Appareil de protection d'un circuit électrique polyphasé. La présente invention se rapporte @à un appareil de protection d'un circuit électrique polyphasé.
On sait d'après C. L. h ortescue: of the American Institue of Electrical Engineers", Vol. XXXVII, partie II, pages 1027-1140, que dans un circuit électrique triphasé à connexion en étoile, à quatre fils, un courant triphasé dont les courants de phase sont déséquilibrés par rapport au fil neutre peut être considéré comme étant formé par la somme de trois espèces de courants équilibrés, à.
savoir des -composantes "de phase zéro" consistant en trois cou rants égaux @en phase, un dans cha que phase, des composantes de phase posi- ti'ves consistant en trois courants égaux, un dans chaque phase, mais décalés en phase les uns des autres et ayant une différence de phase positive, et des composantes de phase négatives consistant en trois courants égaux, un dans chaque phase, mais décalés en phase les uns des autres et ayant une différence de phase négative. Dans un circuit triphasé à trois fils, la somme z des courants des phases est zéro et il peut être prouvé que dans ce cas, les composantes de phase zéro sont également nulles.
Des courants de phase déséquilibrés peuvent ainsi être décomposés :en des compo santes de phase positives et des composantes de phase négatives équilibrées. Bien enten du, quand le circuit polyphasé est équilibré et en admettant une rotation de phase posi tive normale, les courants polyphasés devien nent identiques avec leurs composantes de phase positives. Cependant, lorsqu'un dés- équilibrage se manifeste, les différentes com posantes de phase apparaissent, et c'est à ce point de vue que l'appareil faisant l'objet de l'invention doit procurer la protection désirée d'un circuit électrique polyphasé.
Suivant l'invention, l'appareil de protec tion comporte un pont de connexion à im pédance pour la commande du circuit poly phasé à protéger, constitué et relié à celui-ci de manière à séparer les composantes de phase positives et les composantes de phase négatives du courant eir .présence. dans ledit pont lorsque des conditions ,anormales, par exemple de déséquilibrage ou autres, se ma nifestent dans le circuit polyphasé et à uti liser au moins l'une desdites deux espèces de composantes de phase pour lui faire ac tionner, à une valeur prédéterminée, des moyens de commande et de protection du cir cuit polyphasé.
Dans une forme d'exécution particulière, le pont de connexion à impédance renferme un relais pour commander le circuit poly phasé, établi dans le pont de telle manière qu'il ne puisse obéir qu'aux composantes de phase négatives. Dans une autre disposition, le pont de connexion -à impédance peut ren fermer un relais pour commander le circuit polyphasé, établi dans le pont de manière à fonctionner seulement en dépendance d'une valeur prédéterminée des composantes de phase positives.
Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, représente une forme d'exécution de l'objet de l'invention et une variante, ainsi que des schémas et diagrammes servant à l'explica tion de l'invention.
La fig. 1 est une vue frontale de l'en semble de l'appareil; La fig. 2 en est une vue de côté, partie en coupe; La fig. 3 est une coupe suivant la. ligne III---III de la fig. 2; La fig. 4 est une vue schématique de l'appareil et de ses connexions de ciTCuit; La fig. 5 est une vue schématique d'une variante de l'appareil et de ses connexions (le circuit; La fig. 6 est un diagramme vectoriel des courants traversant l'appareil dans des con ditions normales d'équilibrage de phase;
Les fig. 7 et 8 sont des diagrammes vec toriels des courants traversant l'appareil dans des conditions de renversement de phase; Les fig. 9, 10, et<B>Il</B> sont des diagrammes vectoriels des courants traversant l'appareil dans le cas d'une connexion de phase ouverte; La fig. 12 est un diagramme vectoriel des courants pour un déséquilibrage de phase; La fig. 13 est une vue schématique de l'appareil et de ses connexions de circuit en combinaison avec un circuit polyphasé mis à la terre.
L'appareil représenté à la fig. 4 comporte, en combinaison avec les phases<I>A B</I> C d'un circuit triphasé 18, un pont de connexion à impédance 10 comprenant une résistance 11, une paire de réactances 12, 13 et un enroule ment 14 d'un relais 25 et dont les points de jonction sont reliés à. des transformateurs de courant 16, 17 montés dans les phases A B du circuit triphasé 18. L'une des réactances précitées, celle 12, possède la même va leur de résistance et de réactance que l'en roulement 14 et est disposée dans la branche opposée du pont par rapport audit enroule ment.
La valeur dF la, résistance 11 et les va leurs de la réactance et de la résistance de l'élément 13 sont. telles que les composantes de phase positives et négatives des courants de ligne imprimés soient amenées à être écar tées ou déplacées en phase de 60 les unes des autres, l'élément 12 et l'enroulement de relais 14 ayant des valeurs de résistance égales. Le relais 25 dont fait partie cet en roulement est combiné avec un disjoncteur approprié (non représenté) pour commander le circuit triphasé 18.
Ln se référant maintenant aux fig. 1 et 2, une base 21 est pourvue d'une pluralité de bossages 22 servant à la, fois de supports et de bornes électriques. Un couvercle 23 est fixé à la base au moyen de tringles filetées et d'écrous 24.
Les réactances 12. 13 sont montées aux angles supérieurs de droite et de gauche de la base 21. Entre elles sont situées plusieurs bobines avec des enroulements constituant la résistance<B>Il.</B> Dans la partie inférieure de la base 21 se trouve le relais 25 qui comprend l'enroulement 1.1, un membre de contact sta tionnaire 27 et un membre de contact mobile 28, dont la position est commandée par l'effet de l'enroulement 1.1. Le relais 25 est du type à induction, à surcharge, et comme le fonc tionnement et les détails de construction d'un pareil relais sont bien connus, il n'est pas né- cessaire d'y inciter ici,
quitte de revenir plus loin sur son fonctionnement -en combinaison avec les autres parties de l'appareil.
Aux fins de comparaison, il convient de signaler ici tout de suite la variante de la fig. 5, où la réactance 12 du - premier exem ple est remplacée par une réactance en forme d'enroulement de relais 15, appartenant à un second relais, 26, en addition au relais 25 précité et ayant le même but que celui-ci, étant combiné, comme le relais 25, avec un disjoncteur approprié (non représenté) pour commander le circuit polyphasé 18. Autre ment les conditions sont semblables à celles du premier exemple.
En se référant aux fig. 4 et 6, dans les conditions d'équilibrage de courant dans le circuit 18, les courants traversant les diffé rentes phases A B et C sont normalement dé placés à 120 les uns des autres. Le courant du transformateur de courant 16 qui est relié à la phase A est fourni au pont à impédance entra les branches 11, 12 et 13, 14, tandis que le transformateur de courant 17 qui est as socié à l'a phase B est relié au point de con nexion à impédance entre les branches 11, 14 et 12, 13.
Il n'y a pas de transformateur de courant relié à la. phase C pour la simple rai- so@n que toute perturbation entre la phase C et l'une ou l'autre des phases, A -et B sera en registrée par un déséquilibrage dans les phases affectées.
Dans des conditions d'équilibrage, le courant de la phase A traverse les circuits parallèles comprenant la résistance 11 et l'en roulement 14, et la réactance 12 et la réac tance 13. Par suite de la relation indiquée de la résistance 11 par rapport à la résistance et à. la réactance de l'élément 13, les composantes de phase positives A12 et B12 traversent normalement la réactance 12 en dé phasage de 60 par rapport à leurs compo santes de phase négatives correspondantes A14 et B14 traversant l'enroulement de relais 14.
Dans la variante de la fig. 5, le fait que les deux composantes de phase positives tra versent la réactance 12 permet l'établissement de celle-ci sous forme d'enroulement 15 pour le second -relais 26 lequel fonctionne alors seulement en dépendance de la quantité de courant traversant cet enroulement, pour faire ouvrir son disjoncteur en@ vue de la pro tection du circuit 1-8 dans le cas de conditions de court-circuit ou de surcharge.
En se référant à la fig. 6, correspondant aux conditions normales d'équilibrage . de phase, les composantes de phase négatives A14 et B14 des phases<I>A</I> et<I>B</I> sont normale ment égales en valeur, mais de sens opposés, s'équilibrant par là, l'une l'autre avec le ré sultat qu'aucun courant ne traverse l'enroule ment 14 du relais 25, la somme vectorielle des composantes de phase négatives étant ainsi normalement zéro, tandis que celle des composantes de phase positives A12 et B12 est proportionnelle aux courants de phase posi tives dans le circuit.
Le relais 25 n'étant tra versé par aucun courant occupera une. posi tion correspondant à la fermeture du circuit polyphasé, tandis que lorsqu'à la suite d'un déséquilibrage de phase, un courant s'établit dans l'enroulement 14 du relais 25, celui-ci est actionné pour provoquer l'ouverture du disjoncteur correspondant du circuit poly phasé.
En se référant à la fig. 7, lors de la ma nifestation d'un renversement. de phase entre les phases<I>A</I> et<I>B,</I> les composantes de phase positives A12 et B12 sont sensiblement égales en valeur, mais de sens inverses, avec le ré sultat que sensiblement aucun courant ne passe par la réactance 12, tandis que le cou rant résultant de phase négative traversant l'enroulement 14 devient d'une valeur appré ciable avec le résultat que le relais 25 est ac tionné pour commander le, disjoncteur (non représenté) commandant le circuit 18.
Similairement, lors du renversement des phases B et C, les composantes de phase po sitives A12 et Bl2 sont égales en valeur, mais de sens inverses et les composantes de phase négatives A14 et B14 s'additionnent pour faire fonctionner le relais 25 en vue de l'ouverture du circuit. En comparant les fig.. 7 et 8, on verra due les diagrammes vectoriels sont iden- tiques, excepté le fait que le déplacement an gulaire relatif de composantes similaires est différent.
La fig. 9 montre un diagramme vectoriel du courant traversant l'appareil quand la phase C est ouverte. Dans ce cas, les courants des phases A .et B sont égaux en valeur, mais de sens opposés, ce qui a pour conséquence qu.e les composantes de phase positives et né gatives sont égales et opposées l'une à l'autre, bien que chacune d'elles soit positive en va leur. Far conséquent, l'enroulement 14 du re lais ?5 est excité par le courant résultant de phase négative et la réactance 12 est alimen tée du courant résultant de phase positive.
Les conditions de circuit qui se présentent lorsque les phases A et B sont ouvertes, sont illustrées aux fig. 10 et 11. Dans chaque cas, une composante de phase négative d'une va leur appréciable traverse l'enroulement 14 du relais 25 qu'il fera fonctionner.
En se référant à la fig. 12, on y voit le diagramme d'une condition de déséquilibrage de trois phases, les courants<I>IA</I> IB et IC des phases A B et C étant déplacés à des angles différant de 120 . Les composantes de phase A,. et B,. donnent une résultante D dans la réactance 12, tandis que les composantes de phase A14 et B14 donnent un courant résul tant de phase négative R14 traversant l'en roulement 14, qui, comme on le voit au dia gramme, a. une valeur appréciable pour faire fonctionner le relais 25.
Si, comme en fi. g. 13, l'appareil à relais de fig. 5 doit fonctionner sur un circuit de distribution triphasé ayant un point neutre en 31 relié à la terre en 32, il peut être indési rable qu'il soit influencé par des courants de phase zéro s'établissant sur le fil neutre, au quel cas la disposition des transformateurs de courant peut être telle que ces courants de phase zéro soient éliminés du circuit de l'appareil à relais.
Ce résultat peut être as suré par l'emploi de transformateurs de cou rant 33 et 34 correspondant à. ceux 16 et 17 de la fig. 4, mais ayant chacun deux sections d'enroulements primaires 35, 36 ou 37, 38, respectivement. Lii, section d'enroulement 35 est reliée directement à la phase A et la sec tion d'enroulement associée 36 est reliée en connexion inverse 'a la. phase B. La section d'enroulement 37 du transformateur 34 est reliée directement à la phase C et la. section d'enroulement associée 38 est reliée en con nexion inverse à la phase B.
Les enroulements secondaires des transformateurs 33, 34 sont traversés par des courants proportionnels aux courants de phase positive et négative dans la circuit de distribution, mais les courants de phase zéro seront éliminés. L'appareil à relais est par là rendu indépendant du courant dans le circuit .mis à la terre et des précautions sont prises pour empêcher le. passage de cou rants importants à la terre par l'intercalation d'un dispositif de commande approprié 39 dans le conducteur allant à la terre, dispositif capable de commander le disjoncteur princi pal du circuit pour une valeur prédéterminée desdits courants.
On voit par ce qui précède que l'appareil à. relais décrit en regard de la fig. 5 obéit à la valeur des composantes de phase positives et négatives et qu'il comporte aussi un relais obéissant à l'importance du courant.
Le pont de commande précité étant établi de façon que les composantes de phase positives soient une mesure des conditions de surcharge ou de court-circuit dans le circuit, et que de plus les composantes de phase négatives soient une mesure des conditions de déséquilibrage de phase, de renversement de phase et de phase ouverte, l'appareil décrit en regard de la fig. 5 procurera toute protection désirée pour un circuit électrique.
Device for protecting a polyphase electrical circuit. The present invention relates to an apparatus for protecting a polyphase electric circuit.
We know from CL ortescue: of the American Institute of Electrical Engineers ", Vol. XXXVII, part II, pages 1027-1140, that in a three-phase electrical circuit with star connection, with four wires, a three-phase current whose Phase currents are unbalanced with respect to the neutral wire can be considered to be formed by the sum of three species of balanced currents, to.
namely "zero phase" components consisting of three equal currents in phase, one in each phase, positive phase components consisting of three equal currents, one in each phase, but phase shifted. from each other and having a positive phase difference, and negative phase components consisting of three equal currents, one in each phase, but phase-shifted from each other and having a negative phase difference. In a three-phase three-wire circuit, the sum z of the phase currents is zero, and it can be proven that in this case the zero phase components are also zero.
Unbalanced phase currents can thus be broken down: into positive phase components and balanced negative phase components. Of course, when the polyphase circuit is balanced and assuming a normal positive phase rotation, the polyphase currents become identical with their positive phase components. However, when an imbalance occurs, the different phase components appear, and it is from this point of view that the apparatus which is the object of the invention must provide the desired protection of an electrical circuit. polyphase.
According to the invention, the protection apparatus comprises an im pedance connection bridge for controlling the poly-phased circuit to be protected, formed and connected to the latter so as to separate the positive phase components and the phase components. negative current eir .presence. in said bridge when abnormal conditions, for example of unbalancing or others, appear in the polyphase circuit and in using at least one of said two species of phase components to make it actuate, to a predetermined value, polyphase cir cuit control and protection means.
In a particular embodiment, the impedance connection bridge contains a relay to control the polyphase circuit, established in the bridge in such a way that it can only obey negative phase components. In another arrangement, the impedance connection bridge can close a relay to control the polyphase circuit, established in the bridge so as to operate only in dependence on a predetermined value of the positive phase components.
The accompanying drawing, given by way of example, represents an embodiment of the object of the invention and a variant, as well as diagrams and diagrams serving for the explanation of the invention.
Fig. 1 is a front view of the entire apparatus; Fig. 2 is a side view, partly in section; Fig. 3 is a section along the. line III --- III of fig. 2; Fig. 4 is a schematic view of the apparatus and its circuitry connections; Fig. 5 is a schematic view of a variant of the apparatus and its connections (the circuit; Fig. 6 is a vector diagram of the currents flowing through the apparatus under normal phase balancing conditions;
Figs. 7 and 8 are vector diagrams of the currents flowing through the apparatus under phase reversal conditions; Figs. 9, 10, and <B> Il </B> are vector diagrams of the currents flowing through the device in the case of an open phase connection; Fig. 12 is a vector diagram of the currents for a phase unbalance; Fig. 13 is a schematic view of the apparatus and its circuit connections in combination with a grounded polyphase circuit.
The apparatus shown in FIG. 4 comprises, in combination with the phases <I> AB </I> C of a three-phase circuit 18, an impedance connection bridge 10 comprising a resistor 11, a pair of reactors 12, 13 and a winding 14 of a relay 25 and whose junction points are connected to. current transformers 16, 17 mounted in phases AB of the three-phase circuit 18. One of the aforementioned reactors, that 12, has the same resistance and reactance value as the bearing 14 and is arranged in the opposite branch of the bridge with respect to said winding.
The value dF la, resistance 11 and the values of the reactance and resistance of element 13 are. such that the positive and negative phase components of the printed line currents are caused to be spaced or phase shifted 60 from each other, element 12 and relay winding 14 having equal resistance values. The relay 25 of which this rotating part is part is combined with an appropriate circuit breaker (not shown) to control the three-phase circuit 18.
Ln now referring to FIGS. 1 and 2, a base 21 is provided with a plurality of bosses 22 serving as both supports and electrical terminals. A cover 23 is fixed to the base by means of threaded rods and nuts 24.
The reactors 12. 13 are mounted at the upper right and left angles of the base 21. Between them are located several coils with windings constituting the resistance <B> Il. </B> In the lower part of the base 21 are located. finds the relay 25 which comprises the winding 1.1, a stationary contact member 27 and a movable contact member 28, the position of which is controlled by the effect of the winding 1.1. The relay 25 is of the induction, overload type, and as the operation and construction details of such a relay are well known, it is not necessary to urge this here,
even if it means coming back to its operation - in combination with the other parts of the device.
For the purposes of comparison, it is appropriate to point out here immediately the variant of FIG. 5, where the reactance 12 of the first example is replaced by a reactance in the form of a relay winding 15, belonging to a second relay, 26, in addition to the aforementioned relay 25 and having the same purpose as the latter, being combined, like the relay 25, with an appropriate circuit breaker (not shown) to control the polyphase circuit 18. Otherwise the conditions are similar to those of the first example.
Referring to Figs. 4 and 6, under current balancing conditions in circuit 18, the currents flowing through the various phases A B and C are normally displaced at 120 from each other. The current of the current transformer 16 which is connected to phase A is supplied to the impedance bridge between branches 11, 12 and 13, 14, while the current transformer 17 which is associated with phase B is connected at the impedance connection point between branches 11, 14 and 12, 13.
There is no current transformer connected to the. phase C for the simple reason that any disturbance between phase C and one or other of the phases, A -and B will be recorded by an imbalance in the affected phases.
Under equilibrium conditions, phase A current flows through parallel circuits comprising resistor 11 and rolling 14, and reactance 12 and reactance 13. As a result of the stated relationship of resistor 11 to to resistance and to. the reactance of element 13, the positive phase components A12 and B12 normally pass through the reactance 12 in a phase shift of 60 from their corresponding negative phase components A14 and B14 passing through the relay winding 14.
In the variant of FIG. 5, the fact that the two positive phase components pass through the reactance 12 allows the latter to be established in the form of a winding 15 for the second -relay 26 which then operates only in dependence on the quantity of current passing through this winding , to open its circuit breaker for the protection @ of circuit 1-8 in the event of short-circuit or overload conditions.
Referring to fig. 6, corresponding to normal balancing conditions. phase, the negative phase components A14 and B14 of phases <I> A </I> and <I> B </I> are normally equal in value, but in opposite directions, thereby balancing each other, the one another with the result that no current passes through the winding 14 of the relay 25, the vector sum of the negative phase components being thus normally zero, while that of the positive phase components A12 and B12 is proportional to the positive phase currents in the circuit.
The relay 25 not being crossed by any current will occupy one. position corresponding to the closing of the polyphase circuit, while when, following a phase unbalance, a current is established in the winding 14 of the relay 25, the latter is actuated to cause the opening of the circuit breaker corresponding poly-phased circuit.
Referring to fig. 7, during the manifestation of a reversal. phase between phases <I> A </I> and <I> B, </I> the positive phase components A12 and B12 are approximately equal in value, but in opposite directions, with the result that substantially no current does not pass through the reactance 12, while the resulting negative phase current passing through the winding 14 becomes of an appreciable value with the result that the relay 25 is actuated to control the circuit breaker (not shown) controlling the circuit 18.
Similarly, when reversing phases B and C, the positive phase components A12 and Bl2 are equal in value, but in opposite directions and the negative phase components A14 and B14 add up to operate relay 25 for the purpose of the opening of the circuit. By comparing Figs. 7 and 8, it will be seen that the vector diagrams are identical, except that the relative angular displacement of similar components is different.
Fig. 9 shows a vector diagram of the current flowing through the device when phase C is open. In this case, the currents of phases A. And B are equal in value, but in opposite directions, which means that the positive and negative phase components are equal and opposite to each other, although each of them is positive. Therefore, the coil 14 of the lead 5 is energized by the resulting negative phase current and the reactance 12 is supplied with the resulting positive phase current.
The circuit conditions which occur when phases A and B are open are shown in fig. 10 and 11. In each case, a negative phase component of an appreciable value passes through the winding 14 of the relay 25 which it will operate.
Referring to fig. 12 shows the diagram of a three phase unbalance condition, the currents <I> IA </I> IB and IC of phases A B and C being shifted at angles different from 120. The components of phase A ,. and B,. give a resultant D in the reactance 12, while the phase components A14 and B14 give a resultant negative phase current R14 through the bearing 14, which, as can be seen in the diagram, a. an appreciable value to operate relay 25.
If, as in fi. g. 13, the relay device of fig. 5 must operate on a three-phase distribution circuit having a neutral point at 31 connected to earth at 32, it may be undesirable for it to be influenced by zero phase currents establishing on the neutral wire, in which case the Arrangement of current transformers can be such that these zero phase currents are removed from the relay device circuit.
This result can be ensured by the use of current transformers 33 and 34 corresponding to. those 16 and 17 of FIG. 4, but each having two sections of primary windings 35, 36 or 37, 38, respectively. Lii, winding section 35 is connected directly to phase A and the associated winding section 36 is connected in reverse connection to the. phase B. The winding section 37 of transformer 34 is connected directly to phase C and the. associated winding section 38 is connected in reverse connection to phase B.
The secondary windings of transformers 33, 34 are crossed by currents proportional to the positive and negative phase currents in the distribution circuit, but the zero phase currents will be eliminated. The relay apparatus is thereby made independent of the current in the earthed circuit and precautions are taken to prevent it. passage of significant currents to the earth by the intercalation of an appropriate control device 39 in the conductor going to the earth, a device capable of controlling the main circuit breaker of the circuit for a predetermined value of said currents.
We see from the above that the device. relay described with reference to fig. 5 obeys the value of the positive and negative phase components and that it also includes a relay obeying the magnitude of the current.
The aforementioned control bridge being established so that the positive phase components are a measure of the overload or short-circuit conditions in the circuit, and that moreover the negative phase components are a measure of the phase unbalance conditions, phase reversal and open phase, the apparatus described with reference to FIG. 5 will provide any desired protection for an electrical circuit.