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:PERFECTIOJ\1Nlliillill.TS AH:;. DI-i' PRU±1cTii:lJ, Id0'.L'Eliürî¯;J '2 POUR 1B8 "":LHOlJ1J.%LU,TS DE TTACI3ITIFS ET dV 1ú"PAREILS ELgCTRIQÍJ '; à Il:1JUCT L'X"
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La présente invention vise des peit'e#i1oln:OEnonts aux appareils de protection, notamment pour les enroulements de rnacuines et d'appareils élec- triques à induction, par exemple do machines dynamo-eloctriques, do transforma- teurs, plus particulièrement de transformateurs du tope à onroul,ieuts protégés ou blindée ou non résonnants aux phénomènes transitoires résultant de décharges atmosphériques de surtensions, dues aux coupures, etc.
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L'invention offre un système de protection perfectionné pour installations électriques, pouvant être actionnées avec des enrouluments induc-
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tifs mis à la terre par l'intermédiaire d'une impédance désirée quelconque par rapport aux courants de la fréquence opératoire, sans soumettre les enroulements à des tensions execessives, au cours des phénomènes transitoires.
On compenra mieux les caractéristiques nouvelles et les avan- tages de l'invention en sa référant à la description suivante et aux dessins qui 1'accompagnent, donnés simplement à titre d'exemple, et dans lesquels :
Les Figures 1 à 6 inclusivment représentent schématiquement diverses réalisations de l'invention.
Les Figuras 7 à 10 inclusivement sont des courbes caractéristi- ques montrant avec diverses conditions de connexions, les distributions de ten- sion initiale, finale et Maximum dans un transformateur ordinaire ou dépourvu de blindage, soumis aux phénomènes transitoires.
La Figure 10 représente la bourbe de tension se présentant lorsque le transformateur est mis à la terre par des appareils conformes à l'in- vention Les Figures 11 à 14 inclusivement sont analogues aux Figures 7 à 10 respectivement, sauf qu'elles concernent un transformateur du type blindé ou non résonnant.
.la Figure 15 enfin, donne des courbes caractéristiques servant à l'explication de l'invention .
Dans les dernières années la technique a présenté une tendance à abandonner los points neutres isolés et à faire appel à dos pointa neutres mis franchement à la terre; suivant cette tendance se sont développés les transfor- mateurs à enroulements protégés ou non résonnants grâce auxquels une distribution meilleure de tension est assurée à travers les enroulements au cours de phénomè- nes transitoires'* 'De tels transformateurs, fonctionnent mieux dans des conditions transitoires lorsque le point neutre est franchement mis à la terre.
Avec la tendance croissante des lignes et réseaux électriques à l'intorconexion, le problème de la stabilité, en cas do défaute d'isolament par rapport à la terre, est devenu extrêmement important, car il ost très désirable que des machines synchrones demeurent au synchronisme' A cet effet, la tension doit être maintenue en cas de défaut d'Isolement par rapport à la terre.
Cela peut âtre réalisé d'une façon an limitent le passage du
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courant dans le point neutre vers la connexion de torr", par l'ii.saxrtion dans la liaison entre le point neutre et la terre,d'une in'I'0danco plus ou moins gran= de offerte au passage des courants accidentels de fréquence opératoire* en d'au-
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tres termes, le point neutre est isolé dans la mesure .-sirée pour de tels cou- rants de fréquence normale" Cela a aussi pour effet de réduire le service dos disjoncteurs de circuit.
En effet, aussi bien si la transformateur est dépourvu de ré- sonance que dans le cas contraire, dos perturbations à la fréquence opératoire n'entraînent pas de surtensions, mais des perturbations transitoires telles que des décharges atmosphérique des surtensions dues aux interruptions et ferme- tures, etc... entraînent une élévation transitoire dans la tension neutre, et de
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cette faqon'des boeillations dangereuses.
L'isolement à l'égard de toiles ten- sions est coûteux et fréquement inefficace.,
Ceci Posé, conformément à ia présente invention, on prévoit des moyens grâce auxquels, pour les courants de fréquence opératoire, il est
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possible d'isoler éconouiquemant le point neutre dans la mesure désirée;, sans sacrifier ni réduire la sécurité du transformateur vis-L-vis des torsions tran- sitoires.
On va tout d'abord expliquer l'invention en regard des Figures 7 à 14 inclusivement.
Dans ces figures, les abscisses représentent les distances pri-
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ses le long des enroulements représentés schématiquement aundassous des lignes horizontales, et les ordonnées représentent les tensions.
Les caractéristiques de distributions do'tensions transitoires Initiales, finale et maximum, dans les divers enroulamu-bs, sont représentées respectivement par les courbes en traits pleins désignées par I, les courbes en traits mixtes désignées par F, et les courbes en traits pointillés désignées par M
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Les Fibres 7 à 10 donnent des caract0r'Îstiquos de distribution de tension pour le transformateur à enroulements ordinaires ou dépourvu de pro- tection, tandis que les Figures 11 à 14 concernent les transformateurs à enrou-
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lements blindés, le blindage étant désigné par la ligne ,0.
Dans chaque cas, la tension due à un )[ll:bmène transitoire, appliquée à la borne de ligne ou à gauche sur l'enroulomuit du transrormateur 21, est supposée la même, c'est-à-dire égale à la longueur du l'axe des tensions, et
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les tensions sunt prises par rapport à la terre. Dans les figures, L désigne la borne de ligne, et N le point neutre.
Un circuit traverse un'état transitoire, si la distribution de la tension dans le circuit, à l'instant suivant immédiatement l'application brus- que de potentiel, est différente de la distribution finale qui s'établit après que le potentiel a été maintenu pendant une durée appréciable. L'état transitoire est ainsi celui de la transition de potentiels locaux, depuis leur s valeurs ini- tiales vers leurs valeurs finales.
Au coûta du phénomène transitoire, le potentiel d'un point quel- conque du circuit, par rapport à une borne quelconque de l'enroulement, varie d'une quantité égale à un multiple de la différence entre les valeurs initiales et finales, le taux de variation dépendant de la constante de temps du circuit.
Suivent la différence entre les valeurs initiales et finales ' de la tension en un point, sa tension, au cours de l'oscillation, peut s'élever ou ne pas s'élever au-dessus de la valeur de la tension appliquée aux bornes du circuit entier.
Des Figures 7-10, 12 et 13, il résulte que, pour les arrange- monte représentés, les valeurs maxima de la tension sur l'enroulement de trans- formateur 21 dépassent, en totalité ou en partie, les tensions finales, tandis que, sur les Figures 11 et 14 , les tensions maxima et finales sont semblables.
En re reportant de nouveau aux Figuras 7-la, 12 et 13, étant ' donné que les distributions de tensions initiales et finales sont différentes, on conçoit que la tension à travers 1'enroulement s'ajuste d'elle-même, de la valeur initiale à la valeur finale en passant par une oscillation complexe.
La ligne de la distribution de tension finale sert de ligna d'équilibre ou d'axe pour les oscillations dont l'amplitude en chaque point dé- pend de la différence entre les distributions de tensions initiales et finales.
Dans les transformateurs de puissance comportant des enroule-' monts dépourvus de blindage, la distribution de tension initiale produite par une onde mobile à front raide, est pratiquement la même, aussi bien si le point neutre est mis à la terra, comme dans la Figure 7, quo s'il est plus ou moins isolé, came dans les Figures 8,9 et 10. Cela se produit parce qu'au premier moment la tension se concentre sur l'extrémité de l'enroulement, voisine de la ligne.
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La chute de tension à travers une grande partie de 1'enroule- ment, au voisinage de 19 extrémité neutre, est une petite fraction de la tension appliquée totale. Il est évident que le fait quo le point neutre soit Jais à la terre ou en soit, isolé, ne présente pas une importance notable e ce qui con- cerne la distribution de tension initialee
La distribution de tension finale du transformateur avec le point neutre isolé, diffère notaolement de celle du transformateur avec la point neutre mis à la terre.
Cela résulte d'une comparaison des .figuras 8,9, 10 ,12 et 13 avec les figures , 11 et 14- En supposant que Inonde mobile soit unidiroctionnelle et ne soit que peu amortie, l'effet de cette onde sur le transformateur, après que son maximum a été atteint, est analogue au cas du courant continu, Celé- cons- titue la tonna d'onde la plus commune sur les lignes de transmission, comme résultat des décharges atmosphériques.
Avec de telles ondes,'notamment si elles sont à front raide, tous les points d'un enroulement isolé prennent finalement une tension supérieure au potentiel de terra;, égale à la tension appliquée, comme représente Figures 8 et 12.
S'il arrive que le point neutre soit misa à la terre par l'in- termédiare d'une impédance, la tension finale peut être inférieure à la tension appliquée, comme représenté sur les Figures 9, 10 et 13. Si le point neutre d'un enroulement est mis franchement à la terre, la tension ifale de divers points est proportionnelle aux spires entre ces points et le point neutre;, comme repré- senté Figures 7 et 11.
L'amplitude de l'onde transitoire moyenne duu aux coupures est d'environ moitié de celle do l'onde transitoire monenne due aux effets atmosphé- riques, mais la première onde transitoire est une oscillation amortie et elle produit des oscillations forcées ou cumulatives dans les enroulements -du trans- formateur.
En conséquence, l'amplitude des oscillations intérieures augmente avec chaque demi-période successime de l'onde transitoire duo aux coupures ou aux fermetures, et bien que sa tension à la borne d'entrée soit égale à la moitié de celle des perturbations atmosphériques, les tensions intérieures sont au moins doubles par rapport à la tension appliquée.
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Le rapport élevé entre la tension appliquée et la tension inté- rieure est le résultat de la résonance entre la fréquence de la surtension due aux coupures et vue quelconque ou plusieurs des fréquences naturelles du trans- formateur. Le résultat est que les valeurs absolues des contraintes intérieures produites'par une surtension moyenne atmosphérique et par une surtension transi- toire due aux coupures, sont à peu près égales.
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En observant la Figura 7, on voit qu'avec un transfoimatour ordi- naire à enroulements non protégés, ayant le point neutre N mis à la terre avec un bon contact, les tensions auxquelles est soumise une plus ou moins grande partie de l'enroulement 21, en cas de phénomènes transitoires, dépassent généralement la tension transitoire appliquée.
Avec l'enroulement de transfonnatour 21 protégé comme dans la Figure 11, et le point neutre mis à la terre, les distributions de tensions ini- tiale, finale et maximum sont les mêmes, et les, tensions sont proportionnelles au nombre des spires depuis le point neutre mis à la terre.
Si le point neutre N n'est pas mis à la-terre, comme dans les
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Figures f3 et 7.r dans ce cas la tension maximum dépasse notablement la tsnsion appliquée, et au point noutre, dans le cas du transformateur à enroulements non protégés, elle peut âtre double de la tension appliquée.
Lorsque le point neutre N est mise à la'terre, par une résistance ou une inductance 22, comme dans les Figures 9 et 13, dans ce cas, suivant son impédance, la tension maximum au point neutre dépasse généralement la tension ap-
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lîquée, bien que, dans 10 cas d'un point neutre complètement isolé, la tension maximum du point neutre sur le .tà<ansfoa>a%eur blindé soit inférieure à la tension correspondante sur le tra12sfo:rHlateur non blindé.
En. vue d'ezp2fitr les surtensions, notamment au point neutre, on à prévu une impédance! du point poutre 23, représentée schématiquement sur les
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Figures 10 et 14. Canfin1J1ement à l'invention, cette impédance est dimensionnée électriquement de façon que le potentiel, depuis le point neutre jU8c}.U'à la terre produit par une tension transitoire appliquée à la borne de ligne de l'enroulematt 21 et dépassant la tension normale de aetto-boàne par rapport à la terre, ne dé- passe que d'une certaine quantité detarminée la tension du point neutre à la fré- quence normale, en cas de mise à la terre de la ligne.
En examinant les Figures 10 et 14, on'voit que les tensions ma-
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xima, aotsmmeat pour lu point neutre, sont maintenues ù (if3s valeurs très inf("- rieures aux tensions obtenues'avec les arrangements représentes Fig. res 8. 9, 12 et 13, et dans le cas du transformateur blindé de la 'igure 14, les distribu- tions de tensions initiales, finale et maximum sont uniforms et sont maintenues à peu près pareilles, comme dans le transformateur blindé, on cas de mise directe à la terre*
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Dans ces conditions, avec un tl'al1SfOJ:'lI.E:
LúUr blindé et un dispo- sitif de mise à la terre conforme à l'invention, il es.1 possible de maintenir à une faible valeur les oscillations intérieures ainsi que la tension neutre, car l'impédance neutre conforme à l'invention ne gène pas le rôle assigne au blinda- ge.
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. Si un transformateur Lais à 1 terre pr l'intemiédiaire d'une résistance, est soumis à une onde mobile, il se produit deux pnénOlL.U0S transi- toires essentiellement différents. L'un est d'allure exponentielle' il est déter- miné par le transformateur agissant comme inductance pure, tendis que la résis- tance neutre et l'impédance de ligne par rapport aux surtensions, agissent comme résistances pures. L'autre phénomène transitoire est l'oscillation dans l'enrou-
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lement de transformateur qui comprend en réalité plusieurs inductancds et capaci- tances interconnectées.
Ceci posé, si Z est l'impédance de la lie do transi ssion par rapport à la surtension, LT l'inductance du transformateur;, et RN la résistance neutre, dans ce cas, à l'instant suivant immédiatement le choc de l'onde mobile, la tension entrera apparaît sur le transformateur, et la distribution initiale est la même que dans un transformateur franchement mis à la terre, comme représen- té par les courbes I dos Figures 7 et 9
Lorsque la tension appliquée E est maintenue indéfiniment par l'onde mobile, la tension finale appliquée au transformateur s'annule,
et la
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tension appliquée est divisée entre Z et l\i # on proportion de lours valeurs 1'8latîves- La tension finale appliquée à R est EN=EN/Z=RN La tensions transitoire à travers la résistance s'éleva de ma-
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nière exponentielle depuis zéro jusqu'à EN , avec un ta,.Q:
qui est une fonction de T
Z+RN En ce qui concerne l'oscillation intérieurs, on sait que, du
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fait que l'impédance des lignes de transmission par rapport à la surtension possède une grandeur de quolques centaines'd'ohms, son effet peut être négligé
Avec le point neutre isolé, les potentiels d'enroulements s'élè- vent sous l'influence d'une onde mobile au-dessus de la tension appliquée.
Le taux ou la proportion de cette élévation dépend des fréquences naturelles de l'enroulement. Le taux d'élévation est plus grand au point neutre qu'aux autres points de'1'enroulement*Lorsque le point neutre est mis à la terre à travers une résistance, le taux d'élévation de la tension neutre est une fonction de LT
Z+RN
Si ce taux est à peu près aussi élevé que pour le point neutre isolé, la présence de résistance n'a pratiquement aucun effet sur lestensions maxima à la terre créées par les oscillations à travers l'enroulement.
S'il est plus faible, la présence de la résistance tend à abais- ser ces tensions- L'effet de résistance est maximum au point neutre et au voi- sinage de l'extrémité des lignes, il est faible. Ainsi plus le phénomène tran- sitoire exponentiel est lant,pls le transformateur agit comme si son point neutre était mis à la terre*
Etant donné que la tension neutre finale ENrésultant du phéno- mène transitiore exponementile, es égale à: E EN/Z+RN il en résulit que, si Z possède une valeur d'environ 300 ohms, une tension appréciable peut fi- nalement apparaître au point neutro, si l'onde mobile est suffisamment longue.
Le pourcentage précis de EN qui est fourni par une onde déterminée dépend de' la longueur de l'onde et dela valeur de LT/Z+R. du phénomène transitoire,
Z+RN Ainsi, avec une longueur déterminée de l'onde, il est possible de limiter la' tension du point neutre à une fraction désirée quelconque de E , en choisis-.
N sant pour RN une valeur appropriée. Mais en agissant ainsi, la valeur do RN est susceptible d'être trop faible pour limiter le courant neutre à la valeur désirée, en cas de production d'un incident ligne vers terre-
Lorsque le transormateur est mis à la terre à travers une indue- tance, la distribution de la tension Initiale est la même que dans le cas d'un transformateur franchement mis à la terre , comme représenté par les courbes I sur les Figuras 7 et 9- .La tension finale RN au point neutre, pour une onde de longueur indéterminée , est donnée par'la formule :
EN=E LN LN +LT
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dans laquelle LN désira 1 inductance neutre.
Avec un transformateur déterminé, il eut facile de vuir que., plus l'inductance neutre est grande, plus la tension neatre finale l'est aussi.
Mais les valeurs sont inférieures à E LN L + L si la longueur d'onde de
LN + LT la tension appliquée est plus courte que la moitié de la période d'escillations du point neutre-
L'axe de l'oscillation intérieure du transformateur, pour la dis- tribution de tension finale, est une ligne droite reliait le potentiel de la bou ne de ligne au potentiel final EN du point neutre, comme représenté par F sur la Figure 9.
L'effet de transformateur de l'inductance L dépend du nombre des transformateurs dans une installation déterminée, qui sont soumis simultanément à une surtension- Lorsque les troias transformateurs sont soumis simultanément à une surtension, LT est l'inductance de court-circuit dos transformateurs'. S'il ar rive qu'un seul transformateur soit soumis à une impulsion, LT est l'indctace de circuit ouvert-
En'se reportant maintenant à la réalisation de l'invention re- présentée figure 1, un enroulement inductif 25 pouvant être un enroulement de génératrice ou de transformateur, ou analogue, est monté dans un circuit mono- phasé comprenant les conducteurs de ligne 26.Un point 27 de l'enroulement 25 est relié à la terre par 1 intermédiaire d'une capacité 28.
La réactance de la capacité 28 possède une valaur propre à assu- rer que, avec une tension transitoire appliquée à une borne de ligne de l'enrou- lement 25, l'élévation de tension du point 27 ne dépasse pas un pourcentage dé- terminé de la tension appliquée-
La distribution de tension primitive, le long do l'enroulement 25 est la même que dans un transformateur franchement mis à la terre tvoir Fig.7).
Si l'onde possède une longueur infinie, la tension finale au point 27 est égale à la tension appliquée
Avec une tension constante appliquée brusquement et maintenue à une borne du transformateur, la tension appliquée à la capactié commence à oscil. ler d'une manière analogue à ce qui se passerait si l'enraslemnt de transfor- mateur agissait comme une inductance pure.
La tension appliquée à la capacité commence avec zéro et oscille avec une amplitude égale à la tension appliquée autour d'an point d'équilibre
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dont la tension, par rapport à la terre, est égale à la tension appliquée.
En négligeant l'impédance de la ligne, aux surtensions, la fré- quence des cscillttions est donnée par la formule f= si CN. la capacité dans la liaison de terre, est grande par rapport à la capa- cité électrostatique du transformateur* En plus de cette oscillations, l'enrou- lement entier 25 oscillo : ses fréquenvces naturelles, courue précédemment expli- qué.
Conformément à l'invention, la capacité 26 est choisie sufissam- ment grande pour abaisser la fréquence f, de manière que la tension au point 27 au bout det microsecondes, s'élève seulement à un pourcentage déterminé de la tension appliquée.
Dans ce cas, l'oscillation intérieure est pratiquement égale à ce qu'elle serait si le point neutre 27 était mis franchement à la terre. Mais si une petite capacité est utilisée, dans ce cas la tension du point 27 atteint plus rapidement une valeur comparable à la tension appliquée, et l'oscillation du transformateur approche celle du transformateur avec point neutre isolé-
Les courbes des tensions maxima à la terre se produisant pondant t microsecondes, sont analogues en apparence à la courbe de la Figure 7 pour une capacité élevée, de la Figura 9 pour une capacité moyenne, de la Figure 8 pour une capacité faible- Pratiquement , la capacité CN dans la liaison de ter- re, peut titre choisie suffisamment grande pour la longueur d'onde maximum atten- due en exploitation,
de Lagon à limiter la tension au point 27 à un pourcentage désiré quelconque de la tension appliquée.
La Figure 15 montre la relation entre la tension maximum appli- quée à la capacité DN et le rapport de la durée de l'application de la tension à la.période naturelle 1 de l'enroulement de transformateur 25 et la capacité 28- Cette tension dépend non seulement de ce rapport, mais aussi de la forme de l'onde de la tension ap[liquée; par exemple, la courbe A concerne une onde rec- tangulaire, tandis que la courbe B concerne une onde triangulaire.
En conséquence, il est possible, conformément à l'invention, do choisir convenbblement l'impédance de mise de terre pour que le transformateur fonctionne, sous une excitation par onde mobile définie, comme s'il était réel- lement mis à la terre avec bon contact.
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Au lieu de mettre à la terre le point au du l'enroulement de transformateur 25, par l'intermédiaire d'une capacité, un peut le mettre à la terre par un montage ou un équipement comprenant un éclateur 29, uno résistance 30, ou les deux. L'éclateur 29 peut être d'un type convenable quelconque, mais on utilise avantageusement un éclateur à vide comprenant des électrodes froides, et dans lequel l'ionisation ne joue aucun rôle dans la rupture.
L'éclateur 29 est réglé pour être traversé par un arc à la ten- sion désirée, qui ne doit pas être dépassée, et est en outre réglé de façon à en pécher le maintien d'un arc de puissance avec les tensions de fréquences prévues
La résistance 30 peut être de type quelconque mais doit être dé- pourvue d'effet inductif notable. Pour cette résistance, il est avantageux de prendre un élément en matière spéciale possédant une caractéristiques de courant négative, sans temporisation..
Une telle résistance permet le passage du courants transitoires à haute tension, en offrant néanmoins une résistance trans élevée au courant de fréquence opératoire, de manière à faciliter l'extinction do l'arc dans l'écla- teur 29 lorsque la résistance et l'éclateur sont tous deux utilisés L'équipe- ment de la Figure 2 est particulièrement avantageux pour les phénomènes transi- toires à grandes longueurs d'ondes.
Avec une capacité seule dans la liaison de terre, lus dimensions, et en conséquence le prix du condensateur, sont déterminés par la longueur de l'onde mobile pour laquelle la dispositif doit être prévu- En effet, la fréquen- ce du point 27 doit être d'autant plus faible que l'ondu est plus longue, pour maintenir la tension du point au-dussous d'une valeur déterminée. comme repré- senté Figure 15, et en conséquence, la capacité du condenateur peut être ran- due d'autant plus grande- En outre, en raison de la possibilité do résonance de l'inductance du rransformateur et de la capacité de la liaison de terre à la fréquence f,des courants intenses peuvent passer dans la capacité C A cause
N.
de cette possibilité d'un circuit résonnant en série, la tension appliquée à la capacité 28 peut atteindre des valeurs dépassant celles pour lesquelles le point 27 du transformateur est isolé.
Etant donné que'l'équipement de la Figuru est particulièrement applicable au cas des ondes longues, il peut être combis avuc cela de la Fig.l, pour éliminer de telles possibilités.
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L'équipement- de la Figure 3 comprend un ensemble combiné disposé dans la connexion du point neutre à la terre d'un transormateur polyphasé com- portant des enroulements 21 montés dans un circuit polyphasé comportant des con- ducteurs 31.
Par "transformateur polyphasé", on désigne, soit un transforma- tour polyphasé proprement dit, soit un groupe de transformateurs monophasés en liaison polyphasée. Le transformateur de la pigura 3 est établi avec ses enrou- lements munis d'écrans 20, mais l'invention.n'est pas limitée à un tel système, et le transformateur peut être du type courant comportent des enroulements non protégés.
Dans la connexion à la terre, venant du point neutre N, est mon- tée la capacité 28 et, avec celle-ci, est reliée en parallèle la résistance 30 en série avec l'éclateur 29, au un seul de ces éléments. Avec un tel système, pour des courants de fréquence opératoire, le point neutre N est pratiquement isolé- La capacité 28 possède une valeur propre à empêcher l'élévation de ten- sion du point neutre au-dessus de la valeur désirée, pour les longueurs d'ondes transitoires, jusqu'à une certaine longueur déterminée.
La valeur de la capacité 28 peut être telle que la fatigue due à la tension transitoire au point neutre ne dépasse pas la fatigue créée par l'essai spécifié à haute tension à la fré- quence opératoire. pour des longueurs d'ondes plus grandes que celles pour lesquel- les est choisie la capacité 28, c'est-à-dire après qu'elle a été chargée, et aussi pour le cas do résonance en série, enfin pour toutes circonstances suschpl tibles d'élever la tension appliquée à la capacité 28 au-dessus de la valeur dé- sirée, l'éclateur 29 fonctionne, et la résistance 30 fait face à la décharge transitoire.
; Bien qu'on ait représenté l'éclateur 29 et la résistance 30 re- liés en dérivation sur la capacité 28, on peut utiliser seulement l'un de ces dispositifs. Si c'est l'éclateur qui est seul utilisé, sa caréctiristique doit être de nature à mepêcher un passage destructeur de courants de puissance ayant la fréquence opératoire. Si c'est la résistance 30 qui ost utilisée seule, alla doit posséder de préférence une caractéristiques négative, comme précédemment dé- crit, de sorte qu'elle présente une résistance élevée aux courants de-puissance et \:!ne résistance très faible aux décharges transitoires à haute tans ion.
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Avec l'équipement représenté Figrues 1,2 et 3, on comprend que le point 27, ou la point neutre du transformateur, est pratiquement isolé pour les courants de fréquence opératoire. Si on désire que le point neutre N ne soit pas complètement isolé, mais mis à la terre par 1'intermédiaire d'une impédance limitant les courants de fréquence opératoire dans le cas d'un défaut d'isole- ment de ligne à terre d'importance déterminée,on peut faire appel à une induc- tance 33 représentée Figure 4, ou à Iule résistance, comme représenté Figure 5-
En parallèle avec l'un quelconque de ces éléments, on peut uti- liser, soit l'éclateur 29 et la résistance 30, soit les daux.
Si l'éclateur 29 est supprimé, la résistance est de préférence à caractéristique négative. Si l'intervalle 29 est prévu, ses caractéristiques doivent être de nature à empoê- cher le passage destructeur de courants de puissance de fréquence opératoire,
Ba résistance de limitation 34 pour ciurans de puissance peut être de type quelconque. Ainsi, avec l'un ou 1 autre des équipements des Figu- res 4 et 5, l'impédance à la fréquence opératoire peut avcir iulevaleur désirée quelconque, tandis que l'impédance, aux fréquences de tension transitoire, est très faible lorsqu'aucun éclateur n'est prévu, et si un éclateur est prévu, elle est contournée par un arc après l'impédance.
La Figure 6 représente une réalisation destinée à la commande de la tension transitoire neutre- Dans ce cas, on relie on parallèle, dans une connexion point neutre à terre, une capacité 28, une inductance 33, ot une ré- sistance 50 ou un éclateur 29, ou tous les deux en série.
La capacité 28 et la résistance 30 sont dimmensionmnées de façon que la tension'neutre ne s'élève pas au-dessus d'un pourcentage déterminé de la tension transitoire appliquée, indé- pendamment du type de phénomène transitoire de ligne,
A l'heure actuelle, on considère comme satisfaisant que la fati- gue de tension au point neutre, résultant des effets transitoires, ne dépasse pas la fatigue de tension créée par l'essai à haute tension spécifié à la fré- quence opératoire.
L'impédance de la liaison de terre, dans son ensemble, aux cou- rants de fréquence opératoire, possède une valeur telle qu'elle limite ces cou- rants, en cas d'incident de ligne à terre, à une valeur déterminés :Etant donné que la capacité 28 diminue le taux d'accroissement de la tension neutre, pro- duit par une surtension quelconque, elle est de préférence choisie de. manière à rendre le taux d'accroissement assez faible par rapport à la fréquence natu-
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relle du transformateur, de façon que l'enroulement de transformateur oscille comme s'il n'était pas mis franchement à la terre.
A ce sujet , la comparaison des courbes de la Figure 10,avec la Figure 7 pour le transromateur non protégé, et de la Figure 14 avec la Figure 11 pour le transformateur protégé, montre l'analogie des perturbatins de ten- sion transitoire sur le transformateur.
Etant donné qui le rapport de la réactance du transformateur et des réactances des dispositifs insérés dans la connexion point neutre à terre, varie beaucoup pour les diverses conditions se présentant dans la pratiqua, il en résulte que les valeurs de la capacité 28 et de l'inductance 33 varient aus- si. Si la résistance désirée 60 est faible et si elle possède un effet apprécia- ble à la tension de fréquence opératoire, l'éclateur 29 est placé en série avec la résistance 30. Le réglage de l'intervalle ou éclateur 29 est bien entendu tel qu'il ne se produit pas d'arc à la tension neutre la plus élevée à la fréquence opératoire.
Comme précédement indiqué la résistance 30 et l'intervalle 29 sont de préférence agencés de faqon à ne pas permettre aux courants de puissance de suivre le courant trensitcire, après amorçage d'un arc par le phénomène transi- toire.
: Dans l'équipement représenté Figure 6, toute possibilité de ré- sonance entre la capacité 28 et l'inductance 33, pouvant entraîner une tension neutre élevée, se heurte à la résistance 30, soit seule, soit combinée avec éclateur 29.
Dans le cas d'un défaut d'isolement de la ligne par rapport à la terre, la tension neutre de fréquence opératoire s'élève jusqu'à une valeur e dépendant du rapport da la récatance dans le point neutre à la réactance de transformateur et à la réacance du restant de l'équipement. Pour cette raison, la valeur e est choisie comme critérium pour le choix des constantes des dis- positifs dans la connexion point neutre à terre.
On peut les choisir de façon que'les fatigues dues à la tension transitoire équivalente ne dépassent pas la valeur 2a, qui est la valeur de l'essai à haute tension à laquelle le dispositif de mise de torre et le neutre N du transformateur doivent généralement résister.
Un enroulement protégé ou transformateur non résonant agencé pour un neutre mis franchement à la terre, lorequ'il est mis à la terre par l'intermédiare d'unerésistance ou d'une capacité ordinaire, oscille d'une manière analogue à un transformateur ordinaire, comme représenté Figure 13
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Cela se produit de cette façon, parce que, tandis que la distribution de ten-
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sion primitive est une iigne droite analogue à la distriuution de tension d'un transformateur non résonnant avec le point neutre mis franchement à la terre, elle ne coïncide pas avec sa distribution finale qui est la môme quo celle d' un transformateur ordinaire, comme représenté Figure 9.
On peut construire un
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transformateur blindé combiné convenablement avec mie i1Jll"i;dance conformément à l'invention, et agencé de façon que la distribution de tension initiale coin- cide avec la distribution de tension finale F de la Figure 13. Le circuit du transformateur et de la liaison de terre n'est alors pas résonnant.
Il peut être nécessaire!, dans certains cas, notamment avec des transformateurs non blindés, d'accroître la capacité entre la bornede ligne
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et la borne neutre du transfohnateur, en reliant un condensateur en dérivation sur ces bornes-Mais, dans certains cas, il n'est pas économique de construire un tel transfo±matsurn notamment si la tension finale du point neutre dépasse à peu près le tiers de la tension appliquée à la borne du ligne.
L'équation fondamentale mise en cause est la suivante :
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1C1 L202 dans laquelle Il et Il désignent les inductances du trbJn;±'o&liteur et de la connexion de terre respectivement, Clla capacité efficae entre les bornes de
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ligne et de terre du transformateur, et C2 la capacité 61iicace de la connexion de terre. Far l'expression "capacité efficace" ,on désigeu la capacité distri- buée des enroulements, plus toute capacité concentrée utilisée entre les bornes de l'enroulement envisagé.
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Bien que LI et soient Mixés par les conditions du problème, les valeurs de C1 et C 2 peuvent varier beaucoup car ceest soulozaent luur rap- port qui est déterminé par % et Lez On peut tirer avantâye de cette considé- ration lorsqu'il s'agit d'enroulements inducteurs non prct';és, pour éliminer ou réduire une partie ou la totalité des harmoniques de l'oscillation intérieu- re des enroulements, de manière à réduire les fatigues ducs aux tensions inté- rieurse
La longueur du front de l'onde ou sa durée doivent être au moins égales à la période naturelle de l'harmonique la plus basse destinée à être sup- primée.
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En choisissant convenablement les valeurs ac3 Cl et C , la foxme
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de l'onde de tension appliquée,, et en conséquence la longueur du front, peuvent être amenées aux valeurs désirées. Mais la capacité neutre peut 1$tre choisie de façon que le taux d'élévation de la tension neutre soit si faible que les ondes trouvées en pratique, n'aient pas pour effet d'élever le potentiel du point neutre, au-delà d'une valeur déterminée, comme représenté Figure 15.
La possibilité de résonance entre la capacité neutre 28 et la self du transfor- mateur pris dans son ensemble, en cas de phénomène transitoire dû aux interrup.. tions et fermetures est empêche par la résistance 30 montée en parallèle avec la capacité. Dans ces conditions, la distribution de tension transitioire est uniforme le'long de l'enroulement* Etant donné que l'impédance de la connxion de terre comprenant la capacité 28, la self 33 et la résistance 30, peut être rendue très élevée, le transformateur peut être appelé à agir 11 la fréquence opératoire, come si son point neutre était isolé.
Lorsqu'un équipement ou réseau électrique comprend deux ou plusieurs groupes polyphasés reliés à la terre, on peut placer un dispositif unique, confonde à, l'invention, entre le point neutre commun de ces groupes et la terre, pour assurer une protection efficace à l'égard des phénomènes transi- toires sur l'un quelconque dos transformateurs.
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: PERFECTIOJ \ 1Nlliillill.TS AH:;. DI-i 'PRU ± 1cTii: lJ, Id0'. Eliürî¯; J '2 FOR 1B8 "": LHOlJ1J.% LU, TS DE TTACI3ITIFS AND dV 1ú "SIMILAR ELgCTRIQÍJ'; to He: 1JUCT L'X"
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The present invention is aimed at small pieces of equipment for protection, in particular for the windings of machines and of electric induction devices, for example of dynamo-electric machines, of transformers, more particularly of transformers. from tope to onroul, protected or shielded or non-resonant ieuts to transient phenomena resulting from atmospheric discharges, overvoltages, due to cuts, etc.
- -
The invention offers an improved protection system for electrical installations, which can be operated with inductive windings.
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tives earthed through any desired impedance in relation to the currents of the operating frequency, without subjecting the windings to excessive voltages, during transient phenomena.
The novel features and advantages of the invention will be better understood by referring to the following description and to the accompanying drawings, given merely by way of example, and in which:
Figures 1 to 6 inclusive schematically show various embodiments of the invention.
Figures 7 to 10 inclusive are characteristic curves showing, with various connection conditions, the initial, final and maximum voltage distributions in an ordinary or unshielded transformer, subjected to transient phenomena.
Figure 10 shows the voltage slump occurring when the transformer is earthed by devices according to the invention. Figures 11 to 14 inclusive are similar to Figures 7 to 10 respectively, except that they relate to a transformer of the shielded or non-resonant type.
.Finally, FIG. 15 gives characteristic curves serving for the explanation of the invention.
In recent years the technique has exhibited a tendency to abandon isolated neutral points and to call upon neutral pointa frankly grounded; following this trend have developed the transformers with protected or non-resonant windings thanks to which a better distribution of voltage is ensured through the windings during transient phenomena. the neutral point is frankly earthed.
With the increasing tendency of power lines and networks to interconnect, the problem of stability, in the event of an insulation fault with respect to the earth, has become extremely important, since it is very desirable that synchronous machines remain in synchronism. 'To this end, the voltage must be maintained in the event of an Insulation fault with respect to the earth.
This can be done in a way that limits the passage of
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current in the neutral point towards the torr connection ", by the ii.saxrtion in the link between the neutral point and the earth, of a more or less large in'I'0danco offered to the passage of accidental currents of operating frequency * in addition
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In other words, the neutral point is isolated in the desired measurement for such normal frequency currents. This also has the effect of reducing the service of the circuit breakers.
In fact, both if the transformer is resonant and in the opposite case, disturbances at the operating frequency do not cause overvoltages, but transient disturbances such as atmospheric discharges overvoltages due to interruptions and shutdowns tures, etc ... cause a transient rise in the neutral voltage, and
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this way of dangerous boilings.
Isolation from tension webs is costly and often ineffective.,
This stated, in accordance with the present invention, means are provided by which, for the currents of operating frequency, it is possible.
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possible to economically isolate the neutral point to the desired extent ;, without sacrificing or reducing the safety of the transformer against transient twists.
The invention will first be explained with reference to Figures 7 to 14 inclusive.
In these figures, the abscissas represent the primary distances
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its along the windings shown schematically under horizontal lines, and the ordinates represent the voltages.
The characteristics of the initial, final and maximum transient voltage distributions in the various coils are represented respectively by the curves in solid lines designated by I, the curves in phantom lines designated by F, and the curves in dotted lines designated by M
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Fibers 7 to 10 give voltage distribution characteristics for the transformer with ordinary windings or without protection, while Figures 11 to 14 relate to transformers with windings.
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shielded elements, the shielding being designated by the line, 0.
In each case, the voltage due to a) [ll: b transient, applied to the line terminal or to the left on the winding of transformer 21, is assumed to be the same, i.e. equal to the length of the the tension axis, and
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the voltages taken in relation to the earth. In the figures, L denotes the line terminal, and N the neutral point.
A circuit passes through a transient state if the voltage distribution in the circuit, at the instant immediately following the sudden application of potential, is different from the final distribution which arises after the potential has been maintained. for an appreciable period. The transient state is thus that of the transition of local potentials, from their initial values to their final values.
At the cost of the transient phenomenon, the potential of any point in the circuit, with respect to any terminal of the winding, varies by a quantity equal to a multiple of the difference between the initial and final values, the rate variation depending on the time constant of the circuit.
There follows the difference between the initial and final values of the voltage at a point, its voltage, during oscillation, may or may not rise above the value of the voltage applied to the terminals of the whole circuit.
From Figures 7-10, 12 and 13, it follows that, for the arrangements shown, the maximum values of the voltage on the transformer winding 21 exceed, in whole or in part, the final voltages, while , in Figures 11 and 14, the maximum and final voltages are similar.
Referring again to Figures 7-la, 12 and 13, since the initial and final voltage distributions are different, it will be understood that the voltage across the winding adjusts itself, from the initial value to the final value through a complex oscillation.
The line of the final voltage distribution serves as the equilibrium line or axis for the oscillations whose amplitude at each point depends on the difference between the initial and final voltage distributions.
In power transformers having unshielded windings, the initial voltage distribution produced by a moving wave with a steep front is practically the same, as well if the neutral point is grounded, as in Figure 7, quo if it is more or less isolated, cam in Figures 8,9 and 10. This happens because at the first moment the tension is concentrated on the end of the winding, close to the line.
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The voltage drop across a large portion of the winding, near the neutral end, is a small fraction of the total applied voltage. It is evident that the fact that the neutral point is Jet to the earth or in itself, isolated, does not present a notable importance as regards the distribution of initial tension.
The final voltage distribution of the transformer with the neutral point isolated differs notably from that of the transformer with the neutral point earthed.
This results from a comparison of .figuras 8,9, 10, 12 and 13 with figures, 11 and 14- Assuming that the mobile wave is unidirectional and is only slightly damped, the effect of this wave on the transformer, after its maximum has been reached, is analogous to the case of direct current, this is the most common wave thunder on transmission lines, as a result of atmospheric discharges.
With such waves, especially if they have a steep front, all the points of an isolated winding finally take a voltage greater than the terra potential, equal to the applied voltage, as shown in Figures 8 and 12.
If the neutral point happens to be earthed through an impedance, the final voltage may be less than the applied voltage, as shown in Figures 9, 10 and 13. If the neutral point of a winding is positively earthed, the ifal voltage of various points is proportional to the turns between these points and the neutral point ;, as shown in Figures 7 and 11.
The amplitude of the average transient wave at the cut-offs is about half that of the average transient wave due to atmospheric effects, but the first transient wave is a damped oscillation and it produces forced or cumulative oscillations in the windings of the transformer.
Consequently, the amplitude of the internal oscillations increases with each successive half-period of the transient wave duo to cuts or closings, and although its voltage at the input terminal is equal to half that of atmospheric disturbances, the internal voltages are at least double the applied voltage.
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The high ratio between the applied voltage and the internal voltage is the result of the resonance between the frequency of the overvoltage due to the cuts and seeing any one or more of the natural frequencies of the transformer. The result is that the absolute values of the internal stresses produced by an atmospheric mean overvoltage and by a transient overvoltage due to cuts are approximately equal.
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By observing Figure 7, we see that with an ordinary transformer with unprotected windings, having the neutral point N earthed with a good contact, the voltages to which a more or less large part of the winding is subjected. 21, in case of transient phenomena, generally exceed the applied transient voltage.
With the transformer winding 21 protected as in Figure 11, and the neutral point earthed, the initial, final and maximum voltage distributions are the same, and the voltages are proportional to the number of turns from the neutral point earthed.
If the neutral point N is not earthed, as in the
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Figures f3 and 7.r in this case the maximum voltage significantly exceeds the applied tsnsion, and at the point noutre, in the case of the transformer with unprotected windings, it can be double the applied voltage.
When the neutral point N is earthed, by a resistor or an inductor 22, as in Figures 9 and 13, in this case, depending on its impedance, the maximum voltage at the neutral point generally exceeds the voltage ap-
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unshielded, although in 10 cases of a completely isolated neutral point, the maximum voltage of the neutral point on the shielded .tà <ansfoa> is less than the corresponding voltage on the unshielded tra12sfo: rHlator.
In. view of ezp2fitr overvoltages, especially at the neutral point, an impedance has been provided! point beam 23, shown schematically on the
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Figures 10 and 14. In accordance with the invention, this impedance is electrically dimensioned so that the potential, from the neutral point jU8c} .U 'to the earth produced by a transient voltage applied to the line terminal of the winding 21 and exceeding the normal voltage of aetto-box with respect to the earth, only exceeds by a certain amount the voltage of the neutral point at the normal frequency, in the event of the line earthing.
By examining Figures 10 and 14, it can be seen that the ma-
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xima, aotsmmeat for the neutral point, are maintained ù (if3s values very inf ("- less than the voltages obtained with the arrangements shown in Fig. 8, 9, 12 and 13, and in the case of the shielded transformer in figure 14, the initial, final and maximum voltage distributions are uniform and are kept roughly the same, as in the shielded transformer, in the case of direct grounding *
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Under these conditions, with a tl'al1SfOJ: 'lI.E:
When shielded and an earthing device according to the invention, it is possible to keep the internal oscillations as well as the neutral voltage low, because the neutral impedance according to the invention does not interfere with the internal oscillations. not the role assigned to shielding.
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. If a Lais transformer to earth through a resistor is subjected to a moving wave, two essentially different transient phenomena occur. One is exponential in shape; it is determined by the transformer acting as pure inductor, while the neutral resistance and the line impedance with respect to overvoltages, act as pure resistors. The other transient phenomenon is the oscillation in the winding.
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Transformer element which actually comprises several interconnected inductances and capacitors.
This being said, if Z is the impedance of the link of transition with respect to the overvoltage, LT the inductance of the transformer ;, and RN the neutral resistance, in this case, at the instant immediately following the shock of the moving wave, the voltage will enter appears on the transformer, and the initial distribution is the same as in a fully grounded transformer, as shown by curves I in Figures 7 and 9
When the applied voltage E is maintained indefinitely by the moving wave, the final voltage applied to the transformer is canceled,
and the
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applied voltage is divided between Z and l \ i # on proportion of our values 1'8latîves- The final voltage applied to R is EN = EN / Z = RN The transient voltages across the resistance rose by ma-
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n exponential from zero to EN, with a ta, .Q:
which is a function of T
Z + RN Regarding the interior oscillation, we know that, from
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fact that the impedance of the transmission lines with respect to the overvoltage has a magnitude of several hundred ohms, its effect can be neglected
With the neutral point isolated, the winding potentials rise under the influence of a moving wave above the applied voltage.
The rate or proportion of this rise depends on the natural frequencies of the coil. The rate of rise is greater at the neutral point than at other points of the winding * When the neutral point is grounded through a resistor, the rate of rise of the neutral voltage is a function of LT
Z + RN
If this rate is about as high as for the isolated neutral point, the presence of resistance has virtually no effect on the maximum voltages to earth created by oscillations through the winding.
If it is lower, the presence of resistance tends to lower these voltages. The resistance effect is maximum at the neutral point and near the end of the lines, it is weak. So the longer the transient exponential phenomenon, the more the transformer acts as if its neutral point were earthed *
Since the final neutral voltage ENresulting from the exponementile transition phenomenon is equal to: E EN / Z + RN it follows that, if Z has a value of about 300 ohms, an appreciable voltage may finally appear at the end. neutral point, if the moving wave is long enough.
The precise percentage of EN which is provided by a given wave depends on the wavelength and on the value of LT / Z + R. of the transient phenomenon,
Z + RN Thus, with a determined wavelength, it is possible to limit the neutral point voltage to any desired fraction of E, by choosing.
N is for RN an appropriate value. But by doing so, the value do RN is likely to be too low to limit the neutral current to the desired value, in the event of a line-to-earth incident occurring.
When the transformer is earthed through an inductance, the distribution of the Initial voltage is the same as in the case of a fully earthed transformer, as represented by curves I on Figures 7 and 9 - The final voltage RN at the neutral point, for a wave of undetermined length, is given by the formula:
EN = E LN LN + LT
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where LN wants 1 neutral inductor.
With a determined transformer, it was easy to see that., The greater the neutral inductance, the greater the final voltage.
But the values are less than E LN L + L if the wavelength of
LN + LT the applied voltage is shorter than half of the period of escillations from the neutral point-
The axis of the internal oscillation of the transformer, for the final voltage distribution, is a straight line connecting the potential of the line loop to the final potential EN of the neutral point, as represented by F in Figure 9.
The transformer effect of inductance L depends on the number of transformers in a given installation which are simultaneously subjected to an overvoltage - When the three transformers are simultaneously subjected to an overvoltage, LT is the short-circuit inductance of the transformers '. If it happens that only one transformer is impulsed, LT is the open circuit indctace-
Referring now to the embodiment of the invention shown in Figure 1, an inductive winding 25, which may be a generator or transformer winding, or the like, is mounted in a single-phase circuit comprising the line conductors 26. A point 27 of the winding 25 is connected to earth by 1 via a capacitor 28.
The reactance of capacitor 28 has its own value to ensure that, with a transient voltage applied to a line terminal of winding 25, the voltage rise at point 27 does not exceed a defined percentage. of the applied voltage
The primary voltage distribution along winding 25 is the same as in a fully earthed transformer (see Fig. 7).
If the wave has infinite length, the final voltage at point 27 is equal to the applied voltage
With a constant voltage suddenly applied and maintained at a terminal of the transformer, the voltage applied to the capacitor begins to oscillate. Act in a manner analogous to what would happen if the transformer embrace acted as a pure inductor.
The voltage applied to the capacitance begins with zero and oscillates with an amplitude equal to the voltage applied around an equilibrium point
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whose voltage, with respect to earth, is equal to the applied voltage.
Neglecting the impedance of the line at overvoltages, the frequency of cscillttions is given by the formula f = si CN. the capacitance in the earth link is large compared to the electrostatic capacitance of the transformer. In addition to this oscillations, the entire winding 25 oscillates: its natural frequencies, run previously explained.
In accordance with the invention, the capacitor 26 is chosen sufficiently large to lower the frequency f, so that the voltage at point 27 after microseconds rises only to a determined percentage of the applied voltage.
In this case, the internal oscillation is almost equal to what it would be if the neutral point 27 were frankly earthed. But if a small capacity is used, in this case the voltage at point 27 reaches a value comparable to the applied voltage more quickly, and the oscillation of the transformer approaches that of the transformer with isolated neutral point -
The curves of the maximum voltages to earth occurring, weighing t microseconds, are similar in appearance to the curve in Figure 7 for high capacitance, in Figure 9 for medium capacitance, in Figure 8 for low capacitance. the CN capacitance in the earth link, can be chosen sufficiently large for the maximum wavelength expected in operation,
de Lagon to limit the voltage at point 27 to any desired percentage of the applied voltage.
Figure 15 shows the relation between the maximum voltage applied to the capacitance DN and the ratio of the duration of the application of the voltage at the natural period 1 of the transformer winding 25 and the capacitance 28- This voltage depends not only on this ratio, but also on the waveform of the applied voltage; for example, curve A relates to a rectangular wave, while curve B relates to a triangular wave.
Accordingly, it is possible, in accordance with the invention, to properly choose the earth impedance so that the transformer operates, under a defined moving wave excitation, as if it were actually earthed with good contact.
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Instead of earthing the point at the transformer winding 25, through a capacitor, one can earth it by means of a circuit or equipment comprising a spark gap 29, a resistor 30, or both. The spark gap 29 may be of any suitable type, but a vacuum spark gap comprising cold electrodes is advantageously used, and in which ionization plays no role in the rupture.
The spark gap 29 is adjusted to be crossed by an arc at the desired voltage, which must not be exceeded, and is further adjusted so as to sin the maintenance of a power arc with the expected frequency voltages.
Resistor 30 can be of any type but should be devoid of significant inductive effect. For this resistor, it is advantageous to take a special material element having negative current characteristics, without time delay.
Such a resistance allows the passage of transient currents at high voltage, while nevertheless offering a high trans resistance to the operating frequency current, so as to facilitate the extinction of the arc in the spark-gap 29 when the resistance and the spark gap are both used The equipment of Figure 2 is particularly advantageous for transient phenomena at long wavelengths.
With only one capacitor in the earth link, the dimensions, and consequently the price of the capacitor, are determined by the length of the moving wave for which the device must be provided. Indeed, the frequency of point 27 must be all the weaker as the wave is longer, to maintain the voltage of the point above a determined value. as shown in Figure 15, and as a result, the capacitance of the capacitor may be increased all the greater. Further, due to the resonance possibility of the inductance of the transformer and the capacitance of the earth at frequency f, strong currents can flow through the AC capacitor cause
NOT.
From this possibility of a series resonant circuit, the voltage applied to the capacitor 28 can reach values exceeding those for which the point 27 of the transformer is isolated.
Since the equipment of Figure is particularly applicable to the case of long waves, it can be combined with that of Figure 1, to eliminate such possibilities.
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The equipment of Figure 3 comprises a combined assembly disposed in the connection of the neutral point to earth of a polyphase transformer comprising windings 21 mounted in a polyphase circuit comprising conductors 31.
The term “polyphase transformer” denotes either a polyphase transformer proper, or a group of single-phase transformers in polyphase connection. The transformer of pigura 3 is set up with its windings provided with screens 20, but the invention is not limited to such a system, and the transformer can be of the common type having unprotected windings.
In the connection to the earth, coming from the neutral point N, the capacitor 28 is mounted and, with this, the resistor 30 is connected in parallel in series with the spark gap 29, to only one of these elements. With such a system, for currents of operating frequency, the neutral point N is practically isolated. The capacitor 28 has a specific value to prevent the rise in voltage of the neutral point above the desired value, for the lengths. transient waves, up to a certain determined length.
The value of the capacitor 28 may be such that the fatigue due to the transient voltage at the neutral point does not exceed the fatigue created by the specified test at high voltage at the operating frequency. for wavelengths greater than those for which the capacitor 28 is chosen, that is to say after it has been charged, and also for the case of series resonance, finally for all the above circumstances. In order to raise the voltage applied to capacitor 28 above the desired value, spark gap 29 operates, and resistor 30 faces the transient discharge.
; Although spark-gap 29 and resistor 30 have been shown connected in shunt on capacitor 28, only one of these devices can be used. If the spark gap is the only one used, its characteristic must be such as to prevent a destructive passage of power currents having the operating frequency. If resistor 30 is used alone, alla should preferably have a negative characteristic, as previously described, so that it exhibits high resistance to power currents and very low resistance to power currents. transient discharges at high tans ion.
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With the equipment shown in Figs. 1, 2 and 3, it is understood that point 27, or the neutral point of the transformer, is practically isolated for the currents of operating frequency. If it is desired that the neutral point N is not completely isolated, but earthed through an impedance limiting the operating frequency currents in the event of a line-to-earth insulation fault d If the importance is determined, we can use an inductance 33 shown in Figure 4, or Iule resistor, as shown in Figure 5-
In parallel with any of these elements, either spark gap 29 and resistor 30, or daux can be used.
If the spark gap 29 is omitted, the resistance is preferably of negative characteristic. If interval 29 is provided, its characteristics must be such as to prevent the destructive passage of power currents of operating frequency,
Ba limiting resistor 34 for power ciurans can be of any type. Thus, with one or the other of the equipment of Figures 4 and 5, the impedance at the operating frequency can rise to any desired value, while the impedance, at the transient voltage frequencies, is very low when none. spark gap is provided, and if a spark gap is provided, it is bypassed by an arc after impedance.
Figure 6 shows an embodiment intended for the control of the transient neutral voltage. In this case, one connects in parallel, in a connection point neutral to earth, a capacitor 28, an inductance 33, and a resistor 50 or a spark gap 29, or both in series.
Capacitor 28 and resistor 30 are dimensioned so that the neutral voltage does not rise above a specified percentage of the applied transient voltage, regardless of the type of line transient phenomenon,
At present, it is considered satisfactory that the voltage fatigue at the neutral point, resulting from the transient effects, does not exceed the voltage fatigue created by the high voltage test specified at the operating frequency.
The impedance of the earth link, as a whole, to the operating frequency currents, has a value such that it limits these currents, in the event of a line-to-earth incident, to a determined value: Since the capacitor 28 decreases the rate of increase of the neutral voltage produced by any overvoltage, it is preferably chosen by. so as to make the rate of increase quite low compared to the natural frequency
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of the transformer, so that the transformer winding oscillates as if it were not positively earthed.
On this subject, the comparison of the curves of Figure 10, with Figure 7 for the unprotected transromator, and of Figure 14 with Figure 11 for the protected transformer, shows the analogy of the transient voltage disturbances on the transformer.
Since the ratio of the reactance of the transformer and the reactances of the devices inserted in the neutral point to earth connection, varies greatly for the various conditions occurring in the practice, it follows that the values of the capacitance 28 and of the inductance 33 also vary. If the desired resistance 60 is low and if it has an appreciable effect at the operating frequency voltage, spark gap 29 is placed in series with resistor 30. The setting of gap or spark gap 29 is of course as follows. 'No arcing occurs at the highest neutral voltage at the operating frequency.
As previously indicated, resistor 30 and gap 29 are preferably arranged so as not to allow power currents to follow the trensitic current, after initiation of an arc by the transient phenomenon.
: In the equipment shown in Figure 6, any possibility of resonance between capacitor 28 and inductor 33, which can cause a high neutral voltage, comes up against resistor 30, either alone or in combination with spark gap 29.
In the event of a line insulation fault with respect to earth, the neutral operating frequency voltage rises to a value e depending on the ratio of the recatance in the neutral point to the transformer reactance and to the reactivity of the rest of the equipment. For this reason, the value e is chosen as the criterion for the choice of the constants of the devices in the neutral point to earth connection.
They can be chosen so that the fatigue due to the equivalent transient voltage does not exceed the value 2a, which is the value of the high voltage test at which the torre setting device and the neutral N of the transformer must generally resist.
A protected winding or non-resonant transformer arranged for a neutral put positively earthed, when it is earthed by the intermediary of a resistor or an ordinary capacity, oscillates in a manner analogous to an ordinary transformer, as shown in Figure 13
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It happens this way, because while the distribution of tension
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primitive line is a straight line analogous to the voltage distribution of a non-resonant transformer with the neutral point frankly grounded, it does not coincide with its final distribution which is the same as that of an ordinary transformer, as shown. Figure 9.
We can build a
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shielded transformer suitably combined with mie i1Jll "i; dance according to the invention, and arranged so that the initial voltage distribution coincides with the final voltage distribution F of Figure 13. The circuit of the transformer and the link earth is then not resonating.
In some cases, especially with unshielded transformers, it may be necessary to increase the capacity between the line terminal
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and the neutral terminal of the transformer, by connecting a shunt capacitor on these terminals - But, in certain cases, it is not economical to build such a transformer, especially if the final voltage of the neutral point exceeds approximately one third of the voltage applied to the line terminal.
The fundamental equation in question is as follows:
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1C1 L202 in which Il and Il denote the inductances of the trbJn; ± 'o & litor and of the earth connection respectively, Clthe effective capacity between the terminals of
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line and earth of the transformer, and C2 the capacity of the earth connection. By the term "effective capacity" is meant the distributed capacitance of the windings, plus any concentrated capacitance used between the terminals of the considered winding.
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Although LI and are mixed by the conditions of the problem, the values of C1 and C 2 can vary a lot because it is the ratio which is determined by% and Lez. Advantage can be taken of this consideration when it is. acts of inductor windings not prepared, to eliminate or reduce part or all of the harmonics of the internal oscillation of the windings, so as to reduce fatigue due to internal voltages
The length of the wave front or its duration must be at least equal to the natural period of the lowest harmonic intended to be suppressed.
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By suitably choosing the values ac3 Cl and C, the foxme
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of the applied voltage wave, and consequently the length of the front, can be brought to the desired values. But the neutral capacitance can be chosen so that the rate of rise of the neutral voltage is so low that the waves found in practice do not have the effect of raising the potential of the neutral point, beyond 'a determined value, as shown in Figure 15.
The possibility of resonance between the neutral capacitor 28 and the choke of the transformer taken as a whole, in the event of a transient phenomenon due to interruptions and closings, is prevented by the resistor 30 mounted in parallel with the capacitor. Under these conditions, the transient voltage distribution is uniform along the length of the winding. Since the impedance of the earth connection comprising capacitor 28, choke 33 and resistor 30, can be made very high, the transformer may be called upon to act at the operating frequency, as if its neutral point were isolated.
When an electrical equipment or network comprises two or more polyphase groups connected to the earth, a single device, according to the invention, can be placed between the common neutral point of these groups and the earth, to ensure effective protection at with regard to transitional phenomena on any one of the transformers.