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La présente invention est relative a un générateur
d'essai pouvant reproduire les conditions de fonctionnement de
dispositis de protection susceptibles d'être utilisés sur un
réseau ~ courant alternatif de basse, haute ou très haute tension,
ces conditions de fonctionnement devant rencontrer des normes
préétablies. Plus particulièrement, la présente invention vise
un générateur simulant les conditions de service d'un dispositif
de protection, tels que parafoudres, fusibles ou disjoncteurs li-
miteurs de courants, ainsi qu'un procédé de simulation mis en
oeuvre ~ar ce générateur.
Comme il est connu, un dispositif de protection a essen-
tiellement pour but d'éviter que les appareils raccordés à un ré-
seau d'alimentation, et ce réseau lui-même, subissent des dommages
et dégâts, souvent irréparables, lorsqu'une surtension apparaît
sur le réseau, ces surintensités pouvant être provoquées par une
faute de commutation, la foudre ou toute autre cause. De tous
les dispositifs de protection utilisés, la simulation sur banc
d'essai des conditions de fonctionnement des parafoudres s'avère
être présentement la plus complexe et la plus onéreuse. Le géné-
rateur suivant la présente invention est particulierement bien
adapté a reconstituer ou déterminer les conditions de fonctionne-
ment des parafoudres, et ce à un coût très sensiblement réduit
par rapport a celui des générateursd'essai classiques.
Dans le cas du parafoudre, tout générateur d'essai doit
simuler a la fois l'impulsion de foudre ou de surtension qui amor-
ce le parafoudre ainsi que le réseau a courant alternatif auquel
ce~ui-ci est raccordé. Ainsi, l'essai de fonctionnement d'un
parafoudre consiste ~ lui faire exécuter la tâche complète qu'il
devra accomplir le plus fréquemment en service. Le dispositif
est habituellement branché entre un conducteur électrique et la ~ -
terre, en parallele et a proximité d'un autre appareil qu'il doit
protéger en limitant la tension a ses bornes a une valeur prédé-
1 -- :
. . .
.
lQ8499~
terminée. Lorsque la tension sur le conducteur atteint une cer-
taine valeur de seuil V, due à une surtension interne sur le réseau
ou ~ la foudre, le parafoudre s'enclenche et produit un court-
circuit momentané à ce point afin d'en abaisser la tension. A ce
moment, une impulsion de courant d'une durée de l'ordre de quel-
ques microsecondes, causée par cette surtension, traverse le para-
foudre.
En second lieu, le parafoudre fonctionne en sorte a
éliminer graduellement le court-circuit qu'il a créé afin que le
conducteur et le réseau retrouvent leur condition initiale. Cette
fonction s'effectue habituellement à l'aide de résistances non-
linéaires et d'electrodes-a-arc qui forcent a zéro et coupent le
courant dit de suite traversant alors le parafoudre tout en main--
tenant la tension totale aux bornes de ce dernier a une valeur
inférieure a celle de Ia tension de seuil V.
La troisieme fonction du parafoudre, consiste a isoler
le conducteur de la terre contre la tension alternative du réseau
suivant l'interruption du courant de suite.
Le procédé de simulation et le générateur d'essai selon
la présente invention permettent l'exécution des diverses fonc-
tions du parafoudre ou autres dispositifs de protection, et ce
de façon similaire a ceux des générateurs d'essai classiques,
mais en utilisant une source de courant alternatif dont le coût
nlest que 2 a 4% de celui des sources classiques. Le pr~sent
générateur permet donc la réalisation d'essais a de tres hauts
niveaux de tensions, lesquelles seraient economiquement inacces-
sibles avec les circuits classiques, et la réalisation d'essais
a faible tension à l'aide d'un générateur compact et facilement
transportable.
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De façon plus spécifique, la présente invention réside
en un générateur d'essai simulant les conditions de fonctionne-
ment d'un dispositif de protection d'un réseau à courant alterna-
tif de basse, haute ou tres haute tension, comportant une branche
de tension reliée au dispositi~ de protection pour produire une
impulsion d'amorçage du d.ispositif; une branche d'injection mon-
tée en parallele avec ladite branche de tension pour produire un
courant de suite de valeur correspondante a celle du courant
injecté par ledit réseau dans ledit dispositif de protection lors-
que celui-ci est en service; et une branche résonnante reliée a
ladite branche d'injection, pour former aux bornes du dispositif
de protection sous essai une tension alternative correspondante
à celle dudit réseau.
La présente invention concerne également le procédé de
simulation mis en oeuvre par le générateur d'essai décrit ci-haut.
Des modes de réalisation préférés de la présente inven-
tion seront ci-apres décrits avec référence aux dessins annexés,
dans lesquels:
la figure 1 illustre le montage d'un générateur d'essai ~.
classique; . la figure 2 montre les formes d'ondes de courants et de
tensions produites par le g~nérateur d'essai de la figure l;
la figure 3 illustre un mode de réalisation du généra-
teur pour essais sur parafoudres, selon la présente invention;
la figure 4 présente les formes d'ondes de courants et
,. .~ .
de tensions produites par le.générateur de la figure 3;
la figure 5 illustre une variante de la branche de ten-
sion du générateur montré à la figure 3;
la figure 6 illustre une autre forme de réalisation du
générateur d'essai de la présente invention pour essais répétitifs
sur parafoudres;
les figures 7 et 8 montrent les formes d'ondes asso-
,
~al34998
ciées au fonctlonnement du genérateur de la figure 6;
la figure 9 illustre une variante de la branche résis-
tive du générateur de la figure 6;
la figure 10 présente une variante de la branche d'in-
jection du générateur d'essai selon la présente invantion, pour
la simulation d'une longue ligne de transmission;
la figure 11 illustre un autre mode de réalisation du
genérateur d'essai selon la présente invention; et
la figure 12 montre les formes d'ondes générées par
l'ensemble de résonnance du générateur de la figure 11.
La figure 1 illustre un générateur d'essai de concep-
tion classique pour effectuer un essai de fonctionnement sur un
parafoudre désigné par 1, et la figure 2 montre les formes d'on-
des produites par le genérateur de la figure 1. Initialement,
le parafoudre 1 constitue un circuit ouvert et est exposé a la
tension sinuso~dale nominale 14 d'un réseau. A un angle de phase
de la tension prescrit par les normes et a l'instant 6, le commu-
tateur 2 est fermé; ce qui produit aux bornes du parafoudre une
surtension 10 suffisante pour l'amorcer, provenant du condensa-
teur préchargé 3. A ce moment, une impulsion de courant 11 four-
nie par le condensateur 3, passe dans le parafoudre et celui-ci
court-circuite la source alternative 5 qui va fournir un courant
de suite 12 a travers l'impédance inductive 4. Dans ce type de
montage, la source alternative 5 utilisée est habituellement une
génératrice ou un transformateur de puissance.
La forme du courant de suite 12 qui atteint sa valeur
maximale au moment 7 dépend principalement de la tension de la
source 5, de la tension 13 aux bornes du parafoudre, celle-ci
pouvant croitre au-dela de la tension de source, et de liimpe-
dance presente dans la boucle formee des elements 1, 4 et 5.Lorsque le courant 12 atteint une valeur nu!le, il est interrom-
pu a l'instant 8 et la tension nominale 14, dont la valeur
-- 4 --
.,
-
1084998
crête est atteinte au moment 9, réapparaî-t aux bornes du para-
foudre qui ne doit alors pas réamorcer.
Il est ~ noter que les courbes présentées dans la fi-
gure 2 sont celles d'un parafoudre du type "limiteur de courant"
dont la principale caractéristique est la production d'une ten-
sion d'arc significative, lui permettant d'interrompre le cou-
rant de suite avant le passage par zero de l'onde de tension à
une fréquence habituellement de 60 Hz. :
La figure 3 illustre de facon schématique une forme
de réalisation du générateur selon l'invention, apte à effectuer
des essais ~on seulement sur le parafoudre de type "limiteur de
courant'9 décrit plus haut, mais sur tout type de parafoudre, le
type limiteur de courant n'ayant été considéré qu'à cause de sa
grande complexité et de son usage presque exclusif aux hauts
niveaux de tensions. :
Dans la figure 3, le générateur d'essai est montré ~;
formé de trois branches 16, 17 et 19, reliées en paraIlèle, et
d'une branche 18 en série avec le parafoudre 15. La branche 16
est appelée branche d'injection car elle est la source du cou- ~ ;
rant de suite injecté dans le parafoudre 15. Cette branche d'in-
jection 16 est principalement constituée d'un condensateur prin- `~ ~
cipal Cp, préchargé à une tension VO~ et monté en série avec un ~ :
commutateur Sl et une inductance Ll qui sert à limiter le courant
dans cette branche. Une branche 17 dite branche de tension com-
portant au moins une capacitance, fournit la tension nécessaire
à l'amorc,age du parafoudre 15. Une troisième branche 19 dite
branche de résonance est formée d'une très grande inductance L2
en série avec un commutateur S2. Elle est ainsi appelée parce
qu'elle doit former, en série avec la branche d'injection 16, un
circuit résonnant à la fréquence industrielle, soit habituellement
60 Hz. Quant à la branche résistive 18, en série avec le parafou-
dre 15, elle a pour fonction de régulariser le courant de suite débité
. ,........ . , ~ .
: - ,
.. . . . . ..
1~184~9~3
par la branche d'injection 16. Il est a noter que cette branche
résistive 18 pourrait tout aussi bien être inseree entre la bran-
che d'injection 16 et la branche de tension 17.
Pour effectuer l'essai de fonctionnement du parafoudre
15, les commutateurs Sl et S2 sont initialement ouverts. On fer-
me en premier lieu le commutateur Sl; un courant circule alors
entre la branche d'injection 16 et la branche de tension 17 ou se
bâtira, aux bornes du condensateur C, la tension nécessaire pour
amorcer le parafoudre au moment 22, montré sur la figure 4. Sur
cette figure, on note également la forme de l'impulsion de cou-
rant initial 23 qui correspond a la tension d'amorçage V du
parafoudre. Cette impulsion 23 est conforme à celle indiquée
par les normes et est identique a l'impulsion 11 (figure 2) géné-
rée par le générateur classique de la figure 1.
Comme illustré sur la figure 4, la tension aux bornes
de la branche 17 prend initialement la forme 21 et augmente
jusqu'a la tension d'amorçage V. Suivant l'amorcage, la branche
de tension 17 se décharge dans la boucle formée par 17, 18 et 15
de la figure 3, donnant l'impulsion de courant 23 requise. Cette
impulsion 23 décharge la branche de tension 17 de façon rapide
et par la suite la branche d'injection 16 d~bite le courant de
suite 26 a travers la branche résistive 18, qui le régularise,
et a travers le parafoudre 15. Ce courant de suite 26 dont la
forme dépend surtout de l'opposition entre la tension 24 du para-
foudre 15 et celle de la branche d'injection de courant 16, est
interrompu au moment 25.
A ce moment, ou peu avant ce moment, le commutate~r S2
de la branche 19 est enclenché et forme un circuit série avec
la branche d'injection 16. On a alors un circuit résonnant a la
fréquence industrielle 60 Hz. La tension apparaissant aux bornes
de cette branche résonnante 19 depuis le moment 25 est représen-
tée par la courbe 28, simulant ainsi la tension nominale du ré-
~. ~ . . . ..
~084998
seau ou de la source 5 (figure 1) du circuit classique et cor-
respond a la tension 14 représentee à la figure 2. Il est à
noter que le parafoudre alors soumis à la tension 2~ ne doit pas
s'enclencher ou être amorcé.
Le moment d'enclenchement du commutateur S2 de la bran-
che résonnante 19 se situe géneralement entre l'instant d'enclen- -
chement du commutateur Sl de la branche d'injection 16, à l'ins-
tant 20, et l'interruption du courant de suite à l'instant 25.
Toutefois, à cause du fait que la tension nominale 28 à llinstant
25 est souvent inferieure à sa valeur maximale, montre à l'ins-
tant 27, il est intéressant d'enclencher S2 assez tôt. De cette : ,
facon, l'inductance L2 de la branche résonnante 19 peut se char-
ger suffisamment en courant pour permettre de restituer au con-
densateur Cp de la branche 16, au moment 27, l'énergie nécessaire
pour produire dans ce condensateur, une tension supérieure à .
celle du moment 25. Dans cette optique, il est prévu d'enclen-
cher S2 simultanément à Sl, ou même que 52 soit remplacé par un
court-circuit pour essais sur certains types de parafoudres.
A l'aide du générateur de la figure 3, des essais ont
eté effectués sur un parafoudre soumis, en régime normal, à une
tension crête de réseau de 150 kV à 60 Hz. La valeur de chaque
composante formant le generateur etait comme suit:
Ll = 585 mH
L2 = 1-76 H
Cp = 3.0 uF
C = 0.33,uF
R = 400 fL
- Le condensateur Cp a eté chargé à une tension
V0 = 300 kV, soit une énergie emmagasinée de 135 kJ. A la
~ermeture de Sl, la branche d'injection 16 charge le conden-
sateur C (branche 17) pour produire aux bornes du parafoudre
15 une tension crete V - 230 kV qui l'amorce, et le condensateur
-
~0~4998
C se décharge dans le parafoudre 15 par une impulsion de courant
de 2 kA (courant 23 de la figure 4). Le parafoudre amorcé, un
courant de suite (courant 26) de 180 A (crête) traverse le para-
foudre. Le commutateur S2 ayant éte remplacé par un court-circuit,
le parafoudre est alors soumis à une tension nominale de 150 kVI
60 Hz, devant laquelle il ne doit plus être amorcé. On obtient,
en ce cas~ les formes d'ondes de courant et de tension montrées
en figure 4, et qui sont conformes aux normes établies.
La figure S illustre une variante du générateur de la
figure 3, dans lequel la branche de tension 17 est remplacée par
la branche de tension 29, dans les cas o~ des courants d'impul-
sion de grande amplitude sont requis aux bornes du parafoudre 30.
Son fonctionnement est le suivant: lorsque la tension aux bornes
du condensateur Cl atteint le seuil d'amorçage, le parafoudre 30
est amorcé et un courant momentané circule dans la boucle formée
du condensateur Cl, de la branche résistive 18, du parafoudre 30
et de la résistance Rl. Aussitôt suivant l'amorcage, le commu-
tateur S3 est fermé ou s'enclenche automatiquement a cause de la
somme des tensions de Rl et C2, et le parafoudre est alimenté par
la somme des tensions de Cl et C2, montées en série, donnant ainsi
un tres grand courant dans la boucle C2, Cl, ]8, 30 et S3. La
résistance Rl possédant une valeur tres élevée, un courant vir-
tuellement négligeable y circule alors. -~
Il est souvent requis par les normes de soumettre le
parafoudre a des essais répétitifs. Le circuit générateur de la
figure 6, qui est une variante du circuit illustré a la figure 3,
permet d'effectuer de tels essais répétitifs sur parafoudres.
La méthode préconisée consiste ~ utiliser un interrupteur 31 in-
séré dans la boucle résonnànte formée de la branche résonnante 19
et de la branche d'injection 16. La fonction de l'interrupteur
31 consiste à interrompre le courant 35, montré a la figure 7,
de cette boucle lorsque celui-ci atteint sa valeur nulle 36 qui
.
,
34998
correspond a la valeur maximale de la tension 37 de la branche
résonnante 19, cette tension 37 ayant la même polarite que la
tension initiale de charge du condensateur Cp de la branche
d'injection 16. Cette technique permet, a la suite d'un essai,
de conserver dans le condensateur Cp toute énergie que celui-ci
n'a pas débitée dans le parafoudre. On peut alors recharger plus
rapidement le condensateur Cp à sa tension initiale et effectuer
des essais de fonctionnement a un rythme plu5 élevé et consécutif.
Un autre cas est celui des essais en répétition qui
ont pour but de simuler les différentes conditions de fonctionne-
ment d'un parafoudre auxquelles ce dernier est soumis en service
lors d'amorçage successif provoqué par une tension surélevée, a
fréquence industrielle, sur le réseau. Les formes de courant et
de tension résultant de ces essais successifs sont illustrées à
la figure 8. Dans ce cas, le premier amorçage du parafoudre est
produit au moment 38 (moment 22 de la figure 4) par la branche de
tension 17, et le courant de suite 39 est interrompu normalement
au moment 40 (moment 25 de la figure 4). Subséquemment, la ten-
sion sinusoidale 44 (tension 28 de la figure 4), de la branche
résonnante 19 amorce le parafoudre a chacun des moments 41, 42,
43, o~ elle atteint son seuil d'amorçage et produit à chaque fois
un courant de suite qui doit être interrompu.
Lors de ces essais répétitifs, on conçoit facilement que
l'energie emmagasinée dans le condensateur principal Cp décroft
a chaque décharge dans le parafoudre de sorte que les impulsions
de courant successives sont de moins en moins grandes. Pour
uniformiser ces impulsions de courant successives, il est prévu
de remplacer la branche résistive 18 par le circuit 45 illustré
a la figure 9. Dans ce circuit 45, on utilise une résistance
élevee 46 pour limiter le courant de la premi~re decharge et on
reduit par la suite cette resistance pour chaque essai subséquent
en enclenchant un des commutateurs 47, 49 et 51 respectivement à
, .
_ g _
, . ,~ ,
1~)8499~3
la suite de chaque décharge. On abaisse ainsi la résistance to-
tale après chaque essai par l'addition en parallèle d'une autre
resistance 48, 50 et 52.
Des essais representant le cas ou un parafoudre est
raccorde a une longue ligne de transmission peuvent également
être effectues. Dans ce cas, la branche d'injection 16 est rem-
placee par le circuit 53 illustre à la figure 10. Ce circuit
est constitue d'un certain nombre d'inductances L et de capaci-
tances C2, ces dernieres étant prechargees de façon à simuler
une ligne de transmission. Le commutateur 54 est place en serie
avec cette ligne artificielle du c~te de la branche de tension 17.
A la figure 11, une variante du génerateur de la figure
3 est illustree. Cette variante permet d'amorcer le parafoudre à
tout angle 0 de l'onde de tension 60 Hz d'un réseau, cette onde
etant simulée a l'aide des branches d'injection 16 et de réso-
nance 19'. Pour ce faire, on court-circuite le commutateur S2 de
la figure 3, on insère un commutateur S4 entre les branches d'in-
jection et de tension, et on substitue à la branche 17 une branche
17' formée d'un circuit genérateur d'impulsions 55, qui peut être
un ou plusleurs condensateurs precharges ou un generateur d;im-
puIsions de type conventionnel, en serie avec un commutateur S5
Initialement, les commutateurs sont ouverts et le condensateur
Cp est charge à la tension VO En premier lieu, on met en reso-
nance les branches 16 et 19' en fermant le commutateur Sl, ce qui
produit dans la boucle formee de Cp, Ll et L2 une onde de courant
IL2 et de tension VL2 de 60 Hz, de forme illustree à la figure 12.
A l'angle de phase 0 desire, on enclenche S5 pour l'amorcage du
parafoudre 15 par l'impulsion de tension et de courant genere
par le circuit 55, de la fa~on indiquee sur la figure 4, et au même -
~
moment ou peu après, on ferme S4 pour la generation du courant desuite. Le generateur de la figure 11 permet donc de simuler les
conditions de fonctionnement du parafoudre à tout angle de phase 0 -
~
-- 10 --
- 1~8499~
de la tension nominale d'un réseau.
En conc usion, un des avantages ~ajeurs du g~nérateur
d'essai selon la pr~sente invention, reside en son co~t tres
sensiblement reduit par rapport au genérateur classique. Ceci
est dû principalement à l'usage de condensateurs comme sources
de puissance plutôt que de transformateurs ou de génératrices
de court-circuit. Ce seul facteur permet de réduire le coût de
la source à environ 2 à 4% de celui d'une source classique. En
outre, le g~nérateur d'essai suivant la présente invention permet
d'effectuer des essais à des niveaux de tension et de puissance
qui seraient économiquement inaccessibles avec les génerateurs
classiques. Des essais de fonctionnement ou d'amorçage successifs
sont maintenant possibles sur des parafoudres complets destines
aux réseaux à tres haute tension, alors que les générateurs clas-
siques ne permettaient de tels essais que sur des fractions de
parafoudres à haute tension.
Le generateur decrit ci-haut permet d'effectuer des
essais non seulement sur parafoudres mais egalement sur diffe-
rents appareils de protection tels que fusibles et disjoncteurs
limiteurs de courant.
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