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NOUVEAU PROCEDE DE PROTECTION DES APPAREILS ELECTRIQUES A DECHARGE DANS LES GAZ
OU VAPEURS IONISES. COMBE LES RETOURS D'ARCS.
Les appareils électriques à décharge dans les gaz ou vapeurs ionisés sont sujets à des troubles de fonctionnement connus sous le nom de "retours d'arc" ou d'"allumages en retour"t Ces troubles ont pour cause la naissance accidentelle d'une taohe cathodique, émettrice d'électrons, sur une anode, qui perd ainsi ses propriétés de conductibilité unidirectionnelle;
les réseaux reliés par les appa- reils à décharge sont alors plus ou moins oomplètement mis en court-circuit à tra- vers les arase
On sait que, lorsque de tels troubles se produisent, il est indispen- sable, sous peine de risquer de graves avaries, d'interrompre très rapidement le
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fonctionnement des appareils, soit en les déconnectant plus ou moins comptètemett des réseaux, soit en interdisant l'allumage de tout'ou partie de leurs éléments à conductibilité unidirectionnelle, par exemple par le jeu de grilles de contrôle ou de commande, soit en utilisant ces deux moyens simultanément.
On a généralement employé jusqu'à présent, pour obtenir ce résultat, des relais à maximum de courant qui sont mis en action par la grosse surcharge provenant du court-circuit des réseaux que provoquent les retours d'arcs ou allu- mages en retour. Ce procédé ne permet pas de discriminer un retour d'arc d'une simple surcharge, et on sait que s'il est indispensable de déclencher les protec- tions avec une très grande rapidité dans le premier cas, il est souvent utile de différer quelque peu la mise en oeuvre de la protection dans le deuxième.
On a proposé, pour éviter cet inconvénient, de déclencher la protec- tion en cas de retour d'arc, par des relais à action rapide à retour de courant disposés sur tous les conducteurs parcourus par des courants normalement unidi- rectionnels; cette solution est beaucoup trop coûteuse pour pouvoir être prati- quement employée.
On a cru trouver une solution correcte, ne nécessitant qu'un seul re- lais à retour de courant et applicable lorsque les appareils à décharge sont uti- lisés suivant le montage dit"ouvert", où une ou plusieurs sources de courants polyphasés, montées en étoile, ont chacune de leurs extrémités de phase connec- tées aux anodes respectives des appareils à décharge, les cathodes étant connec- tées en parallèle, dans la disposition de cet unique relais à retour sur le con- ducteur des cathodes. Mais cette solution n'est pas toujours satisfaisante; si les appareils à décharge alimentent un réseau à courant continu induotif, l'in- version du courant dans le conducteur de cathode peut se produire trop tard pour que la proteotion soit opérante.
Par exemple, lorsque des redresseurs à vapeur de mercure sont utilisés pour l'alimentation de réseaux de grosse traction, il arrive fréquemment que le courant de retour à la cathode ne puisse être alimenté que par les sous-stations voisines de celle où se produit le retour d'arc et distantes de plusieurs kilomètres de celle-ci, par l'intermédiaire de feeders dont la réactance est loin d'être négligeable;
on a observa, dans ce cas, que l'inversion du courant à la cathode peut ne se produire qu'avec un retard supé- rieur à quatre millièmes de seconde après la naissance du retour d'arc, retard auquel s'ajoute encore le temps de fonctionnement du relais, alors que la protec- tion par grilles polarisées, pour être efficace, doit être déclenchée au plus tard, après deux à trois millièmes de seconde, r
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La présente invention a pour objet un nouveau procédé de protection ne nécessitant pour sa mise en oeuvre que des moyens simples et économiques, qui agit sans retard appréciable dès la naissance du retour d'arc et est insensible aux surcharges ayant une cause autre qu'un retour d'arc.
Ce nouveau procédé est essentiellement caractérisé en ce que, sur tout ou partie de ceux des conducteurs connectant les appareils électriques à décharge dans les gaz ou vapeurs Ionisés à protéger, qui sont parcourus par des courants normalement unidirectionnels, est disposé l'enroulement primaire de transformateurs d'intensité à circuit magnétique saturable, la saturation de ces circuits magnétiques étant réalisée initialement par des moyens auxiliaires cré- ant une induction de même sens que celle créée par le passage du courant primaire unidirectionnel normal et les courants ou tensions induits dans les secondaires de ces transformateurs d'intensité étant utilisés pour déclencher le fonctionne- ment des moyens de protection, ceux-ci pouvant être d'un type quelconque,
Les transformateurs d'intensité étant ainsi préalablement saturés dans le sens où ils auraient tendance à l'être par le passage dans leur enroulement primaire du courant unidirectionnel, ne subissent que de faibles variations de flux lorsque l'intensité de ces courants unidirectionnels varie entre zéro et sa valeur maxima; leur secondaire n'est alors le siège que de tensions faibles, même si les courants unidirectionnels varient très rapidement.
Il n'en est plus de même en cas de retour d'arc; l'un au moins des courants normalement unidirection- nels s'inverse alors, en effet, très rapidement et atteint extrêmement vite la valeur pour laquelle le circuit magnétique du transformateur d'intensité corres- pondant n'est plus saturé; il en résulte une variation de flux très rapide et le secondaire correspondant devient la source d'une tension ou d'un courant impor- tante qui est utilisé pour le déplenchement de la protection.
On va décrire plusieurs exemples, donnés à titre non limitatif, de mise eu oeuvre du procédé qui fait l'objet de l'invention. Les dispositions par- ticulières de réalisation qui seront décrites à propos de ces exemples, devront être considérées comme faisant partie de l'invention, étant entendu que toutes dispositions équivalentes pourront être utilisées sans sortir du cadre de celle- ci%
L'exemple de la figure 1 se rapporte à la proteotion contre les re- tours d'arcs, d'un redresseur à vapeur de mercure 1, figuré schématiquement* On a supposé que les anodes, telles que 2, de ce redresseur,
étaient alimentées
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par le secondaire hexaphasé 3 d'un transformateur dont le primaire n'est pas t #i.-'- '
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représenté et dont le point neutre 4 constitue le pôle négatif du réseau à courant continu. La cathode 5 du redresseur 1 est reliée, par un interrupteur à action rapide 6, au pôle positif 7 du réseau à courant continu. Le redresseur est supposé muni de grilles de commande ou de contrôle, telles que 8; ces grilles sont normalement alimentées en tensions périodiques de forme, fréquence et phase convenables, à travers des résistances de limitation de courant telles que 9, par une source adéquate 10, suivant une technique bien connue.
Conformément à l'invention, les primaires, tels que 11, de transforma- teurs d'intensité, tels que 12, sont insérés respectivement dans les connexions entre les' anodes, telles que 2, et les extrémités des phases du secondaire 3.
Ces transformateurs d'intensité se composent chacun d'un circuit magnétique sa- turable, qui n'a pas été représenté sur la figure 1, constitué de préférence en une matière de grande perméabilité et facilement saturable, telle par exemple que le Permaloy ou le Mumétal, sur lequel sont enroulés'le primaire 11, le secon- daire 13 et un enroulement de saturation 14. Les secondaires,tels que 13, des divers transformateurs d'intensité, sont montés en série et alimentent la bobine 15 d'un relais ultra-rapide 16* Ce relais 16 est muni de sept contacts, qui se ferment lorsque la bobine 15 est suffisamment excitée.
Six de ces contacts, tels que 17, connectent respectivement les grilles, telles que 8, au pôle négatif d'une source de courant continu 18, donnant une tension de blocage convenable et dont le pôle positif est réuni à la cathode 5, par l'intermédiaire de résistances de limitation de courant, telles que 19*
Le septième contact ,20, du relais 16 alimente la bobine de déclen- chement 21 du disjoncteur à action rapide 6.
Les enroulements de saturation, tels que 14, sont montés en série et alimentés en courant continu par la source 18, par l'intermédiaire d'une résis- tance 22, fixant le courant à une valeur convenable, et d'une inductance 23 dont le but est de limiter à une valeur suffisamment faible la variation du courant parcourant les enroulements, tels que 14, lorsque l'un de ces enroulements subit une brusque variation de flux* Le sens de connexion des enroulements tels que 14 est tel que les flux qu'ils créent dans leur circuit magnétique soient de même sens que les flux créés par les primaires, tels que 11, parcourus par les cou- rants unidirectionnels normaux.
Le diagramme de la Fig.2 fera comprendre le fonctionnement. Sur cette figure, on a porté en abcisses les ampères-tours de magnétisation du circuit
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magnétique des transformateurs tels que 12, et en ordonnées les flux correspon- dants. La courbe 24 représente la caractéristique de magnétisme de ce circuit magnétique. 0 A représente les ampères-tours permanents provenant du courant circulant dans les enroulements 14, et A B les ampères-tours provenant du cou- rant maximum débité par l'anode 2, qui traverse le primaire 11. Lors de l'allu- mage ou de l'extinction de l'anode, les ampères-tours passent de la valeur 0 A à la valeur 0 B, ou inversement, pendant le temps de la commutation entre anodes.
Du fait de la présaturation provenant des ampères-tours 0 A, tant que le fonc- tionnement du redresseur est normal, la variation de flux est faible, le flux passant de la valeur 0 a à la valeur 0 b, ou inversement; la tension induite dans les secondaires tels que 13 est faible et n'est pas suffisante pour agir sur la bobine 15 (letrelais étant dimensionné en conséquence).
Il n'en est plus de même en cas de retour d'arc. Le courant désature très rapidement le circuit magnétique du transformateur série correspondant à l'anode qui subit ce retour d'arc, soit par exemple l'anode 2. Le secondaire 13 et l'enroulement de saturation 14 sont le siège d'une tension importante.
L'inductance 23 s'opposant à une variation importante du courant dans le circuit de l'enroulement 14, la majeure partie de la puissance fournie par le transfor- mateur d'intensité 22 est donc transmise à la bobine 15, et le relais ultra- rapide 16 se ferme. Par ses contacts tela que 17, il porte toutes les grilles; telles que 8, à un potentiel négatif par rapport à la cathode 5, empêchant ainsi suivant une technique connue, l'allumage ultérieur des anodes; par son contact 20, 11 provoque le déclenchement du disjoncteur à action rapide 6.
.assuré
Le fonctionnement du relais 16 a ainsi été/aussi rapidement que celui d'un relais ultra-rapide à retour de courant monté sur la connexion de l'anode 2, et plus sûrement qu'un relais à retour de courant inséré dans la connexion de cathode, car l'inversion du courant dans la connexion de cathode peut être ra- lentie si le réseau à courant continu est inductif, ou même ne pas se faire si le réseau est dépourvu de force contre-électromotrice (par exemple dans le cas d'un réseau de distribution urbain, qui peut à certains moments avoir une charge purement ohmique).
Diverses variantes peuvent être apportées aux dispositions que l'on vient de décrire.
L'inductance 23 peut être supprimée, sans autre inconvénient que de demander un dimensionnement plus large des transformateurs d'intensité tels que 12.
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Les connexions peuvent être établies de telle sorte que les fonctions remplies par les enroulements 13 et 14 puissent être assurées par un enroulement unique, convenablement connecté avec l'enroulement correspondant de chacun des autres transformateurs d'intensité et avec une source de courant continu et la bobine du relais ultra-rapide 16. Les enroulements tels que 14 peuvent être sup- primés, la magnétisation nécessaire à la présaturation des circuits magnétiques n'étant pas obligatoirement fournie par des ampères-tours de courant continu et pouvant être fournie autrement, par exemple par des aimants permanents.
Le fonctionnement et les dispositions du relais ultra-rapide 16 peu- vent être modifiés en vue de l'utilisation de l'un quelconque des moyens connus pour rendre très rapidement les grilles de contrôle négatives par rapport à leur cathode respective; en particulier, le relais 16 peut être remplacé par un appareil électrique à décharge dans les gaz ou vapeurs ionisés auxiliaire, d'un type quelconque, ayant une cathode séparée, ou une cathode commune avec un ou plusieurs des appareils à décharge principaux, l'allumage de cet appareil à dé- charge auxiliaire étant sous la dépendance des courants ou tensions induits dans les secondaires tels que 13*
Ces mêmes secondaires, au lieu de passer par un intermédiaire tel que le relais 16 ou un appareil à décharge auxiliaire,
peuvent constituer eux-mêmes la source de la tension'négative à appliquer aux grilles telles que 2, grâce à l'emploi d'un montage convenable d'éléments à conductibilité unidirec- tionnelle, redresseurs secs par exemple, une partie de l'énergie fournie par les secondaires tels que 13 pouvant, par exemple, être emmagasinée dans des conden- sateurs en vue de prolonger le blocage des anodes quelque temps après l'extinc- tion du retour d'arc.
Au mieu d'être connectés en série, c'est-à.-dire en polygone ouvert, les secondaires tels que 13 pourraient être connectés suivant tout autre couplage permettant d'utiliser l'énergie développée dans les transformateurs d'intensité lors d'un retour d'arc; ils pourraient par exemple être connectés en parallèle, c'est-à-dire encolle, ou en polygone fermé , l'utilisation se faisant éventuel- lement à travers des éléments à conductibilités unidirectionnelle, redresseurs secs par exemple, convenablement disposés.
Les transformateurs d'intensité présaturés conformes à l'invention, au lieu d'agir sur la polarisation des grilles de commande et sur un disjoncteur, comme dans l'exemple de la figure 1, peuvent aussi bien agir de tout autre façon par exemple agir uniquement sur les grilles de commande, ou bien agir uniquement @
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sur les disjoncteurs reliant les appareils à décharge aux réseaux, etc...; d'une manière générale, les transformateurs d'intensité présaturés peuvent être utilisés pour agir sur tous moyens quelconques appropriés pour Interrompre ou modifier convenablement le fonctionnement des appareils à décharge électrique lorsqu'il se produit un retour d'arc.
L'invention n'est d'ailleurs pas limitée à la protection des redres.. seurs à vapeur de mercure polyanodiques. Elle s'applique à la protection de tous les appareils électriques à décharge dans les gaz ou vapeurs ionisés, par exem- ple aux tubes monoanodiques, à cathode liquide ou à cathode chaude. En particu- lier, elle s'applique aux appareils eu la tache oathodique est amorcée synchro- niquement; dans ce cas, les transformateurs présaturés pourront agir, directe- ment ou par l'intermédiaire d'organes appropriés, pour interdire l'amorçage syn- chrone des taches cathodiques lorsqu'il se sera produit un retour d'arc.
L'invention n'est pas non plus limitée au cas où les appareils élec- triques à décharge dans les gaz ou vapeurs ionisés sont connectés suivant l'un des montages dits "ouverts". dans lesquels une ou plusieurs sources de courant polyphasé, montées en une ou plusieurs étoiles, ont leurs extrémités de phases connectées aux anodes (ou aux cathodes) des appareils à décharge, les cathodes (ou les anodes) étant connectées en parallèle. Elle s'applique à tous les monta- ges, et en particulier aux montages dits "fermés", dérivés des montages de Graetz dans lesquels une source de courant polyphasée montée en étoile ou en triangle, à ses extrémités de phases connectées à la fois à une cathode et à une anode.
L'invention s'applique aussi aux montages, plus généraux, où deux sources poly- phasées de fréquences différentes sont connectées par des appareils à décharge, chaque sommet de l'une de ces sources étant relié à chaque sommet de l'autre source par deux appareils à décharge permettant le transfert du courant, l'un dans un sens et l'autre dans l'autre sens.
L'invention est donc, comme on le voit, d'application tout-à-fait générale. Elle pourra déclencher la protection (celle-ci pouvant être de type quelconque) de tous types d'appareils électriques à décharge dans les gaz ou vapeurs ionisés, quels que soient leur utilisation et leur montage. La détermi- nation des schémas de montage des transformateurs d'intensité présaturés confor- mes à l'invention, ainsi que la détermination du dimensionnement convenable de ces transformateurs d'intensité pour chacune des variantes possibles ne présente aucune difficulté pour un homme du métier, grâce à l'application des méthodes décrites ci-dessus et des données fournies par la technique connue des appareils
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à décharge dans les gaz ou vapeurs 1on1sés