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Dispositif de protection de distance par relais statiques ultra-rapides.
La présente invention, système Minchel SOUILLARD, a pour objet un dispositif de protection de distance par relais statiques ultra-rapides, c'est-à-dire foncitonnant dans un temps au plus égal à une demi-période, à partir de l'apparition du défaut.
La difficulté de réaliser des dispositifs de protection de distance fonctionnant dans un temps extrêmement court, tient particulièrement au fait que le mode de fonctionnement de ces dispositifs a té déterminé'pour des grandeurs (tensions, courants) sinusoïdales, alors qu'à l'apparition d'un défaut, il faut tenir compte du régime transitoire apériodique qui se produit générale- ment à ce moment-là.
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L'invnetion a pour but de remédier à cet inconvénient Le dispositif de protection de distance suivant l'in- vention est caractérisa en ce qu'il comporte des moyens pour comparer, à partir de l'apparition du défaut sur la ligne 1, protéger et au moment où une grandeur électrique instantanée proportionnelle au courant de défaut devient nulle, deux tension* instantanées, dont l'une est fournie par une impédance de référence parcourue par un courant proportionnel au courant de défaut, et dont l'autre est proportionnelle soit à la tension à l'origine de cette ligne,
soit a la différence'entre la tension à l'origine de cette ligne et une tension fournie par une autre impédance de référence parcourue par un courant proportionnel au courant de défaut.
L'invention sera bien comprise dans son principe par plusieurs modes de réalisation décrits et représentés à titre d'exemples, sans aucun caractère limitatif.
La fig.1 représente un premier mode de réalisation du dis- positif de protection selon l'invention permettant de comparer 1' impédance ae la ligne à une impédance de référence, en cas de défaut entre phases.
Les fig.2, 3 et 4 représentent des diagrammes relatifs au fonctionnement du dispositif de protection de la fig.1 dans différents cas,
La fig.5 est une variante permettant de comparer 1 indue- tance de la ligne à une inductance de référence, en cas de défaut entre phases.
La fig. 6 est relative à un mode d'application du disposi- tif suivant l'invention à une protection d'une ligne triphasée en cas de défaut monophasé à la terre.
La fig.1 représente une ligne bifilaire alimentée â l'une de ses extrémités par une source S de tension alternative. A représente le poste où est branché le dispositif de protection.
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On suppose qu'à une certaine distance de ce poste, apparaît un défaut 1. L'impédance entre le défauti 1 et le poste A est déter- minée par la self-inductance L et la résistance R de la boucle défectueuse, cette résistance R comprenant la résistance du dé- faut. Les valeurs instantanées de la tension et du courant à l'ori- . gine de la boucle défectueuse sont .respectivement H1 et i1.2 est un transformateur de courant dont l'enroulement primaire est insé- ré dans la ligne et dont l'enroulement secondaire fournit un courant i qui est proportionnel à i1.3 est un transformateur de tension dont l'enroulement primaire est branché aux bornes de la source S et dont l'enroulement secondaire fournit, une tension qui est proportionnelle a u1.
L'enroulement secondaire du trans- formateur de courant 2 est fermé sur trois circuits 4, 5, 6 connectés en série. Le circuit 4 comprend une résistance 4' de valeur R1 et l'enroulement primaire 4" d'une inductance mutuelle dont le coefficient d'inductance mutuelle est L1;le circuit
5 comprend une résistance 5' de valeur R et l'enroulement pri- maire 5" d'une inductance mutuelle dont le coefficient d'inductance mutuelle est L2;
le circuit 6 comprend une résistance 6' de valeur R3 et l'enroulement primaire 6" d'une inductance mutuelle dont le coefficient d'inductance mutuelle est L. U1 est la, valeur de la tension instantanée qui apparaît entre les bornes extrêmes de la résistance 4' et de l'enroulement secondaire 4"' dé l'inductance mutuelle du circuit 4. U2 est la valeur do la tension instantanée qui apparaît entre les bornes extrêmes des marnes éléments du circuit 5; U3 est la valeur de la tension. instantanée qui apparaît entre les bornes extrêmes des mêmes éléments du circuit 6.
L'enroulement secondaire du .transformateur de tension 3, en série .avec l'enroulement 4'" de l'inductance mutuelle et la résistance 4' du circuit 4, est branché aux bornes 8 d'un compa- rateur instantané de polarités 7 de façon telle que la tension instantanée U4 appliquée entre les bornes, 8 soit égaleà u- U1.
La'tension instantanée U2 est appliquée à la deuxième paire de
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bornes 9 du comparateur instantané de polarités 7. La tension
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instantanée U, est appliquée aux bornes d'un générateur dsimpui. nions 10 qui émet des impulsions de courte durée lors du passage à 0 de ladite tension u3. Le générateur d'impulsions 10 est relié au comparateur 7 et tait fonctionner ledit comparateur dès que ce dernier reçoit une impulsion. Le comparateur 7 ne fournit un signal à ses bornes de sortie 11 que pour un seul état de coïncidence des polarités des tensions u2 et u4.
Ce signal est reçu par un amplificateur monostable 12 qui, dans ces condi- tions, fournit à ses bornes de sortie 13 une grandeur électri-
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que qui agit sur le dispositif de déclenchement (non'représen- té) du poste A. ,
Quelle que soit la loi de variation du courant et de la tension pendant la durée du régime transitoire apériodique qui suit l'apparition d'un défaut dans la ligne, les valeurs
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instantanées des grandeurs électriques .1. Uy u¯l, U2# Y3' Y4 s'expriment toujours par les relations suivantes:
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.q - R;,1 + L i 1 (1)
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<tb> !il
<tb>
<tb>
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ui - Ri.L Li ii 1 (2) .
J11 ;a Rl.!. + Ll ; (2) g2 = R2" + L2 d (3) E3 R39i L3 à à 1 L (.4)
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Là tension. -q ,4 étant égale jazz ul s'exprime ainsi! 4 s (R¯l) (L-L) (5)
Suivant une des caractéristiques de l'invention , la , comparaison des polarités des valeurs instantanées des tensions u2 et u4 ''effectue dans le comparateur 7, lors de l'impulsion fournie par le générateur 10, à l'instant ou la tension u3 devient nulle.
A cet instant la relation (4) devient :
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3*' ' 3 rr* di 8'aXpTim0 81n4i et Tr-c t'xpriem tinai ! É ' * w±Q À diz
Si on reporte cette valeur de * - dans les expressions (5) et (3) , on obtient
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Le prtrlu1t 114 Y2 est positif s'il y a concordance des polarités des tensions instantanées u4 et u2 et négatif dans le ' cas contraire.
Ce produit s'exprime ainsi :
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Le signe de ce produit ne dépend ni du terme i2 qui est toujours positif, ni de l'expression:!], - l2 dont la R3 L3 valeur de ses différents termes est convenablement choisie de façon qu'elle soit toujours positive. Le signe de ce produit
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ne dépend que du signe de 1'expression : Ri - #h ,
R3 L3 c'est-à-dire en définitive des valeurs R et L de l'impudence : vue au poste A.
Les valeurs conjuguées de L et de R qui donnent & l'expres-
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sion ! Ri L = L1 une valeur nulle permettent de,
R3 L3 définir pour les coordonnées L et R une droite D (fig.2) dont le
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coefficient angulaire est : L3/R3 et qui passe par un point P dont les coordonnées sont R1, L1. Cette droite partage le plan des
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coordonnées i; et R en deux demi-plans tels que le signe de 1#ex,- R-Rl L-L pression :- ---- - L L 4" L1 soit positif dans l'un et négatif
3 3 dans l'autre.
Bien entendu, on peut faire varier les différents para-
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R - Rl - L - Ll mètres .1.11 e RIO L.3' B3 de l'expression : '-##'" ** L - L3 Li de sorte que la droite caractéristique D peut prendre différentes position? comme cela est indiqué sur la fig.3.
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lorsque les pa.r:J1ètre8 Li et Ftl sont nuls, c'est-à-dire su le circuit 4. (fig-1) est supprime et que dans ces conditions. la tension '1;;: bornes 8 du co,tiparatear*7 est égale à 1 la droite caractéristique est représentée par la droite Dl passant
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par l'origine des coordonnées.
Dans ce cas, le fonctionnement du dispositif de protection est analogue à celui d'un relais directionnel, car il compare les polarités instantanées des tensions u et u , c'est-à-dire les polarités instantanées de. la tension lui et du courant i1 au moment du défaut.
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Lorsnue le paramètre L 3 est nul, c'est-à-dire si le circuit, 6 (fig-1) ne comprend que la résistance 6' de valeur R la droite caractéristique est représentée par la droite D2 ,parallèle à l'abscisse OR et dont l'ordonnée est égale à L1. Dans ce cas,le fonctionnement du dispositif de protection est analogue à celui d'un relais d'inductance.
Lorsque le paraître R3 est nul, c'est-à-dire si le généra- teur d'impulsions 10 est uniquement alimenté par 1'enroulement secondaire 6", de l'inductance mutuelle faisant partie du circuit 6, la droite caractéristique est représentée par la droite D3' parallèle à l'ordonnée OL et dont l'abscisse est égale à R1. Dans ce cas, le fonctionnement du dispositif de protectton est analo- gue à celui d'un relais de résistance.
On peut utiliser une combinaison dé quatre dispositifs de
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de protection analogues à ceux qui viennent d'être précédemment décrit', de façon à obtenir une zone de fonctionnement délimitée par une surface fermée, dans le plan R, L. Sur la fig.4, la surface fermée a la forme d'un parallélogramme délimité par les droites D, D'et D2. Une telle caractéristique est particulière- ment adaptée à la surveillance d'une ligne longue susceptible d'une exploitation à forte énergie active.
Cette caractéristique est obtenue par un circuit logique combinatoire à coïncidence, associé à quatre dispositifs de protection,
La distance maximale surveillée correspond à l'inductance
12, ordonnée de la droite D2.
La résistance maximale de défaut-est ro, abscisse à l'origine de la droite D'.
La fig.5,où les marnes références ont la même signification que sur la fig.1, représente une variante du dispositif de pro- tection de distance suivant l'invention.Dans cette variante, la distance du défaut 1 par rapport au poste A où est branché le dispositif de protection est mesurée par l'inductance de la boucle défectueuse.
L'enroulement secondaire du transformateur de courant 2 est fermé sur un circuit'comprenant le premier enroulement 20' d'une inductance ,mutuelle 20,.et une résistance 6', tous deux connectés en série, u1 est la valeur de la tension instantanés qui apparaît aux bornes du second enroulement 20" de ladite inductance mutuelle 20, dont le coefficient d'inductance mutuelle
M est pris comme grandeur de référence.L'enroulement secondaire du transformateur de tension 3, en série avec l'enroulement 20" de l'inductance mutuelle 20 est branché aux bornes 8 du compara- teur instantané de polarités 7, de tacon telle que la tension instantanée u4 appliquée entre les bornes 8 soit égale à u- u1.
L'enroulement 20" de l'inductance mutuelle 20 est également relié aux bornes 9 du comparateur instantané de polarités 7.Le généra. teur d'impulsions 10 est connecté aux bornes de la résistance 6',
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.Quelle que soit la loi de variation du courant et de la tension pendant la durée du régime transitoire qui suit l'appa- rition d'un défaut dans la ligne, les valeurs instantanées des grandeurs électriques s'expriment toujours par les relations suivantes;
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A l'instant où le courant 1, passe par une valeur nulle, la tension u4 a alors la valeur suivante:
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Suivant une des caractéristiques de l'invention,la comparaison du signe des polarités des valeurs instantanées des tensions u4 et u1 s'effectuant dans le comparateur 7, à l'instant où le courant est nul, permet de connattre le signe de l'expression L - M.
Si les polarités des tensions n, et u1 sont concordantes, l'expression L - M est positive, de sorte que L est plus grand que M. si les polarités de stensions u4o et u1o sont discor- dantes,l'expression L - M est négative, donc L est plus petit que M.
Comme la self-inductance L de la boucle défectueuse est proportionnelle à la distance du défaut 1 par rapport au poste A, le dispositif qui vient d'être décrit permet de déceler si le défaut est situé en deçà ou au-delà d'une distance corres- pondant à la valeur du coefficient d'inductance mutuelle M de 20, prise comme grandeur de référence.
On voit donc, d'une part, que la distance du défaut est
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uniquement détermina par la valeur de la réactance (ou self inductance) de la boucle défectueuse et cet indépendante de la résistance du 4'faut, et que, d'autre part, cette césure cet obtenue dès le premier passage à zéro du courant dans la boucle défectueuse et qu'elle cet indépendante du régime transitoire qui suit l'apparition du défaut, et en particulier qu'elle est indépendante des composantes 'apériodiques du courant et de la tension.
La Fig.6 où les mêmes références ont la même significa- tion que sur les fig.1 et 5, représente le dispositif suivant l'invention appliqué à la protection d'une ligne triphasé a,b,c, en cas de défaut monophasé à la terre.
Cette figure représente d'une façon détaillés le circuit utilisé pour un défaut entre la phase ± et la terre,
31, 32, 33 sont des transformateurs de courant dont les enroulements primaires sont respectivement branchés sur les phases a, b,c de la ligne à protéger. 34 est un transformateur de courant à deux enroulements primaires dont l'un, 34' est en série , avec l'enroulement secondaire du transformateur 31,,
L'enroulement secondaire du transformateur 31 en série avec l'enroulement primaire 34.' du transformateur 34, ainsi que les enroulements secondaires des transformateurs 32 et 33 sont connectes en parallèle.
Entre leurs deux points communs, 35 et 36, sont connectés, en série, d'une part, l'enroulement primaire d'un transformateur de courant 30, et, d'autre part, le dukième enroulement primaire 34" du transformateur 34. Cet anroulement dont le nombre de tours est le tiers du nombre de tours de 1'en- roulement 34', est branché en opposition avec cet enroulement primaire 34', L'enroulement secondaire du transformateur 30, (dont le rapport de transformation est 1/3) alimente le cirouit du générateur d'impulsions 10 et l'enroulement primaire d'une mutuelle inductance 37. L'enroulement secondaire du transformateur 34 est connecté aux bornes d'un circuit comprenant une résistance
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38 et une inductance 39.
Le circuit comprenant la résistance 38, l'inductance 39 et l'enroulement secondaire de la actuelle inductance 37, connectés en série, aboutit eux' bornes 9 du com- parateur instantané de polarités 7. 40 est un transformateur de tension, dont l'enroulement primaire est branché entre la phase a et la terre et l'enroulement secondaire de ce transformateur en strie avec le circuit : résistance 38 - inductance-39 - enrou- lement secondaire de 37 est branche aux bornes 8 du compara- teur instantané de polarités 7.
La résistance 38 a une valeur r,y correspondant à la résistance d'une certaine longueur y de la ligne prise comme référence à partir du poste A où est branché le dispositif de protection jusqu'à un point N, r étant la valeur de la résistance de la ligne par unité de longueur et par phase. L'inductance 39 a une valeur 1.y correspondant à l'inductance de la ligne de longueur y, 1 étant la.valeur de l'inductance de la ligne par unité de longueur et par phase. L'inductance, constituée par l'enroules, t secondaire de 37 a pour valeur 1,y, correspon- dant & l'inductance homopolaire de la ligne de longueur y. 1o tant la valeur de cette inductance par unité de longueur et par phase.
On suppose qu'un défaut de résistance RD se produit entre la phase à, et la terre en un point B, à une distance X du poste A. Ce défaut est parcouru par un courant 1 et provoque à travers sa résistance une chute de tension V'=- RD.1.
Au poste A, l'apparition de ce défaut provoque la circulation d'un courant homopolaire de valeur 3 io dans l'enroulement primaire du transformateur 30 et dans l'enroulement primaire 34" du transformateur 34.' Le rapport de transformation du transformateur 30 étant 1/3, cornue cela a été déjà indiqué un courant io circule dans le circuit contenant le primaire de 37 et aboutissant aux bornes d'entrée du générateur d'impul- sions 10. Un courant ia circule dans l'enroulement primaire 34' du transformateur 34. Le sens et le nombre de tours des enroule-
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ments 34' et 34" est déterminé pour qu'un courant égal à ia- io circule dans le circuit 38 -39.
La tension instantanée aux bornes de ce circuit est égale : ,
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La tension instantané aux bornes de l'enroulement se- condaire de 37 est égale à ;
1o dio/dt La tension instantanée v1 aux bornée 9 du comparateur instantané de polarités 7 est donc égale à
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L'enroulement secondaire du transformateur de tension 40 est connecté avec le circuit38 - 39 et l'enroulement secondaire de 37, de façon telle que la tension v2 aux bornes ' 8 du comparateur instantané de polarités 7 soit égale à v- v1.
La tension 1 peut s'exprimer en.fonction des courants (ia- io) , io et 1, , en tenant compte des considérations suif vantes
Lors d'un court-circuit entre la phase a et la terre,on , sait qu'il existe les relations suivantes entre les composantes symétriques (directes, inverses, homopolaires) des tensions v, 1.' et du courant ia;
v = vd+vi+Vc v' = RD. 1 =v'd +v'i +v'o ia= id+ii+io les indices d, i, o, signifiant qu'il s'agit des composan- tes directes, inverses, homo polaires des grandeurs précitées*
D'autre part, les valeurs instantanées des tensions vd v1, vo t'expriment ainsi
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M-9.t a-1 51 !sl . x' 4 + M.J + &-1 Ü dii . 1.'1 + .I..t.11 + .1.1 4t 4 m 1.' n + zozà.,1"9 + X.4 $14 1
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Xt 2 ' -E ,1, 1 ayant les significations mentionnées précédez ment et Io correspondant à la résistance homopolaire par unité de longueur de la ligne et par phase.
En faisant la somme de ces
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trois égalités, on obtient la valeur instantanée.de'x, laquelle après simplification s'exprime ainai :
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Suivant une des caractéristiques de l'invnetion, on compare, dans le comparateur 7, lors de l'impulsion fournie par le générateur 10, à l'instant où le courant io devient nul, d'une part, la tension instantanée v1' et d'autre part une
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tension instantanée 1. égale à i - Il.
En soustrayant membre à membre les égalités (6) et (7) on obtient après simplification : x
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r2 $ BD#' + 2L*±2"l ;--2 + Ô - 1 ) i
Les courant i et io sont très sensiblement en phase, car les impédances homopolaires de part et d'autre du défaut ont des arguments de valeurs très voisines, de sorte que ces deux ; courants passent au zéro simultanément.
Dans ces conditions, à l'instant où la tension aux bornée du générateur d'impulsions 10 devient nulle par suite du passage
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au zéro du coursnt ,,o , la valeur instantanée de la tension %2 devient <(y - 1) v. Il s'ensuit que si les tensions 1nst- tanées 12 et y sont simultanément positives ou négatives c'est-à- dire s'il y a concordance de phases entre ces deux tensions, 1'expression 1 µ - 1 est positive, et par conséquent x est
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plua grand que y.
Le défaut est situé au-delà de la longueur Y de la ligne, prise comme référence* Si, au contraire les ten- sions instantanées vo et v sont simultanément l'une positive et l'autre négative, l'expression x/y- 1 est alors négative de sorte que .1 est plus petit que y. L'emplacement du défaut se trouve entre le poste A et le point N.
Le dispositif de protection suivant la fig.6 permet d'assu- rer la protection d'une ligne contre un défaut entre phase et terre par la mesure de la distance entre ledit défaut et le poste où est situé le dispositif de protection, indépendamment de la résistance RD du défaut.
Le dispositif tel que décrit est'relatif à la mesure de distance d'un défaut sur la phase a. Des dispositifs sembla- bles sont prévus sur les phases b et c, dont le schéma de raccordement se déduit facilement de la fig.6 en permutant les alimentations soit pour la phase ,le courant ib et la tension vb, soit pour la phase , le courant ic et la tension vc.
Dans un ensemble triphasé, leséléments alimentés par le courant homopolaire ,comme par exemple le générateur d'impul. sions 10 peuvent évidemment être communs aux trois dispositifs de protection des trois phases.
Les dispositifs tels que décrits ci-dessus utilisent toujours une impédance ou une inductance de référence qui est l'image" de l'impédance ou de l'inductance d'une certaine lon- gueur de ligne.
Dans le cas de lignes très longues présentant une capacitan- ce non négligeable vis-à-vis de l'inductance il peut être néces- saire d'utiliser un montage d'impédances de référence qui soit une "image" plus exacte de la ligne, par exemple en réalisant un montage d'inductances et de capacitances à plusieurs cellules,
Cette "image" complexe de ligne peut être soit triphasée avec neutre, soit constituée par des "images" distinctes en système
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direct, inverse et hompolaire.