Brevet FR2273390A1 — publié le 19751226

La présente invention concerne la protection contre les surcharges des transformateurs de distribution électrique, notamment des transformateurs moyenne tension - basse tension montés à l'air libre sur des poteaux de réseaux de distribution ruraux (2ème catégorie). L'invention peut également s'appliquer aux transformateurs installés en cabine dans les postes de distribution publique. La protection de tels transformateurs est, à l'heure actuelle, le plus souvent assurée par un disjoncteur basse tension associé au transformateur sur son poteau ou dans sa cabine, dont l'ouverture est commandée, en cas de défaut, par un déclencheur thermique (ou un relais à bilames associé à des serrures de déclenchement) et qui protège le transformateur contre les surintensités dues à des courts-circuits ou à des surcharges. Le fonctionnement du déclencheur doit habituellement entre compensé en température dans une plage de température ambiante s'étendant de - 250C à + 50"c. Si de tels dispositifs assurent une protection efficace contre les courants de courts-circuits, la protection qu'ils fournissent contre les courants de surcharge, inférieurs aux courants de courts-circuits, n'est pas satisfaisante. En effet, ces dispositifs mettent en oeuvre un déclencheur compensé on température, ctest-à-dire conservant des caractéristiques de fonctionnement constantes, notamient en régime de surcharge, dans la plage de température pour laquelle il est compensé. Autrement dit, quelle que soit la valeur de la température ambiante coaprise dans cette plage, sa caractéristique de déclenchement I = f (t) (intensité de déclenchement en fonction du texpszreste inchangée.La protection ainsi obtenue pour le transformateur n'est pas adéquate, car ce dernier peut supporter une intensité de surcharge donnée pendant un temps plus ou moins grand selon que la température ambiante est plus ou moins basse, pour une sème température limite interne de fonctionnement qui est la température maximale que les isolants du transformateur sont en mesure de supporter en régie permanent. Un déclencheur bimétallique compensé en température conduit donc à une sur-protection du transformateur aux basses températures ambiantes (d'où déclenchement injustifié alors que le transformateur n1 est nullement en danger) et à une sous-protection aux températures ambiantes élevées (mettant la vie de celui-ci en danger par vieillissement accéléré des isolants, puis par leur destruction). L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients au moyen d'un dispositif de protection intervenant dbs franchissement de la température limite imposée par les isolants aux points chauds du transformateur, son fonctionnement étant insensible à la température extérieure d'environnement. A cet effet, 1'invention a pour objet un dispositif de protection contre les surcharges affectant un transformateur, qui comprend au moins une sonde ou élément sensible à la température, etde préférence plusieurs sondes placées à l'intérieur du transformateur, en particulier aux points chauds de celui-ci,et reliées, par l'intermédiaire d'un rela;pilote, au déclencheur dlus disjoncteur dont elles commandent le fonctionnement lorsque la température mesurée atteint une valeur limite prédéterminée.Pour des raisons liées à la présence de potentiels électriques Xlevees ou de contraintes mécaniques importantes dont les enroulements du transformateur sont le siège, lesdites sondes sont placées en pratique à proximité des points chauds desdits enroulements. Ce dispositif de protection contre les surcharges (correspondant i des surintensités relativement faibles qui Re dépassent pas environ le triple de l'intensité nominale du transformateur) travaille en conjugaison avec un dispositif de protea- tien contre les fortes surintensités et les courts-circuits, de type connu, temporisé ou instantané. Ces deux dispesitifs de pro- section complémentaires peuvent agir sur un XRme mécanisme de déclenchement du disjoncteur protégeant le eransforsateur. Ainsi, le transformateur est protégé de deux façons distinctes parfaitement adaptées l'une aux faibles surcharges, l'autre -aux tortes surintensités. En particulier, la protection contre les faibles surcharges est fondée sur la mesure directe de la grandeur à contrAoler, à savoir la température des points chauds du transformateur, et non sur la mesure de l'un des éléments qui la conditionne, à savoir l'intensité électrique.Il en résulte qu'une telle protection permet de tirer la quintessence du transformateur sans qu'il soit jasais en danger, et cela dans toutes les conditions de fonctionnement (régimes équilibrés ou affectés d'un déséquilibre mono-, bi- - ou triphasé dans le cas d'un transformateur triphasé) et pour toutes les températures extérieures correspondant à la plage de température de fonctionnement du transformateur et comprises par exemple entre - 25 C et + 50 C. D'autre part, la présence de deux circuits de protection indEpen- dants offre l'avantage qu'en cas de défaillance de l'un des circuits, l'autre circuit peut assurer une protection de secours, naturellement moins- bien adaptée, mais qui peut néanmoins protéger le transformateur. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 représente le réseau d'isothermes dtun transformateur, indiquant le temps pendant lequel ce dernier peut supporter une surintensité donnée à chaque température ambiante comprise dans sa plage de fonctionnement. La figure 2 représente le diagramme de protection selon l'invention d'un transformateur. La figure 3 représente schématiquement la disposition des éléments de protection selon l'invention d'un transformateur. Le réseau d'isothermes de la figure l-est composé de courbes I = f (t, Te) caractérisant le temps de tenue aux inten 7n sités de surcharge dtun transformateur, ce temps correspondant à l'atteinte de la température limite T du point le plus chaud du transformateur, conditionnée par les isolants que comporte celuici et typiquement égale à 1200C, In est le courant électrique nominal du transformateur, I le courant réel supérieur à In, t le temps exprimé en secondes et Te la température du milieu extérieur au transformateur, intervenant comme paramètre. Un dispositif de protection optimal doit donc, pour une surintensité I ) In, actionner le disjoncteur associé au transformateur au bout du temps t donné par la courbe qui correspond à la température extérieure Te. Or, un dispositif de protection à déclencheur thermique compensé en température intervient au bout d'un temps indépendant de la température extérieure et donné par une unique courbe telle par exemple que la courbe pour Te = 200C. Pour une surcharge I = 2 In, la protection intervient alors toujours au bout de 1000 s > ce qui correspond à une surprotection si Te = -250C (la temporisation pouvant atteindre sans risque environ 8000 s) et à une sous-protection si Te = +50 C (le déclenchement devant avoir lieu dès 500 s environ). I1 n'en est pas de mme dans le dispositif selon l'inver, tion où ce sont des sondes thermométriques qui commandent le déclenchement de la protection directement en fonction de la température effective des points chauds du transformateur, à savoir lorsque la température de ces points chauds atteint une valeur maximale T constante, caractéristique de chaque transformateur.Une telle protection intervint donc avec une temporisiai modulée selon la température extérieure Te et conforme à un réseau d'isothermes représenté en haut à gauche du diagramme de la figure 2, ce réseau reflétant très exactement celui dru transforma teur (figure 1) qui bénéficie de ce fait d'une protection parfai- tement adaptée à ses caractéristiques. On a porté également sur la figure 2 la courbe C rèprésentant la loi de fonctionnement d'un autre par déclencheur temporisé contre les surcharges importantes et les courts-circuits. Cette protection prend le relais de la protection contre les surcharges lorsque les surintensités I dépassent environ le triple de l'intensité nominale In. La courbe C peut coïncider avec la caractéristique adiabatique Icc = f (t) du transformateur en régime de court-circuit. Cette deuxième protection est avantageusement réalisée au moyen d'un relais à bilames non compensées en température dont la courbe caractéristique C rejoint, lorsque I diminue, le réseau dothermes de la première protection contre In les faibles surcharges,puis passe au-dessus de celui-ci de manière à assurer une protection de secours en cas de défaillance de la première protection.Inversement, celle-ci peut assurer à son tour une protection de secours (à droite de la ligne D correspondant à I = 3) en cas de défaillance de la deuxième protection à bilames. In La deuxième protection peut aussi 8trie instantanée. Dans ce cas, sa courbe représentative est une droite verticale telle que la droite D (figure 2) et elle ne fournit plus de protection de secours en cas de détaillance de la première protection contre les surcharges pour des surintensités I inférieures au triple de l'intensité nominale In. La figure 3 donne un schéma unifilaire simplifié d'un dispositif de protection selon llinvention. A un transformateur triphasé moyenne tension - basse tension 1, contenu dans un carter 2 rempli d'huile isolante 3, est associé un boîtier de protection 4 -contre les surcharges et les courts-circuits, cet ensemble étant monté à la partie supérieure d'un poteau d'un réseau de distribution électrique.Le primaire du transformateur 1 est raccordé par des traversées isolantes MT à la ligne à moyenne tension et son secondaire à la ligne de distribution BT par l'intermédiaire d'une traversée isolante 5 et des contacts 6 d'ouverture du circuit BT commandés par le dé-verrouillage d'une serrure 7, en cas de forte surintensité ou de court-circuit, sous l'action d'un déclencheur instantané ou temporisé à partir d'un dispositif 8 traversé par le courant BT. Un certain nombre de sondes thermométriques 9 sont placées dans l'huile 9 du transformateur au voisinage immédiat des points chauds de celui-ci qui sont généralement à la partie supérieur re de ses enroulements. Le point le plus chaud correspond à ltenroulement central et il suffirait a priori d'y placer une unique sonde 9, mais il est avantageux de placer deux autres sondes 9 à proximité des deux enroulements de phase latéraux, chacune de ces trois sondes 9 pouvant intervenir lors de surcharges déséquilibrées mono-, bi- ou triphasées, ou équilibrées. Les sondes 9 sont de préférence des thermistances à coefficient de température positif (PTC) dont la résistance électrique augmente rapidement lorsque la température dépasse une certaine valeur T caractéristique de chaque thermistance, cette dernière étant choisie pour que sa température de fonctionnement T soit égale à la température maximale admissible au point chaua correspondant. l'a résistance 'une telle thermistance passe par exemple de quelques centaines d'ohms à quelques milliers d'ohms sur une plage de 5C autour d'une température -------- de 120 c. Les thermistances 9 sont reliées on série et connectées à travers la traversée basse tension 5 à un relais-pilote 10 convenablement alimenté qui change d'état sous ltinfluenee de la variation de la résistance d'une thermistance 9 lorsque la tempé- rature du point chaud correspondant atteint n température de fonctionnement et qui commande alors l'ouverture des contacts 6 par l'intermédiaire d'une bobine à émission Il et de la serrure de déclenchement 7. La protection ainsi réalisée n'introduit par elle-même aucun retard et son temps de réponse est très bref, en raison de la petitesse et de la faible inertie thermique des thermistances utilisées. D'autre part, une protection faite à partir de plusieurs thermistances judicieusement réparties sur les enroulements du transformateur, ainsi qu'il a été indiqué, permet de surveiller avec précision les différents régimes auxquels le transformateur peut être soumis, ctest-a-dire de distinguer les surcharges mono-, bi- ou triphasées afin de permettre par exemple un fonctionnement à niveau plus élevé en régime déséquilibré monophasé qu'en régime triphasé équilibré, d'une manière compatible avec les caractéristiques du transformateur et sans aucun danger pour ce dernier. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de protection contre les faibles surcharges pour transformateur électrique installé à l'air libre ou en cabine, en particulier pour transformateur triphasé de distribution moyenne tension - basse tension, le transformateur étant équipé d'un disjoncteur de protection contre les surintensités avec dispositif de déclenchement à action retardée ou instantanée, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un élément sensible à la température qui est placé à proximité d'un point chaud du transformateur et commande, par l'intermédiaire d'un déclencheuret distinctement du dispositif de protection contre les surintensités, l'ouverture du disjoncteur lorsque la température du point chaud dépasse une température déterminée. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque élément sensible à la température est une thermistance insérée dans le circuit d'alimentation d'un relais dont le changement d'état sous l'influence de la variation de la résistance qu'offre la thermistance déclenche l1ouverture du dis oneteur par 1'intermédiaire d'une bobine à émission. 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que chaque thermistance est une thermistance à coefficient de température positif dont la résistance crott rapidement au voisinage d'une température -------- caractéristique de la thermistance. 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comprend plusieurs thermistances connectées en série. 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'au moins certaines thermistances sont placées respecti- vement à proximité du point chaud de chaque enroulement de phase dw transformateur.