Brevet FR2258633A1 — publié le 19750818

La présente invention se rapporte aux transformateurs d'intensité à haute tension destinés à déterminer l'intensité du courant transmis par des lignes de transport d'énergie à haute tension, et concerne plus particulièrement un transformateur de ce genre n'imposant pas lthabituel et lourd isolement principal enroulé. Les transformateurs d'intensité sont généralement connectés dans l'une des trois phases d'une ligne de transport d'énergie, dans le double but de transformer l'intensité du courant en ligne en un courant secondaire de quelques ampères, et d1i- scier diélectriquement le potentiel de haute tension (potentiel en ligne) de l'instrument connecté à la terre ou des circuits de mesure. Des transformateurs d'intensité peuvent également être incorporés physiquement de maniera à former une unité autonome avec autres appareils, tels que des disjoncteurs. Dans ltdtat actuel de la technique, il existe des transformateurs d'intensité à isolement nominal en haute tension, tel que le transformateur Westinghouse 889A745GQ2 d'un isolement nominal de 900 kV et d'un prix de catalogue supérieur à 30 000 Francs. Un transformateur d'intensité similaire Westinghouse 889A745G06 d'un isolement nominal de 1 300 kilovolt cotte plus de 45 000 Francs. Un article décrivant la fabrication de ces transformateurs a été écrit par H. Hartmann, J.J. Huorinen et F. Korischum dans Brown Boveri Review du 7 juin 1970 sous le titre "Progress in the Field of Outdoor Curent Transformers". Cet article décrit la plus grande avance scientifique et technologique actuelle.Il y apparat t que les enroulements du transformateur doivent Btre bobines à la main avec l'isolement. Ce bobinage doit être exécuté pa-r des spEcialistes entratnés très difficiles à trouver. La conception actuelle appliqude à des très hautes tensions de l'ordre de 345 kV, 500 kV, 765 kV ou des tensions futures encore plus élevées telles que celles prévues à 1 200 ou t 500 kV, devient très conteuse et soulève des problêmes très difficiles tel que celui qui consiste à fournir un courant analogique avec une faible erreur seulement. En outre, plusieurs problèmes sont liés à l'isolement des transformateurs antérieurs. Ltun de ces problèmes réside dans la forme complexe de enroulement primaire ou du carter se comportant comme une électrode à haute tension. L'énroulement primaire d'un transformateur d'intensité antérieur se présente généralement sous une forme toroldale dont partent deux conducteurs 12 et 14 comme cela apparat t dans le transformateur à boucle de la figure 1. Un carter doit tenir compte de l'intensité maximale du champ résultant de la distribution du champ électrique, et en contrôlement le champ électrique par des blindages.Des mesures parti-culières doivent ttre prises comme par exemple, selon une réalisation, pour isoler le champ limite en repliant et en disposant en biais des couches séparées de papier d'isolement sur des rebords en chanfrein. Les bornes de haute tension 12 et 14 sont connectées à une ligne de transport d'énergie à haute tension qui doit titre contrôlée (non représentée). Ce transformateur d'intensité de type antérieur est généralement enfermé dans un corps isolant 16 qui contient habituellement de l'huile 18.L'enroulement primaire à haute tension 10 forme une boucle 20 autour d'un enroulement secondalre 22 bobiné autour d'un tore 24. L'enroulement primaire 10 et les conducteurs 12 et 14 sont enfermés à la main avec un isolement principal 25 haute-basse tension, réalisé en une matière isolante telle que du papier Kraft bien connu. Les nombreuses couches d'isolement 25 protègent les conducteurs à basse tension de ltenroulement secondaire 22 contre l'amorçage d'arcs avec l'enroulement primaire 10. L'enroulement secondaire 22 délivre un courant analogique aux conducteurs 28 et 30 qui sont généralement connectés à un shunt pour un instrument de mesure ou un relais de service. Au cours de la réalisation d'un transformateur en otneau, l'enroulement primaire 10 constitue une base pour l'applica tion de l'isolement crêpe et des électrodes compensatrices noyées. L'isolement principal est enroulé solidement depuis la ligne vers des électrodes de masse, avec un facteur d'écarte- ment d'environ 50 %. Les petits intervalles d'air sont impré gnés sous vide poussé avec un liquide isolants tel que de l'huile, après un cycle de séchage. Sous des épaisseurs r6- duites, c'est-à-dire de l'ordre de 0,25 millimètre, l'huile présente une rigidité diélectrique très élevée, 120 volts par centième de millimètre.Mais la bande doit être appliquée avec soin en minces couches, ce qui. impose beaucoup de tempos et de main-d'oeuvre. Ces transformateurs destinés par exemple à une tension de 230 kV (isolement nominal de 900 kV) ont une hauteur de l'ordre de 2 mètres 90, contiennent 695 litre d'huile et pèsent plus d'une tonne et demie. Une description PLU detaillée de ces transformateurs d'intensi te en anneau se trouve dans un article de Louis W. Marks et Phillp V.Shade intitulé "Inverted Current Transformer", paru dans IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Volume PAS-8ó, n 10, octobre 1967, pages 119-8 à 1204 Il existe actuellement quatre types de base de transformateurs d'intensité . Le premier est le type classique ou à ré servoir sans tension dans lequel l'isolement principal est placé sur l'enroulement primaire. Le second est le type inversé ou à réservoir sous tension dans lequel l'isolement principal est placé autour du noyau et de l'enroulement secondaire dont les conducteurs sont sortis par une borne à isolant en porcelaine.Le troisième type actuellement disponible est celui à liaison en chatne ou à réservoir à ml-tension dans Lequel leisolement principal est divisé entre L'enroulement primaire et l'enroulement secondaire. Le noyau ou les enroulements sont enfermés dans un grand réseervoir en porcelaine de dimensions appropriées ou dans un réservoir métallique supporté par un isolateur en porcelaine avec une entrée à haute tension au- dessus du réservoir. Ce dernier se trouve .\ peu prs à la moitié de la tension de service. Chacune des enveloppes isolantes en orcelaine doit supporter la moiti de la tension totale appliquée.Le quatrième type est le type en cascade dans lequel I'isolement principal est divisé entre au moins deux ensemh1es de noyaux et d'enroulements. Ces quattre types de transforma teurs sont décrits dans un article intitule 735-kV Cascade Style Current Transformer" paru sous le nom de D.L. Johnston et H.R. Lucas dans TEEE Transactions on Power Apparats @@ Systems, Volume PAS-86, n 10, octobre 1967, pages 1205 à 1209. L'invention concerne donc un nouveau transformateur dtin tensité qui convient à des lignes à haute tension saris imposer d'enrouler à la main un papier isolant. Dans le cas dlapplications aux très hautes tensions, Le transformateur selon L'invention est nettement plus léger, beaucoup plus économique et beaucoup moins encombrant que les transformateurs d'intensité actuellement sur le marché. Un transformateur selon l'invention délivre une sortie analogique avec une erreur très réduite même pour les classes de tensions les plus levées existant actuellement ou prévues Le transformateur d'intensité selon l'invention comporte un enroulement primaire d'au moins une spire et au moins un noyau magne tique avec un ou plusieurs enroulements secondaires. Un convertisseur de signal et un dispositif de codage connectes à l'enroulement secondaire produisent un signal de sortie représentant lè courant qui circule dans l'enroulement primaire. Le convertisseur de signal et le transformateur d'intensité sont isolés électriquement du potentiel de la masse. Un récepteur maintenu au potentiel de la terre reçoit les signaux codés et délivre un signal de sortie représentant l'intensité du courant qui circule dans la ligne de transport d'énergie à haute tension.Selon un mode de réalisation, le convertisseur de signal consiste en un convertisseur de tension en fréquence combiné avec un circuit émetteur à l'arséniure de gallium. Un conduit à lumière constitue par exemple par des fibres optiques relie l'émetteur à un photo-transistor maintenu au potentiel de la terre et qui délivre un signal de sortie. Ltinvention a donc pour objet d'eliminer la nécessité de l'opération longue et conteuse d'enroulement à la main d'un isolement diélectrique entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire d'un transformateur d'intensité. Un autre objet de L'invention consiste à éliminer la necessité d'une lourde structure isolante, en porcelaine par exemple, dans un transformateur d'intensité connecté á une ligne de transport dtéflergie à haute tension. Un autre objet encore de l'invention consiste à proposer un isolement électrique consistant à convertir le courant de sortie dtun transformateur d'intensif en un signal codé lumineux ou ultrasonore qui est transmis d$n potentiel alternatif élevé ou très élevé à un potentiel de la'tTrr-, ce qui élimine la nécessité d'un contact électrique entre ltenroulement secondaire du transformateur d'intensité et le potentiel de la terre. Un avantage d'un transformateur d'intensité selon l'in- vention et réalisé pour des hautes tensions, est qu'il est beaucoup moins encombrant et beaucoup moins cot;eux qu'un transformatteur d'intensité antérieur convenant à ces tensions, l'avantage étant d'autant plus prononcé que la tension est plus élevée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aut des sins annexés sur lesquels la figure 1 représente un transformateur d'intensité de type antérieur et, la figure 2 représente un mode de réalisation d'un transformateur d'intensité à signal guidé selon l'invention. La figure 2 montre que l'isolement selon l'invention est réalisé au moyen d'un récipient 39 constitué par un isolateur 40 en céramique qui contient un diélectrique gazeux, liquide ou solide, comme par exemple de l'azote sous pression 42. L'isolateur 40, le diélectrique 42 et un guide d'onde dielec- trique 44 traversant le récipient 39 sont tous en parallèle entre une partie 50 à haute tension et une partie 52 au potentiel de la terre du transformateur dtintensité selon l'inven- tion. Dans la partie 50, deux bornes à haute tension 54 et 56 sont connectées à une ligne de transport d'énergie à haute tension (non représentée). Un conducteur 58 dont les deux extrémités sont connectées à des bornes 54 et 56 forme un seul enroulement primaire 60. L'enroulement secondaire comporte un noyau magnétique 62 et un ou plusieurs enroulements 63 dlspo- sés en regard de l'enroulement primaire 60.Un convertisseur 70 de tension en fréquence est associé à chaque enroulement secondaire, bien qu'un seul de ces convertisseurs 70 soit représenté pour simplifier la figure. Une source 64 de courant continu à régulation de tension en tampon avec une batterie et un autre noyau secondaire 66 avec un enroulement secondaire 68 alimentent le convertisseur 70 de tension en fréquence Un signal représentant le courant qui circule dans l'enroule- ment primaire 60 est développé dans l'enroulement secondaire 63 et il est adapté au convertisseur 70 de tension en frd- quence pour chaque enroulement secondaire Le signal de sortie du convertisseur est amplifié et sa fréquence centrale est par exemple de 100 kilohertz pour attaquer un dispositif qui délivre un signal de sortie lumineux en réponse à un signal d'entrée de haute fréquence . Ce dispositif consiste par exemple en un émetteur 74 à l'arséniure de gallium. Cet émetteur peut émettre par exemple dans la partie du spectre voisine de l'in- frarouge. Une lentille d'adaI,tation 76 adapte optiquement le signal lumineux modulé à haute fréquence au guide d'onde optique diélectrique 44. Ce dernier consiste en des fibres optiques ou en une tige de matière diélectrique, comme par exemple de verre à oxyde métallique qui possède des proprié- tés mécaniques convenables, un indice de réfraction supérieur à celui du diélectrique 42 et une absorption réduite dans le proche infrarouge. Il est bien entendu que le choix de la fréquence de 100 kilohertz n'est qu'arbitraire et que d'autres fréquences peuvent également convenir.D'une manière similaire, l'utilisation d'un émetteur à l'arséniure de gallium qui émet dans la région de l'infrarouge nfest aussi qu'un exemple d'un transducteur ayant pour fonction de convertir un courant électrique en un rayonnement électromagnétique transmis à un point éloigné. D'autres transducteurs peuvent également convenir. Le signal de sortie du guide tondes 44 traverse une autre lentille 80 qui l'adapte par exemple à un photo-transistor 82. Ce dernier peut consister en un transistor Planar NPN au silicium dont le signal de sortie est amplifié par un amplificateur 84 et transmis à un discriminateur de fréquences 86. Ce dernier peut entre placé à proximité ou à distance du photo-transistor 82. Là également, le photo-transistor 82 peut autre remplacé par tout autre dispositif sensible à la partie du spectre électromagnétique qu'il reçoit et qui émet des signaux électriques en conséquence. Bien entendu, diverses modifications peuvent etre apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'entre décrit uniquement à titre d'exemple nullement limitatif sans sortir du cadre de l'invention REV'gNDICATI0X5 I. Appareil destiné à déterminer le courant qui circule dans une ligne de transport dténergie 9 haute tension, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de transforn,ation du courant circulant dans ladite ligne et comprêrnant un enroulement primaire d'au moins une spire connecté dans laaite ligne, au moins un noyau magnétique et au moins un enroulement secondaire, un dispositif connecté audit enroulement secondaire et destiné à produire des signaux codés qui représentent llinten- sité du courant qui circule dans ledit enroulement primaire, un dispositif destiné à isoler du potentiel de la terre ledit dispositif produisant les signaux et ledit dispositif de transformation de courant, un dispositif au potentiel de la terre et destiné à recevoir lesdits signaux codés et à produire un signal de sortie qui les représente, et un dispositif destiné à transférer lesdits signaux dudit dispositif produisant les signaux audit dispositif recevant les signaux et produisant le signal de sortie. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif recevant les signaux et produisant un signal de sortie comporte un dispositif d'affichage visuel 3. Appareil selon la revendication 1, caractérise en ce que ledit dispositif de codage de signaux comporte un dispositif destiné à convertir l'énergie électrique provenant desdits enroulements secondaires en un signal Lumineux codé qui la représente, ledit dispositif de transformatIon comprenant un dispositif destiné à transmettre lesdits signaux lumineux vers ledit dispositif recevant les signaux et produisant un signal da sortie qui consiste en un dispositif destiné à convertir ledit signal lumineux codé en un signal analogique représentant l'intensité du courant dans ladite ligne de transport drénergie et en un dispositif destiné à produire un affichage visuel dudit signal analogique. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit dispositif de transmissiondu signal lumineux consiste en un guide d'ondes optiques. 5. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit dispositif de transmission du signal lumineux consiste en un faisceau de fibres optiques. 6. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit dispositif d'isolement consiste en au moins un tube flexible rempli au moins partiellement avec un fluide diélectrique. 7. Appareil selon la revendication 3, caractdris en ce que ledit dispositif de conversion de l'énergie électrique en un signal lumineux codé consiste en un convertisseur de tension en fréquence connecté à au moins un enroulement secondaire et en un transducteur photo-électrique destiné à convertir les signaux provenant dudit convertisseur en des signaux lumineux qui les représentent.