<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
pour.
",. %-'";x""v.r-, .9- r. O'ri 4 rs ïnr,Gtt.i..C i .
La présente invention concerne, d'une façon générale, les appareils électriques et, plus spécialement, les dispositifs de protection pour ces appareils.
La régulation de la tension a toujours constitué un problène particulièrement difficile dans les réseaux de distribution de l'éner- gie électrique. Un procède utilise pour améliorer la régulation de la tension dans un réseau de distribution consiste à utiliser des transformateurs pourvus de dispositifs à changement de prises ainsi 'qu'un moyen automatique ou manuel pour actionner le dispositif de changement des prises. Cette façon de procéder est coûteus comparativement au prix du transformateur correspondant et offre l'inconvénient qu'on ne peut modifier la tension que par paliers, plus les frais
<Desc/Clms Page number 2>
supplémentaires d'entretien du dispositif de changement des prises.
Une autre façon de procéder aù réglage de la tension con- siste à connecter un condensateur en série avec l'enroulement primai- re ou l'enroulement du transformateur relié à la source de tension alternative. La chute de tension'aux bornes du condensateur varie avec le courant de charge qui traverse le transformateur et coapen- se au moins partiellement la chute de tension aux bornes de l'impé- dance totale du transformateur ainsi qu'au mains une partie de la crotte de tension dans la ligne du réseau de distribution électrique connectée au transformateur.
Cette façon dé procéder n'est pas inté- ressante en pratique pour différentes raisons, dont l'une est consti- tuée par les courants d'excitation anormalement élevés et défor- més qui peuvent être produits lorsqu'une inductance saturable, un transformateur par compte, est reliée en série avec un condensa- teur. Les courants élevés produits par un tel phénomène que l'on nomme couramment phénomène de ferro-résohance ne sont pas des tran sitoires mais,, au contraire, des courants de régime qui n s'inter- rompent que lorsqu'on ouvre le circuit ou lorsque l'équipement est endommagé. Une autre raison est le fonctionnement des moteurs à une fréquence sous-synchrone.
Dans certaines conditions, un moteur à induction alimenté par une ligne de transport d'énergie contenant un condensateur série fonctionne en génératrice et produit du courant d'une fréquence inférieure à la fréquence du réseau, l'excitation étant fournie par le condensateur. Des courants sous-synchrones élevés sont ainsi produits à cause de la diminution de réactance du circuit d'alimentation à cette fréquence plus basse, ce qui provoque de fortes variations de tension. Ce phénomène se présente généra- lement à des vitesses réduites du moteur,-par exemple au moment du démarrage ou lor de surcharges, le moteur accrochant à une vites- se sous-synchrone de sorte qu'il vibre de façon exagérée, et produit ; de fortes impule ans de courant et de fortes variations de tension.
En ou ?;, les tensions élevées qui peuvent apparaître aux bornes du ceensateur à cause de variations de charge et de
<Desc/Clms Page number 3>
courants de court-circuit rendent le condensateur trop coûteux, et on ne disposait pas jusqu'ici d'un moyen économique pour limiter la tension du condensateur à une valeur qui rendrait le prix du conden- sateur intéressant.
Avec l'avèement du type de transformateur utilisant des bandes ou feuilles métalliques pour ses enroulements et dont au moins une partie des enroulements est enchevêtrée ou agencée de fa- çon à présenter une capacité déterminée entreenroulements, cette ca- pacité étant effectivement connectée an série avec l'enroulement primaire de manière à intervenir dans la régulation de la tension, le problème de trouver un moyen économique pour amortir efficasement les phénomènes de ferro-réscnance et la marche des moteurs à une fréquence sous-synchrone ainsi que de limiter la tension aux bornes de la partie capacitive du transformateur,
est devenu de la plus grande importance. La ferro-résonance et la marche des meteurs à une fréquence sous-synchrone font apparaître des potentiels éle- vés aux bornes de la capacité et, en outre, comme l'impédance du circuit électrique équivalent est analogue à un circuit intégrateur RC dans lequel la tension du condensateur est égale à V = 1/Cidt. où i est le courant primaire du transformateur, les variations de charge, les surcharges et les court-circuits produisent de fortes . tensions capacitives.
Un autre facteur doit encore être considéré lorsqu'on utilise un condensateur série. A moins de retirer la capacité du circuit au moment d'un court-circuit, ce circuit sera'traversé de courants de court-circuit extraordinairement élevés. Il en est ainsi parce que l'impédance du transformateur a été réduite ou com- pensée par la réactance capacitive*
Les anciens circuits de protection pour des condensateurs série ont l'inconvénient de ne pas protéger le condensateur et l'ap- pareillage associé contre toutes les conditions anormales qui peu- vent être provoquées par la présence d'une capacité série.
Par
<Desc/Clms Page number 4>
.exemple, la dispositif de protection peut .convenablement protéger la capacité contre une surtension provenant de la variation de la charge sans amortir la ferro-résonance, de sorte que le transformateur associe subit des dommages. Ou bien, si le dispositif de protection amortit la ferro-résonance, ce dispositif'peut être déficient du fait qu'il n'amortit pas les phénomènes provoquant une marche sous- 'synchrone des.Moteurs relies au réseau de-distribution d'énergie,
Il est donc souhaitable de disposer d'un moyen de protec- tion statique économique pour amortir rapidement des conditions de circuit instables comme la ferro-résonance et la marche sous- synchrone des motuers et pour éliminer l'influence de la capacité lorsque la tension aux bornes de cette capacité atteint un niveau déterminé.
En outre, le dispositif de protection doit être capable de fournir sa protection,sans se détériorer à cause de fonctionne- monts répétés, et le dispositif de production doit permettre au transformateur de revenir à son état normal lorsqu'un état anormal prend fin.'
L'invention a pour buts de procurer : un dispositif de protection nouveau et perfectionné pour des appa- reils électriques; un dispositif de protection nouveau et perfectionné pour des appa- reils inductifs; un dispositif de protection nouveau et perfectionne pour des appa- reils capacitif;; un dispositif de protection nouveau et perfectionne pour un système utilisant un appareil inductif et un condenseur série servant à la régul tion de la tension;
un dispositifde protection nouveau et r sectionné pour un appareil inductif ; 1 il type ayant ses enrule es agences de façon à pré- senter @ capacité série interv efficacement dans la régu- lation @ latension; un dispositfi de protection nouve@ et perfectionnépour des réseaux
<Desc/Clms Page number 5>
de stribution dsénergie tuil ant uns capacité série évitant les urtensions dues aux varie. ons de charge et aux courts-cir- cuitet amortissant les insta lités de circuit..
En bref,, la présente @@@ntion procure un dispositif de proection pour des'réseaux de di@tribution d'énergie utilisant une capacité série et pour des pareils inductifs du type utilisant une capacité série'dans le circaltprimaire, des transformateurs par exemple. La capacité du réseau de distribution d'énergie peut être utilisée pour'réguler la tesion de feeder appliquée à plusieurs transformateurs de'distribution. La capacité du circuit primaire- d'un transformateur donné peut consister en une capacité répartie, comme celle de certains types d'enroulements et d'agencements d'en- roulements, ou une capacité réelle d'un condensateur connecté physi- quement dans le circuit primaire de ce transformateur.
En général,' le dispositif de protection shunte le condensateur ou la partie capacitive des enroulements de transformateur au moment où la tension aux bornes' du condensateur dépasse un maximum déterminé, La capacité - se décharge par l'effet de shunt du dispositif de protection et l'et... ' fat de shunt disparaît automatiquement ensuite, permettant au conden- sateur de se recharger.
Si la cause du courant élevé et, par conséquent, de la tension élevée aux bornes de la capacité n'a pas disparu, la capa- cité se recharge et le dispositif de protection shunte à nouveau la capacité lorsque la tension atteint le maximum déterminé, forçant la capacité à se décharger a nouveau. Ce phénomène continue jusqu'à disparition de l'état anomal, moment auquel le fonctionnement normal reprend avec la capacité connectée dans le circuit, ou bien jusqu'au moment où d'autres appareils de protection, comme des dis- joncteurs ou des fusibles associés au transformateur isolent celui- ci du circuit de transport d'énergie.
Plus spécifiquement, le dispositif de protection com- prend une paire d'électrodes séparées par un espace ou un vide dé-
<Desc/Clms Page number 6>
EMI6.1
terainé et connectées aux bornes ou en shunt sur ; a capacité série.
Lorsque la tension aux bornes de la capacité et par conséquent,
EMI6.2
aux bornes des électrodes atteint une va2eur : avoquant le jaillie-; sèment d'un arc entre les électrodes., la capac d est effectivement éliminée du circuit inductif par srmntage,. la e-pacitè se décharge .- et la réactance de fuite totale de l'appareil wt ductif peut s'oppo- '¯à' ser au passage du courant.
Afin dépêcher que l'arc ne s'entre- tienne après une décharge notable du eondepsateii,> provoquant l'a- aortissement de toute instabilité de circuit et servant aussi à protéger les électrodes contre les brûlures et les piqûres, ce qui entraînerait un fonctionnement imprévisible du dispositif de protection dans la suite, on établit un champ magnétique perpen-
EMI6.3
diculaireaent à l'arc, Le champ Tùagnétique fait se mouvoir l'arc sur la façe de l'électrode et empêche ainsi toute surchauffe d'une - partie ou d'un point déterminé quelconque.
La dimension des élec-
EMI6.4
trodes est telle que la chaleur produite par 1>arc et le courant traversant'l'électrode soit insuffisante pour influencer de façon
EMI6.5
notable l'espace d'éclata"¯e:t entre électrodes et insuffisante aussi pour anorcer une émission theraiionique qui rabaisse la tension de rupture.àe l'espace d'éclatement. De cette manière, la tension . maximum de fonctionnement du dispositif de protection resce inchan- gée après les opérations répétées. Plus spécifiquement, la dimen- s.ion des électrodes dépend de la vitesse de déplacement de l'arc . le long de la face des électrodes.
Plus l'arc se déplace rapide- ment, plus les électrodes doivent être longues mais, dans ce cas, l'épaisseur des électrodes peut être diminuée puisque l'échauffé- '
EMI6.6
ment en tcute partie déterminée de l'électrode a été réduit. L'épaisseur et la longueur appropriées des électrodes sont très importantes car elles ne peuvent pas être trop petites. Pour ob- tenir les résultats inattendus et inhabituels du dispositif de protection de la présente invention, l'épaisseur de l'électrode doit constituer un récupérateur de chaleur capable d'éviter un
<Desc/Clms Page number 7>
échauffement exagéré, et la longueur doit être suffisante pour souf- ; fier ou éteindre l'arc.
L'énergie d'arc nécessaire pour entretenir l'arc doit être ainsi maximum de façon que l'arc s'éteigne et s'étouf- fe dès que la capacité se décharge, évitant ainsi le passage d'un courant postérieur provenant du réseau électrique et traversant l'arc de manière à l'entretenir. L'étouffement rapide de l'arc est obtenu grâce à la combinaison des deux mesures suivantes : maintenir les électrodes à une température relativement basse ampê- chant toute émission thermionique, et faire se mouvoir l'arc rapide- ment sur une longueur suffisante de l'électrode. Un arc se dépla- cant rapidement sur une surface relativement froide exige un maxi- mum d'éergie d'entretien.
Par conséquent, lorsque la capacité se décharge,l'arc s'éteint, puisque l'énergie nécessaire pour entre- tenir l'arc dépasse celle disponible dans le circuit.
L'invention ressortira clairement de la description dé- taillée, donnée ci-après, de plusieurs formes d'exécution représen- tées, à titre d'exemple, aux dessin annexés, dans lesquels:
Les figures 1 et lA sont des schémas représentant une forme d'exécution de l'invention.
Les figures 2 et 2A sont des schémas montrant une autre forme d'exécution de l'invention.
La figure 3 est un schéma montrant une troisième torse d'exécution de l'invention.
Les figures AA, 4B et 4C sont des graphiques donnant cer- taines relations tension-courant utiles pour l'exposé du fonctionne- ment de l'invention.
La figure 5 donne des oscillogrammes montrant une tension capacitive anormale et un courant de décharge capacitif anormal ' dans le cas où un transformateur est excité au travers d'une capa- cité série.
La figure 6 est un schéma montrant une quatrième forme '3'exécution de l'invention.
<Desc/Clms Page number 8>
La figure 7 est une élévation de coté, partiellement en coupe, montrant une forme d'exécution de l'invention.
La figure 8 est une élévation de face avec arrachements de la forme d'exécution de l'invention représentée à la figure 7.
La figure 9 est une vue de dessus de la forme d'exécution del'invention représentée aux figures 7 et, 8, le couvercle étant enlevé.
La figure 10 est.une élévation de face d'un transforma- teur avecarrachements et partiellement schématique montrant un mode de montage du dispositif de protection des figures 7, 8 et 9 sur un transformateur.
La figure 11 est une élévation de face en coupe d'une autre forme d'exécutior de l'invention,et
La figure 12 est une élévation de face en coupe d'une autre forme d'exécution encore de l'invention*
La figure '. est un schéma représentant un dispositif . de protection 10 necté de façon à empêcher que la tension aux bornes de 3 2. @@tie capacitive 12 du transformateur 14 ne dépasse .un mo.um déterminé.
La construction de transformateurs comme représenté schématiquement sur la figure 1 consistant à ob- enir une capacité déterminée à l'aide de divers types d'enroule- ments et d'agencements d'enroulements,, par exemple en utilisant des enroulements primaires à feuilles enchevêtrées, est décrite dans la demande de brevet anglais n 885.593 de la demanderesse.
La figure 1 montre un transformateur ayant des sections d'enroulement primaire 16, 18 et un enroulement secondaire 20 mon- tés inductivement sur un noyau magnétique 22. Certaines parties des sections primaires 16 et 18 sont enchevêtrées de façon à pré- senter une capacité déterminée 12 entre les enroulements et l'iso- lant. En fait, la capacité 12 est reliée en série avec l'enroule- ment primaire 18 dans un circuit allant de la borne 24 de l'enrou... lement primaire 16 à la borne 26 de l'enroulement primaire 18 et,
<Desc/Clms Page number 9>
par conséquente le courant primaire s'écoulant des bornes d'entrée à courant alternatif 28 et 30 traverse le condensateur 12.
Le cou- rant primaire qui traverse la capacité série 12 fait apparaître, aux bornes de cette capacité 12, une tension qui compense ou annule au moins une partie de la chute de tension aux bornes de l'inductance effective du transformateur, intervenant ainsi dans la régulation de la tension.
Il faut cependant prévoir l'un ou l'autre dispositif protection pour amortir des instabilités de circuit comme ferro-résonance et la marche sous-synchrone de moteur@ @ que pour limiter la tension'maximum -paraissant aux b@@ @ de. la ca- pacité 12 et des parties d@@roulement primai- et 18 agencées de façon à obtenir ce@@ capacité, La @ capacitive peut atteindre des amplatudes dange@@dese et néfastes lorsque le courant primaire augmente, par exemple dans le cas de transitoires brus- ques, de variations de charge progressives ou par paliers ainsi que de courts-circuits.
Il est essentiel que la capacité ou la par- tie formant condensateur du transformateur soit protégée contre les surtensons afin d'empêcher que l'isolant ne soit endommagé ou per- cé.
Le dispositifde protection doit être'de fabrication é- conomiquo puisque les transformateurs de distribution qu'il doit protéger sont relativement peu coûteux, et ce dispositif de protec- tion doit réintroduire l'effet de capacité dans le circuit lors de la disparition de l'état d'instabilité du circuit ainsi que lors- que la tension aux bornes du condensateur tombe au-dessous d'un minimum déterminé. En outre, l'effet de protection doit être itéra- tif sans que l'efficacité du dispositif de protection ne diminue no- tablement et, en outre, la protection doit être instantanée, c'est- à-dire durant la première- demi-période de la surtension.
La figure 1 représente schématiquement.en 10 un disposi- tif de protection ayant les caractéristiques voulues. Le dispositif de protection 10 est.connecté de façon à shunter efficacement
<Desc/Clms Page number 10>
l'effet de la capacité 12 et à protéger la capacité 12 cre les @ surtensions lorsque la chute de tension aux bornes de cea capaci- té atteint un certain niveau. Puisque, comme précité, le ircuit équivalent de la figure 1 comprend un condensateur repr@@entant la capacité 12 ,et connecté entre les bornes 24 et 26 co@e la figu- re 2 le montre, le dispositif de protection 10 peut être connecté aux bornes 24 et 26.
D'une façon générale, le dispositif de protection 10, qui.est représenté à plus grande échelle sur la figure lA, comprend des électrodes 32 et 34 qui sont reliées aux bornes 24 et 26 par l'intermédiaire de conducteurs respectifs 36 et 38. Les électrodes
32 et 34, qui peuvent être des blocs en cuivre ou en toute autre matière ayant une conductibilité suffisante, sont disposées avec des faces semblables qui se regardent de manière à délimiter un faible espace d'éclatement 40. La dimension de l'espace 40 est déterminée par la valeur de la tension aux bornes de la capacLté.
12 à partir de laquelle on désire que cette capacité soit shuntée.
.La tension de rupture de l'espace d'éclatement 40 est une fonc- tion directe de la largeur de l'espace d'éclatement,, une largeur de 0,1 mm, correspondant en substance à 560 volts pour des espaces d'éclatement compris entre 0,25mm et 0,375ma.Par exemple,pour une ' largeur d'espace d'éclatement de 0,375 mm, la tension de rppture de cet espace d'éclatement est en substance de 2. 000 volts de pointe.
Afin d'éviter un changement notable de la.tension de rupture @@@ l'effet de réchauffement et de la dilataiondes électrodes
32 et 34 après plusieurs opérations ou ruptures d'isolement succes- sives, l'électrode doit avoir une épaisseur suffisante pour consti- .tuer un récupérateur de chaleur efficace.
Par exemple, dans une application utilisant des blocs de cuivre rectangulaires d'une longueur de 75 mm, d'une largeur de 12,6 mm et d'une épaisseur de
32mm, on obtient un bon effet de récupération de chaleur empêchant une variation notable de l'espace d'éclatement sous l'action de la
<Desc/Clms Page number 11>
dilatation de l'électrode, ces mêmes électrodes empêchant toute émission thermionique ainsi que toutes brûlures et piqûres.
Les surfaces opposées des électrodes 32 et 34 délimitant l'espace d'éclatement 40 peuvent être en substance planes ou peu- vent aller en s'évasant légèrement du centre de la surface vers le bord ou bien elles peuvent avoir toute autre forme appropriée.
L'utilisation des électrodes 32 et 34 seules ne suffit cependant pas pour shunter la capacité 12 lorsque la tension aux bornes de cette capacité atteint un certain niveau maximum. L'arc ne s'éteint pas lorsque la capacité 12 se décharge, mais continue à véhiculer le courant traversant l'enroulement primaire 15 juqu au premier zéro de courant.
Si l'arc n'est pas rapidement éteint après la décharge de la capacité, des instabilités de circuit comme la ferro-résonance et la marche sous-synchrone des moteurs, ne sont pas supprimées par amortissement. En outre, la chaleur produite par l'arc est suffisante pour faire fondre les electre@@ où se produisent des piqûres et des bavures constituant une faile fraction de la face de l'électrode où le courant se concentre.
Le dispositif de protection 10 nepuet donc pas fonctionner avec pré- ' cision de façon répétée et les électrodes devraient être remplacées après quelques décharges de tension seulement aux bornes de l'es- pace d'éclatement tandis qu'en outre, le transformateur et les ap- pareils associés pourraient être endommagés puisque la ferro-réso- nance et la marche sous-synchrone des moteurs ne sont pas éliminées.
Afin d'empêcher que l'arc se maintienne après la décharge de la ca- pacité 12 et d'éviter que l'arc ne se concentre sur une petite trac- tion des faces des électrodes 32 et 34, on établit un champ magné- tique en substance perpendiculairement à l'arc au.moyen d'aimants 42 et 44? Les aimants 42 et 44, qui sont disposés des deux cotés de l'espace 40 avec leurs p8les respectifs qui s'attirent, peuvent être des aimants permanents ou des électro-aimants, des aimants permanents étant préférables carils ne demandent aucune connexion
<Desc/Clms Page number 12>
extérieur.
Les aimants 42 et 44 établissant un camp magnétique intense en travers de l'espace d'éclatement 40 lorsqu'un arc se produit entre les électrodes 32 et 34, l'arc se meut sur la surface de l'électrode à cause de la réaction entre le champ magnétique et le courant électrique. L'arc est comparable à un, conducteur électrique d'un moteur électrique qui se déplace lorsqu'il est traversé par un courant tout en étant soumis à un champ magnéti- que. L'intensité du champ magnétique et du courant d'arc déter- minent la vitesse de déplacement de l'arc. Cependant, l'intensité du champ magnétique n'est pas critique, la seule chose nécessaire étant des variations notables de l'intensité du champ provoquant des déplacements importants de l'arc.
Par exemple,' dans une appli- cation utilisant un espace d'éclatement sous 2.000 volts, un champ magnétique de 1.000 gauss s'est avéré provoquer une mobili- té suffisante de l'arc. On considérera cependant ci-après des cas où un champ plus intense est nécessaire. Lorsque l'arc se meut le long des surfaces adjacentes des électrodes 32 et 34, on ne constate aucun échauffèrent exagéré et l'énergie nécessaire pour entretenir l'arc est maintenue à son maximum. L'arc s'éteint rapi- dement après que la capacité 12 se soit notablement déchargée, puisque le circuit est incapable de fournir l'énergie nécessaire .pour entretenir l'arc.
Les électrodes sont donc capables de tra- vailler durant de longues périodes avec une reproductibilité pré- cise et avec peu ou pas d'endommagement des surfaces adjacentes délimitant l'espace d'éclatement 40.
La description du fonctionnement du dispositif de pro- te.ction 10 et de son influence sur le transformateur 14 par shun- tage de la capacité 12 lorsque la tension de la capacité atteint un maximum déterminé est donnée ci-après avec référence aux gra- phiques des figures 44, 4B et 4C. La figure 4A est un graphique donnant la forme d'onde de la tension aux bornes de la capacité 12 et,par conséquent, aux bornes de l'espace d'éclatement 40 entre
<Desc/Clms Page number 13>
électrodes 32 et 34, pour diverses amplitudes du courant primaire du transformateur, comme celé est représenté à le figure 4B. Comme on peut le voir,
la première période du courant primaire 1 fait appa- aux bornes de la capacité 12, une tension Vc qui est infé- rieure à la tension de condensateur maximum Vc max. déterminée par l'espacement des élect@ds 32 et 34 du dispositif de protection 10.
Au cours de la deuxième et de la troisième périodes, le courant pri- maire 1 augmente rapidement, ce qui a pour effet de produire une chute de tension capacitive Vc qui dépasserait la tension de conden- sateur maximum Vc max. comme l'indiquent les parties en traits in- terrompus de la deuxième et de la troisième périodes de a.tension
Vc dépassant la ligne Vc max, sur la figure 4A., La tension Vc monte le long .de l'enveloppe de l'onde sinusoïdale jusqu'à atteindre la tension de condensateur maximum Vc max. au point 50, on il y a - rupture d'isolement dans l'espace d'éclatement 40, un arc faillis- sant entre les électrodes 32 et 34. La capacité 12 sa décharge ra- pidement, faisant tomber la tension capacitive Vc en substance à zéro, au point 52.
L'agitation magnétique ou mouvement de l'arc dû auxaimants 42 et 44 coopère avec l'effet de récupération de chaleur des électrodes 32 et 34 pour éteindre l'arc, et la capacité 12 commence immédiatement à se recharger jusqu'à ce que la tension capacitive Vc atteigne à nouveau le niveau Vc max au point 54.
La capacité 12 se décharge ensuite jusqu'au point 56, l'arc s'éteint à cause du mouvement magnétique de l'ar, et la capacité se recharge jusqu'à la tension capacitive maximum Vc max.au point 56'. La ca- pacité 12 se décharge à nouveau jusqu'au point 58 et commence à se récharger mais, cette fois, l'enveloppe sinusoïdale de la tension est descendue au-dessous de la tension capacitive maximum Vc max.et permet seulement à la tension capacitive d'atteindre le point 60. En ce point 60,la capacité se décharge et suit l'enveloppe d'une onde sinusoïdale jusqu'au zéro de courant correspondant à l'inversion de polarité, où le même processus continue dans la
<Desc/Clms Page number 14>
partie négative de la période.
Le nombre de fois que la tenlon
EMI14.1
V Max. est atteinte durant une deai-priode est une fonction di- ; recte de l'amplitude du courant comee le démontre la formùle V = 3,/Cidt. Cette action protecttive du dispositif de protec- tion 10 se maintient aussi lo'ngteups que la tension capacitive tend à dépasser la tension capacitive V, naxiaum déterminée par 't le dispositif de protection.
La figure 4C représente la tension Vc aux bornes du
EMI14.2
,,.condensateur 12 dans le cas d'un dispositif de protection semblabld au dispositif de protection 10 mais en l'absence des aimants 42 ' et 44Durant la deuxiene période,, la tension. monte jusque atteins dre la tension capacitive maximum Vc max. au point 62, de sorte que la capacité 12 se décharge, la tension aux bornes de la capa- cité 12 tombant en substance à zéro au point 64.Cependant, l'arc
EMI14.3
se maintient au lieu de s'éteïndre coirne cela est représenté à.la figure 4A, permettant ainsi à la tension capacitive V. de remonter.
lî84.ner ie requise pour entretenir i'arc a été réduite par 7.'éruis- sion thermionique et la dilatation des électrodes, et le courant ' du réseau traverse l'arc jusqu'à ce que ce courant passe par zéro au point 66. L'arc s'éteint lorsque le courant passe par zé-
EMI14.4
ro et la néme séquence se répète d'e7.le-mcne durant les demi- périodes suivantes jusque ce que la tension capacitive Vc tome au-dessous de la tension capacitive maximum Vc max. L'utilité des ;
aimants 42,44 et leur coopération avec les électrodes 32 et 34 du dispositif de protection 10 sont donc évidentes.Les aimants
42 et 44 éteignent l'arc après que la capacité 12 se soit en substance déchargée en faisant se mouvoir l'arc sur les faces des
EMI14.5
électrodes 32 et 34 ,évitant ainsi toute émission thermionique et tout endossement des surfaces des électrodes par brûlures.
EMI14.6
En absence des aimants 42 et 44e l'arc est non seulement sta. tionnaire ce qui provoque la brûlure et la fusion des électrodes, mais l'arc peut se maintenir du fait que l'énergie requise pour entretenir l'are est diminuée entre le point de tension capa 1-
<Desc/Clms Page number 15>
tive maximum Vc max.
et le premier passage par zéro du courant.
Les aimants 42 et 44 n'ont:pas d'effet d'amortissement sur des instabilités de circuit cornue la ferro-résonance et la marche sous-synchrone des moteurs. En outre, après quelques périodes de tension, les électrodes ne sont plus utiles cornue dispositif de protection. Les piqûres et les bavures provoquées par les brûlures d'arc modifient immédiatement l'espace d'éclatement 40 effectif et, par conséquent, Modifient entièrement la tension d , rupture de cet espace d'éclatement 40.
Il va de soi que, si les formes d'onde de tension et de courant représentées aux fleures 4A, 4B et 4C sont en.phase, la ,tension et le courant peuvent être déphasés en pratique.
Le dispositif de protection 10 représenté à la figure 1 sert de protection contre une tension capacitive exagérée pro- voquée par des surcharges, des variations de charge, des courts- circuits et s'est avéré convenir parfaitement pour amortir les phénomènes soutenus de ferro-résonance et de marche sous-synchron de moteurs.Le figure 5 donne des oscillogrammes de la tension sapa- ,citive Vc et du courant de décharge de condensateur IP''montrant ; l'amortissement de la ferro-résonance.Lorsque la tension caps ci- tive VC atteint la tension de rupture du dispositif de protection ! 10, aux points 51 et 53 par exemple, le condensateur se déchue ! ; comme cela est représenté aux points 55 et 57.
En l'absence du dispositif de protection lû, la tension capacitive Vc atteindrait des amplitudes néfastes, et la forme d'onde de tension initiale .se maintiendrait en état de régime. Au contraire, en présence du dispositif de protection 10, la tension capacitive maximum Vc max. est contrôlée et l'instabilité est rapidement amortie comme cela ressort des formes d'onde de tension capacitive réduites ' 59,61 et de l'élimination en substance de la perturbation en 63.
La théorie qui se trouve à la base du fonctionnement du
<Desc/Clms Page number 16>
dispositif de protection 10 et de l'extinction de l'arc après dé- charge de la capacité 12 par coopération entre les aimants 42, 44 et les électrodes 32, 34 de manière à arrêter tout passage de courant primaire à 60 hertz par les électrodes, est la désionisa- tion ou soufflage magnétique. Le mouvement rapide de l'arc se -déplaçant sur des électrodes froides a pour effet de maintenir au maximum l'énergie nécessaire pour entretenir l'arc, ce qui provo- que une extinction rapide de l'arc lorsque l'énergie du circuit tombe au.-dessous du niveau de maintien.
Cependant, la théorie a exacte expliquant les résulta excellents obtenus par le dispé- sitif de protection décrit ici quant à l'amortissement'des insta- bilités de circuit n'est pas connue. On a trouvé cependant que le mouvement de l'arc sous l'action des aimants'42 et 44 n'est pas le seul facteur agissant, le temps de décharge de la capacité
12 en étant un second. Si le temps de décharge de la capacité est très court, 'extinction de l'arc suit de très près la dé- charge de la capacité. Si le temps de décharge de la capacité est allonsé, 1 {arc ne s'éteint que beaucoup plus tard dans lml-période et le circuit n'amoritit pas les phénomenes de ferro-resonance et de marche sous-synchrone des moteurs.
On étudiera ci-après l'influence du temps de décharge de ' la capacité en se référait aux: figures 2 et 2A. La figure 2 est un schéma qui peut être 1$-circuit équivalent du schéma de la figure 1 et où la capacité répartie entre les enroulements 16 et; 18 est remplacée par une capacité 70 connectée en série avec l'enroulement primaire'18, la capacité 70 pouvant aussi représen- ter un condensa leur physique connecté en série avec l'enroulement primaire 18 du transformateur 14 comme le montre la figure 2A.
Le temps de décharge de la capacité 70 est déterminé par la résis- tance 72 du circuit de décharge, la capacité présente dans le cir- cuit de décharge et l'inductance présente dans le circuit de dé-
<Desc/Clms Page number 17>
charge. L'inductance peut certainement être négligée si la capacité 70 représente un condensateur réel, et elle est insigni- fiante lorsque la capacité 70- est producite par des agencements d' enroulements de transformateur à cause de la pétrie .arctique des enroulements de transformateur. La résistance 72 du circuit de décharge est variable et on peut la faire varier pour observer l'influence de différents temps de décharge de la capacité 70.
Comme la résistance 72 représente la résistance totale du circuit sa valeur minimum est la résistance interne de la capacité. Par exemple, dans le cas d'un dispositif de protection à 7.200 volts, ayant une'réactance capacitive de 5%, un espace d'éclatant de 0,375 mm.
et des aimants 42 et 44 établissant un champ magnétique de 1.000 gauss perpendiculairement à l'arc, il a été déterminé que la résistance du chemin de décharge doit être maintenue au- dessous de 2 ohas, le dispositif de protection n'éliminant pas de façon sûre la ferro-résonance dueà un transitoire brusque à vide à partir d'environ 2 ohms 'Un effet de transitoire brusque à vide est le cas le plus sévère que le dispositif de protection 10 doit traiter, ceci étant démontré par le fait qu'a- vec une résistance de circuit de décharge de 2 ohms, le dispositif de protection traite toujours de façon des varia- tions de charge.
Lorsqu'on augmente la résistance du circuit de décharge à ' environ 4 ohms dans le cas d'un champ magnétique de 1,000 gauss, une variation de charge provoque très souvent un phénomène de ferro-résonance et l'élimination dé ce phénomène n'est pas sûre.-
Cependant ',pour montrer combien sont compliquées les réactions entre la résistance du circuit de décharge, le teiaps de décharge capacitive et l'intensité du champ magnétique, on a constaté qu'on peut éliminer de façon sûre un phénomène de terro-résonance provoqué par un transitoire brusque à vide dans le cas de l'exe:
-- ple ci-dessus, à condition d'augmenter le champ magnétique à
<Desc/Clms Page number 18>
2.900 gauss. Par conséquent, dans cet exemple, si la résistance
EMI18.1
du circuit de décharge.y compris la résistance de sections enche- vêtrées des enroulements de trans'orrcmteuxy dans.3.e cas où la ca- pacité est obtenue par des disposition, et agencements d'enroulé- ;
zents, ou y compris la résistance iiiteerie du condensateur si on utilise un condensateur réel, est maintenue au-dessous de 2 ohms, on peut utiliser in charup raar:étiouo de 1.000 gauss et le dispo- sitif de protection fonctionnera de façon satisfaisante dans . toutes les conditions possibles, y compris les transitoires brusques à vide, les variations de chai,ce et les courants de court-circuit de courte durée.
Il va de soi que l'espace d'éclatement, le champ magnétique, la résistance critique, etc donnes ici sont des valeurs ci- tées à titre d'esxemples spécifiques. Par conséquent, si on utili- se des. condensateurs ayant une réactance capacitive'différenteou si la tension du dispositif de protection est différente, l'espace '
EMI18.2
d*éclatement nécessaire peut êzre différent. Si l'espace d>écla- tement varie, la valeur critique de la résistance du circuit de décharge peut varier, et il en est de même de l'intensité re- quise pour le champ magnétique.
S'il n'est pas possible de réduire la résistance du cir- cuit de décharge au-dessous de la valeur critique, on augmente la largeur d'impulsion du courant de décharge et 7,'arc jaillis-
EMI18.3
se entre les électrodes 32 c-t 34 du dispositif de protection 10 ne s'éteint pas à la fin de la décharge capacitive, permettant ainsi .au courant à 60 hertz ou courant de réseau de traverser l'espace d'éclatement 40. L'augmentation de l'intensité du champ magnétique facilite l'extinction de J'arc, comme cela a été dé- montré ci-dessus.
Cependant, au lieu de recourir à des champs
EMI18.4
chgnétIqUOS très intenses provoquant un Mouvement d'arc et un 'Éùtfàki plus relents e6pvt i:einôï' Ipara loroque la ré 'b' 4 du circuit die dÉllikrgé 'le valeur Critique il
<Desc/Clms Page number 19>
est préférable de recourir à une autre façon de procéder,repré- sentée schématiquement à la figure 3.
La figure 3 est semblable à la figure 2 et, sur les deux figures, les cernes éléments portent les mêmes références.Cepen- dant, la figure 3 contient une inductance 74 mise en série avec le circuit de décharge. Le rôle de l'inductance ou bobine série
74 est de produire un courant de décharge oscillant dont la f@@- quence naturelle fait passer le courant par un zéro suffisamment tôt après rupture de l'isolement de l'espace d'éclatement pour permettre à l'arc de s'éteindre avant que le courant à 60 hertz ou courant de réseau commence à traverser l'espace d'éclatement 40. En fait,
l'adjonction de l'inductance 74 adapte un circuit de décharge présentant une résistance interne relativement éle- vée (approximativement 10 à 12 ohms) à l'espace d'éclatement pro- tecteur 40, permettant ainsi à l'arc de s'éteindra avant que le courant de réseau à 60 hertz commence à s'écouler par l'arc.
La figure 6 représente une forme d'exécution de l'inven- tion qui utilise une capacité série 200 dans un réseau- de distri- bution d'énergie comprenant une source d'énergie 201 et des cir- cuits de charge 203 à l'effet d'obtenir une régulation de la tension, sans qu'il y ait une association directe avec l'un ou l'autre transformateur de distribution déterminé.Plus spécifique- mente le dispositif de protection 10 est connecté de façon à pro- téger un condensateur série 200 qui est connecté dans un réseau de distribution d'énergie 202 de façon à obtenir une régulation de tension pour plusieurs transformateurs 'de distribution 204.
Le transformateur 206 est représenté simplement pour montrer qu'il peut y avoir d'autres transformations de tension avmit que la tension ne soit appliquée aux transformateurs de distribution 204. Le dispositif de protection 10 fonctionne comme décrit ci- avant.Le fait que le condensateur 200 est traversé par du courant destiné à plusieurs transformateurs de distribution et non un
<Desc/Clms Page number 20>
EMI20.1
tr±,!1.$ fw':'.:. teu déter::1ind, n'a/:
reCct 'pas le fonctionnement du . dispositif de protection.
Les figures 7,8 et 9 sont respectivement des vues de côté,
EMI20.2
de face et de dessus d'une forme d'exécutàm pratique 78 de .,'.n vention.La figure 7 est une élévation de coté, partiellement en coupe, montrant des électrodes 80 et 82 disposées de façon à
EMI20.3
délimiter un espace d'écls.teulent 84 d'une largeur déterminée entre les surfaces deêlecteodes adjacentes.Des aimants 86 et 88 sont disposés par rapport à l'espace d'éclatement 84 de fa- çon'que le champ macnétique produit par les aimants 86 et 88 soit en substance perpendiculaire à un arc jaillissant entre les électrodes 80 et 82.
Les électrodes 80, 82 et les aimants 86 88 sont disposés @@ns un bottier approprié 90 qui peut être en
EMI20.4
une matière cone, trice de l'électricité comau l'aluminium ou le laiton ou er. de Matière non conductrice de l'électricité
EMI20.5
si on utilise ' fil de terre séparé, le bottier est pourvu d'u,'s coùvere, :' }. Le boîtier 90 peut être monté à l'extérieur de la carca:- - 93 de l'appareil inductif qui doit être protégé
EMI20.6
par le d.spc t:tit de protection.Une connexion électrique entre 1-*appareil @etif électrique et une des électrodes du dispositif
EMI20.7
de protest, 78 peut traverser un isolateur de passage 94 qui traverse ? jaroi de la carcasse 93 et pénètre à l'intérieur de lppare¯, ';'lductif.
La pièce conductrice 96 traverse llîsolateur d..--''"a,'jf 94, une conne;x1C',' étant effectuée avec un conducteur de .-'&ppare inductif à -4 extrémité de la pièce conductrice'98 au noyé: d'un 3,"/Jìtif de fixation 98.L'autre extrémité de la pièce COnci1.1o' ire 98PUt être reliée à l'électrode 80 par une au- tre pièc .inductrice 100 qui peut être attachée à la pièce con-
EMI20.8
ductri<:3 9i3 par un moyen de fixation 102 ainsi qu'à 3.'électrode 80 par un dispositif de maintien et de localisation,par exemple un dispositifà ressort 104. La connexion électrique restante paît ;
' être obtenue en mettant convenablement le boîtier 90 à la terre,
<Desc/Clms Page number 21>
ce bottier étant directement relié l'électrode 82.
Les figuras 8 et 9 représentent des moyens de maintien et de localisation appropriés 110 et 112, pouvant être utilisés pour maintenir assemblés de la façon voulue les électrodes 80,
82 et les aimants 86, 88.La figure 8 montre aussi comment les électrodes 80.et 82 peuvent être évasées ou arrondies aux points
EMI21.1
114 et li4' afin d'empêcher une concentration d'arc à hauteur " .- rêtes, et montre aussi les précautions prises pour divise- i>arc aux points 1l6, 116' et 118, 118'.La forme aonn6a l'est uniquement à titre d'exeapl';; et de r.ow.:
,:uses autres forces peuvent convenir aussi bien,, En fiit, des PC'- 41tats excellents ont été obtenus avec des électrod:, de forme rectangulaire
EMI21.2
sans évasèrent, ni arrondi, ni di-ipositife de sectionnement** La figure 10 montre la fbçoi de monter le dispositif de pre,. : tection 78 représenté aux figura 7, 8 et 9 sur un transforma tel1- ' 120 qui est représenté en partie .chéuatioueent.
Le tra.n;;f> 1.--.." teur 120 peut être le type usuel, ayr.nt un'enroulement 1 .-auté tension 122 et un enroulement à 1 ;,se tension 1bzz/ disposés in- .Î duativenerit sur un noyau ie 126, le tout enfermé dans un boîtier ou cuve mètalliqu. ap91>;>rié 123 contenant le diélectri- ,
EMI21.3
que isolant habituel et comportept les isolateurs de passage à ] basse tension 130, 132 'ainsi que l'isolateur de passage à haute tension 134, et un condensateur 136 relié en série avec l'enroulement à haute tension 122.
Le transformateur 120 peut aussi être du type dans lequel la capacité série 136 est obtenue en utilisant certains types et agencements de conducteurs et d'isolants pour les différents enroulements.Dans tous les cas, le conducteur à haute tension 138 partant de l'isolateur de passa ge à haute tension 134 est relié à l'extrémité 140 de l'enroule- ment à haute tension 132, tandis que l'extrémité 142 de l'enroule. ! ment à haute tension 122 est reliée au dispositif de protection 78 par un conducteur 144 et à la terre 146.par la capacité 136.
<Desc/Clms Page number 22>
Le dispositif de protection 78 est aussi mis à la ten en 146' de façon Due. lorsque la tension aux bornes du conden teur 136 déesse la tension de rupture du dispositif de prêtée , on 78, la capacité 176 soit effectivement shuntée et relie 1borne 142 de l'enroulement à haute tension 122 directement à la erre en
146' pendant un temps suffisant pour permettre à la cécité 136 de se décharger,comme cela a été décrit ci-avant.
Quoique le dispositif de protection 78 de la figure 10 soit Monté à Intérieur de lacuve 128 du transformateur 120, il va-de soi que ce dispositif de protection 78 peut être rendu herméttque de façon appropriée et monté à l'intérieur de la cuve.
En outre, au lieu de remplir le boitier du dispositif de protection
78 d'air, ce bottier péut être évacué ou peut encore être rempli d'un gaz comme l'hexafluorure de soufre (SF6), de l'hydrogène ou un gaz inerte.
Les figures 11 et 12 montrent d'autres formes d'exécution du dispositif de protection utilisant des aimants annulaires.
La figure 11 montre, en coupe, une disposition utilisant des électrodes.circulaires 220 et 222 disposées avec un espace d'écla-. tement déterminé 224 entre les surfaces adjacentes, tandis que des aimants annulaires 226 et 228 sont placés au-dessus et au- dessous des électrodes 220 et 222, les polarités des aimants étant celles représentées avec les pôles nord vers l'extérieur,ou bien avec les pôles sud vers l'extérieur, de façon ;.. produire un champ magnétique en substance perpendiculaire à un arc jaillis- sant entre les électrodes 220 et 222.
Sous l'influencence du champ magnétique produit par les aimants 220 et 222, un arc jaillissant entre les électrodes 220 et 222 tourne en rond en suivant les électrodes circulaires. "
<Desc/Clms Page number 23>
La figure 12 représente un agencement suivant lequel des électrodes circulaires 230 et 232 sont disposée$ avec un espace d'éclatement 234 déterminé entre surfaces adjacentes, des nimants annulaires 236 et 238 étant placés l'intérieur et à l'extérieur - des électrodes 230 et 232. Les polarités de ces aimants doivent être telles qu'un champ magnétique soit créé dans l'espace d'é- clatement 234 en substance perpendiculatirement à un arc jaillis- sant entre les électrodes 230 et 232.
Comme dans le cas de la forme d'exécution représentée à la figure 11m un arc jaillissant entre les électrodes 230 et 232 tourne en rond en faisant le tour de ces électrodes.
Le dispositif de protection décrit ici présente de nombreux avantages sans compter s@@ prix de revient très bas qui rend son utilisation possible avec des transformateurs de distribution relativement peu coûteux. Un des avantages réside en ce que le dispositif de protection shunte efficacement la capacité séri.e et éteint l'arc avant'que du courant de pésea à 60 hertz puisse traverser l'arc, ce qui a pour effet d'amortir immédiatement toutes instabilités de circuit.Un autre avantage réside en ce que le dispositif de protection opère durant la pre- mière période de surtension et peut.remplir son rôle de protec- trion de façon répétée et automatiquement,
sans nécessiter d'en- tretien. Lorsque la surtension aux bornes de la capacité dispa- . rait, le dispositif de protection ne shunte plus la capacité et il est prêt à affronter la surtension suivante. Un autre avanta- ge est constitué par la feible dimension, l'absence de parties mobiles et la construction robuste du dispositif de protection ce qui contribue à donner un dispositif ne demandant en substance aucun entretien et permet de le monter de façon appropriée sur l'appareil qu'il doit protéger.
Diverses modifications pouvant être apportées à l'appareil décrit ci-avant et aux différentes formes d'exécution de l'inven-
<Desc/Clms Page number 24>
tion sans sortir du cadre de celle-ci, il va de soi que tout ce qui se trouve dans la description-précédente ou dans les des- sins- annexes doit être considéré comae donné à .titre d'exemple et non dans un sens limitatif.
REVENDICATIONS.
1.- Dispositif de protection pour des appareils inductifs électriques ayant des enroulements,,par exemple un transformateur et ayant une capacité dispose* en série avec certains de ces en- roulements, caractérisé en ce qu'un éclateur'est relié aux bornes de la capacité, cet éclateur comprenant une paire d'élec- trodes disposées de façon à délimiter un espace d'éclatement détermine, et en ce que deux aimants sont disposés de façon à établir un champ magnétique dans l'espace d'éclatement, de façon que l'espace d'éclatement rompe son Isolement et laisse passer le courant électrique sous la forme d'un arc lorsque la tension aux bonnes de la capacité atteint une valeur déterminée, :
et de .façon que l'arc soit éteint sous l'action du charap magnétique ' après décharge de la capacité.