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Dispositif de comparaison de phases de deux grandeurs électriques.
La présente invention, système Bernard MOREL, concerne un dispositif de comparaison des phases de deux grandeurs élec- triques : tensions, courants, ou tension et courant. Ce dispositif est basé sur l'emploi de transformateurs dont les circuits magné- tiques sont en substances hypermagnétiques, c'est-à-dire se satu- rant pour de faibles champs magnétiques (par exemple, le mumétal) et qui sont soumises, en outre de l'action de champs alternatifs, à l'action d'un champ magnétique produit par des courants prati- quement continus.
Suivant la présente invention, on se sert de la satura- tion des circuits magnétiques de certains des transformateurs de l'installation, pour amener des déformations appropriées dans les courbes de tensions ou de courants de ces transformateurs, et, d'autre part, on combine les enroulements de ces transformateurs
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avec des lampes à plusieurs électrodes et avec des redresseurs, de façon que, lorsque le déphasage entre deux grandeurs électri- ques déterminées se trouve compris entre deux limites, on ob- tient le fonctionnement d'un relais ou l'apparition d'un signal convenable ou une indication sur un appareil de mesure, tandis que, en dehors de ces limites, on obtient un signal différente une indication différente, ou un fonctionnement différent du relais, ou aucune indication ou aucun signal.
Les dispositifs et courbes des figures 1 à 8 permet- tront de bien comprendre l'esprit de l'invention. Les dispositifs décrits constituent des exemples non limitatifs de l'application du principe de l'invention.
Toutes les applications employant les moyens indiqués ci-dessus entrent dans le domaine de l'invention, mais cette dernière concerne plus particulièrement l'application de ces moyens à la protection des réseaux contre les contacts entre fils de ligne et les contacts de la terre.
La fig.l représente un transformateur dont le circuit magnétique en substance hypermagnétique porte un enroulement pri- maire 1 et un enroulement secondaire 2,parcourus par des cou- rants alternatifs, tandis que l'enroulement 3-est parcouru par un courant pratiquement continu.
Sur la fig.2, AB est la courbe de magnétisme d'un circuit magnétique, c'est-à-dire la courbe B = f (H), dans laquelle B est l'induction, et H, le champ magnétique corres- pondant; 4-5 représente une période de la courbe du courant dans l'enroulement primaire 1 du transformateur de la fig.l, courant i supposé fonction sinusoïdale du temps t. De ces deux courbes on peut déduire la courbe B = f (t) et e2 = (t), e2 étant la force électromotrice induite dans l'enroulement secon- daire 2 de la fig.l, force électromotrice qui est proportionnel- le àdB/dt.
On voit facilement que,dans les conditions de la fig.2, la force électromotrice e2 est pratiquement nulle pendant
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l'alternance 4 et les parties de l'alternance 5 voisines des zérosde la courbe de courant, tandis que cette force électromo- trice prend des valeurs finies pour'les parties de l'alternance 5 voisines de son maximum.
La position du point A dépend de la valeur des ampère- tours correspondant au courant continu qui traverse l'enroule- ment 3 de la fig.l. On peut, en donnant à ce courant une va- leur appropriée, obtenir une tension aux bornes de l'enroulement 2, ayant des paliers de valeurs presque.nulles ,,de la longueur voulue, et une pointe' plus ou moinsétroite.
La fig.3 donne le schéma d'un montage destiné à repé - rer le déphasage entre une tension et un courant.
Dans cette figure, 6 est un transformateur de tension dont le primaire 7 est alimenté par la tension de référence ou une tension proportionnelle à celle-ci et d'une phase appropriée; 8 et 9 sont deux secondaires identiques du transformateur 6; 10 est un transformateur de courant dont le primaire 11 est traver- sé par le courant/dont on veut repérer le déphasage par rapport à la tension de référencer 12 et 13 d'une part, 14 et 15 d'autre part sont deux enroulements secondaires du transformateur 10.
Chacun de ces enroulements a une sortie en son point milieu. A ces sorties, on connecte respectivement une des extrémités de chacun des enroulements 8 et 9 ; 16, 17, 18, 19 sont les circuits magnétiques de quatre transformateurs, analogues à celui de la fig.1; les circuits magnétiques de ces transformateurs sont en métal hypermagnétique saturé à l'aide du courant continu qui traverse les enroulements 20, 21, 22 et 23, montés en série en- tre eux et alimentés par une source de courant continu 24 à travers une inductance 25, destinée à limiter le courant alter- natif induit dans lesdits enroulements, et une résistance ré- glable 26 destinée à faire varier la valeur du courant continu.
La variation de ce courant continu. permet de changer la posi- tion du point marqué A sur la fig.2 ou, en d'autres termes, de modifier la saturation des circuits magnétiques des transforma-
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teurs 16, 17, 18 et 19. Les enroulements primaires de ces transformateurs sont désignés par 27, 28, 29, 30; leurs enroule- ments secondaires sont représentés par 31, 32, 33, 34. Les repè- res 35, 36, 37, 38 désignent des résistances, 39, la première lampe d'un relais électronique; 40 et 41 sont des résistances dans lesquelles débitent les secondaires 31, 32, 33, 34 des transformateurs 16, 17,18, 19, à travers les redresseurs 42, 43.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant:
Le transformateur de tension 6 fournit aux bornes de ses secondaires 8 et 9 des tensions pratiquement sinusoïdales, pour une tension sinusoïdale aux bornes de son enroulement pri- maire 7. Le transformateur de courant 10, alimenté par un cou- rant sinusoïdal traversant son enroulement primaire 11, et dont le circuit magnétique est saturé, fournit aux bornes de ses enroulements secondaires 12, 13, 14 et 15 des tensions dé- formées analogues à celle indiquée dans la courbe de la fig.4, dans laquelle le temps t est porté en abscisse et la tension u en ordonnée.
Si, pour des sens positifs appropriés, on désigne par u la différence de potentiel aux bornes de l'enroule@ent 8, égale à celle de l'enroulement 9, et par u" la différence de potentiel aux bornes de chacun des enroulements 12, 13, 14 ou 15, supposés identiques, on peut choisir le sens des enroule- ments de façon que la différence de potentiel aux bornes de l'en- semble 12 et 8 soit (u + u'), celle aux bornes de l'ensemble 14 et 9 soit - (u + u'), tandis que le différence de potentiel aux bornes de l'ensemble 13 et 8 sera (u - u') et celle aux bornes de l'ensemble 14 et 9, (u' - u).
Les différences de po- tentiel (u + u') et - (u + u') produisent dans les circuits 35-27, 37-29 des ¯courants il et i3 qui leur sont pratiquement proportionnels, si on admet que les impédances des enroulements primaires 27 et 29 sont faibles respectivement devant celles des résistances 35 et 37; de même les différences de potentiel A
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(u - u') et (u' - u) produisent, dans les circuits 36-28 et 38-30 des courants i2 et i4 pratiquement proportionnels à (u -u').
Les courbes 45, 46, 47 et 48 de la fig.5'a. représen- tent les courbes de ces courants, dans le cas particulier où u et u' sont en phase. La courbe 45 représente le courant il, la courbe 46 le courant i2, la courbe 47 le courant i3 et la courbe 48 le courant i4. Dans la même figure 5a, la courbe 44 est la courbe B = f (H) dans les circuits magnétiques des transformateurs 16,17, 18, 19. Les courbes 49,50, 51 et 52 (fig.5b) représentent les courbes des tensions aux bornes des enroulements secondaires 31, 32, 33, 34. La courbe 49 correspond au courant primaire donné par la courbe 45. Cette forme s'expli- que facilement.
Lorsque le courant il prend les valeurs corres- pondant à l'alternance à gauche et en haut de la courbe 45, l'induction dans le fer du transformateur 16 varie.rapidement (entre les points a' et a" de la courbe 45) d'abord en croissant ensuite en décroissant. Dans ces conditions, la force électro- motrice aux bornes du secondaire qui est proportionnelle à dB/dt, comme on l'a vu, est d'abord positive ensuite négative, ce qui donne les deux pointes de la courbe 49 ; contre, pour l'al- ternance à droite et en bas, l'induction B reste pratiquement constante et la.force électromotrice pratiquement nulle, ce qu'indique la partie de la courbe 49 qui suit les deux pointes de signes contraires.
Des résultats analogues sont indiqués dans 'la courbe 51 correspondant au transformateur 18, sauf ':que la force électro- motrice est pratiquement nulle pour la première alternance et présente deux pointes de signes contraires pour la deuxième alternance.
Pour ce qui concerne la force électromotrice aux bor- nes des circuits secondaires 32 et 34 leurs valeurs sont prati- quement nulles, comme l'indiquent les courbes 50 et 52, parce que les courants 12 et i4 représentés par les courbes 46 et,48 de la fig.5a ne dépassent jamais les valeurs correspondant au
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coude A' de la courbe B = f (H).
Les résultats précédents sont obtenus par un réglage convenable de la position du point A (correspondent aux valeurs nulles des courants il, i2, i3, i4) sur la. courbe B = f(H).
Les circuits secondaires 31 et 33 sont montés en série
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et leuisforceEélectroraotricess'ajoutent; on obtient donc, aux bornes du circuit formé par le redresseur 42 et la résistance 40, une différence de potentiel dont la forme est donnée par la courbe 55 (fig.5c) résultant de la superposition des courbes 49 et 51. De même, les circuits 32 et 34 sont montés en série aux bornes du circuit formé par le redresseur 43 et la résistance 41; la différence de potentiel obtenue est pratiquement nulle, (courbe 54 - fig.5c) parce que les deux forces électromotrices qui s'a- joptent sont pratiquement nulles.
Le redresseur 42 laisse passer le courant correspondant aux valeurs positives de la tension de la courbe 53; la grille de la lampe 38 est alors à un potentiel positif et une impulsion de courant se produit dans le circuit d'anode de cette lampe à chaque alternance.
Dans le cas où les tensions u et u' sont en opposition, on trouve les résultats de la fig.6 qui sont faciles à comprendre d'après ce qui précède. Dans ce cas, la tension aux bornes des circuits 31 et 33 en série est pratiquement nulle (courbe 64); par contre, celle aux bornes des circuits 32 et 34, en série, présente deux oscillations par période, (courbe 65). Cette ten- sion est appliquée au circuit formé par la résistance 40 et le redresseur 42. Ce redresseur ne laisse passer que des alternan- ces négatives; la grille de la lampe 39 est donc au potentiel zéro ou au potentiel négatif et aucun courant ne traverse son circuit d'anode.
En résumé, suivant que u et u' sont en phase ou en oppo- sition, un courant passera ou ne passera pas dans le circuit d'anode de la lampe 39. On,voit facilement qu'il existe une plage
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d'environ 180 , du déphasage entre u et u' pour laquelle il y aura un courant dans le circuit d'anode de la lampe 39, et une plage du même ordre de grandeur pour laquelle il n'y aura pas de courant.
Avec le montage de la fig.3 on a, dans le cas favorable, une impulsion de courant anodique à chaque alternance. On peut simplifier le montage en supprimant les transformateurs 18 et 19, et les circuits qui leur correspondent; on obtient alors, dans les cas favorables, une impulsion de courant par période.
La fig.7 concerne un montage destiné à comparer les phases de deux courants. Dans cette figure, 68 représente un transformateur de courant à circuit magnétique non saturé et dont le primaire 69 est parcouru par l'un des courants ou par un courant proportionnel à celui-ci et en phase avec lui ou déphasé d'un angle approprié; 70 et 71 représentent deux en- roulements secondaires identiques de ce transformateur;'72., un transformateur de courant à circuit magnétique saturé dont l'enroulement primaire 73 est parcouru par le deuxième courant et dont les secondaires 74 et 75 ont, à leurs bornes, des,dif- férences de potentiels déformées, comme dans le transformateur 10 de la figure 3;
76 ;et 77 sont de,s transformateurs analogues à celui de la fig.l, dont les primaires 78 et' 79 sont alimentés respectivement par la tension aux bornes de l'ensemble 70-74 et 71-75 à travers la résistance 82; 80 et 81 sont les enroule- ment secondaires des transformateurs 76 et 77; 83 et 84 les enroulements des mêmes transformateurs parcourus par le courant continu fourni par une source 85 à travers une résistance ré- glable 86 et une bobine de réactance.87; 88 est la première lampe d'un relais électronique ; 89 et 90 deux redresseurs; 91 et 92 des résistances.
Les explications données pour la fig.3 permettent de comprendre le fonctionnement du dispositif de la fig.7. Pour certaines limites du déphasage entre les deux courants étudiés,
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des impulsions de courant passent dans le circuit d'anode de la lampe 88, à raison d'une impulsion par période; tandis que, pour d'autres valeurs du déphasage, aucun courant ne passe dans ce circuit d'anode.
On peut, en s'inspirant de la fig.3, faire un montage qui donne deux impulsions par période, dans les limites favora- bles du déphasage.
Les dispositifs faisant l'objet de la présente inven- tion peuvent recevoir un grand nombre d'applications; ils con- viennent dans tous les cas où une mesure, un signal ou le fonc- tionnement d'un dispositif de protection dépend de la valeur du déphasage entre tensions, entre courants ou entre une tension et un courant.
Ils sont ainsi applicables à tout dispositif de pro- tection différentielle de lignes électriques dans lequel les dis- joncteurs aux deux extrémités d'un tronçon de ligne doivent fonc- tionner lorsqu'un défaut se produit sur le tronçon limité par les deux disjoncteurs et ne doit pas fonctionner lorsque le dé- faut est extérieur à ce tronçon, lorsque le critère qui sert à distinguer ces deux cas est, soit la grandeur, soit le sens du déphasage entre tensions;, entre courants ou entre une tension et un courant, tel par exemple le déphasage des courants aux deux extrémités du tronçon, ou le déphasage entre courant et tension à chaque extrémité.
Les tensions dont il s'agit peuvent être des tensions simples ou composées dont on dispose ou celles obtenues par transformation, mais elles peuvent être aussi les composantes di- rectes, inverses ou homopolaires des systèmes de tensions. De même, les courants peuvent être les courants du réseau ou des courants obtenus par transformation, ou des courants proportion- nels à la différence des courants dans deux phases obtenue par exemple par un montage convenable de transformateurs ou à l'aide de transformateurs spéciaux;
mais on peut aussi employer les composantes directes, inverses ou homopolaires des courants. '
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Dans le cas dé l'application du dispositif à la pro- tection, on peut employer des moyens qui permettent de se ser- vir des composantes inverses ou homopolaires des tensions ou des courants, lorsque les défauts se produisent entre deux phases ou entre une phase et la terre, (ou des deux composantes à la fois) et disposer l'ensemble de façon que ces composantes soient remplacées automatiquement par les composantes directes ou par les tensions ou les courants eux-mêmes lors d'un défaut triphasé.-
La fig.8 donne, à titre d'exemple non limitatif, le schéma d'un montage pour la protection directionnelle sélective d'un tronçon de ligne muni à chacune de ses extrémités du dispo- sitif faisant l'objet de la présente invention,
grâce auquel on envoie un signal de verrouillage à l'autre extrémité,'lorsque le défaut se trouve dans une partie du réseau extérieure au tronçon à protéger et voisine de l'extrêmité qui envoie le signal.
Dans ce schéma, lés signaux de verrouillage à fréquence musicale sont transmis à l'autre extrémité de la ligne par un canal à haute fréquence. La fig.8 représente une des extrémités de la. ligne 101 (représentée par un trait unique pour simpli- fier la figure). Les courants à haute fréquence attaquent la ligne par l'intermédiaire du condensateur 102; les circuits bouchons 103 et 104 empêchant ces courants de se diriger vers l'extérieur du tronçon à protéger ; tronçon est limité par un disjoncteur 105,106 et 107 sont respectivement un émetteur et un récepteur à haute fréquence, accordés sur deux fréquences différentes. 108, 109, 110, 111, 112, 113 sont des lampes trio- des (dont les circuits de chauffage n'ont pas été représentés par raison de simplicité);
leurs circuits anodiques sont respective- ment alimentés par les sources à courant continu A, B, C, D, E, F, dont on a représenté, pour chacune, le pôle positif et le pôle négatif ; 114, 115, 116, 117, 118, 119 sont des résistances; la résistance 120 est mise en dérivation.aux bornes du conden- sateur 121; 122 est un maître-oscillateur à fréquence musicale, dont l'enroulement de sortie alimente le potentiomètre 123, sur
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lequel est pris l'attaque de grille de la lampe 111; la fréquen- ce musicale émise par la lampe 109 et amplifiée par la lampe 111, module, par l'intermédiaire du transformateur 124, la haute fréquence de l'émetteur 106;
125, 126 et 127 sont trois dispo- sitifs conformes à la présente invention, identiques à celui re- présenté fig.3, et respectivement alimentés par les composantes homopolaires, inverses, et directes du courant et de la tension en ligne; 128 et 129 sont deux ensembles fournissant à leurs bornes une tension continue proportionnelle respectivement aux intensités des courants homopolaires et inverses; 130 est un dispositif aux bornes duquel .on recueille une tension continue uniquement en cas de défaut triphasé symétrique; ce dispositif 130 envoie également, à l'état de veille, un courant continu capable de verrouiller le système 127, par saturation d'un de ses transformateurs d'alimentation; les éléments 131 et 132 sont respectivement semblables à 128 et 129; 133-représente une ré- sistance;
134 désigne un amplificateur-redresseur, qui reçoit,à ses bornes 135, la fréquence musicale issue-du maître-oscilla- teur 122, et envoie, par ses bornes 136 un courant continu sus- ceptible d'actionner le relais 137, dont lès contacts comman- dent le disjoncteur 105.
L'amplificateur-redresseur 134 peut être verrouillé par une tension continue appliquée à ses bornes 138, ou par une tension à fréquence musicale appliquée à ses bornes 139 ou 140.
A l'état de veille, les lampes 108,111 et 113 débitent un courant qui, en traversant les résistances cathodiques 114, 117 et 119, polarise négativement et fortement les grilles des lampes 109, 110 et 112, qui, par conséquent, ne peuvent débiter.
En cas de défaut, entre une des phases et la terre, ou entre phases; les composantes homopolaires ou inverses, ou les deux ensembles, apparaissent dans le courant et la tension en ligne. Les éléments 128 et 129 introduisent sur la grille de 108 une tension négative qui diminue fortement le courant de cette lampe ; la lampe 109 n'étant plus bloquée débite à son tour,,
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et bloque la lampe 108, par la tension apparaissant sur la ré- sistance cathodique 115. Dès lors, la lampe 109 émet, par son maître-oscillateur 122 une tension à fréquence musicale qui at- taque la grille de la lampe 111, et qui alimente l'amplificateur 134 par ses bornes 135.
La protection est mise en route.
Si la puissance de défaut circule dans le sens de surveillance, l'un des ensembles 125 ou 126, conforme à l'inven- tion,délivre, à la grille de la lampe 110, des pointes de ten- sion positive, dont la première, venant contrecarrer la polarisa- tion négative introduite par 117, fait débiter la lampe 110; cela a pour effet de bloquer l'amplificatrice 111, grâce à la tension négative apparue aux bornes de 116. Ainsi, aucune tension à fré- quence musicale n'est envoyée à l'émetteur haute fréquence 106, ni aux bornes 139 de l'amplificateur-redresseur 134. Celui-ci a été déverrouillé d'ailleurs, par la disparition de la tension continue aux bornes de 120 et de 133.
Grâce au condensateur 121, la disparition de la tension continue aux bornes de 120 n'appa- rait qu'avec un léger retard, ce qui permet au relais direction- nel 110-111 de remplir son office, avant la sensibilisation du déclencheur. La disparition de la tension continue aux bornes de 133 est la conséquence du basculement du relais 112-113, sous l'action d'un des dispositifs 131 ou 132 agissant identiquement à 128 ou 129. Ce second.relais 112-113 permet de régler un seuil de déclenchement différent du seuil de verrouillage.
Si aucun signal à fréquence musicale n'est parvenu de l'autre extrémité de la ligne, par l'intermédiaire du récepteur
107, aucune tension n'est appliquée aux bornes 138. L'amplifica- teur-redresseur 134 n'étant plus du tout verrouillé, fonctionne et fait agir le relais 137,qui, par la fermeture de ses contacts, provoque le déclenchement du disjoncteur 105.
Si la puissance de défaut circule de la ligne 101'vers l'extérieur du tronçon'à protéger, les éléments directionnels 125 ou 126 délivrent, à la grille de 110 des pointes de tension né-
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gative, qui sont sans effet sur cette lampe, déjà bloquée par la tension aux bornes de 117. La lampe 111 continue à débiter et amplifie la tension à fréquence musicale qui va verrouiller, en 139, l'amplificateur-redresseur 134, et attaquer l'émetteur 106, grâce auquel ce signal sera transmis à l'autre poste dont il verrouillera le déclencheur.
En cas de défaut triphasé symétrique, il n'appareît aucune composante inverse ou homopolaire. Le dispositif 130 assure alors le basculement du relais 108-109 de mise en route en même temps qu'il déverrouille Isolément directionnel 127, conforme à la présente invention. Dès lors, le processus de fonctionnement devient le même que celui qui a été précédemment indiqué, le système 130 assurant également le basculement du relais 112-113.