Brevet FR2214959A1 — publié le 19740819

La présente invention concerne les disjoncteurs basse tension destinés à la protection des transformateurs utilisés sur les réseaux de distribution électrique. Les disjoncteurs connus pour cette utilisation comprennent en général trois organes principaux - contacts électriques de coupure et de fermeture, - mécanisme de commande de ces contacts, - déclencheur de mesure commandant le mécanisme en fonction des intensités traversées. En ce qui concerne les disjoncteurs destinés à la protection des transformateurs l'organe nrineipal déterminant presque fondamentalement la valeur du disjoncteur est son déclencheur qui a été réalisé suivant différentes formes - magnétique, - magnéto-thermique, - thermique. A la suite de ltexpérience acquise en exploitation et notamment à cause des défauts fugitifs sur les lignes électriques de distribution, les deux premières formes de déclencheurs ont été abandonnées et seul a subsisté le déclencheur thermique. Ce déclencheur thermique a lui-même évolué pour améliorer de plus en plus, autant la protection des transformateurs que la conti- nuité d'exploitation des réseaux de distribution électrique. C'est ainsi qu'au départ ont ét utilisés des déclencheurs comportant des bilames n fonctionnement dans l'air,alors qu'ensuite sont apparus, et nous avons pris un certain nombre de brevets dans ce sens, des déclencheurs comportant des bilames fonctionnant dans des liquides en relation thermique ou non avec l'huile des transformateurs à protéger.Cette évolution a eu pour but l'obtention dans le déclencheur du disjoncteur, d'une image thermique du transformateur en créant-par exemple, un dispositif comportant des bilames dont les températures sont constamment égales au point le plus chaud des bobinages du transformateur0 D cette façon, le déclen cheur ne commandera l'ouverture du disjoncteur que quand l'une de ses bilames aura atteint sa temprature limite de réglage, température qui, par construction, correspond à la te pérature limite du point chaud du transformateur, évitant ainsi toute détérioration du dit transformateur.De la même façon, le-disjoncteur ne dé clenchera pas avant que cette limite soit atteinte, optimisant ainsi la continuité d'exploitation du réseau de distribution électrique. Ces déclencheurs à bilames dans des liquides représentent déjà une amélioration clnsidérable dans la protection des transformateurs vis à vis des déclencheurs à bilames dans l'air puisqu'ils permettent à tout moment, et presque dans tous les cas, de surveiller la température du point chaud du transformateur, et donc de ne déclen- cher judicieusement le disjoncteur que quand cette température est atteinte, quels que soient les régimes et les températures ambiantes de fonctionnement du transformateur. Ils présentent cependant encore un léger inconvénient sur surcharges monophasées dû à la disposition particulière des bobinages basse tension du transformateur sur leurs colonnes de culasse.En effet, de par leur construction, les transformateurs, notamment destinés au réseaux ruraux ont d'une part, leur point chaud pratiquement toujours situé sur les bobinages Basse tension, et d'autre part, dans le cas des transformateurs triphasés aig-zag d'utilisation courante, ces bobinages basse tension sont toujours doubles et en général imbriqués sur chacune des colonnes de culasse. Cette disposition à double bobinage basse tension, imbriqué ou non, sur chaque colonne de culasse présente une différence impor- tante en ce qui concerne la durée nécessaire pour atteindre la température limite de leur point chaud suivant qu'il s'agit d'une surcharge monophasée ou d'une surcharge bi ou triphasée. En effet, dans le cas d'une surcharge bi ou triphasée, et quel que soit le schéma de branchement des bobinages basse tension du transformateur, on constate qu'au minimum sur une colonne de culasse, les deux bobinages base tension de la dite colonne sont traversés par la mme intensité que celle qui traverse la bilame; ces deux bobinages ont donc des échauffements sensiblement égaux.Compte tenu des dispositions constructives et comme nous l'avons expliqué pré eédemment, le déclencheur est conçu pour que la température de ses bilames dans le liquide suive la même progression que celle du point chaud du bobinage correspondant du transformateur et provoque ainsi le fonctionnement du déclencheur quand sa limite préalablement fixée est atteinte; la protection est donc correcte par construction sur des surcharges bi ou triphasées. Par contre, sous des surcharges monophasées, et toujours par site des caractéristiques obligatoires de construction des transformateurs triphasés zig-zag, et dans le cas de certains de leurs branchements, l'intensité de la surcharge traversant la bilame ne traverse qu'un seul des deux bobinages d'une colonne et l'un des deux bobinages d'une autre colonne.La conclusion pratique de cette particularité constructive, en cas de surcharge monophasée, est que pour une colonne interessée, le seul bobinage traversé par la surcharge est refroidi par conductibilité par le deuxième bobinage imbriqué de la même colonne, non traversé par la surcharge, ce qui baisse sa température et provoque donc un accroissement considérable du temps ou de l'ntensité nécessaire à temps égal, pour que son point chaud atteigne sa température limite.Par contre, la bilame interessée par la meme surcharge monophasée n'est pas dans la meme situation, puisqu'elle n'est pas, comme le bobinage du transformateur et en cas de surcharge monophasée refroidie anormalement par une masse métallique voisine; elle réagit donc sensiblement comme dans le cas d'une surcharge triphasée et ne suit plus le point chaud du bobinage, mais le précède provoquant ainsi une surprotection et nn déclenchement inutile nuisible à la continuité de l'ex- ploitation du réseau de distribution électrique. Le déclenoeur suivant l'invention, permet dtéviter cet important inconvénient. Dans celui-ci, en eff t les bilames sont toujours traversées chacune par le courant de surcharge de leur colonne de culasse correspondante, mais leur déflexion est partiellement compensée dans 7e cas de défaut monophasé, par la non déflexion de la bilame correspondant à la colonne voisine, ce qui permet, du fait de l'échauffement progressif du liquide dans lequel fonctio- nent les bilames, de retarder le déclenchement dans ce cas parti culir et ainsi d'éviter la surprotection en monophasé mentionnée prée-demmentv Dens le cas-d!une surcharge bi ou triphas--.-e, ce phénomène de retard ne se produit pas puisqu'au moins deux bilames sont obligatDirement traversées par la surcharge et le fonctionnement reste correct, car dans ce cas, nous avons montré qu'au moins deux bobinages d'une meme colonne taient traversés par la surchar- ge et donc chauffaient normalement0 Be déclencheur objet de-l'invention comporte outre son mécanis- me à percussion ou non, des bilames actionnant une barrette multiple pivotante, commandant la serrure du dit mécanisme. Quand sous l'influence de l'intensité de surcharge, les bilames déflectent en fonction de leur température, elles font pivoter la barrette principale qui, libérant en fin de course une serrure, provoque le fonctionnement du déclencheur, et donc l'ouverture du dis.Joncteur. Dans les déclencheurs classiques à fonctionnement dans un liquide et en g-néral, chaque bilame commande, par ''intermédiaire d'une vis réglable, un doigt rigide situé sur la dite barrette pivotante. De ce fait, tout déplacement par déflexion de l'extrémité de bilame provoque un déplacement angulaire correspondant de la barrette jusqu' au déclenchement du disjoncteur. Au contraire, dans le déclencheur objet de l'invention, chaque bilame commande, par l'intermédiaire d'une vis réglable ou d'un téton fixe, le déplacement d'une barrette annexe pivotant transversalement sur la barrette principale et fixée sur cette dernière. Pour un déclencheur triphasé par exemple, ces barrettes annexes sont au nombre de trois et comportent chacune à leurs extrémités une vis réglable et un pion fixe reposant tous deux sur une bilame différente, ce qui, au point de vue déflexion associe donc les bilames deux par deux. Sur chaque barrette annexe et à égale distance entre la vis réglable et le pion fixe, se trouve sur chaque barrette annexe, l'axe de pivotement qui est perpendiculaire à l'axe de la barrette principale0 Suivant cet te disposition particulière le fonctionnement de ce déclencheur à bilames dans un liquide se définit comme suit 1 - Surcharge bi ou triphasée Dans ce cas, deux bilames au moins sont parcourues par le courant de surcharge; elles déflectent donc toutes deux et entrainent cha cune la vis de réglage et le pion fixe dtau moins une barrette annexe. Comme cette barrette annexe est repoussée également à ses deux extrémités, le pivotement central de la dite barrette annexe se trouve automatiquement inutilisé et tout se passe comme si la barrette principale recevait par l'axe de pivotement de la barrette annexe, la course de déflexion des deux bilames. Comme les bilames sont caractérisées suivant l'image thermique par une température donc une déflexion suivant l'élévation de température du point chaud du bobinage basse tension du transformateur, elles provoquent le déclenchement du disjoncteur quand ce point chaud a atteint la température limite préalablement fixée. Exemple : la limite de température des points chauds des bobinages basse tension d'un transformateur a été fixée à 1200. Sous une surcharge de 1,5 fois son intensité nominale et pour une température ambiante de 200 le point le plus chaud d'un bobinage du transformateur mettra 3 heures pour atteindre cette température de 1200. Dans le meme temps, et par construction, les deux bilames interessées par la surcharge biphasée de 1,5 In déflecteront de 6 m/m et provoqueront le déclenchement à la fin de ces 6 m/m parcourus en 3 heu res, protégeant ainsi le transformateur de tout échauffement supérieur à 1200. I1 faut noter que la dé flexion des bilames dans le cas de déolen- cheurs à bilames fonctionnant dans un liquide, est composée grossièrement de deux déflexions qui s'ajoutent dans le temps - d'abord, une première déflexion rapide provoquée presque exclusivement par l'échauffement de la bilame parcourue par le courant de surcharge, - ensuite, une deuxième déflexion lente s'ajoutant à la première et provoquée par l'augmentation progressive de la température du "liquide-déclencheur", augmentation de température produite par les calories dégagées par la ou les bilames et par celles apportées éventuellement par conductibilité pir la paroi du transformateur chauffée par l'huile du dit transformateur.D-ns l'exemple ci-dessus on peut admettre par exemple que, pour un déclencheur déterminé, la déflexion rapide est de 3 m/m et la dé flexion lente de 3 m/m pour le total de 6 m/m. 20- Surcharge monophasée en branchement B 2 Dans ce cas, et comme nous l'avons indiqué précédemment aucune colonne de culasse du transformateur n'a ses deux bobinages basse tension parcourus par le courant de surcharge. Les deux colonnes interessées n'ont chacune qu'un bobinage parcouru par le courant de surcharge dont la température monte donc moins rapidement que dans le cas de surcharge bi ou triphasée décrite précédemment , puisque le deuxième bobinage non traversé par le courant, non seulement ne chauffe pas lui-meme, mais sert en réalité de radiateur réduisant l'échauf- éf fement du premier bobinage.Par contre, et comme dans le cas précédent, une bilame mais une seule, est traversée par le courant de surcharge; Elle déflecte donc en fonction de ce courant, et au début par déflexion rapide, repousse par exemple la vis de réglage de la barrette annexe quelle commande. Cette barrette annexe se trouve donc 'sabord uniquement sollicitée à l'une de ses extrémités "coté bilame sous surcharge" étant donné qu'en surcharge monophasée les autres bilames sont hors surcharge t ne chauffent pas. De ce fait, cette barrette annexe pivote autour de son axe et n'entrSine d'abord la barrette principale qu'à déplacement angulaire réduit correspondant à la moitié de sa déflexion rapide. Elle ne provoque donc pas le déclenchement. Ensuite, le flliquidedéclencheurll chauffant progressivement agit sur toutes les bilames en dé flexion lente et en particulier sur les deux bilames associées à la barrette annexe en question, celle sous surcharge et la deuxième hors surcharge.Cette barrette annexe sollicitée alors également à ses deux extrémités se déplace donc parallèlement et entraine ainsi d'une m8me quantité la barrette principale en déflexion. Du fait de cette disposition, le temps nécessaire pour atteindre la rotation angulaire de déclenchement de la barrette principale est considérablement augmenté et ce temps se rapproche de celui nécessaire pour que le point chaud du bobinage basse tension du transformateur atteigne lui sa température limite, amé- liorant ainsi la protection en réduisant la surprotection dans le cas de la tenue du transformateur sur surcharge monophasée0 Le but de l'invention est donc atteint. Exemple : la limite de température des points chauds des bobinages du transformateur estXtoujours évidemment fixée à 120 . Comme nous l'avons expliqué précédemment, sous une surcharge monophasée de 1,5 In, cette température sera atteinte non pas en 3 heures comme en surcharge bi ou triphasée, mais en 6 heures, car seul sur deux colonnes, un bobinage par colonne chauffe sous surcharge. Une seule bilame est évidemment traversée par la surcharge. Comme dans 1' ex- emple précédent, sa déflexion rapide est de 3 m/m mais comme la bilame qui lui est associée par la barrette annexe n'est pas sous surcharge, la course de l'axe de la dite barrette annexe n'est que de 3r = 7,5 m/m donc trbs nettement insuffisante pour provoquer le 2 déclenchement.Puis le 11liquide-déclencheur" s'achauffe, d'ailleurs plus lentement que dans le cas de la surcharge bi ou triphasée, puisqu'une seule bilame le réchauffe. Pendant cette période,les deux bilames commandant la barrette annexe déflectent de la même quantité en déflexion lente en entrihant la barrette annexe parallèlement puisqu'elle est entrainée par ses deux extrémités0 Du fait que l'échauffement est plus lent (une seule bilame), il faut par exemple 4 heures pour que la bilame sous surcharge et celle qui lui oet associée par la barrette annexe délectant toutes deux de 3 m/m en déflexion lente. A ce moment, la course angulaire de la barrette annexe est donc (r = rapide, 1 = lent) -toujours insuffisant pour provoquer le déclenchement de 6 m/m. I1 faut donc que le liquide continue à chauffer pour que les déflexion totalisées des bilames soient suffisantes pour provoquer le déclenchement angulaire de 6/m/m de l'axe de pivotement de la barrette annexe, soit encore 1,5 Mfm mais pour faire cette déflexion supflémentaire lente de 1,5 m/m sur chacune des deux bilames, il a encore fallu 2 heures de chauffage du "liquide déclencheur". Au total donc, par cet artifice, il faudra 4 + 2 = 6 heures pour obtenir la d flexion de déclenchement de 6 m/m, soit un temps égal à celui nécessaire au point chaud du tr-nsformateur pour atteindre 12000 'le but de l'invention est atteint : à savoir, le dFclencheur met le même temps pour déclencher que le temps nécessaire au point chaud du bobinas Basse Tsno-ion pour atteindre sa limite, que la surcharge soit monophasé ou bi-, ou triphasée, bien que ce bobina ge du transformateur chauffe nettement moirs vite sur surcharge monophasée que sur surcharge bi ou triphasée. Le dessin anrexé illustre à titre dtexemple un mode de réalisation du dC-clsncheur conforme à la présente invention. Tel qu'il est représenté en monopolaire par simplification dans la vue de face, le déclencheur comporte un boitier (1 dont le coté (2) peut être la tole du transformateur qu'il doit protéger. Ce boitier est rempli d'un liquide adéquat (3) dans lequel fonctionnent tes bilames en U (4) (5) (6), fixées sur le couvercle isolant (7) dans lequel passent les plots de raccordement (8) des dites bilames au circuit électrique (9) en provenance des bobinages du trnsformateur, et repartant vers les contacts de coupure fermeture du disjoncteur par 10 (reprsenté en monopolaire seulement). Chaque bilame est donc traversée par la totalité du courant monophasé du transformateur interessant la colonne de la culasse du dit transformateur qui lui est associé en monophasé. Dans le boitier 1), et tourillonnant sur des paliers fixés sur -(7), une barrette principale (17) comporte des axes perpendiculaires (12),(13), (14), sur lesquels pivotent des barrettes annexes (15) (16), (17). Ces barrettes comportent toutes à leurs extrémités, d' un coté une vis réglable (19), et de l'autre un pion fixe (20).Les extrémités des vis réglables et des pions fixes portent sur les bilames sous l'action d'un ressort non représenté, qui force la barrette principale et donc les barrettes annexes à entre eon--tamment en contact des bilames4 En extrémité de la barrette principale (11), se trouve une serrure (?1) qui peut libérer un axe (22) souris à un ressort et qui comporte une ,manivelle (23) commandant la serrure générale du disjoncteur. Le fonctionnement du déclencheur suivant l'invention est le suivant 1 --Sureharge bi ou triphasée - Dans ce cas au moins deux bilames sont interesées. Admettons pour la démonstration cue ce soient les bilames (5) et (6). Dans ce cas, sous l'influence du courant traversé elles déflectent d'abord à allure rapide de 3 m/m par exemple et reFoussent toutes deux les extrémités de la barrette annexe t17 qui, du fait de son déplacement parallèle entraine son axe (14) de la même quantité et donc également la barrette principale (lui) sur laquelle est fixée l'axe (14)- qui pivote donc de la quantité correspondant à ces 3 m/m.Cette déflexion rapide étant effectuée les bilames passent au stade de la déflexion lente et le processus se poursuit jusqu'à ce que les bilames aient déflecté de 6 m/m, ce qui produit alors, par réglage préalable, la libération de la serrure (21) et le fonctionnement de la manivelle (23). Ces 3 m/m de déflexion lente ont duré par exemple 3 heures, temps que mis le point chaud du transformateur pour atteindre sa température limite i 200 o 20- Surcharge monoPhasée - De même inteneité que la surcharge bi ou triphasée, mais interessant donc la seule bilame (6) par exemple. Dans ce cas, le transformateur peut rester en surcharge non pas 3 mais 6 heures. Be fonctionnement du déclencheur breveté est alors le suivant la bilame (6) fait sa déflexion rapide de 3 m/m mais comme la bilame (5) n'est pas parcourue par la surcharge, elle ne déflecte pas. La barrette annexe stappuyant sur les bilames (6) et (5), sa vis (19) et son pion (20) pivote autour de l'axe (14) mais fait en même temps reculer cet axe, situé à mi-distance entre vis et pion de la 3 moitié de la course de la bilame soit 23 = 2 - 1,5 m/m.Pendant la pha- se suivante de déflexion lente, les 2 bilames (5) et (6) sont alors interessaes toutes deux par l'échauffement du liquide (3) qui pro- voque justement leur déflexion lente; elles font par exemple encore toutes deux 3 mXm mais la barrette annexe (17) se déplace alors parallèlement puisqu'elle est repoussée également par ses deux extrémités. 'l'axe (14) recule donc de 3 m/m pendant cette période faisant pivoter la barrette principale de l'angle correspondant. A ce moment, la barrette principale a donc pivoté a) de 1,5 m/m pendant la déflexion rapide d'une seule bilame, b) de 3 m/m pendant la déflexion lente de deux bilames, ce qui donne 4,5 m/m, course encore insuffisante pour provoquer le déclenchement. Be processus se poursuit donc par déflexion lente des 2 bilames (5) et (6), jusqu'au moment où la course angulaire de 6 m/m sur la barrette (11) est atteinte, ce qui se produit quand dans la deurième phase de déflexion lente, les bilames ont effectué encore et en plus 1,5 m/m. Au total 1 - la bilame (5) aura effectué 3 + 1,5 = 4,5 m/m 20- la bilame (6) aura effectué 3 + 7 + 1,5 = 7,5 m/m 30- la barrette principale et l'axe (14) 1,5 + 3 + 1,5 = 6 m/s et le déclenohelent sera obtenu à ces 6 m/m mais en un temps nettement plus long. En effet, a) le liquide (3) chauffe moins vite dans le boitier (1) puisqu'il n'y a qu'une bilame qui chauffe, b) lee bilames (5) et (6) doivent effectuer en déflexion lente 4,5 m/m au lieu de 3 m/m dans le cas d'une surcharge polyphasée. Au total, et par suite de la conjuzaison de a + b, le temps passe par exemple de 3 à 6 heures, ce qui est le but recherché par l'invention pour arriver au déclenchement avec la course de 6 m/m. le déclencheur objet de l'invention, peut être utilisé avantageusement dans tous les cas où l'on recherche une protection optima d'un transformateur triphasé zig-zag tant sur des surcharges polyphasées que sur des surcharges monophasées, alors que les temps n6- cessaires pour arriver aux températures limites de point chaud du transformateur sont très nettement différents dans les deux cas de surcharges, par suite du phénomène provoqué par leurs bobinages basse tension imbriqués deux par deux sur chaque colonne de culasse de transEormateur.