Installation d'alimentation de voltage pour relais à courant alternatif. La présente invention se rapporte à une installation d'alimentation de voltage pour relais à courant alternatif, en particulier, par exemple, à une installation de ce genre uti lisant des relais sensibles à des défauts, à action instantanée, auxquels sont associés des éléments "directionnels Il à action instantanée qui sont disposés pour fonctionner en dépen dance de la direction du courant de ligne par rapport à un voltage de comparaison qui est imprimé à des bobines de voltage des éléments directionnels.
Le but de l'invention est de veiller à ce que, même en cas de court-circuit dans le voisinage immédiat du relais, le voltage qui est appliqué à l'élément directionnel soit maintenu à une valeur suffisamment élevée pendant la période durant laquelle l'élément détecteur de défaut à action instantanée doit fonctionner correctement.
L'installation suivant L'invention comprend un circuit oscillant syntonisé sur la fréquence du courant d'alimentation, en série avec une résistance extérieure ayant une valeur suffi sante pour permettre audit circuit syntonisé d'osciller, une ligne de voltage pour des re lais et des moyens pour appliquer un voltage à partir du circuit syntonisé à ladite ligne de relais. Le dessin annexé représente, à titre d'exem ple, une forme d'exécution de l'objet de la présente invention.
La fig. 1 est un schéma de cette instal lation ; La fig. 2 est un schéma semblable auquel on se référera dans l'analyse mathématique du circuit.
L'installation électrique représentée com porte une ligne de transmission triphasée 3 qui est reliée à une ligne omnibus 4 par l'intermédiaire d'un disjoncteur triphasé ayant une bobine de déclenchement 6 qui est alimentée par une batterie 7 par l'inter médiaire de contacts 8 commandés par un élément-relais "directionnel" ou wattmétrique 9 et de contacts 11 commandés par un élé ment à impédance 12, ce dernier ayant une bobine d'actionnement ampèremétrique 13 et une bobine de freinage voltmétrique 14.
L'élé- ment-relais directionnel 9 et l'élément à im pédance 12 sont les deux à action instan tanée, le premier fonctionnant dans pas plus d'une période environ, lorsqu'on a affaire à une installation à 60 périodes, et le dernier dans le délai d'environ deux périodes.
La bobine ampéremétrique 13 de l'élément à impédance et les bornes à courant 16 de l'élément directionnel sont alimentées de toute façon désirée au moyen du courant de ligne, comme il est indiqué schématiquement, par l'intermédiaire d'un transformateur de courant 17. La bobine voltmétrique 14 de l'élément à impédance est aussi alimentée à partir d'une source de voltage convenable qui est indiquée schématiquement par un transformateur de potentiel 18. Il est entendu que le mode d'alimentation des bobines am- péremétrique et voltmétrique de l'élément à impédance peut varier conformément aux usages dans les éléments à impédance de ce genre.
Les bornes de voltage 21 de l'élément directionnel 9 ne sont pas alimentées direc tement à partir du transformateur de poten tiel 18, comme il a été le cas jusqu'à pré sent, mais au moyen d'un réseau syntonisé spécial 22 qui a pour effet de maintenir le voltage en travers des bornes 21 pendant quelques périodes après que le voltage de ligne a été réduit à zéro, comme par suite, par exemple, d'une grave perturbation dans le voisinage.
Le réseau 22 comporte un circuit en ré sonance parallèle comprenant un condensa teur ou capacité 24 qui est shunté par une bobine à inductance 25 reliée à un transfor mateur de courant auxiliaire 26 dont l'en roulement secondaire est relié à des conduc teurs 28 servant de source de voltage pour un ou plusieurs éléments-relais directionnels 9. Le circuit syntonisé 24, 25 est alimenté à partir du transformateur de potentiel 18, ou de tout autre transformateur de potentiel convenable, par l'intermédiaire d'une résis tance externe 30.
Si on le désire, une ré sistance de charge auxiliaire 32 peut être reliée en permanence en travers des bornes <B>de</B> l'enroulement secondaire du transforma teur de courant auxiliaire 26 en vue de limi ter l'accroissement de voltage de la source de potentiel 28 lorsque les bornes voltmétri- ques de l'élément directionnel sont décon nectées de la source de potentiel 28.
La fig. 2 représente un circuit équivalent dans lequel .R1 est la résistance totale du circuit syntonisé, y compris la résistance inévitable de la bobine de réactance et la résistance équivalente des bobines de relais reliées;
Z l'inductance totale du circuit syn- tonisé, celle-ci étant sensiblement l'inductance de la bobine de réactance, C la capacité du condensateur, R la résistance du circuit extérieur au circuit syntonisé, celle-ci étant sensiblement la résistance de l'élément de résistance extérieur, .E le voltage appliqué et il, i2 les courants passant par l'inductance et par le condensateur, respectivement.
Les équations élémentaires se rapportant au réseau décrit sont
EMI0002.0024
En éliminant i2 de ces équations, on ob tient une équation différentielle de linéaire en termes de il.
Donc,
EMI0002.0027
qui, intégrée, donne:
EMI0003.0001
Le premier terme de l'équation (4) im plique le facteur d'amortissement exprimant la fraction du voltage de relais initial qui sera obtenu dans un temps t après la dispa rition du voltage appliqué E. Le second terme, ou la portion entre parenthèses, de l'équation (4) implique la valeur (3 qui repré sente 2 7r j-fois la fréquence d'oscillation na turelle du circuit syntonisé et qui doit être tellement près de la valeur de la fréquence de ligne, ou être tellement sensiblement égale <I>à j</I> c),
que le courant oscillant dans le cir cuit syntonisé ne sorte pas beaucoup de phase avec le courant à fréquence de ligne correspondant pendant le fonctionnement du relais. Il n'est pas nécessaire pour le but auquel l'invention vise, de déterminer les constantes d'intégration A et B.
La syntonisation du circuit oscillant est très peu affectée par la présence des résis tances Ri et R, dont les effets de désynto- nisation s'annulent à peu près l'un l'autre, même si leurs valeurs changeaient de 5% ou davantage.
Ainsi, en se rappelant que dans tous circuit syntonisé,<I>L</I> # <I>C</I> # m2 est égal à 1 et en admettant, comme il le faut, que la résistance Ri est petite en comparai son de la réactance g <I>=</I> cu # <I>L,</I> c'est-à-dire, par exemple, que
EMI0003.0022
ce qui est admissible dans un circuit à 60 périodes, la constante de décroissement ou facteur significatif<I>a</I> dans -at, qui représente la puissance dans le premier terme de l'équa tion (4), devient
EMI0003.0024
Si, en outre, on admet que la résistance extérieure B a le même rapport à X que X à Ri,
ou .R = 30X = 30 oL, la constante de décroissance devient
EMI0003.0028
Quant au facteur de syntonisation (3 des équations (4) et (5), on peut écrire:
EMI0003.0030
On remarquera que les effets de résistance, tels que représentés par les facteurs
EMI0003.0032
s'annulent l'un l'autre, et une substitution de rapports de résistance légèrement différents, tel que 28 ou 32, ou même 10 et 90, mon trera que les effets s'annulent encore toujours, presque complètement, de façon que la syn tonisation n'est pas affectée.
La syntonisation doit être très exacte dans l'application de l'invention à un relais directionnel 9, comme représenté, relais qui impose une limite déterminée par rapport à la valeur de déphasage qui peut être toléré pendant la période de mise en ou hors cir cuit. En supposant, par exemple, que le cir cuit oscillant ne doit pas tomber hors de pas de plus de 0,05 période ou de 18 0, à la fin de 10 périodes, ou de<B>19,80</B> dans 11 pé riodes, P doit rentrer dans les limites j o (1 + 0,005) et, par conséquent, les réac tances doivent être syntonisées tellement exactement que
EMI0003.0038
ou LC o$ <I>= 1</I> 0,01,
ce qui correspond à une syntonisation bien nette (pour un circuit à 60 périodes) dans les limites de 1%, ce qui est entièrement praticable. L'impédance ZC Ri<I>L</I> des circuits parallèles Ri + j c) <I>L</I> et
EMI0004.0005
est
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à un dix-huitième de un pour cent près.
Elle sera égale à R, comme on verra, en mettant
EMI0004.0007
c'est-à-dire que la moitié du voltage E est consommée dans la résistance extérieure R.
Il est entendu, naturellement, que les cal culs précédents sont plutôt donnés à titre d'illustration et que l'invention n'est pas li mitée du tout aux valeurs relatives mention . nées. Les rapports
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donnent, comme on peut le voir en exami nant le premier terme de l'équation (4), un décrément tel que le voltage de relais tombe à un dixième de sa valeur normale dans 11 périodes après la disparition du voltage de ligne E, oii lorsque
EMI0004.0012
Donc, comme m = 377 dans une installation à 60 périodes,
EMI0004.0014
En mettant fc égal à la fraction du voltage initial apparaissant après un temps donné, tel que 11 périodes, on obtient:
EMI0004.0016
Les valeurs des résistances R et Ri ont une influence directe sur le décrément du voltage. Dans un circuit à 60 périodes, on sait qu'on peut faire le rapport de X à Ri = 30 dans un circuit pratique. Ce rapport peut être choisi à une valeur aussi élevée que 50, avec un circuit très coûteux, mais on ne peut pas aller beaucoup plus haut. Le cir cuit à bobine de relais 21 peut avoir le même rapport, et le transformateur de cou rant 26 aura un effet négligeable.
Avec la fraction @
EMI0004.0019
qui est à additionner à
EMI0004.0020
il ne vaudrait pas la peine de faire R beau coup plus grand que 30 X, ou d'avoir un dénominateur beaucoup plus grand dans
EMI0004.0021
Ainsi, si la résistance extérieure était d'une valeur trois fois plus grande, de façon que trois quarts de l'énergie imprimée soit con sommée dans la résistance extérieure R, au lieu de la moitié, la valeur de la constante de décrément a diminuerait seulement de 33 0/0, ou à
EMI0004.0024
et k = 0,215,
c'est-à-dire que le voltage serait réduit à 21 1/% de sa valeur initiale dans 11 périodes,
ou à 10 0% dans
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ou à 1% dans 33 périodes. Ce triple accrois- sement dans la résistance extérieure change rait la syntonisation de (3 de
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d'un pour cent seulement, ce qui est bien dans les limites de précision requises de 1/2 pourcent.
Une réduction dans l'un ou l'autre des rapports
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aurait un très fort effet d'amortissement, qui rendrait le circuit rapi dement inutile. Ainsi, avec une résistance extérieure d'un tiers de la valeur admise, ou <I>R = 10 X,</I> et avec le même rapport de la réactance à la résistance dans le circuit synto nisé qui changerait la syntonisation à
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le réseau laisserait tomber le voltage de re- lais à 10% dans 51/z périodes ou à l "/o dans 11
périodes. Pour le problème particu lier envisagé ci-dessus, il est désirable que les rapports de réactance et de résistance soient tels que le voltage de relais tombe à 10l'/.) de sa valeur normale dans des limites d'ordre de grandeur d'environ un sixième de seconde après la disparition complète du vol tage de ligne, ou dans environ 5 à "15 pé riodes, bien que les principes généraux soient susceptibles de s'appliquer dans d'autres limites.
Voltage supply installation for alternating current relays. The present invention relates to a voltage supply installation for alternating current relays, in particular, for example, to an installation of this kind using fault sensitive, instantaneous relays with associated elements " Instant acting directionals II which are arranged to operate in dependence of the direction of the line current with respect to a comparison voltage which is imparted to the voltage coils of the directional elements.
The object of the invention is to ensure that, even in the event of a short circuit in the immediate vicinity of the relay, the voltage which is applied to the directional element is maintained at a sufficiently high value during the period during which l The instantaneous fault detection element must function correctly.
The installation according to the invention comprises an oscillating circuit tuned to the frequency of the supply current, in series with an external resistor having a sufficient value to allow said tuned circuit to oscillate, a voltage line for relays and means for applying a voltage from the tuned circuit to said relay line. The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the object of the present invention.
Fig. 1 is a diagram of this installation; Fig. 2 is a similar diagram to which reference will be made in the mathematical analysis of the circuit.
The electrical installation shown as carries a three-phase transmission line 3 which is connected to a bus line 4 by means of a three-phase circuit breaker having a tripping coil 6 which is supplied by a battery 7 through the intermediary of contacts 8 controlled by a "directional" or wattmeter relay element 9 and contacts 11 controlled by an impedance element 12, the latter having an amperometric actuating coil 13 and a voltmeter braking coil 14.
The directional relay element 9 and the impedance element 12 are both instantaneous, the former operating in no more than about one period, when dealing with a 60 period installation, and the last within about two periods.
The amperometric coil 13 of the impedance element and the current terminals 16 of the directional element are supplied in any way desired by means of the line current, as shown schematically, through a current transformer. 17. The voltmeter coil 14 of the impedance element is also fed from a suitable voltage source which is indicated schematically by a potential transformer 18. It is understood that the mode of supply of the amperometric coils and Voltmetry of the impedance element may vary in accordance with the practice in such impedance elements.
The voltage terminals 21 of the directional element 9 are not fed directly from the potential transformer 18, as has been the case until now, but by means of a special tuned network 22 which has the effect of maintaining the voltage across terminals 21 for some periods after the line voltage has been reduced to zero, as as a result, for example, of a serious disturbance in the vicinity.
The network 22 comprises a parallel resonance circuit comprising a capacitor or capacitor 24 which is shunted by an inductance coil 25 connected to an auxiliary current transformer 26, the secondary rolling of which is connected to conductors 28 serving as voltage source for one or more directional relay elements 9. The tuned circuit 24, 25 is supplied from the potential transformer 18, or any other suitable potential transformer, via an external resistor 30.
If desired, an auxiliary load resistor 32 can be permanently connected across the terminals <B> of </B> the secondary winding of the auxiliary current transformer 26 in order to limit the voltage rise. potential source 28 when the voltmetric terminals of the directional element are disconnected from potential source 28.
Fig. 2 shows an equivalent circuit in which .R1 is the total resistance of the tuned circuit, including the inevitable resistance of the reactance coil and the equivalent resistance of the connected relay coils;
Z the total inductance of the tuned circuit, this being substantially the inductance of the reactance coil, C the capacitance of the capacitor, R the resistance of the circuit external to the tuned circuit, the latter being substantially the resistance of l The external resistance element, .E the applied voltage and il, i2 the currents flowing through the inductance and through the capacitor, respectively.
The elementary equations relating to the described network are
EMI0002.0024
By eliminating i2 from these equations, we obtain a differential equation of linear in terms of il.
Therefore,
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which, integrated, gives:
EMI0003.0001
The first term of equation (4) involves the damping factor expressing the fraction of the initial relay voltage which will be obtained in a time t after the disappearance of the applied voltage E. The second term, or the portion in parentheses , from equation (4) implies the value (3 which represents 2 7r j-times the natural oscillation frequency of the tuned circuit and which must be so close to the value of the line frequency, or be so substantially equals <I> to j </I> c),
that the oscillating current in the tuned circuit does not go out of phase much with the corresponding line frequency current during relay operation. It is not necessary for the purpose to which the invention aims, to determine the integration constants A and B.
The tuning of the oscillating circuit is hardly affected by the presence of resistors Ri and R, whose de-tuning effects almost cancel each other out, even if their values change by 5% or more.
Thus, remembering that in all tuned circuits, <I> L </I> # <I> C </I> # m2 is equal to 1 and assuming, as it should be, that the resistance Ri is small in compared its reactance g <I> = </I> cu # <I> L, </I> that is to say, for example, that
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what is admissible in a circuit with 60 periods, the decay constant or significant factor <I> a </I> in -at, which represents the power in the first term of equation (4), becomes
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If, moreover, we admit that the external resistance B has the same relation to X as X to Ri,
or .R = 30X = 30 oL, the decay constant becomes
EMI0003.0028
As for the tuning factor (3 of equations (4) and (5), we can write:
EMI0003.0030
Note that the resistance effects, as represented by the factors
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cancel each other out, and a substitution of slightly different resistance ratios, such as 28 or 32, or even 10 and 90, will show that the effects still always cancel each other out, almost completely, so that the syn tonization is not affected.
The tuning must be very exact in the application of the invention to a directional relay 9, as shown, a relay which imposes a determined limit with respect to the phase shift value which can be tolerated during the switching on or off period. . Assuming, for example, that the oscillating circuit should not fall out of no more than 0.05 period or 18 0, at the end of 10 periods, or <B> 19.80 </B> in 11 periods, P must be within jo (1 + 0.005) and, therefore, the reactors must be tuned so exactly that
EMI0003.0038
or LC o $ <I> = 1 </I> 0,01,
which corresponds to a very clear tuning (for a circuit with 60 periods) within the limits of 1%, which is entirely practicable. The impedance ZC Ri <I> L </I> of the parallel circuits Ri + j c) <I> L </I> and
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is
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to within one-eighteenth of one percent.
It will be equal to R, as we will see, by putting
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that is, half of the voltage E is consumed in the external resistance R.
It is understood, of course, that the above calculations are rather given by way of illustration and that the invention is not limited at all to the relative values mentioned. born. Reports
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give, as can be seen by examining the first term of equation (4), a decrement such that the relay voltage falls to one tenth of its normal value in 11 periods after the line voltage E disappears, where when
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So, since m = 377 in a 60 period setup,
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By setting fc equal to the fraction of the initial voltage appearing after a given time, such as 11 periods, we obtain:
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The values of resistors R and Ri have a direct influence on the voltage decrement. In a 60 period circuit, we know that we can make the ratio of X to Ri = 30 in a practical circuit. This ratio can be chosen as high as 50, with a very expensive circuit, but you cannot go much higher. The relay coil circuit 21 may have the same ratio, and the current transformer 26 will have negligible effect.
With the fraction @
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which is to be added to
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it wouldn't be worth making R much larger than 30 X, or having a much larger denominator in
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Thus, if the outer resistance were three times greater, so that three quarters of the printed energy is consumed in the outer resistance R, instead of half, the value of the decrement constant a would decrease. only 33 0/0, or
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and k = 0.215,
that is, the voltage would be reduced to 21 1 /% of its initial value in 11 periods,
or 10 0% in
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or at 1% in 33 periods. This triple increase in external resistance would change the tuning of (3 of
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only one percent, which is well within the required precision limits of 1/2 percent.
A reduction in either report
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would have a very strong damping effect, which would quickly make the circuit unnecessary. Thus, with an external resistance of a third of the allowed value, or <I> R = 10 X, </I> and with the same ratio of the reactance to the resistance in the tuned circuit which would change the tuning to
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the grid would drop the relay voltage to 10% in 51 / z periods or to l "/ o in 11
periods. For the particular problem contemplated above, it is desirable that the reactance and resistance ratios be such that the relay voltage drops to 10% of its normal value within order of magnitude limits of about one-sixth of a second after line flight has ceased completely, or in about 5 to 15 periods, although the general principles may apply within other limits.