant : que l'électro- aimant 62 n'est pas excité l'équipage mobile est libre. Il prend sa position d'équilibre au moment du défaut jusqu'à ce qu'un con- tact, commandé par le relais 39 ou la bobine du disjoncteur 43, excite l'électro-aimant, Ce contact est maintenu par des moyens connus jusqu'à intervention manuelle. On a donc la possibilité de faire la lecture de la distance du défaut au moment que l'on juge opportun.