Brevet FR2096647A1 — publié le 19720225

La présente invention est relative à la protection différentielle de machines électriques à courant alternatif, telles que les alternateurs, moteurs, transformateurs et autres machines analogues . Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de protection différentiele permettant de protéger ces machines électriques contre les défauts internes tels que les court-circuits entre enroulements d'une même phase ou le défaut d'isolement entre phases différentes On connaît déjà de tels dispositifs de protection dans lesquels il est prévu pour chaque phase de la machine protégée, deux transformateurs d'intensité respectivement prévus en amont et en aval de celle-ci, les circuits secondaires de ces transformateurs d'intensité étant connectés l'un à l'autre par l'intermédiaire d'un relais d'une haute sensibilité .NOrmalement, le relais n'est pas excité, étant donné que les courants qui sont fournis par les secondaires des transformateurs d'intensité s'annulent de sorte que le relais n'est parcouru par aucun courant Cependant, dès qu'il se produit une inégalité dans les courants de la phase protégée, en amont et en aval de la machine, les secondaires fournissent à leur tour des courants différents, de sorte qu'un courant différentiel parcourt le relais qui, alors est excité pour déclencher soit un dispositif d'alarme, soit un disjoncteur qui met hors circuit la machine électrique ainsi protégée Pour que normalement les courants fournis par les secondaires des transformateurs d'intensité s'annulent dans le circuit de leurs secondaires, il est nécessaire de procéder préalablement à un apairage des transformateurs, afin de sélectionner des couples de transformateurs dont les caractéristiques se rapprochent le plus possible . En outre, il est nécessaire de prévoir un relais d'une haute sensibilité, ce qui, en présence de phénomènes transitoires, peut provoquer la mise hors circuit intempestive de la machine électrique protégée La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients Elle a pour objet un dispositif de protection différentielle pour machines électriques à courant alternatif comportant pour au moins une phase de la machine, deux transformateurs d'intensité, prévus respectivement en amont et en aval de la machine et un dispositif de déclenchement commandant un circuit d'alarme ou un disjoncteur relié à la machine, caractérisé en ce qu'entre les transformateurs d'intensité et le dispositif de déclenchement est monté un circuit comparateur présentant une ,onction de comparaison rEliée d'une part à l'un des transformateurs d'intensité et d'autre part par l'intermédiaire d'un élément de tarage électrique réglable à l'autre transformateur d'intensité, la jonction étant en outre connectée à un amplificateur opérationnel dont la sortie est connectée audit dispositif de déclenchement de manière à en commander le fonctionnement Grave à ces caractéristiques, le dispositif suivant l'invention présente;;Llavan- tage considérable de pouvoir être utilisé avec des transformateurs d'intensité de qualité ordinaire, dont les valeurs de puissance et de rapport n'ont pas besoin d'être parfaitement adaptées les unes aux autres . Ils peuvent donc tigre de type standard disponible facilement dans le commerce et en cas d'avarie éventuelle sur l'un d '.ux, le transformateur défaillant peut facilement être remplacé par un autre exemplaire de même puissance et de même rapport sans avoir à remplacer le jeu complet de transformateurs d' intensité, ce qui, dans la technique antérieure était toujours nécessaire 1)1 autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront au cours de la description qui va suivre Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, la Fig. unique représente un dispositif de protection pour machines électriques à courant alternatif suivant un mode de réalisation de liinvention Dans l'exemple représenté, le dispositif de protection est associé à un alternateur PI triphasé dont les enroulements statoriques sont montés en étoile Il est à noter que le dispositif de protection suivant l'invention peut être appliqué à de nombreuses autres machines électriques et qu'elle ne se limite donc pas uniquement à l'application à un alternateur décrite ci-dessous Â chacun des conducteurs qui sortent de cet alternateur est associé un transformateur d 'intensité .Les conducteurs de sortie U, V, W sont associes respectivement aux transf,ermateurs d'intensité Ta et les conducteurs qui sont reliés l'un à l'autre pour former le montage en étoile sont associés à des transformateurs d'intensité Tb L'alternateur ll étant triphasé, chacune des phases est associée à un dispositif de protection dont un exemplaire est représenté sur la Figure .Le dispositif de protection représenté est associé à la phase W Comme on le verra dans la suite, les trois dispositifs de protection agissent simultanément sur un relais de déclenchement R ou un autre circuit d'utilisation tel qu'un circuit d'alarme ou un circuit d'alimentation d'un disjoncteur permettant de mettre hors circuit l'alternateur M Le secondaire de chaque transformateur Ta et Tb est fermé sur son impédance caractéristique par llintermédiaire d'une résistance Ro La tension fournie par chaque transformateur d 'intensité Ta est appliquée à un transformateur de mesure TEt1 dont le secondaire est connecté à un redresseur formé par deux diodes D1 et D2 et par un circuit de filtrage composé de deux condensateurs C1 et C2 entre lesquels est reliée une résistance R1 . La jonction entre la résistance R1 et le condensateur C2 est connectée à une résistance R2 elle-même reliée à un point de jonction J qui forme la jonction de comparaison de s. dispositif de protection Â son tour, le transformateur d'intensité Tub fournit une tension qui est mesurée par un transformateur TR2 dont le secondaire débite également dans un redresseur formé par deux diodes D et D4 et par un montage de filtrage composé 3 de deux condensateurs C3 et C reliés ensemble par une résistance R . La jonction 4 entre la résistance R et le condensateur C4 est reliée à un rhéostat P1 formant élément de tarage qui, lui-même, est connecté à la jonction de comparaison J par l'intermédiaire d'une résistance R) .Cette jonction est par ailleurs connectée à la masse par l'intermédiaire d'un montage formé par deux diodes montées en tête-bêche D5 et D6 dont le but apparaîtra dans la suite La tension qui apparat à la j onction de comparaison J est appliquée à l'entrée d'un amplificateur opérationnel Â à gain très élevé; dont la sortie est connectée à un dispositif de déclenchement décrit dans la suite .L'amplificateur opérationnel fournit une sortie de niveau élevé dès qu'un très faible signal apparat à son entrée * La jonction J est en outre connectée à une source de référence par l'in- termédiaire d'une résistance R5, la source étant formée par un montage en série d'une résistance R6 et d'un potentiomètre P2 relié lui-même à la masse, la résistance R6 étant reliée à la tension d'alimentation positive L'entrée et la sortie de l'amplifieateur opérationnel sont reliées l'une à l'autre par l'intermédiaire d'un montage en série d'une résistance R7 et d'un condensateur C5 Le dispositif de déclenchement comporte à son entrée une résistance R8 qui est connectée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance Rg et d'un condensateur C6 la jonction de ce: dernier et de la résistance R8 étant reliée à ltélectrode de commande d'un thyristor Th par l'intermédiaire d'une résistance R10 .La sortie de l'amplificateur opérationnel Â peut également être connectée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance R11 et d'un--dispositif permettant d'essayer le bon fonctionnement du circuit (non représenté) et branché aux bornes BE . Le circuit anodecathode du thyristor Th est relié entre la masse et une source d'alimentation 24V(non représentée) qui est extérieure au dispositif de protection . Cette source est reliée au montage par l'intermédiaire d'une borne S et d'un interrupteur de réarmement IR . Ce circuit passe également à travers le relais de déclenchement R ou un autre circuit d'utilisation monté en parallèle à une diode D7,par un interrupteur de vérification IV et par une diode D8 dont la cathode est reliée à l'anode du thyristor . Ce dernier est par ailleurs shunté par le montage en série d'une résistance R12 et d'un condensateur C7 L'interrupteur de vérification comporte deux contacts dont l'un vient d'être décrit et dont 1 'autre permet de mettre en circuit avec le thyristor Th, une lam pe de contrôle qui est reliée par ailleurs à l'un des secondaires d'un trans- formateur d'alimentation TA .Le primaire de ce dernier est relié au secteur par l'intermédiaire d'un fusible F, et comporte en outre deux secondaires qui alimentent deix circuit de redressement et de stabilisation fournissant respecti vement une tension positive et une tension négative au montage représenté Le fonctionnement de ce dispositif de protection est le suivant En régime normal les signaux fournis par les transformateurs d'intensité Ta et Tb sont les mêmes . Il en est de même pour toutes les phases U, V et W de l'alternateur M .Par conséquent, les tensions fournies par les transformateurs de mesure TR1 et TR2 redressées avant d'être mises en comparaison fournissent des courants dans les résistances R2 et R3 qui sont équilibrées à l'aide du rhéostat P1 o Ce réglage peut s'effectuer une fois pour toutes lors de l'installation de l'appareillage .Il en résulte que le potentiel au point de jonction J par rapport à la masse est égal a O dans des conditions de fonctionnement normal En régime perturbé, c'est-à-dire lorsqu' il se produit un défaut dans la machine, par exemple un court-circuit à la masse, la lecture des informations recueillies par les transformateurs d'intensité Ta et Tb est déséquilibrée Ce déséquilibre est détecté par les transformateurs de mesure TR1 et TR2, qui fournissent des tensions redressées inégales à la jonction J .La tension d'erreur obtenue par soustraction de ces tensions est appliquée à l'amplificateur opérationnel et provoque à la sortie une variation du niveau de tension appréciable Cette tension est appliquée au montage de déclenchement par l'intermédiaire du réseau R8, Rg, C6 et R, plus précisément à l'électrode de commande du thyristor Th qui ainsi se déclenche . Il s'établit ainsi un courant allant de la borne B à travers l'interrupteur IR, le relais R, l'interrupteur IV, la diode D8 et le thyristor Th vers la masse . Le relais R est alors excité et peut déclencher soit un signal d'alarme, soit faire tomber un disjoncteur monté dans le circuit principal de l'alternateur M. Grâce à la présence des réseaux retardateurs C2 C2,R2 et C4, R4 dont on peut choisir convenablement les valeurs r8sistance-capacité, on peut rendre le dispositif de protection insensible aux phénomènes transitoires qui ne sont pas de nature à nécessiter la mise hors circuit de ? alternateur ou le déclenchement d'une alarme .Par contre, si le phénomène perturbateur persiste au delà d'une certaine limite de temps (1 seconde, par exemple) ou s'il est permanent, le déclenchement du thyristor Th est réalisé comme décrit cidessus Toutefois, pour que le dispositif ne fonctionre pas intempestivement, on a prévu le montage des résistances 35, R6 et P2 qui établit une tension de seuil réglable . Â l'aide de ce montage, il est possible d'injecter un courant de polarisation positif à entrée de l'amplificateur A et ce dernier ne peut déclencher le thyristor Th que lorsque le taux de déséquilibre apporté par la comparaison des tensions au point de jonction J devient en valeur absolue plus négatif que celui affiché par le potentiomètre P2 Le racle du réseau formé par la résistance R7 et le condensateur C5 consiste 5 à limiter la vitesse de basculement de l'amplificateur.A et, par conséquentf grâce à un choix judicieux des valeurs de ces composants ne permet le basculement de l'amplificateur A, c'est-à-dire l'augmentation de son niveau à la sortie, que dans le cas d'un défaut dont la durée est supérieure à une limite de temps fixée au préalable Les deux diodes D et D6 sont destinées à protéger l'entrée de l'amplificateur S opérationnel A contre des tensions supérieures à 0,7 V Après que le dispositif de protection ait fonctionné, son état reste conservé grâce au fait que le thyristor To reste à l'état conducteur .Le signal du défaut présent dans l'alternateur reste donc conservé jusqu'à intervention extérieure, après quoi le dispositif peut être réarmé en enfonçant 1 interrupteur IR qui coupe le circuit du relais R et du thyristor Th L'interrupteur IV permet de contrôler le bon fonctionnement du thyristor par l'application d'un signal aux bornes d'essai BE Il est à noter que dans un montage polyphasé, dans lequel toutes les phases de la machine sont protégées, le relais R, le circuit de vérification comportant l'interrupteur IV et la lampe L.T, l'interrupteur de réarmement et la source d'alimentation avec son transformateur TA et les circuits redresseurs et stabilisateurs CRS peuvent être communs aux trois dispositifs de protection . En effet, il suffit de relier les un. aux autres les jonctions des interrupteurs IV et des diodes D8 de tous les dispositifs de protection REVEN DI C AT I ONS 1. Dispositif de protection diiférentiele pour machines électriques à courant alternatif comportant pour au moins une phase de la machine > deux transformateurs d'intensité, prévus respectivement en amont et en aval de la machine et un dispositif de déclenchement commandant un circuit d'alarme ou un disjoncteur reli.é à la machine > caractérisé en ce qu'entre les transformateurs d'intensité (Ta, Tb) et le dispositif de déclenchement (Th, R) est monté un circuit comparateur (C1, C2, R1 > C3 > C4, R4 > R2, R3) présentant une jonction de comparaison (J) reliée d'une part à l'un des transformateurs d'intensité (Ta) et d'autre part par l'intermédiaire d'un élément de tarage électrique réglable (P1) à l'autre transformateur d'intensité (Tb), la jonction (J) étant en outre connectée à un amplificateur opérationnel (A) dont la sortie est connectée audit dispositif de déclenchement (Th, R) de manière à en commander le fonctionnement 2.Dispositif de protection suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit comparateur comporte pour chaque transformateur d'intensité (q'as Tb) un circuit redresseur (D1-D2 D3-D4) relié à un circuit de filtrage composé d'au moins un circuit RC (R1 -c2, R4-C4) à constante de temps prédéterminé choisie de manière à fixer le temps de réponse dudit dispositif de déclenchement (Tr, R) 3.Dispositif de protection suivant la revendication 2, caractérisé en ce que chaque circuit redresseur (D1- D2 D3-D4) et relié au transformateur d'inten sité respectif (Ta, Tb) par l'intermédiaire d'un transformateur de tension (TR1- TR2) 4.Dispositif de protection suivant l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit élément de tarage est un rhéostat (P1) connecté entre l'un des circuits de filtrage (cuit R4, C4) et la jonction de comparaison (J) 5. Dispositif de protection suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la jonction de comparaison (J) est connectée à une source de tension de référence réglable (P2, R6) 6. Dispositif de protection suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la jonction de comparaison (J) est connectée à lasse par l'intermédiaire d'un montage en opposition de deux diodes (D5 > D6) afin de protéger l'entrée dudit amplificateur opérationnel (A) 7. Dispositif de protection suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de déclenchement comprend un thyristor (Th) recevant sur son électrode de commande la sortie dudit amplificateur opérationnel (A) et son circuit anode-cathode étant monté en série avec un relais (R)