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"DISPOSITIF POUR LA PROTECTION SELECTIVE D'ENROULEMENTS POUR- VUS DE POINTS NEUTRES ET BRANCHES EN PARALLELE SUR UNE LIGNE COMMUNE"
L'invention est relative à des dispositifs pour la protection sélective d'enroulements pourvus de points neutres et branchés en parallèle sur une ligne commune, dans le cas de défauts d'siolement survenant aux dits enroulements et de trou- bles de la symétrie des champs.
Il est connu de protéger des alternateurs contre un court-circuit entre spires ou la masse en reliant le point neutre de la génératrice à sa carcasse préalablement mise à la terre et en intercalant entre ce point de raccordement et le point neutre d'une bobine de réactance montée en étoile et raccordée au même réseau que la génératrice,
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un relais de déclenchement pour le disjoncteur de la généra- trice.
Lorsqu'il se produit, par exemple par suite d'un court- circuit entre spires de la génératrice, une dyssymétrie dans 'son champ magnétique, il circule entre les points neutres un courant et le relais fonctionne. Mais l'action de ce dispositif n'est pas sélective, puisque s'il est appliqué à plusieurs gé- nératrices travaillant sur un réseau commun ou des barres communes, et qu'il survienne une dyssymétrie sur l'une quel- conque des génératrices, il passera à la terre, par les relais correspondants, des courants de circulation non seulement dans la bobine de réactance de la machine intéressée, mais aussi dans celles des autres machines, de sorte que les relais de toutes les génératrices fonctionneront tous à la fois et que toutes les génératrices seront simultanément mises hors cir- cuit.
Le dispositif connu n'agirait sélectivement que si cha- que groupe constitué par une génératrice et une bobine de réactance était monté isolé individuellement. Afin de mettre, au cas d'une dyssymétrie se produisant sur una génératrice, les harmoniques trois circulant entré le point neutre de l'enrou- lement de la génératrice et celui de la bobine de réactance hors d'état d'actionner le relais, il a déjà été proposé d'em- ployer comme relais, un relais, wattmétrique influencé par le courant et la tension, dont la bobine de tension est alimentée par la tension composée de deux enroulements de la génératrice.
Cette tension ne possède aucune composante de l'harmonique trois de sorte que l'harmonique trois du courant du relais wattmé- trique est incapable de faire réagir ce relais. Or, puisque la phase du courant dû au défaut et celle de la tension de com- paraison choisie ne sont pas liées par une relation univoque donnée, le fonctionnement du relais ne peut, dans ce cas encore,
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être mis sous la dépendance de la direction du courantde dé- rangement, mais uniquement sous la dépendance de l'intensité de ce courant. C'est pourquoi ce dispositif ne convient pas, malgré l'emploi de relais wattmétriques, pour provoquer la mi- se en oeuvre de mesures de protection sélectives..
Suivant l' invention, on réalise un dispositif de pro- tection sélective pour des enroulements travaillant en parallè- le en branchant sur la ligne, en parallèle avec les enroule- ments à protéger, autant de transformateurs auxiliaires mono- phasés que le réseau comporte de phases, et cela de telle ma- nière que les enroulements primaires desdits transformateurs soient reliés par une de leurs extrémités pour former un point neutre, tandis que leurs autres extrémités libres sont connec- tées chacune à un fil de phase du réseau;
les enroulements secondaires de ces transformateurs sont d'autre part reliée en série, mais opposés les uns aux autres de telle manière que lorsque l'aaaition géométrique des vecteurs de tension des phases des enroulements primaires donne un polygone fermé, la tension résultante de la série des enroulements secondaires soit nulle.
En outre, le point neutre des enroulements pri- maires de ce groupe de transformateurs auxiliaires est réuni aux points neutres de tous les enroulements branchés en paral- lèle sur le réseau en un noeud, et clans les conducteurs reliant chaque point neutre d'un enroulement et le noeud ainsi formé, sont insérés finalement les enroulements d'intensité de relais wattmétriques dont les bobines de tension sont alimentées par la série des enroulements secondaires du groupe de transforma- teurs auxiliaires, chacun de ces relais-wattmétriques agissant en dépendance du sens du passage de l'énergie et étant affécté à celui des enroulements dans le raccordement au point neutre
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duquel est intercalée sa bobine'd'intensité.
Aux Figs. 1 et 2 du dessin annexé sont représentés schématiquement deux exemples d'exécution de l'objet de l'in- vention.
La Fig. 1 montre l'application de la protection sélective à un réseau triphasé en utilisant trois transformateurs auxi- liaires monophasés , tandis que la'Fig. 2 montre l'emploid'un transformateur triphasé avec quatrième noyau.
Aux deux exemples, a désigne le réseau ou les barres collectrices, sur lesquels sont branchés en parallèle les géné- ratrices ou les transformateurs b, c, etc..; e,f et g sont des transformateurs auxiliaires monophasés, dont les enroule- 'ments primaires sont rassemblés en un point d'enroulement neu- tre, qui est à son tour réuni aux points neutres des enroule- ments à protéger, pour former un noeud- de jonction. Aux trois transformateurs monophasés peut aussi être substitué, suivant la Fig. 2, un transformateur triphasé h possédant au moins une colonne magnétique supplémentaire qui détruit la liaison inductive entre les champs des autres colonnes.
Le point neutre àes enroulements primaires du transformateur auxiliaire et ceux des enroulements à protéger peuvent ou être raccordés à une barre neutre , ou être titis directement, à la terre. La barre neutre i peut également être'mise à la terre, comme le montre la Fig. 2 en pointillé.
Si l'on désire combiner avec cette protection en même temps la protection du réseau contre les courts-circuits à la terre, on peut intercaler simplement, d'une manière connue en elle-même, entre la barre neutre 1 et la terre une bobine d'ex- tinctin k (Fig. 2). Entre les points neutres des enroulements à protéger b, c, d, et le noeud de jonction commun aux enrou- lements primaires des transformateurs auxillaires e, f,g ou h.
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sont intercalées les bobines d'intensité des relais-wattmétri- quqs m,n et c.
Les bobines de tension de ces relais sont alimentées par la série formée par les enroulements secondai- res des transformateurs auxiliaires, qui dans le cas d'un ré- seau triphasé se disposé avantageusement en enroulement en triangle ouvert dont les bornes sont shuntées par un circuit de résonance p, r. pour les harmoniques trois; s, t et Il sont les électros de déclenchement pour les interrupteurs princi- paux v, w, z.
Le fonctionnement du système de protection sélectif est le suivant: Tant que les tensions des phases aux enrou- lements primaires des transformateurs auxiliaires sont d'égale grandeur, la tension résultante de la série des enroulements secondaires est nulle. Il en est ainsi lorsque les enrôlements à protéger sont exempts de défectuosités, car dans ce cas, le potentiel de la. barre neutre est égal au potentiel du point neutre du réseau.
Le point de jonction des enroulements pri- maires en question étant relié à la barre neutre, ce point de jonction possède également le potentiel du point neutre du réseau, et les tensions appliquées aux différents enroulements primaires sont par conséquent les tensions de phases d'un sys- tème ae tension symétrique, c'est-à-dire qu'elles sont égales entre elles. Si dans tous les transformateurs auxiliaires les nombres de spires des enroulements sont dans le même rapport, les enroulements .secondaires montés en opposition (ou en trian- gle) ont également la même tension.
Au système de tension sy- métrique, le déphasagede ces tensions les unes par rapport aux autres est tel que dans ce cas la tension résultante de la série est nulle.Mais cet état se trouve changé immédiatement dès que l'un des enroulements à protéger devient défectueux,
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par exemple si b présente un court-circuit entre spires.
Le court-circuit entre spires fait baisser la tension régnant aux bornes des enroulements de phase correspondants, de telle sorte que le potentiel de leur point neutre se rapproche du po- tent'iel de la borne extrême de l'enroulement de phase défec- tueux. Les enroulements intacts travaillant on parallèle avec l'enroulement défectueux ne présenteraient aucun déplacement du point de tension nulle si leur propre point neutre n'était ,pas relié au point neutre de l'enroulement avarié. Or, cette connexion provoque des courants de circulation entre les points neutres des enroulements intacts d'une part, et lepoint.' neu-' ,tre de l'enroulement avarié,d'autre part.
Le courant de circu- lation provoque aux enroulements intacts également un déplace- ment de la tension du point neutre et il en est de même dans le système des enroulements primaires des transformateurs auxiliai- res e, f, g, etc... Le déplacement du point neutre dans ce système est facilité par le fait que les circuits magnétiques
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des transfornteurs\auxiliaires ne 'sont pas liés inductive- ment entre eux. Les tensions aux différents enroulements pri- maires des transformateurs auxiliaires ne sont dès lors plus égales et il s'établit par conséquent aux enroulements secon- daires montés en opposition (ou en triangle) une tension dont l'angle de phase est détermirié par le sens du courant de cir- culation, et dépend par suite de la phase d'enroulement de l'enroulement avarié dans laquelle se trouve le défaut.
Si l'on compare alors les courants de circulation dans les fils de connexion entre les points neutres des enroulements et la barre neutre, on constate que le sens de ces courants est le même dans tous les fils de connexion partant des enroulements en bon état, tandis qu'au fil de connexion reliant l'enroulement avarié à la barre, l'intensité du courant de circulation est
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égale à la somme des courants de circulation précédents, et que sa direction est décalée de 180 par rapport à la direction de ces courants. C'est de là que résulte la possibilité de la protection sélective.
A cet effet, écorne l'indique le dessin, il est interca- lé dans chaque fil de connexion un relais wattmétrique m, n,o, dont la déviation var,ie suivant que le relais se trouve sur le fil de connexion del'enroulement avarié ou de l'enroulement intact. Comme tension de comparaison est choisie la tension de déplacement (appelée aussi composante monophasée) qui est me- surée par la tension de la série des enroulements secondaires des transformateurs auxiliaires. Sa phase est chaque fois dans une relation bien déterminée relativement à la phase du courant de circulation et de ce fait ce dispositif convient pour la protection sélective.
Puisque dans les fils de connexion des points neutres il se manifeste fréquement des harmoniques trois assez forte, il est utile de les empêcher d'agir sur le circuit de tension des relais wattmétriques en shuntant les bornes secondaires des transformateurs auxiliaires par un cir- cuit de résonance p,r accordé pour les harmoniques trois. Ces relais ne répondent par conséquent pas aux composantes de l'harmonique trois du courant. Si les relais doivent actionner des dispositifs de protection, il suffit de bloquer l'équipage wattmétrique dans le sens qui résulte de l'influence du sens du courant qui circule dans les fils de connexion reliant les enroulements intacts à la barre neutre, tandis que l'on laisse ledit équipage libre de dévier dans le sens opposé.
Il est facile de comprendre que le dispositif qui vient d'être dé- crit réagit à tous les dérangements troublant la symétrie des phases des enroulements, c'est-à-dire sur un court-circuit entre spires ou à la masse, mise à la terre et court-circuit direct,
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et rupture de conducteurs à l'intérieur même de l'enrôlement.
Par contre, il ne réagit pas à des défauts survenant dans le réseau (mise à la terre accidentelle d'un conducteur de phase du réseau). Pour une série d'enroulements, il suffit d'employer un seul transformateur de tension (ou un seul jeu de transfor- mateurs auxiliaires monophasés), qui ne soit pas affecté spécia- lement à un enroulement déterminé, mais qui fournisse la ten- sion pour l'ensemble des relais wattmétriques en présence.
Les flèches figurant aux dessins indiquent le sens du courant pour la position fermée des interrupteurs. La self- induction réduit le courant du transformateur auxiliaire et le point de tension nulle de l'enroulement avarié se trouve dé- placé. Le relais m. fonctionne et ferme le circuit d'excitation de l'électro-aimant de déclenchement s, lequel ouvre l'inter- rupteur v et coupe l'enroulement h d'avec le réseau. Le fonc- tionnement des relais wattmétriques dépend par conséquent du sens dans lequel ils sont traversés par l'énergie électrique, de sorte qu'ils séparent sélectivement du réseau ]'enroulement auquel ils sont affectés.
Au dispositif représenté à la Fig. 2, on imagine sans plus d'explication que la quatrième colonne du transformateur auxiliaire h puisse être munie d'un enroulement, auquel est alors prélevée la tension pour l'alimentation des bobines de tension des relais Wattmétriques, au lieu de l'emprunter à la série des enroulements secondaires des colonnes principales.
Les bobines d'intensité des relais Wattmétriques peuvent être excitées directement par les courants circulant dans les fils de connexion reliant les points neutres, ou bien indirectement par ces mêmes courants au moyen de shunts ou de transformateurs d'intensité. On peut s'arranger de telle façon qu'un appareil avertisseur fonctionne et signale 1'enroulement avarié dès que
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les relais wattmétriques réagissent. Les carcasses en fer des enroulements peuvent être reliées directement à la barre , ou être mises à la, terre.
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"DEVICE FOR THE SELECTIVE PROTECTION OF WINDINGS PROVIDED WITH NEUTRAL POINTS AND PARALLEL BRANCHES ON A COMMON LINE"
The invention relates to devices for the selective protection of windings provided with neutral points and connected in parallel on a common line, in the case of isolation faults occurring at said windings and of disturbances in the symmetry of the fields. .
It is known to protect alternators against a short-circuit between turns or the ground by connecting the neutral point of the generator to its carcass previously earthed and by interposing between this connection point and the neutral point of a coil. star-mounted reactance connected to the same network as the generator,
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a trip relay for the generator circuit breaker.
When, for example, as a result of a short circuit between turns of the generator, a dyssymmetry in its magnetic field occurs, a current flows between the neutral points and the relay operates. But the action of this device is not selective, since if it is applied to several generators working on a common network or common bars, and a dyssymmetry occurs on any one of the generators. , it will pass to earth, through the corresponding relays, circulating currents not only in the reactance coil of the machine concerned, but also in those of other machines, so that the relays of all the generators will all operate at the same time and that all the generators will be simultaneously switched off.
The known device would only act selectively if each group consisting of a generator and a reactance coil were mounted individually isolated. In order to put, in the event of a dyssymmetry occurring on a generator, the three harmonics circulating between the neutral point of the generator winding and that of the reactance coil out of state to actuate the relay, it has already been proposed to use as a relay, a wattmetric relay influenced by the current and the voltage, the voltage coil of which is supplied by the voltage composed of two windings of the generator.
This voltage has no third harmonic component, so the third harmonic of the wattmeter relay current is unable to make this relay react. Now, since the phase of the current due to the fault and that of the chosen comparison voltage are not linked by a given univocal relation, the operation of the relay cannot, in this case again,
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be placed under the dependence of the direction of the disturbance current, but only under the dependence of the intensity of this current. This is why this device is not suitable, despite the use of wattmeter relays, to trigger the implementation of selective protection measures.
According to the invention, a selective protection device is produced for windings working in parallel by connecting to the line, in parallel with the windings to be protected, as many single-phase auxiliary transformers as the network comprises. phases, and this in such a way that the primary windings of said transformers are connected by one of their ends to form a neutral point, while their other free ends are each connected to a phase wire of the network;
the secondary windings of these transformers are on the other hand connected in series, but opposed to each other in such a way that when the geometric aaaition of the voltage vectors of the phases of the primary windings gives a closed polygon, the resulting voltage of the series secondary windings is zero.
In addition, the neutral point of the primary windings of this group of auxiliary transformers is joined to the neutral points of all the windings connected in parallel on the network in a node, and in the conductors connecting each neutral point of a winding. and the node thus formed, are finally inserted the current windings of wattmeter relays, the voltage coils of which are supplied by the series of secondary windings of the group of auxiliary transformers, each of these wattmeter relays acting in dependence on the direction of the voltage. passage of energy and being assigned to that of the windings in the connection to the neutral point
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of which is interposed its intensity coil.
In Figs. 1 and 2 of the accompanying drawing are schematically represented two exemplary embodiments of the object of the invention.
Fig. 1 shows the application of selective protection to a three-phase network using three single-phase auxiliary transformers, while Fig. 2 shows the use of a three-phase transformer with a fourth core.
In both examples, a designates the network or the busbars, to which the generators or transformers b, c, etc. are connected in parallel; e, f and g are single-phase auxiliary transformers, the primary windings of which are brought together in a neutral winding point, which in turn is joined to the neutral points of the windings to be protected, to form a node - junction. The three single-phase transformers can also be substituted, according to Fig. 2, a three-phase transformer h having at least one additional magnetic column which destroys the inductive link between the fields of the other columns.
The neutral point at the primary windings of the auxiliary transformer and those of the windings to be protected can either be connected to a neutral bar, or be directly earthed. The neutral bar i can also be earthed, as shown in Fig. 2 dotted.
If one wishes to combine with this protection at the same time the protection of the network against short-circuits to earth, one can simply insert, in a manner known in itself, between the neutral bar 1 and the earth a coil of extinctin k (Fig. 2). Between the neutral points of the windings to be protected b, c, d, and the junction node common to the primary windings of the auxiliary transformers e, f, g or h.
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the current coils of the m, n and c wattmeter relays are interposed.
The voltage coils of these relays are supplied by the series formed by the secondary windings of the auxiliary transformers, which in the case of a three-phase network is advantageously arranged as an open delta winding whose terminals are shunted by a circuit. resonance p, r. for third harmonics; s, t and Il are the trip electrodes for the main switches v, w, z.
The operation of the selective protection system is as follows: As long as the phase voltages at the primary windings of the auxiliary transformers are of equal magnitude, the resulting voltage of the series of secondary windings is zero. This is so when the enrollments to be protected are free from defects, because in this case the potential of the. neutral bar is equal to the potential of the network neutral point.
The junction point of the primary windings in question being connected to the neutral bar, this junction point also has the potential of the neutral point of the network, and the voltages applied to the different primary windings are consequently the phase voltages of a symmetrical tension system, ie they are equal to each other. If in all the auxiliary transformers the numbers of turns of the windings are in the same ratio, the secondary windings mounted in opposition (or in triangle) also have the same voltage.
In the symmetrical voltage system, the phase shift of these voltages with respect to each other is such that in this case the resulting voltage of the series is zero. But this state is changed immediately as soon as one of the windings to be protected becomes defective,
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for example if b has a short-circuit between turns.
The short-circuit between turns lowers the voltage at the terminals of the corresponding phase windings, so that the potential of their neutral point approaches the potential of the end terminal of the defective phase winding. . Intact windings working in parallel with the defective winding would not show any displacement from the zero voltage point if their own neutral point were not connected to the neutral point of the damaged winding. However, this connection causes circulation currents between the neutral points of the intact windings on the one hand, and the point. ' Neutral of the damaged winding, on the other hand.
The circulating current causes in the intact windings also a displacement of the voltage from the neutral point and it is the same in the system of the primary windings of the auxiliary transformers e, f, g, etc ... neutral point in this system is facilitated by the fact that the magnetic circuits
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auxiliary transformers are not inductively linked to each other. The voltages at the various primary windings of the auxiliary transformers are therefore no longer equal and a voltage is therefore established at the secondary windings mounted in opposition (or in delta), the phase angle of which is determined by the direction. of the circulating current, and therefore depends on the winding phase of the damaged winding in which the fault is located.
If we then compare the circulating currents in the connection wires between the neutral points of the windings and the neutral bar, we see that the direction of these currents is the same in all the connection wires from the windings in good condition, while at the lead wire connecting the damaged winding to the bar, the intensity of the circulating current is
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equal to the sum of the preceding circulating currents, and that its direction is offset by 180 with respect to the direction of these currents. This is where the possibility of selective protection arises.
For this purpose, as the drawing indicates, there is interposed in each connection wire a wattmeter relay m, n, o, the deviation of which varies, ie depending on whether the relay is on the connection wire of the winding. damaged or winding intact. As the comparison voltage, the displacement voltage (also called the single-phase component) is chosen, which is measured by the voltage of the series of secondary windings of the auxiliary transformers. Its phase is each time in a well-determined relationship with respect to the phase of the circulating current and therefore this device is suitable for selective protection.
Since in the connection wires of the neutral points there are often quite strong three harmonics, it is useful to prevent them from acting on the voltage circuit of the wattmeter relays by bypassing the secondary terminals of the auxiliary transformers by a circuit of p resonance, r tuned for third harmonics. These relays therefore do not respond to the third harmonic components of the current. If the relays have to actuate protection devices, it suffices to block the wattmeter assembly in the direction resulting from the influence of the direction of the current flowing in the connection wires connecting the intact windings to the neutral bar, while the 'said crew is left free to deviate in the opposite direction.
It is easy to understand that the device which has just been described reacts to all disturbances disturbing the phase symmetry of the windings, that is to say on a short-circuit between turns or to earth, set to earth and direct short circuit,
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and rupture of conductors within the enrollment itself.
On the other hand, it does not react to faults occurring in the network (accidental earthing of a phase conductor of the network). For a series of windings, it suffices to use a single voltage transformer (or a single set of single-phase auxiliary transformers), which is not specifically assigned to a specific winding, but which supplies the voltage. for all the wattmeter relays present.
The arrows shown in the drawings indicate the direction of the current for the closed position of the switches. The self-induction reduces the current of the auxiliary transformer and the zero voltage point of the damaged winding is displaced. The relay m. operates and closes the excitation circuit of the tripping solenoid s, which opens the switch v and cuts the winding h from the network. The operation of wattmeter relays therefore depends on the direction in which they are passed through by electrical energy, so that they selectively separate from the network the winding to which they are assigned.
To the device shown in FIG. 2, we imagine without further explanation that the fourth column of the auxiliary transformer h can be provided with a winding, from which the voltage is then taken to supply the voltage coils of the Wattmeter relays, instead of borrowing it from a series of secondary windings of the main columns.
The current coils of Wattmeter relays can be energized directly by the currents flowing in the connection wires connecting the neutral points, or else indirectly by these same currents by means of shunts or current transformers. It can be arranged in such a way that a warning device operates and signals the damaged winding as soon as
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the wattmeter relays react. The iron casings of the windings can be connected directly to the bar, or be earthed.