Dispositif permettant la détection ainsi que la mesure de distance des défauts à la terre
dans un réseau triphasé avec neutre mis à la terre
La présente invention concerne un dispositif permettant la détection ainsi que la mesure de distance des défauts à la terre dans un réseau triphasé, avec neutre mSs à la terre.
Le dispositif suivant l'invention est réalisé uniquement à l'aide d'organes statiques, et il permet en particulier une mesure de distance directionnelle pour tous défauts à la terre (défaut entre une seule phase et la terre) survenant dans un réseau triphasé, sans utilisation d'organes de commutation. De plus, il ne comporte qu'un élément détecteur unique pour les trois grandeurs de mesure intervenant lors de son fonctionnement, et ne nécessite aucun filtre de composantes symétriques, ni aucun filtre de valeur moyenne, ce qui conduit à une réalisation simple et économique.
Le dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte trois circuits aboutissant respectivement aux bornes d'entrée de trois amplificateurs convertisseurs analogiques-logiques, chacun de ces circuits comprenant trois éléments en série:
a) l'enroulement secondaire d'un transformateur de tension branché entre une phase et la terre,
b) une mutuelle inductance-image identique pour les trois circuits, qui introduit dans le circuit une impédance dont la valeur Z représente l'impédance du tronçon de ligne à protéger ou à surveiller, et dont l'argument est le même que l'impédance directe de la ligne, ladite mutuelle inductance-image étant alimentée par un courant proportionnel à celui qui parcourt la phase considérée,
c) une mutuelle inductance-image, commune aux trois circuits, qui introduit une impédance KZ, K étant le coefficient des impédances de terre,
alimentée par le courant homopolaire qui prend naissance au moment d'un défaut à la terre.
Selon une mise en oeuvre particulière de l'invention les sorties respectives des amplificateurs convertisseurs analogiques-logiques sont reliées, d'une part, à un circuit logique ET et, d'autre part, à un circuit logique EI, les sorties des circuits logiques susmentionnés étant reliées à un circuit logique OU. La sortie de celuici est reliée à un dispositif à mémoire temporaire connecté lui-même à un organe de déclenchement du re- seau.
L'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit et du dessin annexé lesquels description et dessin, ne sont donnés qu'à titre d'exemple et sans aucun caractère limitatif.
La fig. 1 est un schéma d'un dispositif de détection et de mesure de distance des défauts à la terre dans un réseau triphasé, dans lequel on utilise l'impédance comme grandeur électrique servant à mesurer cette distance.
La fig. 2 comporte plusieurs diagrammes représentant la position des vecteurs des tensions utilisées dans le dispositif, en régime normal et dans tous les cas de défauts entre phase et terre survenant dans le tronçon de ligne à surveiller ou à protéger.
La fig. 3 est un graphique explicitant le fonctionnement du dispositif lors d'un défaut entre une phase et la terre survenant dans le tronçon de ligne à surveiller ou à protéger.
Sur la fig. 1, A, B, C représentent les trois phases d'un réseau triphasé, et N, son neutre mis à la terre.
11, 12, 13 sont trois transformateurs de courant dont les enroulements primaires sont respectivement insérés dans les conducteurs de phases A, B, C.
Une des extrémités de leur enroulement secondaire est connectée à une extrémité de l'enroulement primaire d'une mutuelle inductance-image 14, 15, 16. Ces mutuelles inductances sont identiques et leur valeur Z représente l'impédance du tronçon de ligne à protéger ou à surveiller. Cette impédance Z a le même argument que l'impédance directe par phase zd de la ligne.
Les enroulements secondaires des transformateurs 11,
12, 13 sont réunis par leur autre extrémité, il en est
de même pour l'autre extrémité des enroulements pri
maires des mutuelles inductances-images 14, 15, 16. Ces
deux points communs sont connectés par l'intermédiaire
des conducteurs 10, 10' à l'enroulement primaire d'une
mutuelle inductance-image 17 de valeur K.Z, K étant le
coefficient des impédances de terre, défini par la relation
connue:
K Zd-Zo
3Zd
z0 étant l'impédance homopolaire de la ligne.
21, 22, 23 sont trois transformateurs de tension dont
les enroulements primaires sont respectivement connec
tés entre une des phases et le neutre. Une des extré
mités des enroulements secondaires de ces transforma
teurs est reliée au point commun P, lui-même relié à
l'une des bornes de l'enroulement secondaire de la
mutuelle inductance 17. Les enroulements secondaires
des transformateurs de tension 21, 22, 23 sont en outre
connectés respectivement aux enroulements secondaires des mutuelles inductances 14, 15, 16, de façon à cons
tituer trois circuits aboutissant respectivement aux bor
nes d'entrée des amplificateurs 1, 2, 3, chacun de ces
circuits comprenant l'enroulement secondaire d'un desdits transformateurs de tension, l'enroulement secondaire d'une des mutuelles inductances 14, 15, 16 et l'enroule
ment secondaire de la mutuelle inductance 17.
Le circuit des amplificateurs 1, 2, 3 est réalisé de
façon connue de manière que ceux-ci se comportent comme converseurs analogiques-logiques transformant
leurs tensions d'entrée respectives en signaux logiques
à deux états (O et 1), les phases desdits signaux étant
respectées par rapport à celles des tensions d'entrée.
Les sorties des amplificateurs 1, 2, 3 sont reliées,
d'une part, au circuit logique ET (référence 4), et, d'au
tre part, au circuit logique NI (référence 5). Les sorties de ces circuits logiques sont reliées au circuit logique
OU (référence 6). Enfin, la sortie de ce dernier circuit logique est reliée à un circuit à mémoire temporaire 7 d'un type quelconque connu. La sortie du circuit à mémoire temporaire est connectée à un organe de déclenchement non représenté et indifférent au regard de l'invention.
Si l'on représente par IaS Ib, lo, 1r' les courants circulant respectivement dans les trois phases A, B, C et le neutre, lors d'un défaut entre une ou deux phases et la terre, par Va, Vb, Ve, les tensions entre chacune des phases et la terre, et par V'a, V'b, V'e les tensions qui apparaissent respectivement aux bornes d'entrée des amplificateurs 1, 2, 3, on voit que ces trois tensions V'a, V'b, Ve correspondent aux relations suivantes:
: V'a = VaZ(ia t KIr) (1)
V b =Vb-Z(Tb + KIr) (2)
V'0 =V0-Z(I0 t Kir) (3)
Pour bien faire comprendre le fonctionnement du dispositif, on va considérer, par exemple, le cas d'un défaut entre la phase A et la terre.
On sait que dans ce cas, la tension Va s'exprime par la relation suivante:
Va=ZdIa+ 3 Ir (4)
Si dans la relation (1) on remplace Va par sa valeur
exprimée par la relation (4), on obtient, après simpli
fication: V'a=(ZdZ) (Ia+K.Ir)
On voit donc que dans le cas où la valeur Zd (impé
dance directe de la phase présentant un défaut à la terre)
est plus petite que la valeur de l'impédance de réfé
rence Z (impédance du tronçon de ligne à protéger), la polarité de la tension V'a est constamment inversée par
rapport à l'emplacement du dispositif de protection à
une distance plus courte que la longueur du tronçon de
ligne à protéger.
Les diagrammes des tensions V'a, V'b, V'e de la
fig. 2 explicitent ce qui vient d'être indiqué.
Le diagramme 2a montre les vecteurs des trois ten
sions V'a, V'b, V'e, en régime normal. Ces trois vecteurs sont décalés les uns par rapport aux autres de
1200. En effet, comme dans ce cas 1r est nul, on voit d'après les relations (1), (2), (3) que les tensions V'a,
V'b, V'e sont respectivement égales à Va, Vh, Ve moins les chutes de tension Z.Ia, Z.Ib, Z.10. Celles-ci ont le même argument et sensiblement la même valeur.
Les diagrammes 2b, 2o, 2d montrent respectivement
les vecteurs de ces tensions en cas de défaut d'une des phases A, B ou C par rapport à la terre à l'intérieur du tronçon de ligne à protéger.
Les diagrammes 2o, 2f, 2 montrent respectivement les vecteurs desdites tensions V'a, V b, V e en cas de défaut de deux phases par rapport à la terre à l'intérieur du tronçon de ligne à protéger.
Les diagrammes 2b à 2g montrent que dans tous les cas de défaut à la terre, monophasé ou biphasé, à condition bien entendu que l'impédance directe de la ligne défectueuse soit inférieure à l'impédance de référence Z, le déphasage maximal entre les tensions V'a, V'b, V'e, prises deux à deux, est inférieur à 1800. On voit que dans ces diagrammes les trois vecteurs V'a, V'b, V'e sont dans un même demi-plan. Il y a donc nécessairement un intervalle de temps pendant lequel les trois tensions sont simultanément de même polarité, positive ou négative.
Les circuits logiques 4 et 5, recevant en permanence les signaux logiques issus des amplificateurs 1, 2, 3 détectent la coïncidence des polarités instantanées des trois tensions V'a, V'b, V'e. Le circuit ET (référence 4) émet un signal égal à 1 pendant l'intervalle de temps où ces trois tensions sont simultanément positives; le circuit NI (référence 5) émet un signal égal à 1 pendant l'intervalle de temps où lesdites tensions sont simultanément négatives. Le circuit OU (référence 6) émet un signal égal à 1 lorsque l'une ou l'autre de ses entrées est à l'état 1. Le circuit à mémoire temporaire 7 transforme la succession de ces signaux de faible durée en un signal permanent, ce qui permet l'excitation de l'organe de déclenchement branché à la sortie dudit circuit à mémoire.
La fig. 3 explicite le fonctionnement du dispositif décrit dans le cas où se produit un défaut entre la phase
A et la terre dans le tronçon de ligne à surveiller ou à protéger.
Les courbes 3a représentent les trois tensions V'a,
V'b, V'e, en régime normal.
Les courbes 3b représentent ces trois tensions quand survient un défaut entre la phase A et la terre à rintérieur du tronçon de ligne à surveiller ou à protéger.
Comme cela a été expliqué précédemment, la tension V' (représentée en traits élémentaires) s'inverse alors et l'on voit que dans les zones x-y, les trois tensions sont simultanément positives, tandis que dans les zones x'-y', elles sont simultanément négatives. I1 s'ensuit qu'à la sortie du circuit ET est émis un signal 1 (référence S1 de la fig. 3e) correspondant aux zones x-y, tandis qu'à la sortie du circuit NI est émis un signal 1 (référence Su de la fig. 3d correspondant aux zones x'-y'. Ces signaux sont reçus successivement dans le circuit OU qui émet les signaux (fig. 3e). Ceux-ci sont envoyés dans le circuit à mémoire temporaire où ils sont transformés en un signal permanent, comme cela apparaît sur la fig. 3f.
On pourrait n'utiliser qu'un seul circuit logique ET ou NI, ce qui, dans ce cas supprimerait le circuit OU, mais il est beaucoup plus avantageux d'utiliser les circuits logiques ET, NI et OU, car on obtient une plus grande rapidité de réponse du dispositif en cas de défaut à la terre. Cette réponse, comme on le voit sur la fig. 3, a toujours lieu dans un intervalle de temps inférieur à un tiers de période, soit 6,66 ms dans le cas d'un réseau à 50 Hertz, tandis qu'avec un seul circuit logique
ET ou NI, elle pourrait atteindre presque une période.
Le principe de fonctionnement du dispositif a été exposé en se référant au cas d'un défaut franc à la terre sans résistance. Dans le cas où le défaut présenterait une résistance, la mesure de la distance par rapport à ce défaut pourrait être affectée d'une erreur par excès. Pour améliorer la qualité de la mesure, on intercalera avantageusement entre le circuit logique OU (référence 6) et le dispositif à mémoire temporaire 7, un circuit de temporisation qui ne laisse passer les impulsions issues du circuit 6, que si leur durée dépasse une valeur déterminée. Le choix de cette valeur permet de modifier la pente de la caractéristique du dispositif, dans le plan de coordonnées R-X (résistance-réactance), ce qui permet d'obtenir une mesure de la distance par la mesure de la réactance de la boucle défectueuse.