Brevet FR2157699A1 — publié le 19730608

La présente invention est relative à un dispositif de protection différentielle de lignes ou de câbles de transport d'énergie. Le but de tels dispositifs est de réaliser une protection d'une ligne ou d'un cale de transport d'énergie contre les défauts susceptibles de se produire entre les deux extrémités A et B de cette ligne ou de ce céble, à l'exclusion des défauts se produisant au-delà de A ou de B. Les défauts se produisant entre A et B correspondent à des défauts d'isolement de la ligne ou du câble, soit par rapport à la terre, soit entre phases, et sont appelés défauts internes. Les défauts au-delà de A ou de B correspondent à des défauts dus aux charges terminales et sont appelés défauts externes. La figure I représente un schéma unifilairé d'une ligne comprenant une source de courant I à I'extrémité A, des fils de lignes 3 et une utilisation 5 à ltextrémité B. La protection différentielle est fondée sur les considérations suivantes Toutes les quantités symbolisées par une lettre majuscule devront etre considErées comme des quantités vectorielles. En l'absence de défaut interne, ou dans le cas d'un défaut externe, les courants il et I2 aux deux extrémités sont égaux en module et en phase (en négligeant le courant capacitif de la ligne de transport). Par suite, leur différence vectorielle Il - I2 = Ai est pratiquement nulle. Par contre, dans le cas d'un défaut intérieur de valeur I3, la différence vectorielle A I = Il - I2 est égale à la valeur du courant de défaut puisqu'au point x la somme des trois courants doit être nulle (figure 2). La mesure de A I permet donc de réaliser la discrimination des deux types de défaut. En pratique, pour réaliser une meilleure stabilité de la protection dans le cas, notamment, des défauts externes de très grandes valeurs susceptibles de rendre les transformateurs de mesure de courant inégalement inexacts, le seuil de déclenchement n'est pas fixé par une valeur de / Ail, mais par une valeur minimale de I A il. Les relais de protection utilisent alors un système "de balance à pou zetage't bien connu dans les techniques de protection. La mise en oeuvre pratique de ces considérations de principe se fait habituellement de la manière suivante On dispose un transformateur d'intensité 2 à une extrémité, par exemple A, de la ligne. A partir du courant au secondaire de ce transformateur 2, on élabore une tension El image du courant il. On élabore de la meme façon une tension E2, image du courant I2, à partir d'un transformateur d'intensité 4 placé à l'extrémité B. Les tensions El et E2 sont opposées à travers une ligne pilote, schématisée dans la figure 2, par les fils 6, les impédances égales Z1 et Z2 et les sources de tension El et E2. Lorsque la ligne pilote est courte, on peut négliger la résistance et la capacité linéique des conducteurs. En l'absence de défaut intérieur, El = E2 et par suite, les tensions AU1 et AU2 aux bornes des impédances Z1 et Z2 sont nulles. Si un écart apparait entre les tensions El et E2 par suite d'un défaut interne, on aura | #U1 l = | #U2 | = |(E1 (E1 - E2)/2 | En pratique, la tension El est proportionnelle à I1 jusqu'à 2 fois environ le courant nominal et au-delà, elle subit un écrêtage puis généralement une remise en forme sinusoidale par un circuit accordé 50 Hz. Cette procédure.a l'avantage de limiter la tension maximale à l'entrée de la ligne pilote même en cas de très gros défauts, et élimine les non linéarités de module des transformateurs d'intensité dans les mêmes conditions. De plus, grâce au circuit accordé 50 Hz et à son temps de mise en régime, on élimine les composantes asymétriques de court-circuit ainsi que toutes variations brutales d'amplitude de la sinusoïdale de courant. A remarquer que l'écrêtage ne compromet pas le fonctionnement du relais sur gros défaut intérieur lorsque la ligne sert d'interconnexion entre deux générateurs. En effet, le courant de charge étant alors négligeable par rapport au courant de défaut, les deux courants I1 et I2 sont sensiblement égaux en module mais de phases opposées puisque les courants convergent vers le défaut. Dans ces conditions I1écrêté - I2écrêté &num; 2I1écrêté I1écreté I1 écrêté Le système détecte alors le défaut intérieur par variation de la phase relative de I1 et I2. Sur Sur défaut extérieur, par contre les courants I1 et I2 sont en phase I1écreté - I2écreté I1écreté # 0 la protection est stable. Lorsque la ligne pilote est longue, quelques dizaines de kilomètres, on ne peut plus négliger la résistance et la capacité de la ligne, qui est équivalente à un quadripole tel que celui représenté dans la figure 3, valable à la fréquence de 50 Hz. R et C représentent respectivement la résistance et la capacité totale de la ligne pilote. Ce schéma équivalent entrâine 2 conséquences a) lorsque El = E2, la tension A U aux bornes de Z1 ou Z2 qui était nulle initialement ne l'est plus, bien qu'il n'y ait pas de défaut. En effet, elle est parcourue par un courant irésiduel égal à El/(Z=R/6+2/jCw) puisqu'à l'équilibre i = 0 par raison de symétrie de la figure. b) en cas de défaut, Uj est inférieur à l(El-E2)/2l et l'on doit écrire AU U =K(R,C).(E1-E2)/2| avec K pilote constitue en effet, à 50 Hz, un atténuateur. Dans certaines réalisations connues, on compense le courant résiduel par la mise en série, aux deux extrémités de la ligne pilote, de deux générateurs de f.é.m. de valeur El et E2 respectivement, chacun en série avec un dipole R/6,C/2. On constate qu'en l'absence de défaut le courant dans les impédances Z1 et Z2 est nul. Les solutions du problème décrites ci-dessus présentent des inconvénients. a) la sensibilité du relais est très variable en fonction des caractéristiques R et C de la ligne pilote. Le choix du seuil de déclenchement est lié non seulement aux caractéristiques des courants de défaut possibles, mais aussi aux fiaractéristiques propres de la ligne pilote. b) la compensation du déséquilibre résiduel est une opération nécessitant une connaissance exacte des éléments R et C de la ligne pilote. c) il est nécessaire d'effectuer un repérage exact des conducteurs de la ligne pilote pour, qu'en cas de rupture, on puisse opposer les tensions E1 et E2. d) les tensions Elet E2 sont sinusoidales à 50 Hz. Si la ligne pilote avoisine la ligne de transport, elle peut être le siège de tensions induites à 50 Hz parasites capables d'atteindre plusieurs volts. Le systeme ne peut donc discriminer les tensions parasites des tensions différentielles réelles correspondant à un déséquilibre des courants aux extrémités A et B. Donc le seuil de déclenchement risque d'être perturbé par ces inductions parasites d'une façon tres variable d'une installation à l'autre et l'influence de ces perturbations n'est pas prévisible et n'est pas nécessairement constante dans le temps. e) les paires pilotes sont souvent constituées par des paires téléphoniques dites spécialisées offertes par l'Administration des Postes et Télécommunications (en abrégé P.T.T.). Or, pour pouvoir utiliser ces paires sur de grandes distances où des répéteurs peuvent être utilisés, les signaux transmis doivent s'inscrire dans un gabarit de fréquence, compris entre 300 Hz et 2600 Hz. Dans cette bande de fréquence, l'administration des P.T.T. garantit un équivalent de transmission indépendant de la distance. Les systèmes connus ne sont donc pas compatibles avec ces lignes, dans le cas des liaisons à grandes distances où les répétéurs peuvent être utilisés (le 50 Hz est en dehors du gabarit). f) lorsque les lignes pilotes risquent d'être soumises à des tensions de mode commun par rapport à la terre par induction électrostatique, des transformateurs d'isolement, dits translateurs, sont utilisés à l'entrée des lignes pilotes. Ces translateurs, qui doivent avoir un faible courant magnétisant et être montés par paire à chaque extrémité de la ligne pilote, augmentent de façon importante le coût de l'installation. g) il faut assurer la détection des défauts de la ligne pilote d'où Nécessité d'un appareillage auxiliaire généralement assez coûteux et souvent, utilisation de translateurs spéciaux. De plus, un fil pilote auxiliaire est souvent nécessaire, en particulier dans le cas d'une ligne de transport d'énergie monophasée. Appareillage coûteux : dans le cas des fortes inductions électrostatiques, la ligne pilote peut être à un potentiel élevé par rapport à la terre. L'appareillage de surveillance doit assurer l'isolement entre la ligne et la terre. Donc nouvelle nécessité de transformateurs d'isolement pour assurer l'injection du courant de surveillance. Fil pilote auxiliaire : la surveillance est généralement exécutée par une mesure de résistance dsu circuit pilote, grâce à l'injection d'un courant continu dans les deux conducteurs pilotes. Etant donné que les translateurs ont un très faible courant magnétisant, on conçoit que, sans précaution, la moindre injection de courant continu dans un de leur enroulement risque de les saturer et par suite de les rendre inutilisables dans leur fonction. On réalise donc l'enroulement secondaire, soumis à l'injection, en 2 moitiés égales en sorte que les ampères tours continus totaux soient nuls tandis que les ampères tours alternatifs induits par l'enroulement primaire s' ajoutent. il faut donc un troisième fil pilote pour assurer le retour du courant continu. Cette solution présente les inconvénients suivants 1/ Coûteuse (3 fils pilotes au lieu de 2) 2/ Inadaptable à une protection existante si le troisième fil pilote n'a pas été prévu dès l'origine. 3/ ne fonctionne pas dans toutes les conditions de défaut de ligne pilote, un certain degré de gravité de défaut étant nécessaire. 4/ peut fonctionner intempestivement sous l'influence des variations de résistance des lignes pilotes dues aux fluctuations de la température ambiante. Un but de la présente invention est de réaliser un relais de protection différentielle de ligne ne présentant pas ces inconvénients Un autre but est de réaliser un relais utilisable avec une ligne pilote téléphonique ordinaire. Un autre but est de réaliser un relais dans lequel la détection des défauts de la ligne pilote elle-même est effectuée. La présente invention a pour objet un relais de protection différentielle longitudinale d'une ligne de transport d'énergie électrique comportant, sur un tronçon de la ligne équipé à une première extrémité d'un premier interrupteur commandé et à une seconde extrémité d'un second interrupteur commandé, des premiers moyens disposés à ladite première extrémité du tronçon pour élaborer une première tension image du courant de ligne à ladite première extrémité, des seconds moyens disposés à la seconde extrémité du tronçon pour élaborer une seconde tension image du courant de ligne à ladite seconde extrémité, des troisièmes moyens disposés du côté de la première extrémité du tronçon et recevant d'une part ladite première tension et d'autre part, par l'intermédiaire d'une ligne pilote, ladite seconde tension pour élaborer un signal image de leur écart relatif et commander ledit premier interrupteur commandé lorsque ledit écart atteint un seuil prédéterminé, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des quatriemes moyens pour moduler à une première fréquence comprise entre 300 et 3000 Hz la tension à transmettre par ladite ligne pilote et des cinquièmes moyens pour démoduler et filtrer ladite tension modulée délivrée par la ligne pilote. L'invention sera bien comprise par la description détaillée qui va suivre d'un mode préféré de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est un schéma unifilaire d'une ligne de transport d'énergie - la figure 2 est un schéma d'une ligne pilote - la figure 3 est un schéma du quadripôle équivalent à une ligne pilote - la figure 4 est un schéma général par bloc du relais selon l'invention. Les figures I à 3 ont été examinées plus haut. La figure 4 représente un schéma par bloc du relais de l'invention. La ligne à surveiller est représentée en 3. Aux extrémités A et B sont disposés deux transformateurs d intensité 2 et 4 fournissant à leur secondaire des images des courants il et I2 en ces points. La ligne est protégée aux extrémités A et B par deux disjoncteurs 101 et 102 respectivement. Nous allons examiner en premier lieu le dispositif du point B. Le courant, au secondaire du transformateur d'intensité 4, est converti en tension proportionnelle, grâce à une résistance de charge convenable dudit transformateur. Cette tension image est envoyée dans un circuit écrêteur 11 qui la limite à une amplitude constante lorsque le courant au primaire dépasse une valeur égale à deux fois la valeur nominale IN de la ligne. La tension de sortie du circuit écrêteur est mis en forme sinusoidale par un circuit 12. Le signal de sortie du circuit 12 est modulé en fréquence au moyen d'un oscillateur 13 de fréquence centrale 4,8 kHz suivi d'un diviseur de fréquence par deux référencé 14. Les signaux carrés issus du circuit 14 sont convertis par le bloc 15 en signaux sinusoidaux, amplifiés par un circuit 16 et envoyés au poste A par une ligne pilote par un circuit d'émission 17. La transmission du signal s'effectue donc en modulation de fréquence centrée autour de la fréquence 2,4 kHz. Grâce à l'écrémage à ZIN, l'index de modulation ne dépasse pas 10 %. La fréquence maximale est donc voisine de 2,6 kHz. Cette fréquence s'inscrit dans le gabarit de l'Administration des P.T.T-. pour lequel il est garanti un équivalent de transmission indépendant de la longueur de la ligne pilote. Au point A, le signal à 2,4 kHz, qui transporte, rappelons le, une information proportionnelle au courant I2 de la ligne, est reçu par un dispositif récepteur 18. Il est filtré au moyen d'un filtre passe-bande 19 centré à 2,4 kHz, à très forte coupure au-delà de 2,2 et 2,6 kHz. Puis il est amplifié et démodulé dans un discriminateur à comptage 20. Le signal est filtré dans un filtre passe-bas 21 pour éliminer les résidus de la porteuse. Le signal de sortie du filtre 21 comporte a) une composante continue dont la valeur dépend uniquément de la fréquence centrale 2,4 kHz. Elle indique, par sa présence au point A, que la ligne pilote est électriquement en bon état et que la transmission dans le sens B vers A effectue normalement. b) une composante sinusoldale à 50 Hz, E2, image fidèle du courant I2 ; cette composante est envoyée, par l'intermédiaire du condensateur 22 au circuit de formation de la différence vectorielle E1-E2 qui sera décrit plus loin. La composante Ul est envoyée sur un circuit de surveillance 23, tel qu'un relais à manque de tension, commandant une alarme 24. Au poste A, on trouve, comme en B, à là sortie du transformateur d'intensité 2, un circuit écrêteur 31, et un circuit de mise en forme 32. Ce circuit est suivi d'un filtre passe-bas 33, destiné à respecter la symétrie des circuits associés à I1 et I2. Le signal de sortie du filtre 33, El, ainsi que le signal E2 sont envoyés dans un circuit de correction de gain et de phase 34. En sortie de 34, on forme par un circuit 35 la différence vectorielle entre El et E2 ; puis un circuit 36 fournit d'une part le module de E2 et d'autre part le module de la différence vectorielle E1-E2. Les signaux de sortie de 36 sont envoyés dans une balance à pourcentage 37, commandant, lorsque le rapport (E1-E2)/E2 dépasse un certain seuil, le relais 38 du disjoncteur 101 placé au poste A. Pour que la protection soit complète, il faut aussi ouvrir le disjoncteur de ligne 102 placé au poste B. L'opération d'ouverture du disjoncteur 102 est télécommandée depuis A en utilisant les deux mêmes fils pilote. Cette télécommande est effectuée au moyen d'un signal modulé en fréquence par une porteuse centrée sur 450 Hz en moyenne. En l'absence de défaut, le poste A émet vers le poste B une porteuse modulée en fréquence en tout ou rien à 60 Hz entre 425 Hz et 475 Hz (index de modulation voisin de 5 %). Pour cela on dispose d'un oscillateur modulateur 40 à fréquence centrale de 900 Hz, d'un diviseur de fréquence par deux 41, et d'un circuit de mise en forme sinusoidale 42. Les signaux sinusoldaux sont amplifiés par un circuit 43 et par l'intermédiaire d'une résistance 44 envoyés sur ltémetteur 18. Au poste B, le signal est filtré par un filtre de bande 46, démodulé par un discriminateur à comptage 47, puis filtré par un filtre passe-bas 48. A la sortie de ce filtre, on trouve à nouveau une composante continue dont l'amplitude ne dépend que de la fréquence d'émission 450 Hz, et une composante alternative à 60 Hz. La composante continue, informe le point B que la transmission dans le sens A vers B s'effectue correctement et que, par suite la ligne pilote est en bon état. Cette composante est envoyée sur un circuit de surveillance 49 tel qu'un relais à manque de tension commandant une signalisation 50. La composante alternative à 60 Hz après transmission par le condensateur 51, amplification et redressement par un circuit 52, maintient le relais 53 de commande du disjoncteur 102 à l'état ouvert. Lorsque le poste A élabore un ordre de disjonction, il supprime la modulation de fréquence à 60 Hz de la porteuse 450 Hz. En.conséquence, au poste B, le signal 60 Hz disparait brusquement (mais non pas la composante continue puisque l'on reçoit en permanence un signal à 450 Hz), et débloque très rapidement le transistor de commande du relais de commande du disjoncteur 102. Dans cette procédure, l'ordre de disjonction arrive au point B avec un retard qui n'excède pas 20 ms celui du point A. Le dispositif est complété par un circuit 60 disposé au poste A et rendant la protection insensible, lorsque le courant est très inférieur au courant normal. En effet, dans certains cas de fonctionnement, notamment lorsque l'utilisation au poste B vient à être retirée, les conditions de fonctionnement de la balance à pourcentage peuvent être remplies en raison de la capacité de la ligne. Pour éviter que le disjoncteur du poste A ne fonctionne alors intempestivement, le circuit 60 est prévu pour empêcher la balance 37 de fonctionner lorsque le courant I1 a une valeur faible. La solution exposée ci-dessus présente de grands avantages. Le dispositif est entièrement compatible avec les normes PTT lorsque les paires spécialisées doivent être utilisées et ceci, avec ou sans répéteur. Le fait d'utiliser la transmission de la mesure en moduler on de fréquence rend la grandeur télémesurée indépendante de la longueur de la ligne pilote (la seule correction à faire à la mise en service se résume à une correction de phase de cette grandeur). On en déduit que le seuil de déclenchement du relais est indépendant des caractéristiques de la ligne pilote. Les tensions parasites induites à 50 Hz, pouvant atteindre plusieurs dizaines de volts, ont une influence nulle. Tous les parasites à autres fréquences ont une influence très faible grâce à l'utilisation de porteuses à fréquences vocales et de filtres passe-bandes à faibles bandes passantes. La surveillance des défauts de la ligne pilote est automatiquement incluse dans l'appareil. Le fonctionnement du dispositif est assuré dans tous les cas de défauts coupure ou court-circuit quelle que soit leur position par rapport A ou B. Il n'existe plus aucune exigence particulière pour les transformateurs translateurs qui sont donc peu coûteux. Il n'en faut par ailleurs que deux pour un bon fonctionnement du dispositif. La mise en oeuvre est simple : pour opérer le réglage du relais lors de la mise en service, il suffit d'injecter dans la ligne à protéger alors sans défaut, un courant I donnant en A et B deux images El et E2 égales. Au point du montage où l'on forme El v E2reçu on règle le potentiomètre de correction de phase jusqu'à ce qu'un contrôleur universel connecté en ce point passe par un minimum très voisin de zéro. A ce moment El - E2reçu = 0. Comme El = E2 on aura automatiquement E2reçu = E2 . Ce réglage ne demande que quelques secondes et ne nécessite pas la connaissance des paramètres R et C de la ligne pilote (ces deux parametres interviennent seulement au moment du choix des paires de la ligne pilote pour garantir un équivalent de transmission à 2,4 kHz compatible avec les performances de l'appareil). En conséquence, la mise en service, de l'appareil est rapide et ne demande pas de personnel spécialisé. En cas d'avarie de ligne pilote, il n'y a pas de problème de repérage des conducteurs respectifs lors de la réparation. Enfin le dispositif ne nécessite aucun fil pilote supplémentaire pour obtenir la surveillance de ligne pilote. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, on peut, sans sortir du cadre de l'invention, changer certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1t Dispositif de protection différentielle d'une ligne de transport d'énergie comportant, sur un tronçon de la ligne équipé à une première extrémité d'un premier interrupteur commandé et à une seconde extrémité d'un second interrupteur commandé, des premiers moyens disposés à ladite première extrémité du tronçon pour élaborer une première tension image du courant de ligne à ladite première extrémité, des seconds moyens disposés à la seconde extrémité du tronçon pour élaborer une seconde tension image du courant de ligne à ladite seconde extrémité, des troisièmes moyens disposés du côté de la première extrémité du tronçon et recevant d'une part ladite première tension et d'autre part, par l'intçrmediaire d'une ligne pilote, ladite seconde tension pour élaborer un signal image de leur écart relatif et commander ledit premier interrupteur commandé lorsque ledit écart atteint un seuil prédéterminé, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des quatrièmes moyens pour moduler à une première frequence comprise entre 300 et 3000 Hz la tension à transmettre par ladite ligne pilote et des cinquièmes moyens pour démoduler et filtrer ladite tension modulée délivrée par la ligne pilote. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite première fréquence de modulation est voisine de 2400 Hz. 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comporte des sixièmes moyens recevant la composante continue de ladite tension démodulée actionnant en cas de défaut de transmission de la ligne pilote un premier circuit de signalisation. 4/ =~itif selon l'une des revendications I à 3, caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit générateur d'un signal alternatif, de fréquence comprise entre 300 et 3000 Hz et différente de la première fréquence de modulation, disposé du cité de ladite première extrémité dudit tronçon de ligne, ledit générateur étant relié à ladite ligne pilote pour permettre la transmission dudit signal alternatif, et des sixièmes moyens de réception et de filtrage dudit signal alternatif transmis par la ligne pilote actionnant en cas de défaut de transmission de celle-ciun second circuit de signalisation. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des septièmes moyens commandés par lesdits troisièmes moyens pour moduler, lorsque ledit écart est au moins égal audit seuil, ledit signal alternatif, à une seconde fréquence de modulation différente de la première fréquence de modulation et de la fréquence du signal alternatif, et des huitièmes moyens de démodulation et de filtrage dudit signal alternatif modulé délivré par ladite ligne pilote et commandant ledit second interrupteur. 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ladite seconde fréquence de modulation est choisie voisine de 60 Hz. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comporte dés neuvièmes moyens d'insensibilisation desdits troisièmes moyens lorsque le courant de ligne à ladite première extrémité est un faible pourcentage de courant nominal de la ligne.