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SYSTEMES DE EROTEOTION POUR LIGNES ELBCTRIQpES
La présente invention concerne des systèmes de protection pour lignes électriques et notamment des systèmes protecteurs pour diminuer les effets de la foudre sur des lignes de communication haute fréquence.
Four diminuer les parasites dûs notamment à la foudre, on a couramment utilisé des bobines d'écoulement des courants de dé- charge, maisces bobines présentaient une faible impédance par rap- port à la terre et une inductance élevée pour le circuit conducteur d'une transmission téléphonique normale. De telles bobines d'écou- lement ont été utilisées soit pour un écoulement direct de l'élec- tricité soit pour équilibrer ou absorber les décharges: Dans le
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premier cas, la bobine est directement connectée aux fils de ligne et dans le second cas, elle est connectée aux fils de ligne par des parafoudres à éclateur.
On a trouvé qu'une bobine de ce genre n'est pas efficace pour diminuer les parasites defoudre sur les fils de circuits haute fréquence lorsque les éclateurs sont en série avec la bobine et lors- que les fils de ligne sont soumis à des tensions télégraphiques con- tinues. En premier lieu, une bobine qui présente une inductance éle- vée au circuit,/en boucle et une impédance faible au circuit parallèle possède une ca.pacité répartie très élevée qui permet aux courants haute fréquence engendrés par les éclateurs ou parafoudres à arc de Passer dans le circuit en boucle. Il s'ensuit la création de para.- sites qui sont conservés dans le circuit téléphonique et entraînent des distorsions des signaux normalement transmis.
Ce fait est par- ticulièrement important aux fréquences élevées de certains types de systèmes à courants porteurs dont la gamme de fréquences peut aller de 3 à 150 kilohertz. A titre d'exemple, une bobine établie pour présenter une impédance minimum par rapport à la terre peut assurer une protection de 95% à 10 kilohertz tout en n'assurant en pratique aucune protection à une fréquence de 140 kilohertz.
De plus, les bobines ordinairement utilisées ne sont pas efficaces pour des tensions télégraphiques continues cardans ce cas, il peut se développer dans un fil une tension par r apport à la terre allant de zéro jusqu'à 110 volts et dans l'autre fil une tension par rapport à la terre analogue mais différente soit en grandeur soiten polarité. Lorsque les parafoudres en sérieavec la bobine fonctionnent, ces tensions continues sont directement appliquées sur les enroulements de la bobine.
Si ces tensions sont égales et de même polarite ou sens, leur effet sera nul sur le fonctionnement de la bobine puisque la magnétisation dans l'un des côtés de la bo- bine, dans le circuit magnétique, s'opposera à la magnétisation dans l'autre côté et qu'elles s'élimineront sans effet résultant sur la boucle d'hystérésis de la bobine et en conséquence sans changement
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d'inductance de la bobine. Mais si l'un des fils reçoit une tension dont la valeur et la polarité différent de celles de la tension établie dans l'autre fil, il se produira des magnétisa tiens, inégales dans les deux côtés de la bobine ce qui permettra l'occurence d'un état de saturation à l'instant de la décharge.
Les divers degrés de magnétisation dés'équilibrée entraîneront des boucles d'hystérésis secondaires qui déterminent le degré de saturation. La valeur de cet effet' de saturation est erratique et change avec les diverses tensions continues. De même, pour des tensions de même sens mais de grandeurs inégales, il se produira un déséquilibre des magnétisations qui donnera naissance à un certain degré de saturation ; des tensions de sens opposés et de valeurs inégales entraîneront un degré de magnétisation et par suite un degré de saturation plus élevés. Le cas le plus grave est celui de la pleine valeur des tensions télégraphiques continues de fonctionnement dirigées en sens inverses.
Pendant le fonctionnement, ces effets désordonnés agissent tellement sur la bobine qu'elle perd une partie de son efficacité vis *avis de la diminution des parasites dûs à la foudre. Ceci est du au fait que l'inductance est si fortement réduite que l'équilibrage des couple de décharge de la foudre n'est plus réalisé par la. bobine et qu'en même temps, le fonctionnement du système protecteur tend à produire un court-circuit sur la paire de fils. Ceci se produira également lorsque des systèmes télégraphiques à courant continu utilisent les fils de circuits à courants porteurs, puisque dans ce cas également il apparaîtra des tensions continues aux bornes de la bobine lors du fonctionnement des parafoudres.
Un des objets de l'invention est en conséquence deréduire au minimum les effets parasites de la foudre sur des circuits de communication fonctionnant à des fréquences porteuses. Un autre objet de l'invention est d'éviter les effets parasites de la foudre sur de telles lignes fonctionnant également comme lignes télégraphiques composites.
Pour atteindre ces buts, et suivant certaines caractéri sti-
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ques de l'invention, on prévoit un système d'écoulement de l'élec- tricité qui possède une inductance relativement élevée et une capa- cité répartie très faible tout en présentant en même temps une im- pédance relativement fa,ible par rapport au sol. Il est nécessaire d'avoir une inductance élevée pour assurer une'protection convena- ble aux basses fréquences tandis qu'il est nécessaire d'avoir une capacité répartie faible pour assurer une protection convenable aux fréquences élevées. Afin de présenter ces caractéristiques, le système d'écoulement de l'électricité consiste de préférence en deux bobines de retard distinctes et séparées dont les enroulements sont connectés en série addi tive.
L'une des bobines du système est réalisée avec un enroulement constitué par une paire de fils torsa- dés possédant une inductance relativement élevée et est disposée comme bobine intérieure avec son point milieu connecté à la terre.
Cette bobine, par suite de sa construction, présentera une capacité répartie relativement élevée et une inductance de fuite très faible, La. deuxième bobine de retard a ses enroulements connectés de ma- nière à se trouver en série additive, un enroulement étant connec- té à une borne de la bobine intérieure et l'autre enroulement à l' autre borne de cette bobine intérieure. Cette deuxième bobine est réalisée de manière à présenter une inductance faible, uner ésis- tance en courant continu faible, une capacité répartie très faible et une inductance de fuite quelque peu plus élevée.
En maintenant pratiquement la totalité de l'inductance dans la bobine intérieure, la capacité répartie et l'inductance de fuite résultantes de l'en- semble seront minima. avec une telle combinaison, on obtient un système efficace d'écoulement de l'électricitéayant une capacité répartie très faible et une inductance élevée par rapport aux fils tout en présentant en même temps une impédance relativement faible à la terre. Dans certains cas où les conditions sont moins strictes l'invention envisage également, suivant une de ses caractéristiques l'emploi d'une seule bobine présentant des propriétés analogues.
L'invention sera exposée en détail dans la description
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suivante donnée en relation avec les dessins annexés, dans les- quels :
La figure 1 'représente schématiquement un type de circuit convenant pour l'utilisation de systèmes d'écoulement incorporant des caractéristiques de l'invention, avec les bobines d'écoulement et les dispositifs de'protection associés à ces bobines ;
La figure 2A représente un exemple de réalisation incorpo- rant des caractéristiques de l'invention, et la figure 2B montre la disposition-des noyaux et des enroulements respectifs de la structure de la figure ;
Les figures 3A, 4A et 5A représentent des structures modi- fiéesdesbobines de la figure 2A ;
Les figures 3B, 4B et 5B représentent les dispositions correspondantes entre les enroulements et les noyaux ;
et,
La figure 6 représente un exemple de réalisation utilisant une s'eule bobine.
La figure 1 représente schématiquement un système à cou- rants porteurs connectant le bureau A et le bureau B, ce système étant protégé par un système d'écoulement de l'électricité atmos- phérique mettant en oeuvre des caractéristiques de l'invention.
Les filtres passe-haut 6 et 6' sont connectés dans les circuits à fréquences porteuses et les filtres pas+bas 7 et 7' dans les circuits à fréquences vocales à leurs stations respectives, et des postes de télégraphie composite 8 et 8' sont prévus pour les circuits de télégraphie en courant continu. Au bureau A, des conduc- teurs 10 et 11 passent à travers un câble d'entrée 12 et sont con- nectés à la ligne 13, 14 qui pénètre par un câble d'entrée 15 au bureau B. A l'extrémité extérieure du câble 12 est prévu un système d'écoulement 16 de l'électricité atmosphérique, dont les bornes extérieures sont connectées à travers des éclateurs ou parafoudres , 17 at 18 aux fils deligne 13, et 14.
Le point milieu du système 16 est connecté à l'enveloppe du câble et de là à la terre en 19 ainsi qu'aux parafoudres 20,'21, dont les électrodes extérieures sont
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reliées aux fils de ligne 13 et 14. Des ensembles analogues sont respectivement connectés à l'extrémité du câble 12 à l'intérieur du bureau A et aux extrémités opposées du câble 15 au bureau B.
Bien que dans la figure 1, le dispositif d'écoulement de l'électricité atmosphérique ait été représente pour la simplicité du dessin comma consistant en un seul enroulement, on doit comprendre qu'en général il peut consister en deux bobines distinctes dont cha- cune comprend une paire d'enroulements. Comme représenté sur la fi- gure 2A, la bobine A comprend un noyau magnétique fermé 22 de forme toroidale et des enroulements 1, 2 et 3, 4. La première moitié de l'enroulement 1, 2 est enroulée autour du noyau sur la moitié en- viron de ce noyau. Un isolant 26 consistant de préférence en des couches de mousseline ou en un autre ruban isolant est disposé au dessus de ce demi-enroulement. la première moitié de l'enroulement 3,4 est alors enroulée comme enroulement extérieur autour de la première moitié de l'enroulement 1, 2.
La deuxième moitié de l' enroulement 3, 4 est alors enroulée autour da la portion restante du noyau 22 comme enroulement intérieur. L'isolant 26 est disposé par dessus cet enroulement puis la deuxième moitié de l'enroulement 1, 2 est alors enroulée comme enroulement extérieur par dessus la deuxième moitié de l'enroulement 3,4. 'La structure de la bobine A est telle qu'elle assure un minimum de capacité répartie. Son induc- tance sera en conséquence très petite.
La bobine B comprend un noyau toroïdal 27 et une paire torsadée de conducteurs: comprenant les enroulements 1, 2 et 3,4.
Les bornes 2, 3 sont reliées l'une à l'autre et à la terre de sorte que les enroulements de la bobine B de la borne 1 à la borne 4 sont inductivement disposés en série additive. Les enroulements sont pré- vus de manière que les bornes 1 et 4 de la bobine servent de bor- nes de sortie du système et les enroulements 1, 2 et 3,4 sont con- nectés inductivement en série comme le sont les enroulements 1, 2 et 3, 4 de la bobine B, les bornes 2 et 3 de la bobine A. étant con- nectées aux bornes l et 4 de la bobine B respectivement.
Avec une
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telle disposition on obtient un système d'écoulement de l'élec- tricité atmosphèrique qui possède une capacité répartie très fai- ble et une inductance de ligne relativement élevée tout en pré- sentant en même temps une impédance minimum à la terre.
La modification représentée sur les figures 3A et 3B dif- fère de la disposition décrite à propos des figures 2A et 2B en ce que le noyau de la bobine A est divisé par un petit entrefer indiqué en 28. Cet entrefer qui n'est de préférence que d'une lar- geur de l'ordre de 0.07 mm sert à stabiliser l'inductance et a di- minuer les effets de la saturation. La structure représentée sur les figures 4A et 4B diffère de celle des figures 3A et 3B en ce que l'entrefer 28 est prévu dans le noyau de la bobine intérieure ayant une capacité répartie élevée. Sur les figures 5A et 5B, des entrefers 28-28 sont prévus dans Tes noyaux des deux bobines, la disposition des enroulements étant la même que celle décrite à propos des figures 2A et 2B.
Comme la bobine qui présente une capa- cité répartie élevée est toujours en circuit comme bobine inté- rieure dont le point milieu est relié à la terre, la capacité ré- partie totale du système est relativement faible tandis que l'in- ductanoe du circuit de' ligne est relativement élevée. La disposi- tion des enroulements de la bobine 4 est telle qu'elle assure une capacité répartie faible. Les deux enroulements de la bobine A servent dans chaque cas d'enroulements extérieurs du système et comme ces enroulements sont prévus de manière à avoir une capa- cité répartie faible, il en résulte un système d'écoulement de l' électricité atmosphérique dont la capacité répartie totale est très faible.
Dans certains cas où les conditions sont moins rigoureuses ou lorsqu'il n'est pas désirable pour d'autres raisons d'utiliser deux bobines, on peut obtenir d'assez bons résultats en enployant une seule bobine telle que celle représentée sur la figure 6.
Cette bobine est analogue à la bobine A de la figure 3A et pré- sente les caractéristiques d'une capacité répartie faible et d'un
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entrefer de stabilisation de l'inductance et de réduction des ef- fets de saturation. Lorsqu'on utilise une seule bobine, les bornes 2 et 3 sont reliées l'une à l'autre et à la terre et les bornes 4 et 1 sont connectées aux conducteurs de ligne 15 et 14 à travers les parafoudres 17'et 18.
Dans des conditions normales de fonctionnement, comme on peut le voir d'après la figure 1, le système d'écoulement de l' électricité atmosphérique n'est pas directement connecté aux con- ducteurs de ligne mais en est séparé par les parafoudres 17 et 1.8.
On remarquera ainsi que ce système permet le fonctionnement des services usuels en courant continu, comme par exemple la télégra- phie composite et le test par courant continu. Cependant, lorsque des tensions de valeur suffisamment élevée sont induites sur les conducteurs de ligne 13, 14 par la foudre, ces parafoudres établis- sent leur arc et le système d'écoulement devient immédiatement ef- ficace pour écouler les courants induits à partir de la ligne. En même temps, les tensions continues de la télégraphie sont appliquées sur le système d'écoulement à travers les arcs des parafoudres.
Comme les parafoudres 20, 21 ont une caractéristique disruptive plus élevée que les parafoudres 17 et 18, ils ne fonctionnent pas dans les conditions normales mais sont prévus dans le seul but de protéger les bobines d'écoulement contre des potentiels qui pour- raient mettre en danger leur isolement. Les systèmes d'écoulements de l'électricité atmosphérique décrits ici conviennent particulière- ment pour des systèmes de communication par courants porteurs à large bande en assurant une protection convenable contre des per- turbations dues à la foudre.
Dans ces conditions, ces systèmes d' écoulement forçant les courants hautefréquence engendrés par les parafoudres à passer à la terre et assurent en même temps une ac- tion d'équilibrage de l'inductance lorsque des impulsions de cou- rant continu passent à travers les bobines pour la télégraphie par courant continu. Ces dispositions fournissent la protection la plus efficace, d'après des essais, pour la bande large actuellement
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utilisée dans des systèmes à courants porteurs de 3 à 150 kilohertz environ. Toutefois, les systèmes décrits assurent également une protection efficace pour des systèmes d'une bande de fréquences plus large, allant jusqu'à 300 kilohertz environ.
Bien que l'invention ait été exposée en détail dans cer- tains exemples particuliers de réalisation, il est clair qu'elle n'y est en rien limitée mais est au contraire susceptible de nom- breuses modifications et adaptations sans sortir de son domaine.