Brevet FR2181463A1 — publié le 19731207

La présente invention concerne un élément à minimum de réactance utilisé pour une protection de distance de réseau électriques à courant alternatif et réalisé à l'aide de circuits intégrés à portes électroniques et amplificateurs opérationnels. Le principe général de.l'élément de réactance consiste à mesurer la valeur de la tension réactive, synchronisée à chaque passage à zéro de l'onde de courant. A cet instant où la valeur de la composante active est évidement nulle, apparaît seule la valeur de la composante réactive de la tension, soit U sinw . Cette valeur est prise en mémoire pour être ensuite comparée à la valeur de cette du courant correspondant I. Lorsque I/U sinS dépasse une certaine valeur, un amplificateur opérationnel, utilisé en comparateur, délivre des impulsions qui sont ensuite intégrées, pour fournir un signal continu.Les courant et tension sont traités au préalable, de telle sorte que le signal de sortie apparaisse pour une valeur de la réactance I mesurée qui soit inférieure à la valeur x - U sin'Q/I ajustée sur l'élément. Conformément à l'inventions une valeur V, représentative de U sinw , est prélevée par une mémoire dynamique, tandis-que chaque passage à zéro de l'onde de courant délivre par des bascules électroniques des impulsions qui déterminent le transfert de la valeur V à une mémoire de stockage où elle reste jusqu'à la fin de.l'alter- nance de l'onde de courant pour sa comparaison à la valeur de cr8te du courant. Pour bien faire comprendre l'invention, on décrira ci-après une forme d'exécution des parties essentielles de l'élément de mesure en référence au dessin annexé dans lequel la figure i est un schéma général de l'élément de mesure ; et les figures 2 et 3 sont des echémas montrant respectivement les variations de tension des parties constitutives de l'élément de mesure pour des déphasages inférieurs et supérieurs à 900. Par l'intermédiaire du relais i, la tension du réseau alimente le primaire dun transformateur de tension 2 dtisolement à cinq prises secondaires0 Ces tensions secondaires sont appliquées sur l'élément de mesure à l'aide d'un commutatear 3 qui permet de choisir le coefficient x d'affichage de la réactance. Le courant du réseau alimente également un transformateur dintensieé 4 d'isolement dont le secondaire délivre une tension proportionnelle à ce courant et qui est appliquée sur un potentiomètre linéaire multi-tours 5e La valeur Â affichée par ce potentio mètre, multipliée par X, donne la valeur de la réactance pour laquelle la protection doit fonctionner en premier gradin. Les tension et courant ainsi traités sont soumis à un filtre actif 6-7 accordé à 50 périodes, qui élimine les harmoniques et la composante continue, pour entre ensuite redressés dans leur double alternance par des redresseurs ultra linéaires 8-9. Ces dispositions permettent d'ajuster la valeur de la réactance de fonctionnement dans le domaine de 0,1 à 10 a par phase, pour toutes les valeurs extrtmes du courant et de la tension de défaut, en disposant de la gamme totale d'utilisation de l'amplificateur opérationnel terminal 10 travaillant en comparateur. Pour la détection du passage à zéro de l'onde de courant, deux amplificateurs opérationnels 11 et 12, l'un branché en inverseur, l'autre en non inverseur, prennent en charge chacune des alternances de la tension image du courant ; l'amplificateur cc'or81e l'alternance négative, l'amplificateur 12, l'alternance positive. Â chaque passage à zéro de l'onde du courant, ces amplificateurs à fort gain changent d'état. Par exemple, l'amplificateur il a deux états saturés -15 V et +15 V ; la diode 13 permet de rendre ces niveaux compatibles avec la logique utilisée (à haute immunité au bruit : ZOoL0). Lorsque l'amplificateur est saturé à +15 V, la diode 13 est bloquée et on retrouve +15 V sur l'entrée de la bascule monostable 15 ; inversement, lorsque l'amplificateur est saturé à -15 V, la diode 13 conduit et la tension à l'entrée de la bascule 15 est voisine du potentiel zéro. Les éléments correspondant à 13 et 15 pour l'amplificateur 12 sont indiqués en 14 et 16. Â chaque passage à zéro de l'onde de courant, les amplificateurs saturés positivement commandent les bascules monostables 15 et 16 qui délivrent des impulsions d'amplitude et de durée constante quelle que soit la valeur du courant d'entrée. Le même principe que précédemment est utilisé pour la détection du passage à zéro de l'onde de la tension et réalisé avec les amplificateurs opérationnels 17 et 18, les diodes 19 et 20 et les bascules monostables 21 et 22. Toutefois et afin d'effectuer une remise à zéro correcte, les impulsions du passage à zéro de U (U0) sont de durée constante mais supérieure à la durée des impulsions du passage à zérode1(10). Les sorties des bascules monostables correspondant aux alternances positives et négatives sont misses en condition B2, par les portes 23 et 24 pour le courant, par les portes 25 et 26 pour la tension. On expliquera maintenant l'élaboration et la prise en mémoire de U sinw Un système de verrouillage, qui sera décrit dans la suite de l'exposé, fait apparattre U0 avant 10 et la mémoire binaire, constituée par les deux portes 27 et 28, prend un état préférentiel dès la mise en route : niveau n à la sortie de la porte 27 correspondant à Uo (Io' + S') = 0 à la sortie de la porte 29 ; niveau 0 à la sortie de la porte 28 correspondant à Io.S 1 à la sortie de la porte 30. La porte 30 inverse son signal d'entrée : alors U0 (lo' +S')=0 et donne un signal 1 à la sortie, qui autorise la conduction du transistor 31 et par suite la conduction du transistor 32. Dès la conduction du transistor 32, l'amplificateur 33, monté en inverseur et de gain unité, permet la charge du condensateur 34 à une tension égale à la tension d'entrée, mais de signe opposé. (Il est à noter que la chute de tension provoquée par la résistance 35, le pont redresseur 36 et la tension émetteur-collecteur du transistor 32 saturé est négligeable, étant donné le gain important en boucle ouverte de l'amplificateur 33 : de l'ordre de 160.000). L'apparition de 10 commande la mémoire binaire 27-28 qui prend alors un état inverse : niveau 0 à la sortie de la porte 27 qui correspond à U0 (Io + S') - 1 à la sortie de la porte 29 ; niveau 1 à la sortie de la porte 28 qui correspond à Io.S w 0 à la sortie de la porte 30. La porte 30, qui possède alors un signal 1 à l'entrée, sort un signal 0 qui bloque le transistor 31 et par suite le transistor 32. Le blocage du transistor 32 arrête instantanément la charge du condensateur 34 qui représente alors la valeur instantanée de la tension d'entrée au moment où l'onde du courant d'entrée passe à O (Io) s soit U sin #. La mémoire Md dite "dynamique , ainsi constituée par l'ampli- ficateur 33, le redresseur 36, le transistor 32 et le condensateur 34, prélève la valeur de U sin # et la conserve jusqutà la fin de l'alternance de l'onde de tension. L'apparition de 10 commande le transfert de la valeur de U sin # # dans une seconde mémoire Xs dite de "stockage" où elle reste jusqu1à la fin de l'alternance de sonde de courant (figures 2 et 3). Cette deuxième mémoire est constituée par ltensemble comprenant l'amplificateur 37 monté en adaptateur d'impédance, le redresseur 38, le transistor 39 et le condensateur 40. Ce condensateur est chargé préalablement à la tension maximale +15 V. A l'apparition de Ios la conduction du transistor 41 et par suite du transistor 39 commande la décharge rapide du condensateur 40 dans l'amplificateur 37 jusqu'à la valeur de U sinw . L'amplificateur 37 reproduit à la sortie la tension appliquée à l'entrée non inverseuse. Cette tension réactive (U six ), appliquée à l'amplificateur 10 monté en comparateur, représente la grandeur antagoniste et est comparée à la valeur de crête du courant (I red. à la sortie de l'amplificateur 43) appliqué lui-meme à l'entrée du comparateur 10 en tant que grandeur motrice. La caractéristique obtenue est bien une droite d'égale réactance quel que soit le déphasage entre la tension et le courant. La mise à jour de U sinY s'effectue comme indiqué í-apres. L'impulsion U0 qui succède à une impulsion 1o repositionne la mémoire binaire 27-28 dans l'état initial : niveau 1 à la sortie de 27 et niveau O à la sortie de 28. La porte 30 délivre 1 en sortie et autorise la conduction du transistor 31 et par suite du transistor 32. La tension redressée appliquée à l'amplificateur 33 est alors voisine de 0. Dès la conduction du transistor 32, le condensateur 34, chargé alors à la valeur de U sin t , se décharge jusqu'à la valeur de la tension d1entrée redressée + (l'amplificateur 33 étant inverseur). Cette tension croit à nouveau pour charger le condensateur 34 à la nouvelle valeur éventuelle de U sint , le transistor 32 se bloque et stoppe la phase de mise à jour ; le transistor 39, alors conducteur, permet le transfert de U sinS dans la mémoire de stockage Ms. On expliquera maintenant ci-après le circuit de sortie formant mémoire temporaire. Dès que la valeur du courant d'entrée est plus grande que la valeur de U sin S , le comparateur 1O délivre des impulsions dont la durée varie suivant les valeurs des grandeurs comparées. Ces impulsions sont intégrées pour obtenir un signal constant tant que dure la mesure. L'intégrateur est composé dtun amplificateur 44 monté en adaptateur d2impédance, des diodes 45 et 46, d'un condensateur 47 et d'une porte 48. Au repos, le comparateur est saturé à -15 V, la diode 45 conduit et maintient un pot entiel voisin de 0 sur entrée non inverseuse de l'amplificateur 44. Le condensateur 47 est déchargé, la sortie de l'amplificateur 44 est à un potentiel nul et maintient la sortie de la porte 49 à ltétat 1. Dés que la valeur du courant d'entrée est plus grande que la valeur de U sinf , les impulsions délivrées par le comparateur 10 chargent le condensateur 47 à travers la diode 46. L'entrée non inverseuse de l'amplificateur-44 est portée au potentiel +15 V qui est reproduit à la sortie ; la porte 49 sort alors un niveau 0. Dès que la valeur du courant d'entrée est plus petite que la valeur de U sinw , le comparateur revient à sa position ini- tiale. Le condensateur 47 se décharge à travers la résistance 50, le courant de décharge étant bloqué par la diode 46 et l'impédance d'entrée très importante de l'amplificateur 44. Tant que la tension fournie par le condensateur 46 est suffisante, la porte 49, attaquée par un niveau 1, délivre alors un niveau 0. Les impulsions étant renouvelées au moins toutes les dix millisecondes, lSordre de sortie de l'amplificateur 44 est continu. Si au terme de 15 millisecondes aucune impulsion n'est émise par le comparateur 10, la décharge de 47 descend à une valeur insufti- sante et la porte 49 garde en sortie son niveau d'entrée : l'ordre de sortie de l'amplificateur 44 disparate. La porte 51 permet de sortir un niveau complémenté. Le fonctionnement de ltélément est assuré avec un pourcentage de retour très élevé qui risque de compromettre la stabilité du niveau de sortie. Il est donc nécessaire de diminuer quelque peu ce pourcentage, pour le fixer à environ 90 %. Réalisé entre l'amplificateur 43 du redresseur linéaire 9 et l'entrée du comparateur 10, le dispositif comprend le transistor 53 et les résistances 54-55-56. A l'état de surveillance, le courant et la tension étant appliquées, le transistor 53 est conducteur et le redrsseur 9 débite dans la résistance 56. Après basculement de la mémoire temporaire du circuit de sortie, la porte 48 sort un niveau 0 et le transistor 53 est bloqué : la tension apparatt aux bornes de la résistance 54 ; cette tension, proportionnelle à la tension fournie par le redresseur linéaire 9 - I red +, est appliquée à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur 43 et introduit une réaction positive qui a pour effet d'aug- menter la tension motrice. L'élément se trouve sensibilisé en conséquence. On exposera maintenant le verrouillage de 10 assurant la sécurité en régime transitoire. tfin d'éviter tout fonctionnement intempestif à 11 état de surveillance ou un fonctionnement défectueux lors de la commutation des grandeurs d'entrée (régime transitoire), les sécurités suivantes sont prévues a) une tension maximale antagoniste est appliquée à l'entrée de la mémoire de stockage (amplificateur 37) ; le contact fermé du relais 58 permet la conduction du transistor 59 qui maintient le condensateur 40 chargé à travers la diode 60. b) 1o est verrouillé au niveau de l'entrée de la porte 24 le transistor 61, étant conducteur par ltintermédiaire du transistor 59, maintient un niveau O sur entrée de la porte 24 et 10 est constamment au niveau 1. La mémoire binaire 27-28 sort un niveau 1 qui confirme la tension de retenue, puisque les transistors 39 et 41 sont bloqués. c) la porte de sortie 49 est verrouillée par un niveau 0 maintenu à son entrée par l'intermédiaire du transistor 61. Dès la mise en route, les relais 58 et i sont excités, La fermeture des contacts du relais 1 applique les deux grandeurs d'entrée0 Simultanément, le relais 58 ouvre son contact ; l'ouver- ture du contact du relais 58 autorise le condensateur 62 à se décharger dans le circuit de base du transistor 59 qui se bloque au terme de vingt millisecondes, bloquant en conséquence le transistor 61. La porte 24 est alors déverrouillée et les impulsions 10 sont délirées. Simultanément, la porte 49 est également déverrouillée par le transistor 61, mais la tension antagoniste est maintenue, la diode 60 interdisant la décharge du condensateur 40 qui ne se produira que par la conduction du transistor 39 à l'apparition de lo En définitive, le comparateur 10 se voit appliquer, dans un ordre déterminé, la grandeur motrice I, après la grandeur établie de U sin S correspondant à la valeur réelle de la réactance de défaut. Le changement de sensibilité de l'élément de réactance peut être obtenu automatiquement à l'aide des relais (R) et (S) qui commutent en cascade et en fonction du temps, des valeurs de tension différentes et pré-affichées sur les potentiomètres 63 et 64. R E V E N D I C A T I O N S. 1. Elément de mesure & minimum de réactance pour relais de protection, caractérisé par un moyen pour mesurer la valeur de la tension réactive, synchronisée à chaque passage à zéro de l'alternance. de tonde de courant par un moyen pour mettre à cet instant en mémoire cette tension réactive et par un moyen pour la comparer ensuite à la valeur de crête du courant correspondant I au cours de l'alternance qui. suit le passage du courant à zéro. 2. Elément de mesure à minimum de réactance selon la revendication 1, comprenant une première mémoire dite "dynamique" pour prélever la valeur de la tension réactive U sin # et la conserver jusqu'à la fin de l'alternance de tonde de tension et une seconde mémoire dite de "stockage" dans laquelle, dès le passage à zéro de l'alternance de 11 onde de courant, cette valeur U sinw est transférée et est conservée jusqu'à la fin de l'alternance de l'onde de courant, la caractéristique obtenue étant bien une droite d'égale réactance, quel que soit le déphasage entre le courant et la tension. 3. Elément de mesure à minimum de réactance selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les mémoires dites "dynamique" et de "stockage" comprennent un amplificateur à fort gain, un transistor monté dans la diagonale d'un pont redresseur et un condensateur, montés de façon à permettre a) de reproduire aux bornes du condensateur une tension variable appliquée à l'entrée de l'amplificateur1 tant que le transistor est conducteur b) en bloquant le transistor, d'isoler l'amplificateur du condensateur et de ce fait de conserver aux bornes de ce dernier la tension qu'il avait à 11 instant du blocage du transistor.