LA HOUILLE BLANCHE 191 ELECTRICITE Sur la mise en parallèle Automatique des Machines synchrones et des Centrales électriques Les conditions économiques actuelles nécessitent, dans toute exploitation de centrale électrique, la réduction des frais génér a u x au strict m i n i m u m et expliquent l'adoption de plus en plus générale d'appareils a u t o m a t i q u e s . E n effet, l'emploi de régulateurs de tension, de dispositifs a u t o m a t i q u e s de protection et de démarrage, p e r m e t non seulement de réduire sensiblement le personnel de surveillance, mais encore, grâce à la régularité de fonctionnement de ces appareils, d'éviter les fausses m a n œ u vres et leurs conséquences toujours préjudiciables a u x machines. Il en résulte une réduction considérable et r a p i d e m e n t sensible des frais de réparation et de renouvellement du matériel. MODE DE FONCTIONNEMENT L'appareil de mise en parallèle a u t o m a t i q u e se branche c o m m e les lampes de phase et autres dispositifs de synchronisation, sur les deux tensions individuelles des groupes à m e t t r e en parallèle (voir schéma fig. 3). Il se compose essentiellement d'un relais à action différée à contacts de fermeture d é p e n d a n t d'un dispositif modificateur particulier caractérisant l'appareil. Ce relais, basé sur le principe de Ferraris, est constitué par un disque d'aluminium, supporté par deux pointes en acier, qui, sous l'influence du c h a m p t o u r n a n t créé p a r deux électro-ai m a n t s alimentés respectivement p a r chacune des tensions des d e u x groupes à coupler, enroule un cordonnet dont l'extrémité est fixée à un contact à ressort. Ce dernier, si les bobines des électro-aimants restent un t e m p s suffisant sous tension, vient s'appliquer contre un contact fixe et établit le circuit entre les bornes 9 et 10. Le relais c o m m a n d a n t la bobine d'enclenchement de l ' i n t e r r u p t e u r est alors actionné et provoque la fermeture de ce dernier et p a r suite la mise en parallèle. Les enroulements du relais à action différée sont connectés a u x tensions individuelles de telle sorte que, lorsque les groupes à m e t t r e en parallèle sont en phase, la tension totale .aux extrém i t é s des enroulements est le double de chaque tension indivi- ! Fig. 1. — Appareil de mise en parallèle automatique t y p e P 2/1. (Système Brown-Boveri). L'appareil cle mise en parallèle a u t o m a t i q u e , que nous allons décrire, répond, p a r excellence, à ces d e u x qualités. D ' u n fonct i o n n e m e n t rapide et sûr, il réalise a u t o m a t i q u e m e n t la fermet u r e de l ' i n t e r r u p t e u r au m o m e n t propice et la personne la plus inexpérimentée ne p e u t provoquer une mise en parallèle inexacte. Aussi, bien qu'il ne soit que depuis peu de t e m p s sur le marché, est-il déjà d ' u n usage très r é p a n d u (1). Fig. 2. — Relais à action différée de l'appareil de mise en parallèle. duelle (couplage à l'allumage des lampes). L a figure 4 représente le diagramme des variations de la tension a u x extrémités des bobines et p a r conséquent du courant passant p a r ces bobines. Ce diagramme est établi en supposant que les valeurs des fréquences respectives des deux groupes, d'abord assez différentes, se r a p p r o c h e n t de plus en plus p r o v o q u a n t une durée de plus en plus i m p o r t a n t e des périodes d'interférence. La différence angulaire de phase des deux groupes est indiquée en degrés sur l'abscisse ; pour une différence angulaire d e 180°, le courant est égal à zéro, et il atteint, son m a x i m u m pour une. différence angulaire égale à zéro, c'est-à-dire à l'identité de phase et repasse de nouv e a u p a r zéro lorsque la différence angulaire redevient égale, à (1) Des appareils de mise en parallèle automatique sont installés dans notre région à : Manufacture cle Glaces et de Produits Chimiques de Saint-Gobain ; Centrale d'Avrieux (Savoie), sur quatre alternateurs de 3.500 kvA, 10.000 volts. Etablissements Bouchayer et Viallct, Grenoble, mise en parallèle automatique de 2 arrivées du Drac Romanche avec le reseau de la Société de Fure et Morge et de Vieille. Papeteries Peyron et C , à Vizille, mise en parallèle automatique d'une arrivée de l'usine de Séchilienne avec l'usine génératrice Article published by SHF and available at http://www.shf-lhb.org or http://dx.doi.org/10.1051/lhb/1924036 tic Vizille. le LA 192 180°. Si l'on suppose m a i n t e n a n t le relais réglé pour un courant Jr, le disque d'aluminium commence à tourner dès que le cour a n t coupe la ligne Jj; c'est-à-dire a u x points c l , c2, c3 et c4 des périodes d'interférence. Le courant diminuant de nouveau le disque s'arrêtera lorsque la ligne Jr sera dé nouveau traversée, c'est-à-dire a u x points rfl, rf2 et d3 ; puis, sous l'influence du ressort du contact, un m o u v e m e n t de retour se produira provoq u a n t le déroulement du cordonnet. Afin que le contact puisse se fermer, il faut que le disque enroule le cordonnet p e n d a n t une durée égale à ca. P o u r les trois premières périodes d'interférence, ceci ne se produit pas, car les points a'ï et aà, par exemple, où la fermeture du contact pourrait "avoir lieu, sont déjà en dehors de la courbe du courant et le disque a déroulé de nouveau le cordonnet. Ce n'est q u ' à la quatrième période d'interférence, au point a4, que le cordonnet est complètement enroulé et que le contact se ferme. L a c o m m a n d e à distance entre en action et, environ au point b, produit la ferm e t u r e de l'interrupteur à huile. Les d e u x groupes sont alors couplés en parallèle et le courant, r e t o m b é en partie, r e m o n t e i m m é d i a t e m e n t à sa valeur m a x i m u m pour y rester j u s q u ' à ce HOUILLE BLANCHE t i t é de phase, c'est-à-dire au m o m e n t où le courant du relais a t t e i n t sa valeur m a x i m u m , mais avec un certain r e t a r d . Il se produirait donc un courant d'échange entre les deux groupes qui pourrait atteindre une valeur i m p o r t a n t e et par conséquent dangereuse pour l'installation. Le dispositif modificateur a pour b u t d'éliminer ce retard ; à cet effet, les bobines du relais à action différée ne sont pas b r a n chées directement sur les deux tensions individuelles, mais par l'intermédiaire de résistances de régulation g. Ces résistances sont composées d'éléments réunis chacun à un plot de contact. Sur ces plots, disposés en arcs de cercle, roulent des secteurs de contact s, guidés p a r leur pointe en acier reposant sur une crapaudine à pierre fine évidée reliée par un ressort au t a m b o u r II f\\ SU M Il / a \ 1 1. i 180 0 y " 7 V \ 1 180 -90 1 v 0 +90 180 t 1 1 1 1 / Ib 1 - 90 0 Fig. 4. — Diagramme du courant passant par les bobines du relais à action différée (sans l'influence du dispositif modificateur). J J a b » r • = Courbe du courant. = Intensité du fonctionnement du relais à action différée. = Instant de la fermeture du contact. = Instant de la fermeture complète de l'interrupteur à huile. t o u r n a n t c. Les m o u v e m e n t s de r o t a t i o n de ce t a m b o u r se t r a n s m e t t e n t ainsi a u x secteurs et p r o v o q u e n t le déplacement du point de c o n t a c t avec les plots. Ce dispositif bien connu est employé depuis longtemps avec succès sur les régulateurs à action r a p i d e ( l ) . Fig. 3. — Disposition de l'appareil de mise en parallèle automatique pour une installation triphasée (commande à distance avec contact de fin de course). I II III IV V VI VII-VII a VIII IX X XI = = = = = = Appareil de mise en parallèle automatique. Interrupteur à huile. Commande à distance. Relais intermédiaire avec bobine d'arrêt. Sectionneur. Transformateur dé tension. Commutateurs à fiche pour les interrupteurs à huile. Boite à fiche vide. Interrupteur du circuit auxiliaire. Commutateur à main de la commande à distance. Interrupteur pour le relais intermédiaire. que, l'appareil de mise en parallèle déconnecté à la main, le circuit du relais soit i n t e r r o m p u . E n e x a m i n a n t la. figure 4, on r e m a r q u e r a que là mise en parallèle n ' a u r a i t p a s lieu e x a c t e m e n t à l ' i n s t a n t où se produit l'iden- Fig. 5. — Diagramme du courant passant par les bobines du relais à action différée (sous l'influence du dispositif modificateur). E J J a b r = Courbe de la tension aux bornes de l'appareil. = Courbe du courant. = Intensité du fonctionnement du relais à action différée, = Instant de la fermeture du contact.' = Instant de la fermeture complète i\a l'interrupteur à huile. Les m o u v e m e n t s du t a m b o u r sont provoqués, d'après le principe Ferraris, p a r u n système d'électro-aimants d o n t les enroul e m e n t s a et b s o n t combinés avec les résistances auxiliaires U (1) Voir Houille Blanche, janvier à octobre 1922. Des diverses applications du régulateur à action rapide « BrownBoveri » et des méthodes de branchement correspondantes (V. Sylvestre). .LA HOUILLE 193 BLANCHE et u' de façon à produire u n c h a m p t o u r n a n t . Le couple auquel est soumis lo t a m b o u r sous l'effet de ce c h a m p t o u r n a n t est nul q u a n d il y a identité de phase e n t r e les deux groupes à mettre on parallèle ; p a r contre, dès qu'il y a une différence angulaire, le t a m b o u r t o u r n e dans une direction ou dans l'autre jusqu'à ce qu'il soit arrêté p a r les butées limitant sa course. Le m o u v e m e n t des secteurs p r o v o q u a n t un déplacement du point de contact sur les plots modifie la résistance insérée dans le circuit du relais à action différée. Q u a n d le t a m b o u r est dans sa position d'arrêt a u milieu de sa course, c'est-à-dire dans le cas d'identité de phase des deux unités à m e t t r e en parallèle, les résistances g sont courtcircuitées, et le relais â action dili'érée, est soumis à la valeur t o t a l e des d e u x tensions individuelles ; pour toutes les autres positions du t a m b o u r , une fraction de résistance est insérée dans le circuit et absorbe une partie de la tension ; lorsque le t a m b o u r d a n t la plus grande partie de la période d'interférence bien inférieure à Jr ; ce n'est q u ' a u x environs immédiats de l'identité de phase que le courant a u g m e n t e r a b r u s q u e m e n t ; le disque du relais subira à ce m o m e n t une impulsion énergique p r o v o q u a n t u n enroulement rapide du cordonnet, et, p a r suite, la fermeture du contact. Il est évident que la forme de la courbe du courant de la figure 5 correspond à une précision de fonctionnement du relais bien plus grande que celle de la figure 4. L a liaison entre les secteurs de contact et le t a m b o u r t o u r n a n t n'est pas rigide. Elle est constituée p a r un accouplement à friction. L a course des secteurs est limitée, comme celle du t a m b o u r t o u r n a n t , par des butées ; toutefois la distance entre les butées du t a m b o u r correspond à un angle plus ouvert que celle des butées des secteurs ; il en résulte q u ' à chaque oscillation, les secteurs sont arrêtés a v a n t le t a m b o u r . Le couple agissant sur le t a m b o u r est suffisant pour vaincre la friction'de l'accouplem e n t , de sorte que le t a m b o u r continue son chemin p r o v o q u a n t u n décalage angulaire des contacts p a r r a p p o r t à ce dernier. Ce décalage angulaire se produit en sens opposé, suivant que les secteurs ont b u t é à gauche ou à droite, mais dans les deux cas, il est tel que lorsque le point de contact passe par la position m é - Fig. 7. — Disposition du transformateur-inverseur pour modifier le couplage à l'extinction en couplage à l'allumage des lampes. Va I = Transformateur de tension existant. II = Transformateur inverseur. Fig. 6. — Disposition de l'appareil de mise en parallèle automatique pour Une installation triphasée avec* plusieurs systèmes de barres (contacts de verrouillage sur les sectionneurs). I II ni IV V V a VI VI a VII-VII a VJII IX X XI = = Appareil de mise en parallèle automatique. Interrupteur à huile. Commande à distance. Relais intermédiaire avec bobine d'arrêt. SccLionncur. Contact de verrouillage. Transformateur de tension de l'alternateur. Transformateur de tension des barres. Commutateurs à fiche pour les interrupteurs à huile. Jîoîle u fiche vide. .Interrupteur du circuit auxiliaire. Commutateur à main de la Commande ù distance. Interrupteur pour le relais intermédiaire. e s t dans une de ses positions extrêmes, la plus grande partie de la tension est absorbée dans les résistances et le courant passant par le relais à action différée est très faible. Le d i a g r a m m e de la figure 5, m o n t r e clairement l'effet de cette résistance variable sur le courant du relais. Si ce dernier est réglé pour un courant ,/f, le courant p a s s a n t p a r les bobines sera pen- diane il est en avance p a r r a p p o r t au t a m b o u r . Le point de cont a c t atteindra donc la position médiane a v a n t l'identité de phase des deux groupes et, de même, provoquera le court-circuitage des résistances g avec une certaine a v a n c e . Ceci est clairement indiqué sur la figure 5, où la valeur m a x i m u m du courant J est en avance par r a p p o r t à la valeur m a x i m u m de la tension E. Le résultat p r a t i q u e de ce décalage est évident : le contact de l'appareil de mise en parallèle a u t o m a t i q u e provoquera l'enclenchement de l'interrupteur à huile assez t ô t pour que, malgré le retard causé p a r là c o m m a n d e à distancé de cet interrupteur, la mise en parallèle des deux groupes ait lieu aussi e x a c t e m e n t que possible au m o m e n t de l'identité de phase. La distance des butées et par conséquent le décalage p e u v e n t être réglés de façon que le r e t a r d , variable avec les différents systèmes de commandes à distance, soit compensé exactement. U n contact de réglage, p o u v a n t être déplacé à la m a i n sur les plots de la résistance u' p e r m e t d'influencer le couple du t a m b o u r LA 194 HOUILLE BLANCHE c ; de celle façon, on peut a u g m e n t e r ou diminuer sensiblement la précision de fonctionnement de l'appareil. Si le contact de réglage est poussé j u s q u ' à la position e x t r ê m e gauche, la mise en parallèle n'est pas rigoureusement exacte, mais alors elle, est obtenue très rapidement. Ceci est indispensable lorsqu'il s'agit de services p r é s e n t a n t des à-coups de charges brusques et violents, car alors les fréquences respectives v a r i e n t tellement qu'il serait impossible de les m a i n t e n i r égales p e n d a n t un t e m p s même très court. qui s'allume'périodiquement et indique clairement si la vitesse de la machine à m e t t r e en parallèle sur les barres doit être augmentée ou diminuée. L'appareil p e u t donc être employé comme synchronoscope m ê m e lorsque, pour une raison quelconque, on ne v e u t pas provoquer la mise en parallèle a u t o m a t i q u e . P a r contre, plus le contact de réglage est poussé à droite plus la précision de la mise en parallèle, a u g m e n t e , mais il est nécessaire d'obtenir une plus grande uniformité des deux fréquences pour provoquer la mise en parallèle. D a n s une usine électrique ou dans une sous-station, il suffit presque toujours d'installer u n seul appareil de mise en parallèle, a u t o m a t i q u e . On le branche au moyen de c o m m u t a t e u r s à fiches sur les différentes unités et leurs i n t e r r u p t e u r s à huile, s u i v a n t les besoins du service. La combinaison de ces c o m m u t a t e u r s doit dans tous les cas être faite de telle façon q u ' u n e fausse m a n œ u vre de l'homme de service ne puisse e n t r a î n e r une mise en p a r a l lèle inexacte. On ne doit pas, en effet, perdre de vue que l'un des grands avantages de cet appareil a u t o m a t i q u e est j u s t e m e n t celui de p e r m e t t r e à u n personnel i n e x p é r i m e n t é de réaliser une mise en parallèle a b s o l u m e n t sûre et exacte. APPLICATIONS Toutes les combinaisons de c o m m u t a t e u r s qui n'excluent pas rigoureusement t o u t e possibilité de fausse m a n œ u v r e p o u v a n t provoquer une mise en parallèle inexacte doivent être rejetées. U n e de ces combinaisons dangereuses est celle consistant à se servir de t r a n s f o r m a t e u r s de tension branchés sur les barres omnibus lorsque l'usine présente plusieurs systèmes de barres travaillant i n d é p e n d a m m e n t les unes des a u t r e s . D a n s ce cas, il faut absolument prévoir un dispositif de verrouillage p o u v a n t être réalisé p a r des contacts auxiliaires m o n t é s sur l'axe des sectionneurs de façon à ne connecter à l'appareil de mise en parallèle que le t r a n s f o r m a t e u r de tension du système de barres sur lequel les sectionneurs ont été fermés (fig. 6). Fig. 8. — Disposition de l'appareil de mise en parallèle automatique pour une installation triphasée (commande à distance sans contact de fin de course). I II III IV V VI VII-VII a VIII IX X XI = Appareil de mise en parallèle automatique. = = = = = = Interrupteur à huile. Commande à distance. Relais intermédiaire avec bobine d'arrêt. Sectionneur. Transformateur de tension. Commutateur à fiche pour les interrupteurs à huile. Boîte à fiche vide. Interrupteur du circuit auxiliaire. Commutateur à main de la commande à distance. Interrupteur à bouton avec déclenchement retardé. Le couplage le plus sûr et en m ê m e t e m p s le plus simple p e u t toujours être réalisé s u i v a n t le schéma.de la figure 3 ; on se sert pour l'alimentation de l'appareil de mise en parallèle de deux transformateurs de tension placés de chaque côté de l'interrupt e u r à huile à actionner. Comme on p e u t toujours p o u r alimenter l'appareil de mise en parallèle, se servir du t r a n s f o r m a t e u r de tension existant, sur lequel sont déjà branchés les i n s t r u m e n t s de mesure, cette disposition de deux transformateurs de tension n ' e n t r a î n e pas nécessairement une a u g m e n t a t i o n du n o m b r e t o t a l des transformateurs. Il faut toutefois disposer ces t r a n s formateurs de façon à pouvoir réaliser cette combinaison. Ce ne sera donc que dans les -cas assez rares où cette répartition des transformateurs ne serait pas possible sans frais i m p o r t a n t s que l'on se servira du dispositif indiqué sur la figure 6. D a n s les installations où il n ' y a q u ' u n seul système de barres, on pourra toujours se servir du t r a n s f o r m a t e u r de tension b r a n ché sur les barres. Ce dispositif de réglage p e r m e t d ' a d a p t e r la précision de l'appareil a u x conditions de service de l'entreprise, da façon à garant i r la précision m a x i m u m correspondant à la meilleure uniform i t é de fréquence p o u v a n t être obtenue avec une m a n œ u v r e de durée raisonnable. L ' a d a p t a t i o n se fait une fois pour toutes à la première mise en service et l'appareil p e u t alors être plombé ou fermé p a r un cadenas pour éviter que le personnel de surveillance ne puisse modifier le réglage. Comme il a été dit p r é c é d e m m e n t , il est nécessaire que les transformateurs de tension a l i m e n t a n t l'appareil soient b r a n chés de façon à produire, p e n d a n t l'identité de phase, l'allumage des lampes, c'est-à-dire que la mise à terre devra se faire a u x bornes différentes des .transformateurs (v, u). Si, p a r suite de l'installation antérieure des appareils, la mise à la terre-des transform a t e u r s de tension a déjà été faite uniformément à la même borne, d'où résulte donc le couplage à l'extinction des lampes, il faudra employer un transformateur-inverseur (fig. 7) pour rétablir le couplage à l'allumage, indispensable au bon fonctionnem e n t de l'appareil. Il y a encore lieu de mentionner le dispositif de signalisation optique c o m p o r t a n t un index oscillant combiné avec une lampe II existe un g r a n d nombre de types différents de commandes à distance des i n t e r r u p t e u r s à huile. Certaines c o m m a n d e s ont un LA HOUILLE 195 BLANCHE contact de fin de course i n t e r r o m p a n t le circuit de la bobine d'enclenchement ; d ' a u t r e s ne possèdent pas ce dispositif. Afin d'assurer un bon fonctionnement de l'appareil de mise en parallèle, avec ces différents t y p e s de commandes, u n certain nombre de combinaisons ont été étudiées. Les figures 3 et 6 représentent la disposition de commandes à distance munies d'un, contact de fin de course. Comme le petit contact de l'appareil de mise en parallèle ne pourrait pas sans danger fermer et interrompre le courant généralement très i m p o r t a n t de la bobine d'enclenchem e n t des commandes à distance, on se sert d ' u n relais intermédiaire IV. Ce petit contact ferme le circuit de la bobine de tension du relais intermédiaire. L ' a r m a t u r e est attirée et le relais ferme le circuit de la bobine d'enclenchement de la c o m m a n d e à dist a n c e ; en même t e m p s , il court-circuite sa propre bobine de tension et m e t en circuit une bobine d'arrêt d o n t les enroulem e n t s sont en série avec ceux de la c o m m a n d e à distance ; cette bobine d'arrêt m a i n t i e n t la fermeture des contacts du relais intermédiaire. Après la mise en parallèle, le contact de fin de course i n t e r r o m p t le circuit de la bobine d'enclenchement de la comm a n d e à distance, et p a r conséquent, celui de la bobine d'arrêt qui laisse alors r e t o m b e r son noyau. Le circuit de la bobine de tension est également interrompu p a r l e contact de fin de course, de sorte que, m ê m e si le contact de l'appareil de mise en parallèle reste fermé, le relais intermédiaire n'est pas sous tension. qui cause également la r u p t u r e du circuit de la bobine d'enclenchement de la commande à distance. Ce retard p e u t être régla à volonté de façon à laisser à celle-ci le temps suffisant pour ferm e r complètement l'interrupteur à huile. Ce dispositif possède encore un a v a n t a g e , qui consiste en un blocage a u t o m a t i q u e du relais X I I , qui ire peut être libéré qu'à la main au moyen d ' u n b o u t o n p e r m e t t a n t la prochaine mise en parallèle. E n cas de non fonctionnement pour cause de. dérangement dans l'interr u p t e u r à huile ou dans sa c o m m a n d e à distance, on évite ainsi u n « pompage » continu de cet interrupteur, car la c o m m a n d e à distance ne reçoit q u ' u n e seule fois l'impulsion nécessaire à la fermeture de ce dernier. Si l'on voulait se servir de ce m ê m e dispositif pour la commande à distance n ' a y a n t pas de c o n t a c t de fin de course, la bobine d'enclenchement resterait sous tension j u s q u ' à ce que l'homme de service en interrompe le circuit en r e t i r a n t la fiche V I I . Toutefois, cette bobine n ' é t a n t pas calculée pour s u p p o r t e r indéfin i m e n t le c o u r a n t d'enclenchement, elle s'échaufferait de façon dangereuse si l'interruption ne se faisait pas r a p i d e m e n t . On se servira donc avec a v a n t a g e du dispositif indiqué sur la figure 8. Le relais intermédiaire IV ne possède pas alors de bobine d'arrêt, mais seulement u n p e t i t contact auxiliaire qui m a i n t i e n t les contacts principaux fermés lorsque la tension a été donnée par l'appareil de mise en parallèle. U n second relais X I I , m u n i d'un dispositif d'amortissement, i n t e r r o m p t au b o u t d'un certain r e t a r d réglable le circuit de la bobine du relais intermédiaire, ce ASPECT GÉNÉRAL D E L'APPAREIL L'appareil de mise en parallèle a u t o m a t i q u e avec les résistances du dispositif modificateur forme un t o u t complet, enfermé dans u n boîtier p o u v a n t être m o n t é facilement sur un t a b l e a u . Les contacts et le système mobile sont enfermés h e r m é t i q u e m e n t derrière u n couvercle avec cadre vitré qui évite t o u t e détérioration. Les résistances placées derrière le t a b l e a u sont protégées p a r u n couvercle en tôle perforée p e r m e t t a n t le refroidissement. T o u t e usure est évitée e t l'appareil ne nécessite pas plus d'entretien q u ' u n i n s t r u m e n t de mesure. Comme ses dimensions sont indépendantes de la puissance des groupes à m e t t r e en parallèle, il n'existe q u ' u n seul t y p e bobiné pour être branché sui un courant alternatif 2 x 110 volts. Le relais intermédiaire p e u t être livré pour courant continu ou cour a n t alternatif. Afin de pouvoir calculer les bobines, il est nécessaire de connaître le système de distribution et la tension de la source auxiliaire. P o u r les dispositifs sur les figures 3 et 6, il est nécessaire de connaître également l'intensité du courant absorbé par la bobine d'enclenchement de la c o m m a n d e à distance, car cette intensité d e t e r m í n e l a bobine d'arrêt du relais intermédiaire. - (S. V.)