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RELAIS DETECTEUR DE COURTS-CIRCUITS SUR DES LIGNES
DE TRACTION A COURANT CONTINU.
Il peut arriver, sur les lignes de traction à courant continu qu'un court-circuit se produisant en un point suffisamment éloigne d'une sous-station, détermine dans la ligne un courant qui, bien qu'important, est insuffisant pour provoquer le déclenchement des disjoncteurs de protection.
Un tel court-circuit passe donc inaperçu mais il peut provo- quer, à la longue, des dégâts à la ligne par suite d'échauf- fements supplémentaires dans la caténaire, de l'entretien d'arcs, etc.
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Il existe des relais destines à détecter des court- circuits éloignés, exploitant le fait qu'en général, l'ac- croissement brusque du courant dans la ligne, résultant d'un court-circuit, est plus important que les accroissements de courant résultant de faits d'exploitation. Ces relais fonc- tionnent sous l'action du courant secondaire d'un transfor- mateur spécial dont le primaire est parcouru par le courant de ligne et dont le secondaire fournit un courant dont l'am- plitude maximum est sensiblement proportionnelle à l'accrois- sèment du courant primaire.
Ces relais connus ne donnent toutefois pas entière satisfaction car, d'une part, ils restent Insensibles à dea court-circuits particulièrement éloignes et, d'autre part, ils risquent de provoquer des déclenchements intempestifs pour des courants résultant d'une exploitation intensive.
Le relais suivant la présente invention est exempt de ces inconvénients} il possède une sélectivité aux court-circuits beaucoup plus poussée, Sa conception est basée sur le fait qu'un courant de court-circuit est caractérisé non seulement par l'accroissement de courant, en valeur ab- solue, qu'il détermine dans la ligne mais également par la vitesse d'établissement de cet accroissement de courant, cet-! te dernière se situant, à valeur absolue égale de l'accrois- sèment, dans un domaine nettement différent de celles corres- pondant aux cas normaux d'exploitation.
Le relais suivant l'invention mesure la valeur absolue de l'accroissement du courant de ligne et la vitesse
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d'établissement de cet accroissement et il ne fonctionne que lorsque les résultats de ces deux mesures franchissent simul- tanément des seuils prédétermines.
Il est caractérisé en ce qu'il comprend deux circuits électroniques à bascule, à seuil ajustable, le premier sensible à l'amplitude de l'accroisse- ment du courant de ligne et prévu pour fournir un signal de sortie pendant le temps où l'amplitude de cet accroissement dépasse le seuil fixé; le second sensible à l'amplitude de la dérivée du courant de ligne et temporisé de façon à four- nir un signal de sortie pendant un temps suffisamment long après que l'amplitude de cette dérivée a dépassé le seuil fixé, les signaux de sortie de ces deux circuits électron!- ' ques étant appliqués à un circuit logique du type MET- qui agit sur le déclenchement de l'appareillage de protection de la ligne lorsque ces deux signaux non présents simulta- nément.
La description ci-après et lea dessins annexés se rapportent à un exemple particulier de réalisation de l'in- vention.
La figure 1 représente le schéma électrique d'un relais détecteur de courts-circuits sur une ligne de trac- tion à courant continu. Il comprend deux circuits électroni- ques dont les entrées respectives sont attaquées par des ten- nions issues des secondaires de deux transformateurs de cou- rant 1 et 2 dont les primaires, non représentés, sont parcou- rus par le courant continu de la ligne à protéger. Le trans- formateur 1 possède un amortissement suffisant pour que, lors
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d'un accroissement de courant au primaire, l'amplitude maxi- mum de sa tension secondaire puisse être considérée comme étant proportionnelle à cet accroissement.
Le transformateur ! 2 a, au contraire, une faible constante de temps de sorte que la valeur instantannée de sa tension secondaire est sen- siblement proportionnelle à la dérivée du courant primaire.
Les deux circuits électroniques sont alimentés par une source de tension continue 3 obtenue, par exemple, par redressement et filtrage d'une tension alternative.
La tension secondaire du transformateur 1, prise sur un diviseur de tension constitué de deux résistances 101 : et 102, attaque l'entrée du premier circuit électronique constituée par le circuit de base d'un transistron 103 con- tenant une tension ajustable de prépolarisation prise aux bornes d'une résistance variable 104 alimentée, à travers une résistance 105, aux bornes d'une diode Zener 106 stabilisa- trioe alimentée par la source 3 à travers une résistance 107.
Cette tension de prépolarisation, dont le réglage, au moyen de la résistance 104, fixe le seuil de sensibilité du circuit est mise en série avec la tension apparaissant aux bornes d'une résistance 108, alimentée, à travers une résistance 109, par le diviseur de tension du transformateur 1. La ré- sistance 108 est shuntée par une diode Zener 110 qui joue un double rôle: d'une part, elle court-circuite les variations de tension secondaire du transformateur 1 qui correspondent à des accroissements négatifs, c'est-à-dire à des chutes du courant de ligne et, d'autre part, elle limite les tensions
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de sens utile à une valeur maximum de façon à protéger le transistron 103.
La tension de sortie de ce dernier, prise à sa résistance d'émetteur, est appliquée, à travers une résistance 111 et une diode Zener 112, à la base d'un tran- sistron 113 qui, à son tour, attaque une bascule classique équipée de deux transistrons 114 et 115 dont le signal de sortie est amplifié par deux transistrons successifs 116 et 117.
En l'absence de tension à l'entrée du circuit, c'est-à-dire de tension au secondaire du transformateur 1, le transistron 103 est bloqué et le transistron final 117 est débloqué, c'est-à-dire qu'il constitue un court-circuit entre son émetteur et son collecteur. Il est facile A ceux qui sont versés dans ce genre de circuits de contrOler les états des éléments intermédiaires.
Si un brusque accroissement de courant se produit dans la ligne, avec une intensité suffisante, le transistron 103 devient conducteur et son courant d'émetteur prend une valeur fonction de cet accroissement et du réglage de la résistance 104. Lorsque la tension aux bornes de la résis- tance d'émetteur a atteint une valeur suffisante, la diode Zener 112 devient conductrice, le transistron 113 se déblo- que et fait changer d'état la bascule 114- 115 qui, à son tour, par l'intermédiaire du transistron 116, bloque le transistron 117.
Cette situation dure Jusqu'au moment où, l'accroissement du courant de ligne étant stabilisé, la ten- sion au secondaire du transformateur 1, par suite de la
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constante de temps de celui-ci, redescend progressivement d'où il résulte que le seuil de conductibilité de la diode Zener 112 est franchi en sens Inverse et le transistron 117 se débloque à nouveau. Celui-ci s'est donc bloqué pendant . un intervalle de temps durant lequel la tension au secon- daire du transformateur 1 est restée supérieure à une valeur fixée.
Le deuxième circuit électronique, attaqué par la tension secondaire du transformateur 2, est de constitution quasi identique à celle du premier; comme on le voit, les éléments correspondant aux deux circuits sont désignés, à la figure 1, par des repères à trois chiffres dont le pre- mier est 1 pour le premier circuit et 2 pour le second, l'i- dentité des deux autres chiffres impliquant, pour les deux circuits, l'analogie des éléments. Toutefois, la bascule du second circuit, équipée de transistrons 214 et 215, est tem- ' porisée par l'action d'un condensateur 4 de sorte que, lors- qu'elle a changé d'état sous l'action du transistron 213, elle reste dans cette situation un certain temps après que celui-ci est revenu à son état bloqué.
Si donc il se pro- duit un accroissement rapide du courant de ligne, la tension secondaire du transformateur 2 débloquera, suivant le régla- ge de la résistance 204, le transistron 213, par l'intermé. diaire des éléments précédents, la bascule 214 - 215 chan- gera d'état, provoquant le blocage du transistron 217 et ce, pendant un temps fixe, indépendemment de la disparition de la cause initiale, après quoi le transistron 217 reviendra
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à son état débloqué, c'est-à-dire court-circuité, Les ten- sions de sortie des deux circuits électroniques sont appli, quées à un circuit logique du type "ET" comprenant des dio- des 118 et 218 reliées ensemble à un pont raccordé à la sour- ce 3 et comprenant en série une résistance 5, une diode 6 et une résistance 7,
la tension aux bornes de la résistance
5 attaquant le circuit de base d'un transistron 8 suivi d'un transistron 9 qui alimente la bobine d'un relais 10.
Les contacts de celui-ci sont intercalés en série avec la bobine de calibrage 11 du disjoncteur ultra-rapide de pro- tection de la ligne et avec un condensateur 12 chargé, à travers une résistance 13, par une source 14.
Comme on l'a vu plus haut, lorsqu'il n'y a aucune tension aux bornes des secondaires des transformateurs 1 et
2, les transistrons de sortie 117 et 217 des deux circuits électroniques sont débloqués et court-circuitent par consé- quent l'ensemble de la résistance 5 et de la diode 6 en sé- rie, ce qui fait que toute la tension de la source 3 se re- porte sur la résistance 7 ; il n'y a donc pas de tension aux bornes de la résistance 5 d'où il résulte que le transistron
8 est bloqué ; il en est de même du transistron 9 et le re- lais 10 n'est pas excité.
On voit facilement que, pour que ce dernier fonctionne, il faut que les transistrons 117 et
217 soient bloqués simultanément, ce qui ne se produit que si les conditions d'amplitude et de vitesse d'établissement d'un accroissement de courant, caractéristiques d'un court- circuit, sont réunies simultanément.
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La figure 2 illustre ce fonctionnement, La courbe A représente, en fonction du temps, la tension aux bornes du secondaire du transformateur 1 et la courbe B celle aux bor- nes du secondaire du transformateur 2. Les deux circuits électroniques fonctionnent à partir d'un seuil S de ces ten- sions, suppose le mtme pour plus de simplicité. Des que la tension représentée par la courbe B franchit le seuil S, le second circuit électronique fonctionne et son transistron final 217 se bloque, en raison de la temporisation de la bascule 214 - 215, pendant un temps T.
Lorsque, à son tour, la tension représentée par la courbe A franchit le seuil S, le premier circuit électronique fonctionne pendant le temps t où cette tension est supérieure au seuil et le transistron 117 se bloque pendant ce temps t.
La simultanéité de fonctionnement des deux circuits électroniques se produit pendant le temps correspondant à l'aire hachurée, ce qui détermine le déblocage des transis- trons 8 et 9 et le fonctionnements du relais 10 entraînant la décharge du condensateur 12 dans la bobine 11 et le dé- clenchement du disjoncteur ultra-rapide de protection de la ligne.
Moyennant un réglage approprié des résistances va- riables 104 et 204, on obtient le déclenchement de la ligne ' uniquement lorsque les deux conditions caractéristiques du court-circuit sont réunies et le relais reste insensible aux à-coups de courant résultant de l'exploitation normale.
Le relais peut être essayé par introduction, à
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l'entrée des deux circuits électroniques, au moyen de bou- tons-poussoirs 119 et 219, de tensions continues fournies par des sources appropriées 120 et 220.
On peut, bien entendu, apporter des variantes à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus sans sortir du cadre de la présente invention.
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SHORT-CIRCUIT DETECTOR RELAY ON LINES
CONTINUOUS CURRENT TRACTION.
On direct current traction lines, it may happen that a short circuit occurring at a point far enough away from a substation causes a current in the line which, although important, is insufficient to cause the tripping of the protection circuit breakers.
Such a short-circuit therefore goes unnoticed, but in the long run it can cause damage to the line as a result of additional heating in the catenary, maintenance of arcs, etc.
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There are relays designed to detect distant short circuits, exploiting the fact that in general, the sudden increase in current in the line, resulting from a short circuit, is more important than the resulting current increases. facts of exploitation. These relays operate under the action of the secondary current of a special transformer whose primary is traversed by the line current and whose secondary supplies a current whose maximum amplitude is appreciably proportional to the increase. - sowing primary current.
However, these known relays are not entirely satisfactory because, on the one hand, they remain insensitive to particularly distant short-circuits and, on the other hand, they risk causing unwanted tripping for currents resulting from intensive use.
The relay according to the present invention is free from these drawbacks} it has a much higher short-circuit selectivity. Its design is based on the fact that a short-circuit current is characterized not only by the increase in current, in absolute value, which it determines in the line but also by the speed of establishment of this increase in current, this! the latter being situated, for an equal absolute value of the increase, in a range markedly different from those corresponding to normal cases of operation.
The relay according to the invention measures the absolute value of the increase in the line current and the speed
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establishment of this increase and it only operates when the results of these two measurements simultaneously cross predetermined thresholds.
It is characterized in that it comprises two electronic rocker circuits, with adjustable threshold, the first sensitive to the amplitude of the increase in the line current and intended to provide an output signal during the time when the line current is increased. the amplitude of this increase exceeds the fixed threshold; the second sensitive to the amplitude of the derivative of the line current and delayed so as to provide an output signal for a sufficiently long time after the amplitude of this derivative has exceeded the fixed threshold, the output signals of these two electronic circuits being applied to a logic circuit of the MET- type which acts on the tripping of the line protection device when these two signals are not present simultaneously.
The following description and the accompanying drawings relate to a particular embodiment of the invention.
FIG. 1 represents the electric diagram of a relay for detecting short circuits on a direct current traction line. It comprises two electronic circuits, the respective inputs of which are driven by voltages from the secondaries of two current transformers 1 and 2, the primaries of which, not shown, are passed by the direct current of the line to protect. Transformer 1 has sufficient damping so that, when
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of an increase in current at the primary, the maximum amplitude of its secondary voltage can be considered as being proportional to this increase.
The transformer! 2 has, on the contrary, a weak time constant so that the instantaneous value of its secondary voltage is substantially proportional to the derivative of the primary current.
The two electronic circuits are supplied by a DC voltage source 3 obtained, for example, by rectifying and filtering an AC voltage.
The secondary voltage of transformer 1, taken from a voltage divider made up of two resistors 101: and 102, drives the input of the first electronic circuit formed by the base circuit of a transistron 103 containing an adjustable prepolarization voltage taken at the terminals of a variable resistor 104 supplied, through a resistor 105, at the terminals of a stabilizer Zener diode 106 supplied by the source 3 through a resistor 107.
This prepolarization voltage, the adjustment of which, by means of the resistor 104, fixes the sensitivity threshold of the circuit is put in series with the voltage appearing at the terminals of a resistor 108, supplied, through a resistor 109, by the divider voltage of transformer 1. Resistor 108 is shunted by a Zener diode 110 which plays a double role: on the one hand, it short-circuits the variations in secondary voltage of transformer 1 which correspond to negative increases, that is, that is to say to drops in the line current and, on the other hand, it limits the voltages
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useful sense at a maximum value so as to protect the transistron 103.
The output voltage of the latter, taken at its emitter resistor, is applied, through a resistor 111 and a Zener diode 112, to the base of a transistron 113 which, in turn, drives a conventional flip-flop. equipped with two transistrons 114 and 115 whose output signal is amplified by two successive transistrons 116 and 117.
In the absence of voltage at the input of the circuit, that is to say of voltage at the secondary of transformer 1, the transistron 103 is blocked and the final transistron 117 is unblocked, that is to say that it constitutes a short-circuit between its emitter and its collector. It is easy for those versed in this kind of circuits to control the states of the intermediate elements.
If a sudden increase in current occurs in the line, with sufficient intensity, the transistron 103 becomes conductive and its emitter current takes a value which is a function of this increase and of the setting of the resistance 104. When the voltage across the terminals of the emitter resistance has reached a sufficient value, the Zener diode 112 becomes conductive, the transistron 113 unblocks and causes the flip-flop 114-115 to change state which, in turn, via the transistron 116 , blocks transistron 117.
This situation lasts until, the increase in the line current being stabilized, the voltage at the secondary of transformer 1, as a result of the
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the latter's time constant, gradually descends, from which it follows that the conductivity threshold of the Zener diode 112 is crossed in the reverse direction and the transistron 117 unblocks again. It was therefore blocked during. a time interval during which the voltage at the secondary of transformer 1 has remained higher than a fixed value.
The second electronic circuit, driven by the secondary voltage of transformer 2, is of almost identical constitution to that of the first; as can be seen, the elements corresponding to the two circuits are designated, in figure 1, by three-digit references, the first of which is 1 for the first circuit and 2 for the second, the identity of the other two. figures implying, for the two circuits, the analogy of the elements. However, the flip-flop of the second circuit, equipped with transistrons 214 and 215, is timed by the action of a capacitor 4 so that when it has changed state under the action of transistron 213 , it remains in this situation for some time after it has returned to its blocked state.
If therefore there is a rapid increase in the line current, the secondary voltage of transformer 2 will release, depending on the setting of resistor 204, transistron 213, through it. Diary of the preceding elements, the flip-flop 214 - 215 will change state, causing the blocking of the transistron 217 and this, for a fixed time, independently of the disappearance of the initial cause, after which the transistron 217 will return.
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in its unblocked state, that is to say short-circuited, the output voltages of the two electronic circuits are applied to a logic circuit of the "AND" type comprising diodes 118 and 218 connected together to a bridge connected to source 3 and comprising in series a resistor 5, a diode 6 and a resistor 7,
the voltage across the resistor
5 attacking the base circuit of a transistron 8 followed by a transistron 9 which supplies the coil of a relay 10.
The contacts of the latter are interposed in series with the calibration coil 11 of the ultra-fast circuit breaker for protecting the line and with a capacitor 12 charged, through a resistor 13, by a source 14.
As seen above, when there is no voltage across the secondaries of transformers 1 and
2, the output transistrons 117 and 217 of the two electronic circuits are unblocked and consequently short-circuit the whole of the resistor 5 and of the diode 6 in series, which makes that all the voltage of the source 3 refers to resistor 7; there is therefore no voltage at the terminals of resistor 5 from which it follows that the transistron
8 is blocked; the same is true of transistron 9 and relay 10 is not excited.
It is easy to see that, for the latter to work, the transistrons 117 and
217 are blocked simultaneously, which occurs only if the conditions of amplitude and speed of establishment of an increase in current, characteristic of a short-circuit, are met simultaneously.
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FIG. 2 illustrates this operation. Curve A represents, as a function of time, the voltage at the terminals of the secondary of transformer 1 and curve B that at the terminals of the secondary of transformer 2. The two electronic circuits operate from a threshold S of these voltages assumes the same for simplicity. As soon as the voltage represented by curve B crosses the threshold S, the second electronic circuit operates and its final transistron 217 is blocked, due to the timing of the flip-flop 214 - 215, for a time T.
When, in turn, the voltage represented by curve A crosses threshold S, the first electronic circuit operates during time t when this voltage is greater than the threshold and transistron 117 is blocked during this time t.
The simultaneity of operation of the two electronic circuits occurs during the time corresponding to the hatched area, which determines the unblocking of the transistons 8 and 9 and the operation of the relay 10 causing the discharge of the capacitor 12 in the coil 11 and the ultra-fast line protection circuit breaker tripping.
With an appropriate setting of the variable resistors 104 and 204, tripping of the line 'is obtained only when the two characteristic conditions of the short-circuit are met and the relay remains insensitive to current surges resulting from normal operation. .
The relay can be tested by introduction, at
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the input of the two electronic circuits, by means of pushbuttons 119 and 219, of direct voltages supplied by suitable sources 120 and 220.
Variations can of course be made to the embodiment described above without departing from the scope of the present invention.