Brevet FR2252682A1 — publié le 19750620

La présente invention a pour objet un déclencheur électronique de disjoncteur. L'invention concerne plus particulièremen le secteur technique des disjoncteurs de protection des transformateurs destinés à l'alimentation des réseaux de distribution d'électricité. Ces disjoncteurs ont pour role -d'isoler le transformateur du réseau quand ce dernier présente des défauts susceptibles de détériorer le transformateur par augmentation anormale du courant débité. Ils comprennent essentiellement un déclencheur analysant le courant de défaut par ses effets et provoquant, à partir de certaines conditions de surintensité ou d'échauffement, l'ouverture d'un interrupteur à coupure en charge. Deux types principaux de procédés sont connus actuellement pour protéger un transformateur contre les destructions que pourrait provoquer la détérioration des isolants due à un échauffement exagéré à la suite d'une surintensité plus ou moins longue ou importante. Le premier procédé utilise le déclencheur proprement dit du disjoncteur, tandis que le second procédé met en oeuvre des capteurs, plus ou moins internes au transformateur, qui commandent le mécanisme d'ouverture du disjoncteur par l'intermédiaire ou non d'un déclencheur. La protection par le déclencheur proprement dit peut s'effectuer au moyen de déclencheurs magnétiques, magnétothermiques ou purement thermiques, et dans ce dernier cas sans ou avec image thermique. Si l'on exclut le cas de l'image thermique, on rencontre dans tous les cas l'inconvénient de la disparité entre les températures atteintes par les bobinages des transformateurs, et les déclenchements provoqués par les déclencheurs. En effet les inerties des déclencheurs magnétiques ou thermiques sont totalement différentes des inerties du transformateur, si bien que le déclencheur fonctionne soit trop tôt, en interrompant de manière intempestive la distribution, soit trop tard, en n'évitant pas la destruction du transformateur. Une amélioration importante a été récemment obtenue en combinant un déclencheur thermique à bilames avec une enceinte constituant une image thermique du transformateur. Cette solution a permis d'améliorer considérablement i'efficaclté de la protection, mais elle souffre néanmoins de la difficulté de maintenir une image thermique correcte dans une plage étendue de surcharge. La protection par capteurs de température s'efforce de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus, par une détection directe de la température des bobinages, les moyens de détection utilisés étant associés à la bobine de déclenchement du disjoncteur. Les solutions adoptées ont été, d'une part, les capsules thermostatiques et, d'autre part, les sondes à dilatation. Cependant des inconvénients majeurs ont obligé les constructeurs à abandonner l'une et l'autre de ces solutions. Les capsules thermostatiques, en l'occurence constituées par des interrupteurs miniatures fonctionnant par bilames ou par passage au point de Curie, nécessitaient tous un isolant diélectrique, donc- thermique, vis-à-vis du bobinage du transforma- teur qu'ils étaient destinés à contrôler. De plus, leur fonctionnement se révélait fantaisiste, ce défaut étant accentué par des défaillances nombreuses dues à la soudure de leurs contacts internes sous l'influence des surtensions extérieures. Les sondes'à dilatation, ou autres capteurs du même genre, fonctionnant en général par prise de la température de l'huile du transformateur, ne pouvaient empêcher, sous certaines conditions de surcharge, la destruction du transformateur par retard de fonctionnement, du fait de leur inertie thermique. Ces deux solutions - capsules thermostatiques et sondes à dilatation - imposaient d'ailleurs la sujétion de l'emploi complémentaire de déclencheurs soit magFétiques,soit thermiques, en raison de leur insuffisance fondamentale pour protéger le transformateur en- cas de surcharges relativement élevées, du fait de leur inertie trop importante. La présente invention a pour but de remédier à l'ensemble des inconvénients des déclencheurs connus. Â cet effet, le déclencheur selon l'invention comporte, pour chaque phase, deux dispositifs complémentaires et combinés de protection contre les surcharges, l'un pour les surcharges faibles constitué par un capteur de température électronique, fixé sur un- conducteur du transformateur ou sur un prolongement d'un conducteur, et envoyant ses informations à un détecteur électronique à seuil qui émet un signal au-dessus d'une température prédéterminée, et l'autre pour les surcharges ou courtscircuits importants, émettant un signal dès que la chute de tension dans une résistance atteint un seuil prédéterminé, les signaux émis par l'un et l'autre des deux dispositifs precités étant amenés à un même amplificateur à accumulation d'énergie qui commande un dispositif de déclenchement. Il est en effet apparu que la meilleure solution théorique pour la protection des transformateurs est celle qui consiste à mesurer, par contact direct, la température des bobinages du transformateur, ce qui remédie aux inconvénients des capteurs de température actuellement utilisés L'invention présente donc un certain nombre d'avantages sur les déclencheurs- existants : a/- Les capteurs mis en oeuvre dans l'invention sont pratiquement ponctuels, puisqu'il s'agit de thermocouples ou de thermistances. Ils possèdent donc, d'une part,u̇ne inertie thermique extrêmement faible, et d'autre part, ils permettent plus facilement la réalisation d'un bon isolement diélectrique vis-à-vis du bobinage du transformateur, ce dernier point étant d'une grande importance. b/- L'utilisation de détecteurs à seuil et d'un amplificateur de commande du déclenchement réalisés avec des moyens -électroniques permet pratiquement d'éliminer toute inertie dans les temps de réponse, sauf si l'on prévoit une temporisation. c/- La mise en- oeuvre, en combinaison, dtun capteur de température, et d'un dispositif à seuil de tension aux bornes d'une résistance, permet d'éliminer les bilames complémentaires nécessaires dans les solutions connues avec capteurs de température, donc de conserver une protection électronique à inertie nulle sur toute la gamme des surintensités, et dry introduire à volonté une temporisation éliminant les défauts fugitifs. Dans une première forme d'exécution de l'invention, le dispositif de protection pour les surcharges ou courts-circuits importants, émettant un signal dès que la chute de tension dans une résistance atteint un seuil prédéterminé, analyse la chute de tension dans une résistance insérée dans le circuit basse tension d'un transformateur au moyen drune diode électroluminescente à seuil branchée aux bornes de ladite résistance et commandant, au travers d'un élement isolant translucide, un dispositif transistorisé photo-sensible. Dans une seconde forme a'exécution possible, le dispositif de protection pour les surcharges ou courts-circuits importants, émettant un signal dès que la chute de tension dans une résistance atteint un seuil prédéterminé, comporte un tore magnétique entourant un conducteur et portant un enroulement alimentant une diode de redressement associée à la résistance précitée, dont les bornes sont reliées à un détecteur de seuil apte à analyser la chute de tension dans ladite résistance. De toute façon, l'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques seront mises en évidence, à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant-, à titre d'exemples non limitatifs, deux formes d'exécution de ce déclencheur électronique de disjoncteur; Figure 1 est un schéma de principe d'une première forme d'exécution, utilisant un dispositif opto-électronique; Figure 2 est un schéma de principe similaire d'une seconde forme d'exécution, utilisant un transformateur à tore. Ces deux formes d' exécution comportent un certain nombre d'organes communs, représentés de la même manière et indiqués par les mêmes références aux figures 1 et 2. Sur un conducteur '', appartenant à une phase du bobinage basse tension d'un transformateur, et situé le plus près possible du point chaud, l'isolant diélectrique normal 2 est localement interrompu pour laisser place à une coupelle 5 en matériau isolant du point de vue diélectrique, mais conducteur du point de vue thermique, tel que par exemple l'oxyde de béryllium. Cette coupelle est fixée sur ou incluse dans le conducteur A l'intérieur de la coupelle 3 est fixé, de façon à obtenir une liaison thermique aussi parfaite que possible, un capteur de température 4, à faible inertie thermique, qui peut être constitué par un thermocouple, une thermistance, ou tout autre dispositif réagissant rapidement, et par un effet électrique, en fonction de la température. Ce capteur 4 est relié à un détecteur électronique à seuil 5 de réalisation classique, cui est alimenté en énergie par le transformateur lui-même, au moyen d'une prise indiquée en 6. Cette dernière alimente également en énergie un amplificateur 7 auquel aboutit la sortie du détecteur à seuil 5. L'amplificateur 7 peut comporter un dispositif de temporisation et, par l'intermédiaire d'un accumulateur d'énergie 8 constitué par un condensateur, il commande un dispositif de déclenchement.Dans les exemples représentés, ce dispositif comprend une bobine 9 actionnant la serrure du disjoncteur, mais cette bobine peut être remplacée par un déclencheur électronique dans le cas d'un disjoncteur totalement électronique, avec notamment coupure électronique. L'ensemble électronique précédemment décrit peut être à l'intérieur ou à l'extérieur du transformateur. Dans le cas choisi à titre d'exemple, il se trouve à l'intérieur du transformateur, dont la paroi íO est traversée par la lialson électrique '11 entre ltamplificateur 7 et la bobine 9, la traversée s'effectuant au travers d'un isolant 12. lies autres organes du déclencheur selon ltinvention sont également à l'intérieur du transformateur, dans les exemples représentés, mais leur réalisation diffère selon la forme d'exécution considérée. Dans le cas de la figure 1, une résistance 13 de valeur déterminée se trouve insérée dans la même partie de bobinage que celle comportant le capteur de température 4. Les bornes de cette résistance 32 sont reliées par un conducteur portant une diode électro-luminescente 14, associée si nécessaire à un multiplicateur de tension 15.Cette diode émet, au-dessus d'un certain seuil de tension, et au travers d'un isolant translucide 16, une certaine énergie lumineuse qui commande le fonctionnement d1un dispositif transistorisé photo-sensible 32 disposé de l'au- tre tcôté de l'isolant 16. L'ensemble formé par la diode 14, isolant 16 et le dispositif photo-sensible 17 est appelé isolateur opto-électronique", et indiqué par la référence générale 18. Le dispositif photo-sensible 17 est relié à l'amplificateur 7 et commande donc le dispositif de déclenchement de la même façon que le détecteur à seuil 5. Il est à noter que, dans cette forme d'esFcution , la résistance 13 peut être constituée soit par une résistance spécialement insérée dans le circuit, soit éventuellement par tout ou partie du bobinage d'une phase du transformateur. Dans le cas de la figure 2, la résistance 13 et ltisolateur opto-électronique 18 précédemment décrits sont remplacés par des moyens équivalents. Un tore 32 en matériau magnétique entoure le conducteur 1 et son isolant 2. Ce tore comporte un bobinage 20 qui alimente une diode de redressement 21 supprimant les alternances négatives. La diode 20 est associée à une résistance de charge 22, dont les bornes sont reliées à un détecteur de seuil g qui surveille la tension entre ces bornes. L'ensemble formé par la diode 21, la résistance 22 et le détecteur de seuil i2, désigné par la référence générale 24, forme-un tout qui équivaut à l'isolateur opto-électronique 18. Le détecteur de seuil i est alimenté en énergie par la prise 6, et il est relié à l'amplificateur 2 de la même façon que le premier détecteur 5. Le fonctionnement est rigoureusement identique pour les deux formes d'exécution dans le cas de surcharges faibles, la protection contre de telles surcharges étant assurée par le dispositif comprenant le capteur de température 4. Le conducteur 1 s1 échauffe au fur et à mesure de la surcharge. Le capteur de température 4, isolé diélectriquement mais non thermiquement par rapport au conducteur î grâce à la coupelle 3, se trouve de ce fait en permanence à la même température que le conducteur 1 et envoie une certaine tension, représentative de cette tempé-rature, au détecteur de seuil 5 alimenté en énergie par la prise sur le transformateur 6. Quand le seuil du détecteur 5 est atteint, ce qui par construction correspond à une température predéterminée du conducteur n jugée dangereuse pour l'isolant 2, le détecteur émet une impulsion qui est dirigée vers l'amplificateur 7 lequel, avec l'aide de l'accumulateur d'énergie 8, actionne la bobine 9 et provoque donc le déclenchement du disjoncteur. Compte tenu de ce que la coupelle o est isolante diélectriquement mais non thermiquement, le fonctionnement du capteur de température 4 suit exactement la température du bobinage malgré l'isolation diélectrique vis-à-vis de ce bobinage. De plus, en raison de sa masse négligeable, ce capteur n'introduit ni distorsion, ni retard dans la mesure de la température, et enfin la rapidité de réponse du dispositif électronique assure une réaction sans inertie.Les moyens mis en oeuvre permettent donc d'atteindre ie but de l'invention en cas de surcharges faibles, puisque le disjoncteur déclenche dès que la température réelle des bobinages dutransformateur atteint un niveau préalablement défini comme dangereux pour la tenue diéectrique et la conseryation des isolants. Dans le cas de surcharges ou de courts-circuits importants, le dispositif de protection complémentaire comportant soit l'isolateur opto-électronique 18, soit le circuit 24 alimenté par le tore 19, intervient de manière à assurer la protection du transformateur pour tous les courants débités possibles. Dans la forme d'-exécution de la figure 1, la résistance í3 provoque, avec ces courants, une chute de tension telle que, éventuellement amplifiée par le multiplicateur 22, elle active la diode électro-luminescente 14 à partir d'un certain seuil de fonctionnement de cette dernière. À ce moment, la diode 14 impressionne, au travers de l'isolant 16, le dispositif photosensible 2 qui, avec l'intermédiaire éventuel d'un temporisateur intégré à l'amplificateur 7, provoque le fonctionnement de la bobine de déclenchement 9 de la même manière qu'en cas de surcharge faible. Dans la forme d'exécution de la figure 2, le tore 19 induit dans son bobinage 20 un courant qui alimente le circuit 24. Ce courant, redressé par la diode 21, provoque donc dans la résistance 22 une chute de tension qui est fonction de 1' inten- sité dans le circuit I Cette chute de tension est analysée dans le détecteur de seuil de tension 25, et si elle dépasse un seuil préalablement déterminé, le détecteur gL émet une impulsion qui est dirigée vers l'amplificateur 7, avec ou sans dispositif de retardement. Par le-biais de l'accumulateurd'énergie 8, 1'ampla- ficateur 7 provoque le déclenchement comme précédemment. De cette manière, dès que le courant débité par le transformateur atteint une intensité telle que la tension aux bornes de la résistance -3 ou 22 est suffisante pour actionner la diode électro-luminescente 14 ou le détecteur de seuil;g2, selon le cas, le disjoncteur s ouvre, protégeant ainsi le transformateur avec, si on le désire, une temporisation éliminant les défauts fugitifs. La protection est donc parfaitement assurée pour les surcharges et courts-circuits importants, avec une réponse instantanée ou temporisée, mais de toute façon rigoureusement stable et constante. En conclusion, la protection du transformateur est assurée, sans discontinuité, sur toute la plage possible des surcharges ou des courts-circuits, tout en conservant au maximum les capacités de débit dudit transformateur sur le réseau. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce déclencheur électronique de disjoncteur qui ont été décrites ci-dessus à titre d'exemples non limitatifs; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation comportant des moyens équivalents. C'est ainsi qu'il faut remarquer qu'il est possible de réaliser l'ensemble du déclencheur électronique selon l'invention à i'exterieur du transformateur, en appliquant le principe de 11 utilisation d'une image thermique. Pans ce cas, le capteur de température électronique et lYlément constitué soit par la résistance 13 insérée dans le circuit, soit par le tore 2, sont disposés sur une portion de conducteur placée à l'extérieur du transformateur, dans une enceinte créant une image thermique des bobinages du transformateur aussi fidèle que possible. EEVEKDICAlIONS 1. Déclencheur électronique de disjoncteur, en particulier pour la protection des transformateurs destinés à l'alimentation des réseaux de distribution d'électric-ité, caractérisé en ce qu'il comporte, pour chaque phase, deux dispositifs complémentaires et combinés de protection contre les surcharges, l'un pour les surcharges faibles constitué par un capteur de température électronique, fixé sur un conducteur du transformateur ou sur un prolongement d'un conducteur, et envoyant ses informations à un détecteur électronique à seuil qui émet un signal au-dessus d'une température prédéterminée, et 1'autre pour les surcharges ou courts-circuits importants, émettant un signal dès que la chute de tension dans une résistance atteint un seuil prédéterminé, les signaux émis par i'un et l'autre des deux dispositifs précités étant amenés à un même amplificateur à accumulation d'énergie qui commande un dispositif de déclenchement. 2. - Déclencheur éléctoronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de température électronique est isolé, par rapport au conducteur du transformateur, par un isolant diélectrique mais non thermique, tel que par exemple l'oxyde de béryllium, fixé sur le conducteur ou inclus directement dans ce dernier. 3.- Déclencheur électronique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de protection pour les surcharges ou courts-circuits importants, émettant un signal dès que la chute de tension dans une-résistan- ce atteint un seuil prédéterminé, analyse la chute de tension dans une résistance insérée dans le circuit basse tension d'un transformateur au moyen d'une diode électro-luminescente à seuil branchée aux bornes de ladite résistance et commandant, au travers d'un élément isolant translucide, un dispositif transistorisé photo-sensible. - 4.- Déclencheur électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la résistance associée au dispositif optoélectronique est constituée par tout ou partie du bobinage d'une phase du transformateur. 5.- Déclencheur électronique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de protection pour les surcharges ou courts-circuits importants, émettant un signal dès que la chute de tension dans une résistance atteint un seuil prédéterminé, comporte un tore magnétique entourant un conducteur et portant un enroulement alimentant une diode de redressement associée à la résistance précitee, dont les bornes sont reliées à un détecteur de seuil apte à analyser la chute de tension dans ladite résistance. 6.- Déclencheur électronique selon l'une quelconque des revendications 3 et 5, caractérisé en ce que le capteur de température électronique et le moyen constitué soit par la résistance insérée dans le circuit, associée au dispositif optoélectronique, soit par le tore, sont disposés sur un conducteur extérieur au transformateur mals placé dans une enceinte créant une image thermique des bobinages du transformateur.