Brevet FR2270671A1 — publié le 19751205

L'invention, due à la collaboration de Messieurs Jacques GATELLET et Claude TERRACOL, est relative à un relais à image thermique pour la protection d'un transformateur polyphasé disposé dans une cuve remplie de liquide diélectrique, chaque élément polaire dudit relais, associé à l1une des phases du transformateur, comportant - un capteur électromagnétique, plongeant dans ledit liquide, et à circuit magnétique muni d'un enroulement primaire parcouru par un courant égal ou proportionnel à celui traversant les bobines du transformateur, et d'un enroulement secondaire, - un élément thermosensible actionnant un déclencheur d'un dis joncteur connecté en série avec lesdites bobines Dans des dispositifs connus du genre mentionné, le relais à image thermique, le disjoncteur et le transformateur sont immergés dans une cuve commune remplie d'huile. Cet agencement ne permet pas l'utilisation de transformateurs et disjoncteurs standards et nécessite une cuve surdimensionnée. Dans un autre dispositif connu, le disjoncteur destiné à la protection d'un transformateur sur poteau utilisé dans les réseaux ruraux, est situé dans un coffret indépendant fixé exté- rieurement à la cuve du transformateur. Le coffret est partiellement rempli d'huile et le disjoncteur est disposé sous le niveau d'huile. Le relais du type à bilame est agencé à l'intérieur du coffret et est maintenu dans l'air, soit au-dessus du niveau d'huile, soit dans un capot étanche rempli d'air et situé sous le liquide. L'image thermique est dans ce cas fixée à la cuve du transformateur. La température de l'huile ne donne aucune indication permettant de guider l'exploitation, car la température de l'huile ne suit pas la courbe des variations de la température du point le plus chaud du cuivre et ne présente pas ses maxima au même instant. La présente invention a pour but de remédier à ces in convénients et de réaliser un relais à image thermique fiable eut d'une grande sensibilité permettant la détection de surcharges et entraînant un déclenchement du disjoncteur lorsqu'une surcharge s'est maintenue assez longtemps pour élever la température du transformateur à un niveau dangereux. Le relais à image thermique est caractérisé par le fait que ledit élément thermosensible, disposé dans une enceinte étanche, remplie de gaz, est agencé en bon contact thermique avec ledit enroulement secondaire servant de moyen de chauffage audit élément, de telle maniere que ladite enceinte sert d'interface entre ledit capteur et elément thermosensible internes audit transformateur, et les moyens de commande externes dudit déclencheur. L'élément ou l'organe thermosensible est avantageusement constitué par un bilame dont la déformation steffectue libre meEt dans une enceinte étanche remplie de gaz, et entrain le déplacement dlune tige de comrnande du déclencheur du disjoncteur. Selon une variante de réalisation, I'organe thermosensible est de préférence agencé en thermostat en bon contact thermique avec la spire en court-circuit et muni d'un contact électrique de commande en série avec la- bobine du déclencheur. Selon une autre variante, la spire en court-circuit, de section creuse, contient un fluide dilatable dont llaugmenta- tion de volume actionne un soufflet de commande du déclencheur. Des moyens de réglage, notamment un shunt magnétique ou une cale de capacité thermique déterminée assurent le réglage de la puissance de chauffage de la spire en court-circuit et de sa constante de temps d'échauffement. Le distoncteur utilisé est du type à coupure dans l'air et comporte avantageusement un coffret moulé fixé extérieurement au passe-barres, en matériau isolant, solidaire de la cuve du transformateur. D'autres avantages et earactéristiques ressortiront plus clairement de l'exposé qui va suivre de plusieurs modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels la figure I est une vue schématique en coupe suivant la ligne I-I d'un dispositif de protection i image thermique selon l'invention, associé à l'une des colonnes du transformateur; la figure 2 est une vue partielle en coupe selon la ligne II-II de la figure 1; la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 1, représentant à échelle réduite une variante de relais à image thermique selon l'invention; la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure );; la figure 5, analogue à la figure 1, montre une autre variante du dispositif selon l'invention; la figure 6 est une vue en élévation d'une autre variante, selon l'invention, munie d'un dispositif électromagnétique sensible aux surcharges instantanées; la figure 7 est une vue en coupe selon la ligne VII-VII de la figure 6; la figure 8 est une autre variante du dispositif selon les figures 6 et 7. Selon les figures 1 et 2, un relais de protection à image thermique, désigné par le repère général 10, est agencé dans la partie supérieure d'un transformateur (non représenté) tripha- sé, du type sur poteau, et immergé dans un liquide diélectrique 12, notamment de l'huile ou du pyralène. Le relais 10 comporte trois éléments polaires 10a, lOb, 10c, associés aux trois phases respectives du transformateur, et sont sensibles aux variations de température de ce dernier en étant disposés respectivement audessus des trois colonnes. Pour des-raisons de clarté de llexposé, seul l'élément polaire l0a du relais, associé à l'une des colonnes du transformateur, sera décrit, les deux autres éléments lOb, 10c étant identiques.L'actionnement du relais, dt à une surcharge du transformateur, commande un déclencheur 14 d'un disjoncteur 16 à coupure dans l'air, contenu dans un coffret 18 filé sur la face extérieure d'un passe-barre 20 en matériau isolant. Ce dernier est solidarisé à la cuve 22 du transformateur par des moyens de fixation (non représentés) avec interposition d'un joint d'étanchéité 24. Le transformateur à protéger est muni de deux enroulements basse tension (non représentés) par colonne.L'élément lOa du relais 10 comprend un capteur électromagnétique constitué par un transformateur de courant pourvu d'un circuit magnétique 26 à toiles rectangulaires empilées dans le sens de la hauteur et ména- geant une fenetre 28 centrale traversée par l'enroulement primaire constitué par les conducteurs de sortie 50, 52 des deux bobines basse tension. Une spire 34, ou boucle en court-circuit entoure le circuit magnétique 26 et forme l'enroulement secondaire du transformateur de courant. Cette spire 54 sert d'élément de chauffage à un bilame 76 du type à lame souple à déflexion brusque. L'extrémité supérieure 58 du bilame est raccordée mécaniquement et électriquement au point de jonction de la spire 34 en court-circuit, et l'extrémité inférieure 40 est calée dans une rainure d'une butée 42. En position de repos, le bilame 36 présente une courbure accentuée dans la partie médiane prenant appui sur la spire en court-circuit 34. La déformation du bilame 56 entratne un déplacement mécanique d'un poussoir 44, dans le sens de la flèche F, attaquant le déclencheur 14 de commande d'ouverture du disjoncteur 16. Un écran métallique 46 est relié mécaniquement à deux ailes métalliques 48, 50 par des moyens de fixation amovibles (non représentés) permettant le démontage de l'écran 46 pour une visite du bilame 36.Les extrémités des ailes 48, 50 sont en contact avec le liquide diélectrique 12, de telle manière que l'écran 46 est isotherme et isolé thermiquement de l'air ambiant par un bouchon 52 isolant. Les ailes métalliques 48, 50 de l'écran thermique 46, la spire 74 de chauffage et une partie du circuit magnétique 26 sont enrobées dans le passe-barre 20 en matériau isolant. Ce dernier, fixé à la cuve 22 du transformateur, sert également de support au relais 10. L'espace 54 compris entre le bilame 36 et l'écran isotherme 46 est étanche et rempli d'air de telle manière que la déformation du bilame 36 s'effectue librement dans cet espace 54. Le poussoir 44, en matériau isolant, traverse l'écran thermique 46, et son déplacement est guidé par un orifice ménagé dans le bouchon 52. Un shunt magnétique 56 en forme de U est agencé dans la fenêtre 28 du circuit magnétique 26 entre les conducteurs primaires 30, 32 et le passe-barre 20. Ce shunt 56 sert d'une part au réglage de la puissance de chauffage de la spire 34 et d'autre part au calage des conducteurs 50, 32 contre le circuit magnétique avec interposition d'un isolant approprié. Le liquide diélectrique 12 circule dans un canal vertical ménagé dans l'intérieur du U du shunt 56 et est en contact thermique avec le passe-barre 20 et la spire 54. Le fonctionnement du relais 10 à image thermique est le suivant le flux engendré par le courant alternatif parcourant les conducteurs primaires 30, 32, produit des courants induits dans la spire 34 en court-circuit entraînant un échauffement de cette dernière. La spire 54 calorifugée est d'autre part soumise à un échauffement additionnel dû à la température du liquide diélectrique dans lequel plonge le relais 10. Le chauffage indirect du bilame 36 est fonction de ces échauffements et provoque la déformation du bilame dans le sens de la flèche F. Lorsque le seuil d'échauffement du transformateur est atteint, le bilame 36 dépasse la position de point mort entralnant une dé flexion brusque et une courbure inverse qui provoque l'actionnement du poussoir 44 du déclencheur 14 et l'ouverture du disjoncteur 16.Un dispositif de réarmement (non représenté) permet la remise enlace du bilame 36 dans sa position de courbure initiale. Le relais 10 à image thermique permet de suivre la température d'un point chaud des bobinages basse tension du transformateur pour des charges éventuellement déséquilibrées et pour différents couplages des enroulements basse tension des trois colonnes, notamment le couplage zig-zag. Un éven- tuel réglage du seuil de déclenchement consisterait à adapter le shunt magnétique 56- dans la fenêtre 28 du circuit magnétique 26 entraînant une variation de la force électromotrice induite dans la spire 34 de chauffage.Un autre moyen de réglage peut ëtre réalisé par variation de la constante de temps de l'ensemble spire et bilame par adjonction d'une cale (non représentée) de capacité thermique appropriée. Les circuits magnétiques 26 des trois éléments lova, lOb, vioc, du relais à image thermique peuvent être remplacés par trois tores magnétiques ou par un circuit magnétique unique à trois fe nôtres . Selon les figures 5 et 4, la commande mécanique par poussoir du déclencheur 14 du disjoncteur 16 est remplacée par une commande électrique. Le relais à image thermique est sensiblement identique à celui des figures 1 et 2, et les memes repères seront utilisés pour désigner des pièces analogues. Le transformateur de courant de l'une des phases, immergé dans le liquide diélectrique 12, est muni d'un circuit magnétique 60, à bande enroulée en spiralle, traversé par les conducteurs primaires 30, 52. L'élément sensible de l'image est constitué par un thermostat 62 du type t'Klixonn en bon contact thermique avec la spire )4 en court-circuit.Un enroulement tertiaire 64 réparti bobiné toroTdalement autour du circuit magnétique 60, est relié électriquement en série avec le thermostat 62 et alimente la bobine de déclenchement (non représentée) du disjoncteur. La spire 54, le thermostat 62 et une partie du circuit magnétique 60 sont enrobés dans une enveloppe 66 en matériau isolant. Les enroulements tertiaires 64 associés aux trois colonnes du transformateur peuvent astre couplés en parallèle ou en série, et sont le siège de forces électromotrices utilisables dès que le courant nominal est atteint. Le fonctionnement du relais à image thermique selon les figures 5 et 4 découle de la description précédente et il suffit de rappeler qu'à l'instant de fermeture de l'un des thermostats 62 > due à une surcharge, le ou les enroulements tertiaires 64 donne tordre de déclenchement au disjoncteur 16. Selon une variante de réalisation (non représentée), de la commande électrique utilisant des thermostats, ces derniers, en bon contact thermique avec les spires 34 de chauffage, sont agencés à l'intérieur d'un espace étanche, rempli d'air, analogue à celui 56 de la figure 1, séparé du milieu extérieur par un écran thermique. La source d'énergie de la bobine de déclenchement du disjoncteur 16 utilise dans ce cas trois tores magnétiques auxilinaires, disposés de préférence à l'extérieur du transformateur sur le disjoncteur 16 et traversés par les conducteurs primaires reliés aux enroulements basse tension du transformateur. L'enroulement secondaire de chaque tore auxiliaire est connecté à la bobine de commande du déclencheur par l'intermédiaire du thermostat correspondant. L'utilisation d'un tore unique traversé par les trois conducteurs de ligne est également pos ible, l'un des conducteurs primaires étant en opposition par rapport aux deux autres afin de disposer d'une tension de commande dans touas les cas de déséqui- libre de la charge. Le tore est dans ce cas avantageusement enrobé dans la partie supérieure du passe-barre. La figure 5 montre une autre variante de rdalisatiotJ dans laquelle la commande mécanique du dOclencheur par poussoir et la commande électrique par thermostat sont remplacées par uat commande par fluide dilatable. Le fluide 68 est contenu dans une spire 70 de chauffage en matériau conducteur, de section creuse > convenablement calorifugée dans une enveloppe 72 isolante, et bobinée autour du circuit magnétique 26 au transformateur de courant.. La spire 70 creuse est reliée par un tube capillaire 74 à un soufflet 76 d'actionnement du déclencheur 14. Les conducteurs primaires 30, 32 et une partie du circuit magnétique 26 sont enrobés dans le passe-barre 20 en matériau isolant, fixé à la cuve 22 du transformateur à protéger. Le fonctionnement du relais à image thermique selon la figure 5 est le suivant La force électromotrice induite dans la spire 70 due au passage du courant primaire dans les conducteurs 30, 32 provoque un échauffement de cette dernière entraînant la dilatation du fluide 68 de commande. Cette dilatation est encore augmentée par l'échauffement additionnel de la spire dû à la température du li- quide diélectrique 12 dans lequel plonge le relais. L'augmentation de volume due à la dilatation du fluide 68 entraîne la déformatlon du soufflet 76 et le déclenchement du disjoncteur 16 lorsque le volume dépasse un seuil prédéterminé. Lors de fortes surcharges, notamment de court-circuits, la saturation du circuit magnétique 26 du capteur selon les figures 1 à 5, ne permet pas une protection appropriée du transformateur. A cet effet, un dispositif électromagnétique 80, associé à chaque élément polaire du relais 10 (figures 6 et 7) est intégré à l'image thermique et comporte un circuit magnétique 82 auxillalre, en forme de 0, coopérant avec une palette mobile 84 solidaire du bilame 36.L'une des extrémités 38 du bilame s6 est fixée à la spire 54 de chauffage, autre extrémité 86 libre étant susceptible de déplacer le poussoir 44 dans le sens de la flèche F à llen- contre d'un ressort de rappel 88. Le fonctionnement du dispositif selon les figures 6 et 7 est le suivant En cas de fortes surcharges, le courant circulant dans la spire en court-circuit 34 dont l'une des branches est logée à l'intérieur du U du circuit magnétique 80, provoque un champ magnétique dans l'entrefer 90 et l'attraction de la palette 84 contre le circuit magnétique 80, entraînant le déverrouillage du déclencheur 14. En cas de surcharges sensiblement supérieures au courant nominal, le fonctionnement est identique à celui décrit pour les figures 1 et 2. Dans une variante représentée à la figure 8, les circuits magnétiques superposés principal 26 et auxiliaire SZ, sont traversés par les conducteurs primaires 50, 32 et décalés d'une distance d dans le sens de la hauteur, tout en étant immergés dans le liquide diélectrique 12. Le bilame 56 solidaire de la spire de chauffage 54 entourant le circuit magnétique principal 26, et la palette mobile 92 coopérant avec le circuit magnétique auxiliaire 82, sont logés à l'intérieur d'un espace étanche 94 rempli de gaz, notamment de l'air. Cet espace 94 est délimité par la configuration du passe-barre 20 fixé à la cuve du trans forma- teur et enrobant une partie des circuits magnétiques 26 et 82 ainsi que la spire 54 de chauffage. La palette-mobile 92 et le bilame 36 actionnent un dispositif de transmission 98 commun relié à la tige de commande 96 du déclencheur. Ce dispositif 98 comporte un levier 100 monté à rotation sur un axe 102 solidaire d'un support 104, et muni d'une fourchette 106 articulée sur la tige 96de commande. Des tiges réglables 10S, 110 relient respectivement le levier 100 à la paillette 92 et au bilame 36.Pour éviter des déclenchements intempestifs sur défauts fugitifs, la commande du dé- clencheur est temporisée par un dispositif retardateur du type à inertie (non représenté) agencé dans le coffret du disjoncteur et fonctionnant en roue libre. Le fonctionnement du dispositif selon la figure 8 dé+ coule de la description précédente et il suffit de rappeler que la déflexion du bilame 36, et l'attraction de la palette 92 lors de fortes surcharges provoquent une rotation du levier 100 dans le sens des aiguilles d'une montre et un déplacement vers la droite de la tige 96 du déclencheur. Dans cette variante la palette 92 commande le déclencheur sans être mécaniquement liée au bilame 36. L'invention n'est bien entendu nullement limitée aux modes, de mise en oeuvre plus particulièrement décrits et représentés aux dessins annexés, mais elle s'étend bien au contraire à toute variante restant dans le cadre des équivalences mécaniques et électriques. REVENDICATIONS 1. Relais à image thermique pour la protection dtun transformateur polyphasé disposé dans une cuve remplie de liquide diélectrique, chaque élément polaire dudit relais, associé à l'une des phases du transformateur comportant - un capteur électromagnétique, plongeant dans ledit liquide, et à circuit magnétique muni d'un enroulement primaire parcouru par un courant égal ou proportionnel à celui traversant les bobines du transformateur, et d'un enroulement secondaire, - un élément thermosensible actionnant un déclencheur dlun disjonc- teur connecté en série avec lesdites bobines, caractérisé par le fait que ledit élément thermosensible, disposé dans une enceinte étanche, remplie de gaz, est agencé en bon contact thermique avec ledit enroulement secondaire servant de moyen de chauffage audit élément, de telle manière que ladite enceinte sert d'interface entre ledit capteur et élément thermosensible internes audit transformateur, et les moyens de commande externes dudit déclencheur. 2. Relais à image thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite enceinte étanche est confinée au moins partiellement par une portion dudit enroulement secondaire agencé en spire en court-circuit, et un écran isotherme porté à la température du liquide diélectrique. 3. Relais à image thermique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit élément thermosensible est constitué par un bilame dont la déformation, fonction de la chaleur dissipée par ladite spire, steffectue librement dans ladite enceinte et provoque le déplacement d'une tige de commande du déclencheur. 4. Relais à image thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la spire en court-circuit, l'écran isotherme et une partie du circuit magnétique sont enrobés dans ladite enveloppe en matériau isolant constituant une partie monobloc avec le passe-barre solidaire de ladite cuve du transformateur. 5. Relais à image thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ledit élément thermosensible pilote un contact electrique de commande relié électriquement à la bobine du déclencheur. 6. Relais à image thermique selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit circuit magnétique dudit capteur comporte un enroulement tertiaire d'alimentation de la bobine du déclencheur par l'intermédiaire dudit contact électrique. 7. Relais à image thermique associé à un disjoncteur pour la protection d'un. transformateur polyphasé disposé dans une cuve remplie de liquide diélectrique, ledit relais comportant un circuit magnétique plongeant dans ledit liquide et muni d'enroulements primaire et secondaire, caractérisé par le fait qu'un fluide dilatable est contenu dans ledit enroulement secondaire agencé en spire en court-circuit, de section creuse, reliée par un tube capillaire à un soufflet d'actionnement, de telle manière que mentation de volume du fluide dilatable en fonction de l'échauffe- ment de ladite spire entrasse la déformation dudit soufflet et le déclenchement du disjoncteur lorsque ledit volume dépasse un seuil déterminé. 8. Relais à image thermique selon l'une quelconque don revendications précédentes, caractérisé par le fait que les circuits magnétiques des n é1é9ents polaires dudit relais forment un circuit magnétique commun muni de n fenêtres. 9. Relais à image thermique selon l'une quelconque d** revendications précédentes, caractérisé par le fait que le dis teur à coupure dans l'air comporte un coffret inoculé fit eér ment au passe-barre en matériau isolant solidaire de la cuve du transformateur. 10. Relais à image thermique selon la revendieation 1, caractérisé par le fait qu'un dispositif électromagnétique est afw socié audit élément thermosensible et est muni d'un circuit magné- tique auxiliaire coopérant avec une palette mobile agencée à térieur dudit espace étanche l'attraction de ladite palette, due à une forte surcharge, notamment d'un court-circuit, provoquant aaS déclenchement du disjoncteur, T 11. Relais à image thermique selon la revendication 10, caractérisé par le fait que ledit circuit magnétique auxiliaire entoure ladite spire de chauffage muni dudit élément thermosensible solidaire de ladite palette mobile. 12. Relais à image thermique selon la revendication 10, caractérisé par le fait que ladite palette mobile et ledit élément thermosensible actionnent séparément le déclencheur dudit disjonc- teur, le circuit magnétique auxiliaire entourant l'enroulement primaire dudit capteur.