Dispositif déterminant la distance entre une faute dans un système électrique
et un poste de supervision
La présente invention se rapporte à un dispositif pour déterminer la distance entre une faute se produisant dans un système électrique et un poste de supervision dans ce système, par exemple le dispositif fonctionne pour mesurer la distance entre une borne de ligne de transmission d'énergie ou un poste de distribution et un court-circuit affectant la ligne.
La présente invention comprend un dispositif pour déterminer la distance entre un poste de supervision dans un système en courant alternatif et une faute affectant ce système, comprenant des premiers moyens pour surveiller le voltage du système au poste, des seconds moyens pour surveiller le courant du système et explorer l'instant auquel il traverse son information nulle, des moyens de contrôle pour déterminer le voltage se produisant à l'instant et la dérivée du courant à cet instant et des moyens de sortie pour mesurer le rapport entre ces quantités afin de dériver l'inductance du système et de déterminer la distance en comparant cette valeur d'inductance à celle du système ne possédant pas de faute.
Le système en courant alternatif peut être une ligne de transmission d'énergie et le dispositif peut convenablement fonctionner seulement en réponse à la présence d'un signal de déclenchement pour un disjoncteur de protection dans la ligne, les voltages proportionnels au voltage de lignes et à la dérivée du courant de ligne étant dérivés avant que le disjoncteur ne s'ouvre. En particulier, seul un demi-cucle est nécessaire pour obtenir les valeurs convenables de ces quantités mais, en pratique, une valeur moyenne de chacune de ces quantités est obtenue par exemple sur deux cycles avant que la mesure ne soit effectuée (pourvu que le temps de fonctionnement du disjoncteur le permette) afin de surmonter toutes les irrégularités locales par suite des phénomènes transitoires, etc.
Ainsi, on utilise le fait qu'à l'instant de courant nul, la chute de voltage dans la résistance ohmique de la ligne est nulle, alors que la chute de voltage due aux composants possédant une réactance inductive est proportionnelle à la dérivée première du courant à cet instant (di/dt). Puisque V = L diode, l'inductance de la ligne dans les conditions existantes est aisément dérivée et en comparant ceci à des valeurs connues de cette quantité à toutes les positions le long de la ligne dans des conditions normales, on peut déterminer la distance réelle jusqu'à la faute.
Dans certains cas, en particulier lorsqu'on utilise des transformateurs à saturation, on peut obtenir des mesures plus précises si la dérivée de courant est déterminée à un instant suivant immédiatement le point de transition zéro de la forme d'ondes de courant puisqu'un certain degré de rémanence magnétique peut autrement affecter cette quantité, et on doit com prendre que les références au a courant nul > y couvrent des écarts sensiblement peu importants à partir de cet instant.
Pour pouvoir mieux comprendre la présente invention, on décrira maintenant un exemple de réalisation en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels:
La fig. 1 illustre un diagramme en bloc du présent dispositif.
La fig. 2 est un diagramme de circuit plus détaillé du dispositif représenté sur la fig. 1, et
les fig. 3(a) à 3(d) illustrent diverses formes d'ondes obtenues dans différentes parties de ce dispositif, des références à ces parties servant à mieux comprendre l'invention.
En se référant maintenant aux dessins, la fig. 1 représente le présent dispositif pour déterminer la position d'une faute affectant une ligne d'énergie 1 et, en particulier, pour déterminer la distance exacte de la faute à partir d'un emplacement particulier.
Un disjoncteur 2 est placé dans cette ligne d'énergie
I et un transformateur de voltage 3 et un transformateur de courant 4 y sont couplés. La sortie du transformateur de voltage est appliquée à un dispositif de commutation 5 qui est dirigé par l'entrée de courant à partir du transformateur 4 pour échantillonner la forme d'ondes de courant se produisant entre les instants adjacents auxquels les formes d'ondes de voltage et de courant passent par leur information zéro. La sortie du transformateur de courant 4 est également appliquée à un circuit différentiateur 6 qui fonctionne pour produire à sa sortie un voltage qui est la dérivée du courant à l'instant auquel il passe par zéro.
Les sorties de voltage à partir du dispositif de commutation 5 et du différentiateur 6 sont appliquées par un commutateur 7 à des circuits d'emmagasinage 8, 9, le commutateur 7 étant fermé pendant une période prédéterminée par un circuit de chronométrage 10 actionné en réponse à un signal de déclenchement pour le disjoncteur 2 à partir d'une borne d'entrée 11.
La quantité emmagasinée dans le circuit 8 est ainsi une valeur de voltage (V) proportionnelle au voltage de lignes qu'on peut obtenir à l'instant de courant nul et la quantité emmagasinée dans le circuit 9 est une valeur de voltage proportionnelle à la dérivée du courant de ligne (digit). La valeur ou rapport relatif de ces deux voltages est alors déterminée dans un dispositif de sortie 12 qui peut fonctionner pour fournir, à partir de cette information, une indication de la distance de cet emplacement à la faute, puisqu'elle indique l'inductance de ligne dans la condition de faute V = L (dildt).
En se référant maintenant aux fig. 2 et 3(a) à 3(d), le détail de ces dispositifs et son mode de fonctionnement seront plus particulièrement décrits. Cependant, on se référera initialement au circuit de chronométrage 10 qui n'est pas représenté en détail, puisque sa construction est classique et qu'il peut convenablement comprendre un circuit de résistance-capacité qui, en réponse au signal de déclenchement, applique son courant de charge à un électro-aimant pendant une courte période de temps jus- qu'à ce que le voltage de condensateur atteigne un certain niveau.
Ce voltage peut être alors limité à ce niveau et, de ce fait, la force électromotrice induite dans la bobine d'électro-aimant s'abaisse jusqu'à zéro; l'électroaimant, et en conséquence le commutateur 7, peuvent être ainsi fermés pendant une période par exemple de deux cycles suivant le commencement du signal de déclenchement.
Considérons maintenant les composants principaux.
La sortie du transformateur de courant 4 est appliquée à un transformateur 13 dans le dispositif 5 au secondaire duquel sont connectés un commutateur 14 et une bobine 15. Quand le commutateur 14 est fermé, c'est-à-dire en réponse à un signal provenant du circuit de chronométrage 10, la bobine est successivement excitée dans des directions opposées selon le signal d'entrée pour déplacer un contact inverseur 16, connecté à son armature, entre deux contacts fixes 17, 18. Une résistance 20 est connextée à ces contacts et un voltage alternatif est produit sur cette résistance ayant une valeur dépendant de la proportion du voltage du secondaire pris sur un transformateur 21, couplé au transformateur de voltage 3.
Deux diodes opposées 22, 23 sont également connectées sur ces contacts, une diode de Zener 24 étant connectée entre les bornes 26, 27, c'est-à-dire entre la jonction de ces diodes et le contact 16. Ainsi, quand ce contact mobile se trouve contre le contact 18 et que le voltage sur la résistance 20 est tel qu'il a une polarité positive sur la borne 17 et négative sur la borne 18, du courant traverse la diode et revient par ce contact 16, de sorte qu'un voltage est produit sur les bornes 26, 27.
Cependant, quand le contact 16 s'inverse à l'instant du courant nul à partir du transformateur 13, le chemin du courant est interrompu jusqu'à ce que la polarité de voltage du transformateur 21 change quand le courant traverse à nouveau ce chemin par l'intermédiaire d'une diode 23. Ainsi, une série d' impulsions de voltage se produit sur les bornes 26, 27 (fig. 3b) correspondant à la forme d'onde du voltage du secondaire sur le transformateur 21 (fig. 3(a)), échantillonné durant les périodes pendant lesquelles le courant du secondaire sur le transformateur 13 (fig. 3c) ferme successivement le contact d'inversion 16 sur les contacts 17 et 18.
Les contacts accouplés 29, 30 du commutateur 7 sont fermés par le dispositif de chronométrage 10 lors du commencement du signal de déclenchement, tel que décrit ci-dessus, et, en conséquence, ces impulsions de voltage sont appliquées par les contacts fermés 29 pour charger un condensateur 31 dans le circuit d'emmagasinage 8, ce condensateur emmagasinant la valeur de voltage maxima de ces impulsions individuelles et réalisant un certain degré d'intégration afin d'éviter la possibilité d'une fausse réponse à des impulsions de voltage.
La sortie du transformateur de courant 4 est également appliquée à un transformateur 32 dans le différentiateur 6. L'enroulement de secondaire de ce transformateur a une extrémité connectée à deux condensateurs 34, 35 réunis en pont par une résistance 36 et l'autre extrémité connectée à une jonction entre deux bobines 37, 38, les autres extrémités de ces bobines étant connectées à une jonction condensateur-résistance par des diodes 39, 40.
Le voltage alternatif du secondaire, qui est proportionnel au courant de ligne, est différentié par ce circuit 6, les diodes 39, 40 conduisant durant des cycles successifs de manière à présenter un front d'onde raide à la bobine appropriée 37, 38 nécessaire pour produire l'impulsion pointue, la charge résiduelle sur les condensateurs 34, 35 servant à amortir la tendance à 1' autoamorçage . Ainsi, des impulsions unidirectionnelles, proportionnelles à la dérivée du voltage de secondaire, sont produites sur les bobines 37, 38 (fig. 3d), se produisant à chaque transition de voltage sur l'information zéro, c'est-à-dire au moment du courant de ligne nul, et elles sont appliquées à un condensateur 42 par le contact de commutateur 30, une diode de Zener 43 étant connectée en shunt pour limiter la valeur de cette impulsion.
Ainsi, le voltage emmagasiné dans le condensateur 31 est proportionnel au voltage de ligne (V) pour un courant nul, et le voltage emmagasiné dans le condensateur 42 est proportionnel à la dérivée du courant de ligne (dit) pour un courant nul.
La relation entre ces deux quantités est déterminée par le dispositif de sortie 12, ce dispositif comprenant un étage de détermination de rapport suivi d'un étage d'indicateur d'équilibre. Le premier étage comprend un diviseur de potentiel comprenant une résistance fixe 44 et un potentiomètre 45 ; le bras de balayage du poten- tiomètre est connecté au condensateur 42 et à un autre potentiomètre 46 qui est également connecté à la résis tance 44, le bras de balayage du potentiomètre 46 étant connecté à l'autre condensateur 31. On trouve également connecté, dans cet étage, un commutateur sélecteur 48 qui est connecté à l'électrode de porte d'un transistor 49 qui possède un courant de fuite extrêmement faible, par exemple du type à effet de champ, en silicium-oxyde métallique, à porte isolée .
L'étage suivant d'indica- teur d'équilibre est de forme classique et comprend deux transistors 50, 51 connectés sous forme d'un montage connu en Angleterre sous le nom Long-tailed pair avec un dispositif de mesure 52 connecté sur leurs électrodes collectrices et une résistance variable 54 dans leur connnexion d'émetteur commune.
En cours de fonctionnement ce dispositif de sortie est initialement monté avec le commutateur 48 en position
A et les condensateurs déchargés, la résistance variable 54 étant réglée pour équilibrer le dispositif de mesure 52 contre le voltage d'entrée efficace, c'est-à-dire celui produit sur la résistance fixe 44.
Maintenant, lorsqu'une faute se produit dans le système protégé, un signal de déclenchement pour le disjoncteur de protection 2 est produit à la borne 11 et ceci amène le circuit de chronométrage 10 à être excité et les condensateurs 31, 42 chargés à la manière décrite; la période pendant laquelle ce circuit de chronométrage est excité peut correspondre convenablement à deux cycles de la fréquence du système de courant alternatif pour obtenir une lecture moyenne sur quatre transitions de courant nul ou une période plus petite peut être déterminée par le temps de fonctionnement du disjoncteur, un nombre pair de demi-cycles étant préféré pour compenser des irrégularités dans un demi-cucle quelconque.
Le dispositif de sortie étant réglé au préalable tel que décrit, le commutateur 48 est alors déplacé à la position
B et le bras de balayage sur le potentiomètre 45 est réglé pour ramener le dispositif de mesure 52 en équilibre. Cet instrument est alors équilibré vis-à-vis du voltage sur le condensateur 42 (di/dt) puisque c'est cette quantité, produite sur la partie supérieure du potentiomètre 45, qui constitue l'entrée supplémentaire au transistor 49 dans ces conditions. Ultérieurement, le condensateur 48 est déplacé jusqu'à la position C et le bras de balayage sur le potentiomètre 46 est réglé pour ramener le dispositif de mesure 52 à l'équilibre.
Ce dispositif est alors maintenant équilibré vis-à-vis du voltage sur le condensateur 31 (V) puisque c'est cette quantité, produite sur la partie supérieure du potentiomètre 45, qui constitue maintenant l'entrée supplémentaire au transistor 49. Ainsi, alors que le voltage sur la totalité du potentiomètre 46 représente diode, le voltage sur sa partie supérieure représente maintenant V et, en conséquence, en calibrant de manière appropriée, on peut amener le déplacement du bras de balayage à indiquer directement le rapport entre V et diode, c'est-à-dire l'inductance de la ligne qui, avec des paramètres de ligne connus, indique à son tour la distance le long de la ligne jusqu'à la faute.
On doit comprendre qule les circuits décrits n'indiquent qu'une forme particulière de ce dispositif à titre d'exemple et que l'on peut faire diverses modifications.
Par exemple, un dispositif de sortie 12 peut être prévu pour un certain nombre de groupes de circuits 5-9 associés à des lignes différentes ou à des phases différentes d'un système polyphasé, le dispositif 12 étant enfiché tel qu'exigé. Dans ce cas particulier, d'autres condensateurs peuvent être connectés sur les deux séries de bornes d'entrée vers ce dispositif, effectivement en parallèle avec des condensateurs d'emmagasinage 31, 42, pour recevoir la charge à partir de ce dernier condensateur lorsque le dispositif est enfiché, cette caractéristique permettant d'utiliser des composants classés comme inférieurs dans le dispositif de sortie, puisque le voltage emmagasiné est alors réduit lorsque la charge totale est partagée.
Cette caractéristique est particulièrement avantageuse puisqu'elle permet à des voltages élevés d'être adaptés par le circuit 5, si bien que les diodes fonctionnent toujours sur la partie linéaire de leur caractéristique alors que le voltage auquel est soumis le transistor 49 est en conséquence réduit.