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SYSTmES DE PROTECTION A GRANDS.VITESSE DE CIRCUITS ELECGTRIQUES -
La présente invention se rapporta aux appareils de commande rapide de circuits électriques et aux systèmes de relais de protection à g@ vitesse dans lesquels les disjoncteurs sont disposés de manière à s'ouvrir sous l'action, soit de courant de surcharge, soit du courant inverse, ou d deux à la fois. Elle permet de réaliser un ensemble de ce genre à prix ré ne comportant qu'un seul disjoncteur.
Bien que non limitée à ces caractéristiques, l'invention e@ plus particulièrement applicable aux réseaux de traction par exemple, dans quels une ligne de distribution alimente plusieurs postes convertisseurs,
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##<- Ana o nnutatrices, des redresseurs à arc ou des dispositifs analo
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Dans les réseaux de ce genre, le courant permanent qui alimente les lignes de contact peut être dans les conditions normales très élevé, de l'ordre de 10.000 ampères par exemple. Chaque disjoncteur doit pouvoir suppor- ter un courant de surcharge dont l'intensité peut être celle du courant normal multiplié par deux ou trois.
De plus, ces appareils doivent être établis de manière à ouvrir très rapidement leurs circuits consécutivement aux perturba- tions qui peuvent y apparattre.
Par exemple, si un. balai d'une commutatrice est accidentellement mis à la terre, toutes les autres machinas connectées au réseau peuvent débiter par l'intermédiaire de ce balai et si le disjoncteur correspondant ne s'ouvre pas dans le temps minimum, il peut en résulter une détérioration sérieure de la machine mise à la terre, sinon l'interruption complète de toute l'alimentation du réseau.
On rend généralement l'intervalle de temps pendant lequel doit fonctionner le disjoncteur égal à la durée du transfert de l'arc d'un,. porte- balais à un autre, cette durée correspondant à l'anorçage d'un arc circulaire.
Comme durée de déclenchement, on considère l'intervalle qui dépare l'instant où le courant atteint une valeur donnant lieu à l'arc permanent sous les balais, et susceptible d'amorcer un arc à un porte-balais, et l'instant où le courant a diminué suffisamment pour que l'arc ne se produise pas. Pour réaliser ces conditions, les disjoncteurs sont nécessairement coûteux et on a dû prévoir jus- qu'alors deux disjoncteurs par convertisseur, l'un fonctionnant en cas de sur- charge et l'autre en cas de retour du courant.
Suivant une forme préférée de réalisation de l'invention, la commanda d'un disjoncteur unique à grande vitesse est réalisée par l'intermé- diaire de deux relais à action très rapide, de telle sorte que le circuit dtali- mentation soit coupé consécutivement à un certain courant inverse ou à un cou- rant de sens normal, d'une valeur prédéterminée, le temps total nécessaire pour le fonctionnement des relais et du disjoncteur étant inférieur ou équivalent à celui pendant lequel le courant atteint la valeur à laquelle l'arc est trans- féré d'un porte-balais à un autre-
Dans une installation de ce type, on a trouvé par exemple qu'il fallait 0,008 seconde après l'apparition de la perturbation, pour que le cou- rant atteigne cette valeur critique.
La durée de fonctionnement de certains disjoncteurs à grande vitesse est de l'ordre de 0,006 seconde entre le moment @
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où le courant commence à croître (consécutivement à un court-circuit ou au passage du courant inverse) et l'instant où il commence à diminuer. par oonsé- quent, on dispose de deux millièmes de seconde environ au cours desquels le relais doit fonctionner pour commander le disjoncteur.
Le relais doit d'autre part, revenir automatiquement dans sa position initiale avant que la disjoncteur se referme, pour que le relais puisse immédiatement couper le circuit en cas de fermeture du disjoncteur à un moment où le défaut sur la ligne n'est pas encore supprimé.
La présente invention concerna également un relais qui réalise ces conditions* Consécutivement à Une augmentation anormale de l'intensité par exemple, une force, agissant dans un sens de non fonctionnement, est instants- nément orientée dans le sens approprié, de manière à déplacer rapidement une armature mobile* Cette armature est légère et prévue de telle sorte qu'elle parcourt une distance relativement courte en fermant, par les contacts du relais, le circuit de déclenchement du disjoncteur. Ce circuit comporte une résistance élevée par rapport à son inductance et il est survolté de façon à diminuer la retard dû à cette dernière.
L'armature normalement sollicitée vers la position d'ouverture, est attirée vers la position de fermeture dans la ca d'une perturbation.
Le disjoncteur coupe alors le circuit, le relais se remettant automatiquement en position de circuit ouvert. On peut n'utiliser qu'un seul disjoncteur pour protéger le convertisseur en appliquant un relais qui fonc- tionne consécutivement à une surcharge et un second relais qui fonctionne sou l'action du courant inverse,
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avantages de l'invention en se référant à la description suivante et au dessi qui l'accompagna, donné simplement à titre d'exemple non limitatif. Un oonvei tisseur 12, relié à la ligne 10-11, a l'une des bornes de son induit connecte à 11 par l'intermédiaire d'un shunt 14.
L'autre borne de l'induit est reliée à la ligne 10, son circuit de débit comprenant la partie mobile 16 du disjon' teur rapide 18, un contact fixe 17 et un shunt 19.
Le disjoncteur est de préférence dû type ultra-rapide.
Le bras mobile 16 de ce disjoncteur 18 est normalement maint en position de circuit formé par une armature 20 connectée mécaniquement par une articulation 21, l'extrémité opposée de l'armature 20 pivotant en 22. Un
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électro-aimant 23 est muni d'une bobine de maintien 24 et d'une bobine de dé- clenchement 26, la première étant normalement alimentée par une source à courant continu. La bobine 26 peut provoquer le relâchement de l'armature 20 quand elle est alimentée par du courant unidirectionnel d'un sens déterminé' La disposition est telle que la bobine de déclenchement 26, correctement alimentée, oblige le flux de l'électro-aimant 23 à quitter l'armature 20 et à passer dans l' entrefer.
On obtient alors une ouverture très rapide de l'interrupteur grâce à un fort ressort 28 qui attire énergiquement la pièce mobile 16 dans la position d'ouverture du circuit*
La bobine de déclenchement 26 est connectée, par les contacts 30 fermés par le bras 16, à une source d'alimentation appropriée, représentée ici sous forma d'une batterie 32, reliée aux fils 34 et 35; la fermeture du circuit d'alimentation de la bobine 26 dépend de la position de l'un ou de l'autre des relais 38 et 39. Ceux-ci étant de préférence identiques, on décrira seulement le relais 38. Comme on le voit, il est muni d'un bras de contact mobile 40, portant une armature magnétique 41.
Un ressort 42 attire fortement le bras 40, pivoté en 43, et le maintient en position de circuit ouvert. Un électroaimant 45 actionne l'armature 41, sa bobine 46 étant alimentée par une source appropriée, représentée par une batterie 48. Cet électro-aimant 45 comporte un circuit magnétique fermé et deux pièces polaires saillantes 50 et 51 situées en face de l'armature 41.
Une bobine 54 est montée sur la branche 55 et est connectée aux bornes du shunt 19 par les conducteurs 56 et 57. La bobine 46 est normalement alimentée de manière à saturer l'électro-aimant 45, la plus grande partie du flux traversant le circuit magnétique tonné; un faible flux de fuite seulement agit normalement sur l'armature 41,
Dans le cas de courant inverse par exemple, l'accroissement rapide de l'intensité provoque le passage d'un courant par les conducteurs 56 et 57 et par la bobine 54. Le sens au courant dans la bobine d'attraction 54 est tel que la force magnétomotrice de celle-ci s'oppose à la force magnétomotrice de la bobine 46 et elle est d'une valeur telle qu'elle provoque un déplacement instantané du flux, ce dernier quittant la branche 55 de l'aimant 45 et passant par les pièces polaires 50 et 51.
Une force considérable d'attraction s'exerce alors sur l'armature 41 entraînant le bars 40 vers la ferme- ture.
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Pour diminuer davantage la durée de l'opération, le contact fixe 60 est placé à une petite distance du contact mobile de 40. Dans un exemple de réalisation de l'invention, cette distance est de l'ordre de 1 à 4 mm.
Dans ce cas, le temps nécessaire pour la fermeture des contacts du relais à ' partir du moment où le courant commence à croître dans la ligne d'alimentation 10-11 varie entre 1/1000 et 2/1000 de seconde environ.
Comme le disjoncteur 18 ouvre le circuit en 6/1000 de seconde, on voit que le temps nécessaire pour isoler le convertisseur 12 après l'apparition du courant inverse, est de l'ordre de 8/1000 de seconde, cette durée étant suffisamment courte pour protéger efficacement le convertisseur 12 de tous damages éventuels.
Des que le disjoncteur 16 a fonctionné et isolé le convertis- : sur 12, la bobine 54 du relais 38 est désexcitée, et le ressort 42 ouvre les contacts 40-60 du relais qui revient ainsi automatiquement dans sa position de repos dès que l'interrupteur a coupé le circuit; cette disposition élimine toute complication d'un mécanisme à déclenchement libre.
On conçoit que, dans Certains cas.où le ressort 42 fournit:un faible effort, la bobine 46 peut être désexcitée par un contact auxiliaire prévu sur le disjoncteur principal, de façon à obtenir le retour automatique sans qu'il soit nécessaire de faire usage d'un mécanisme complexe de déclenchement libre. Ce contact auxiliaire doit se refermer avant la refermeture du disjoncteur.
Pour refermer le disjoncteur 18 après son déclenchement automatique, on déplace dans le sans des aiguilles d'une montre la poignée 80, de manière à emmagasiner de l'énergie dans le ressort 28 et à amener l'armature 20 en contact avec l'électro-aimant 23. Cette opération effectuée, la poignée 80 est ramenée en sens inverse, le rapport 28 faisant alors tourner la pièce mobile 16 autour de l'axe 21 vers la position de fermeture du circuit. Ce dispositif donne la certitude que le disjoncteur est toujours près à ouvrir ses contacts, indépendamment de la position de la poignée 80.
Le relais 39 peut être d'une construction'identique et muni d'une bobine 70 alimentée par une source appropriée telle qu'une batterie 71, et sa bobine de fonctionnement 72 est connectée par les conducteurs 73 et 74 aux bornes du shunt 14, un ressort 76 maintenant normalement le contact mobile 78 dans la position de circuit ouvert.
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Pour obtenir un fonctionnement sélectif des relais 38 et 59, le shunt 19 est muai d'une inductance relativement élevée par rapport à sa résistance, de manière à obtenir une action plus rapide du relais au cas d'apparition de courant inverse. L'inductance de ce shunt étant relativement élevée, une augmentation rapide du courant fait fonctionner le relais 38 beaucoup plus vite qu'un accroissement lent du courant, puisque la tension appliquée à la bobine 54 est plus élevée quand le courant croît rapidement. Le shunt 14 offre une inductance moindre que le shunt 19; il est par conséquent moins $Ensible à l'accroissement rapide du courant de surcharge que le shunt de courant inverse. Les deux relais fonctionnent dans ces conditions sélectivement.
Comme on le voit, on préfère placer le shunt 19 à la borne positive du convertisseur 12 pour assurer sa protection en cas de défaut quelconque dans le réseau alimenté ou du côté positif au convertisseur.
Les relais étant identiques, on conçoit que lorsqu'une surcharge d'un amplitude prédéterminée traverse le shunt 14, la bobine 72 est alimentée et produit une force magnétomotrice qui provoque à son tour une forteattraction de l'armature au relais 78, de manière à fermer le circuit d'alimentation de la bobine 26 du dicjoncteur 18. Ce circuit est constitué par les éléments suivants :batterie 52, conducteur 35, contacts du relais 39, Conducteurs 34 et 82, bobine 26 et contacts 30.
En vue de diminuer davantage la durée du fonctionnement du disjoncteur au cas où une perturbation entraînerait le fonctionnement de l'un ou l'autre des relais, le circuit d'alimentation de la bobine 26 offre une résistance relativement élevée par rapport à l'inductance de cette bobine. La résistance peut être introduite dans la bobine elle-même ou sous forme d'une résistance séparée 84. En rendant cette résistance prépondérante et en alimentant la bobine 26 par une source 32 à tension relativement élevée, on augmente sensiblement la rapidité d'établissement du courant dans la bobine qui est protégée contre les effets de ce survoltage, étant donné qu'elle est désexcitée par les contacts 30 immédiatement après le déclenchement du disjoncteur.
Bien qu'on ait décrit et représenté une seule forme de réalisation de l'invention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à cette forme particulière, donnée simplement à titre d'exemple et sans aucun caractè- re restrictif et que par conséquent toutes les variantes ayant marne principe et même objet que les dispositions indiquées ci-dessus rentreraient comme elles
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dans la cadre de l'invention.
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HIGH SPEED PROTECTION SYSTEMS OF ELECTRIC CIRCUITS -
The present invention relates to devices for rapid control of electrical circuits and to high speed protection relay systems in which the circuit breakers are arranged so as to open under the action of either overload current or current. inverse, or d two at a time. It makes it possible to produce an assembly of this type at price r comprising only one circuit breaker.
Although not limited to these characteristics, the invention is more particularly applicable to traction networks for example, in which a distribution line supplies several converter stations,
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## <- Ana onnutators, arc rectifiers or analog devices
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In networks of this type, the permanent current which supplies the contact lines can be very high under normal conditions, of the order of 10,000 amperes for example. Each circuit breaker must be able to withstand an overload current the intensity of which may be that of the normal current multiplied by two or three.
In addition, these devices must be set up in such a way as to open their circuits very quickly as a result of any disturbances which may occur there.
For example, if a. switch brush is accidentally earthed, all the other machines connected to the network can charge through this brush and if the corresponding circuit breaker does not open in the minimum time, serious damage may result of the machine earthed, otherwise the complete interruption of the entire network supply.
The time interval during which the circuit breaker must operate is generally made equal to the duration of the transfer of the arc of a. brush holder to another, this duration corresponding to the priming of a circular arc.
As the tripping time, we consider the interval between the instant when the current reaches a value giving rise to the permanent arc under the brushes, and capable of initiating an arc at a brush holder, and the instant when the current has decreased enough so that the arc does not occur. To achieve these conditions, circuit breakers are necessarily expensive and until then two circuit breakers have had to be provided per converter, one operating in the event of an overload and the other in the event of current return.
According to a preferred embodiment of the invention, the control of a single high speed circuit breaker is carried out by means of two very fast acting relays, so that the power supply circuit is cut consecutively. a certain reverse current or a current in the normal direction, of a predetermined value, the total time necessary for the operation of the relays and the circuit-breaker being less or equivalent to that during which the current reaches the value at which the arc is transferred from one brush holder to another-
In an installation of this type, it has been found, for example, that it takes 0.008 seconds after the onset of the disturbance for the current to reach this critical value.
The operating time of some high speed circuit breakers is of the order of 0.006 seconds between the moment @
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where the current begins to increase (consecutively to a short circuit or to the passage of the reverse current) and the instant when it begins to decrease. therefore, there are approximately two thousandths of a second during which the relay must operate to control the circuit breaker.
The relay must also automatically return to its initial position before the circuit breaker closes, so that the relay can immediately cut the circuit in the event of the circuit breaker closing when the fault on the line has not yet occurred. deleted.
The present invention also relates to a relay which achieves these conditions. As a result of an abnormal increase in intensity, for example, a force, acting in a direction of non-operation, is instantaneously oriented in the appropriate direction, so as to move rapidly a mobile armature * This armature is light and designed in such a way that it travels a relatively short distance by closing, through the relay contacts, the circuit breaker tripping circuit. This circuit has a high resistance compared to its inductance and it is boosted so as to reduce the delay due to the latter.
The armature normally biased towards the open position is attracted to the closed position in the event of a disturbance.
The circuit breaker then cuts the circuit, the relay automatically returning to the open circuit position. Only one circuit breaker can be used to protect the converter by applying a relay which operates consecutively to an overload and a second relay which operates under the action of the reverse current,
The new characteristics and the advantages of the invention will be better understood by referring to the following description and to the drawing which accompanied it, given simply by way of non-limiting example. An oonvei weaver 12, connected to line 10-11, has one of its armature terminals connected to 11 via a shunt 14.
The other terminal of the armature is connected to line 10, its flow circuit comprising the movable part 16 of the fast circuit breaker 18, a fixed contact 17 and a shunt 19.
The circuit breaker is preferably of the ultra-fast type.
The movable arm 16 of this circuit breaker 18 is normally maintained in the circuit position formed by a frame 20 mechanically connected by a hinge 21, the opposite end of the frame 20 pivoting at 22. A
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electromagnet 23 is provided with a holding coil 24 and a tripping coil 26, the former being normally supplied by a direct current source. Coil 26 can cause armature 20 to relax when supplied with unidirectional current of a determined direction. The arrangement is such that the trip coil 26, correctly supplied, forces the flow of the electromagnet 23 leaving the frame 20 and passing through the air gap.
A very rapid opening of the switch is then obtained thanks to a strong spring 28 which energetically attracts the movable part 16 in the open position of the circuit *
The trip coil 26 is connected, by the contacts 30 closed by the arm 16, to a suitable power source, shown here as a battery 32, connected to the wires 34 and 35; the closing of the supply circuit of the coil 26 depends on the position of one or the other of the relays 38 and 39. These are preferably identical, only the relay 38 will be described. As can be seen, it is provided with a movable contact arm 40, carrying a magnetic armature 41.
A spring 42 strongly attracts the arm 40, pivoted at 43, and maintains it in the open circuit position. An electromagnet 45 actuates the armature 41, its coil 46 being supplied by a suitable source, represented by a battery 48. This electromagnet 45 comprises a closed magnetic circuit and two protruding pole pieces 50 and 51 located opposite the armature 41.
A coil 54 is mounted on the branch 55 and is connected to the terminals of the shunt 19 by the conductors 56 and 57. The coil 46 is normally energized so as to saturate the electromagnet 45, the greater part of the flux passing through the circuit. magnetic thundered; only a weak flow of leakage acts normally on the reinforcement 41,
In the case of reverse current for example, the rapid increase in the intensity causes a current to flow through the conductors 56 and 57 and through the coil 54. The direction of the current in the attraction coil 54 is such that the magnetomotive force of the latter opposes the magnetomotive force of the coil 46 and it is of a value such that it causes an instantaneous displacement of the flux, the latter leaving the branch 55 of the magnet 45 and passing through pole pieces 50 and 51.
A considerable force of attraction is then exerted on the frame 41 driving the bars 40 towards the closure.
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To further reduce the duration of the operation, the fixed contact 60 is placed at a small distance from the moving contact of 40. In an exemplary embodiment of the invention, this distance is of the order of 1 to 4 mm.
In this case, the time required for the closing of the relay contacts from the moment when the current begins to increase in the supply line 10-11 varies between approximately 1/1000 and 2/1000 of a second.
As the circuit breaker 18 opens the circuit in 6/1000 of a second, it can be seen that the time required to isolate the converter 12 after the appearance of the reverse current is of the order of 8/1000 of a second, this duration being sufficiently short. to effectively protect the converter 12 from any possible damage.
As soon as the circuit breaker 16 has operated and isolated the converter: on 12, the coil 54 of the relay 38 is de-energized, and the spring 42 opens the contacts 40-60 of the relay which thus automatically returns to its rest position as soon as the switch has cut the circuit; this arrangement eliminates any complication of a free-release mechanism.
It will be understood that, in certain cases where the spring 42 provides: a low force, the coil 46 can be de-energized by an auxiliary contact provided on the main circuit breaker, so as to obtain the automatic return without the need for use. a complex free trigger mechanism. This auxiliary contact must close before reclosing the circuit breaker.
To close the circuit breaker 18 after its automatic tripping, the handle 80 is moved without clockwise, so as to store energy in the spring 28 and to bring the armature 20 into contact with the electro -Magnet 23. This operation carried out, the handle 80 is returned in the opposite direction, the report 28 then causing the movable part 16 to rotate around the axis 21 towards the closed position of the circuit. This device ensures that the circuit breaker is always ready to open its contacts, regardless of the position of the handle 80.
The relay 39 may be of identical construction and provided with a coil 70 supplied by a suitable source such as a battery 71, and its operating coil 72 is connected by the conductors 73 and 74 to the terminals of the shunt 14, a spring 76 normally maintaining the movable contact 78 in the open circuit position.
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To obtain a selective operation of the relays 38 and 59, the shunt 19 has a relatively high inductance compared to its resistance, so as to obtain a faster action of the relay in the event of the appearance of reverse current. The inductance of this shunt being relatively high, a rapid increase in current causes relay 38 to operate much faster than a slow increase in current, since the voltage applied to coil 54 is higher as the current increases rapidly. Shunt 14 offers less inductance than shunt 19; it is therefore less sensitive to the rapidly increasing overload current than the reverse current shunt. The two relays operate under these conditions selectively.
As can be seen, it is preferable to place the shunt 19 at the positive terminal of the converter 12 to ensure its protection in the event of any fault in the supplied network or on the positive side of the converter.
The relays being identical, it is understood that when an overload of a predetermined amplitude crosses the shunt 14, the coil 72 is energized and produces a magnetomotive force which in turn causes a strong attraction of the armature to the relay 78, so as to close the supply circuit of coil 26 of circuit breaker 18. This circuit is made up of the following elements: battery 52, conductor 35, relay contacts 39, conductors 34 and 82, coil 26 and contacts 30.
In order to further reduce the duration of the operation of the circuit breaker in the event that a disturbance causes the operation of one or the other of the relays, the supply circuit of the coil 26 offers a relatively high resistance compared to the inductance. of this coil. The resistor can be introduced into the coil itself or in the form of a separate resistor 84. By making this resistance preponderant and feeding the coil 26 from a relatively high voltage source 32, the speed of establishment of the voltage is substantially increased. current in the coil which is protected against the effects of this overvoltage, given that it is de-energized by the contacts 30 immediately after tripping of the circuit breaker.
Although a single embodiment of the invention has been described and shown, it is obvious that one does not wish to limit oneself to this particular form, given simply by way of example and without any restrictive character and that consequently all the variants having marne principle and same object as the provisions indicated above would enter as they
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in the context of the invention.