Brevet FR2309063A1 — publié le 19761119

Les disjoncteurs électriques de protection contre les surintensités comprennent généralement un groupe de contacts assurant la coupure du circuit à protéger sous l'action d'un déclencheur qui agit selon une certaine courbe de réponse temporelle, c'est-8-dire avec un certain retard en fonction de l'amplitude de la surintensité détectée. Dans le cas des disjoncteurs de protection des transformateurs de distribution MT/BT, le déclencheur est, d'une manière connue, associé à des éléments bimétalliques compensés en température et insérés dans les conducteurs de phase, qui lui donnent une courbe de réponse indépendante de la température ambiante. I1 en résulte que a) aux basses températures, il y a sur-protection; b)aux températures élevées, il y a sous-protection; c) de plus, il n'y a pas différenciation du seuil de protection en fonction du type de surcharge (monophasée, polyphasée, avec ou sans charge initiale). Un déclencheur de ce type présente donc les inconvénients suivants a) il ne permet pas d'utiliser d'une manière optimale la capacité thermique du transformateur; b) il entratne un risque de vieillissement prématuré des isolants du transformateur; c) ses éléments bimétalliques, qui agissent directement ou par 1 t intermédiaire de relais électromagnétiques, consomment une énergie non négligeable correspondant à une perte de charge ainsi qutd des échauffements néfastes au niveau même du disjoncteur. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients par la création d'undéclencheur qui cause une perte de charge réduite et permette une exploitation optimale des possibilités du transformateur en fonction de la température ambiante et du type de surcharge. Pour parvenir à une utilisation optimale d'un transformateur, une condition essentielle est que son dispositif de protection agisse au moment où le point le plus chaud du transformateur atteint la température maximale prmise. Or, la température iM du point le plus chaud a pour expression = = +Be + i if + a désignant la température ambiante, h if l'élévation de température la plus élevée du fluide de refroidissement du transformateur par rapport à la température ambiante et Q Ge l'écart d'enroulement, c'est-à-dire l'écart de température entre le point le plls chaud des enroulements et le fluide de refroidissement le plus chaud.C'est la température iM du point le plus chaud des enroulements qu'il s'agit de déterminer en vue d'assurer la protection du transformateur. Or, on a constaté expérimentalement que a) la position du point le plus chaud des enroulements peut varier (suivant la conception et la structure du transformateur, ainsi que suivant le type et l'importance des surcharges); b) la valeur de l'écart d'enroulement iGe varie également suivant les mêmes paramètres. D'autre part, une mesure permanente de la température à l'intérieur d'un transformateur se heurte aux difficultés suivantes a) pour des raisons de dispositions constructives, on ne peut accéder aux parties actives des enroulements du transformateur; b) on ne peut se fier à une mesure indirecte par l'intermédia ire du fluide baignant les enroulements, car une telle mesure serait trop incertaine du fait de la variation de l'écart d'enroulement b Qe Afin de tourner ces difficultés, la présente invention consiste à créer une image thermique qui représente fidèlement l'état thermique du transformateur à protéger, quel que soit le type de surcharge, et sur laquelle on reporte les mesures de température en vue de déclencher un dispositif de protection lorsque la température du point le plus chaud dudit transformateur atteint la valeur à ne pas dépasser. L'invention a donc pour objet un déclencheur fonctionnant au moyen d'une image thermique associée à un circuit électronique de commande. Cette image thermique comprend au moins une résistance de mesure non-linéaire à coefficient de température positif qui reçoit, par l'intermédiaire d'un transformateur d'intensité couplé à un conducteur de phase correspondant de la ligne sur laquelle est branché le transformateur, un courant proportionnel au courant circulant dans ce conducteur, et aux bornes de laquelle se développe une tension qui est appliquée, directement ou indirectement, à la bobine d'un relais de déclenchement et assure son fonctionnement lorsqu'elle devient supérieure à une valeur de seuil déterminée, fournie par exemple par un commutateur électronique à seuil. Cette image thermique est avantageusement constituée par une enceinte calorifugée, fermée et autonome, contenant une plaquette métallique qui baigne dans un fluide et qui porte autant de résistances de mesure qu'il y a d'enroulements de phase dans le transformateur à protéger, chaque résistance de mesure étant alimentée par un transformateur d'intensité particulier qui lui fournit un courant proportionnel au courant de surcharge d'une phase de la ligne. Les différentes résistances de mesure utilisées dans le cas par exemple d'une ligne triphasée, qui s'échauffent sous lteffet de ce courant, sont couplées thermiquement entre elles par la plaquette métallique sur laquelle elles sont fixées, tandis qu'elles sont isolées thermiquement du milieu ambiant par l'enceinte calorifugée.Cette dernière a un rôle temporisateur et représente, avec le fluide quiLle contient, l'inertie thermique du transformateur à protéger, les résistances de mesure représentent ses enroulements et la plaquette représente l'huile couplant thermiquement ceux-ci à l'intérieur du transformateur. Il en résulte que la température d'une résistance de mesure dépend i la fois du courant qui la traverse et de ltéchauf- fement des autres résistances de mesure, d'une manière analogue à cequi se passe pour un enroulement d'un transformateur vis-à-vis des autres enrouleoeents.Ce fait permet, dans le cas d'un transformateur polyphasé, de distinguer entre une surcharge monophasée et une surcharge polyphasée. La structure, la nature et les dimensions des éléments constitutifs de l'image thermique sont choisies de manière à réaliser une bonne analogie du comportement thermique d'un transformateur à protéger de type donné. Afin de parfaire cette analogie pour un transformateur particulier, il convient de prévoir un réglage des courants traversant les résistances de mesure au moyen de résistances ajustables associées aux transformateurs d'intensité qui les alimentent, de manière à obtenir que chaque résistance de mesure présente une température égale à celle du point le plus chaud de l'enroulement correspondant.Les résistances de mesures choisies présentent une température de "basculement" (où leur valeur s'élève brusquement) choisie égale àla température maximale permise pour les points chauds du transformateur, laquelle dépend des isolants utilisés dans la construction de ce dernier. Dans le cas d'une forte surcharge, la tension apparaissant aux bornes d'une résistance de mesure dépasse le seuil de fonctionnement du relais de déclenchement avant que cette résistance ait pu s'échauffer notablement et atteindre sa température de basculement. C'est alors le transformateur d'intensité qui donne directement le signal de déclenchement. Le circuit électronique comprend de préférence un circuit temporisateur qui retarde légèrement le fonctionnement du relais dans un tel cas. Les avantages qu'offre un déclencheur à image thermique selon l'invention sont les suivants a) exploitation optimale du transformateur protégé d'une façon rationnclle, quel que soit le type de surcharge et la température ambiante, gracie à l'image thermique reproduilant fidèlement l'état thermique du transformateur; b) obtention d'une grande fiabilité de déclenchement de la protection, grâce aux résistances non linéaires utilisées dans l'image thermique, dont le basculement délivre un signal important à la température de protection; c) facilité de mise en oeuvre et d'adaptation à un transformateur existant, l'image thermique étant totalement indépendante du transformateur;; d) obtention d'une grande fidélité de déclenchement grave à l'utilisation d'un commutateur à seuil; e) prélèvement de puissances très faibles limitant les pertes de charge ainsi que les échauffements; f) assurance d'une bonne rigidité diélectrique entre phases, du fait que le déclencheur, aliment par des transformateurs d'intensité, n' emprunte aucune tension entre les conducteurs de phase de la ligne, ce qui permet en outre le fonctionnement même en cas de manque de tension; g) déclenchement de la protection aussi bien pour les faibles surcharges que pour les fortes surcharges, d'une manière adaptée à chaque cas. La description qui va suire, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment 1 invention peut être mise en pratique. La figure 1 représente le schéma électrique d'un déclencheur selon l'invention dans le cas d'une ligne triphasée. La figure 2 représente un tel schéma dans le cas d'une ligne monophasée. La figure 3 représente en perspective et avec arrache ment l'image thermique associée au déclencheur. La figure 4 représente une coupe partielle transversale de l'objet de la figure 3. La figure 5 représente une variante du schéma de la figure 1. La figure 6 représente une variante concernant une partie du schéma de la figure 5. Un déclencheur selon l'invention, adapté à une ligne triphasée 0,1,2,3 sur laquelle est branché un transformateur à protéger (non représenté), comprend, comme le montre la figure 1, trois transformateurs d'intensité 41,42,43 respectivement couplés à chacun des conducteurs de phase 1,2,3 de la ligne. Ces transformateurs travaillent dans la partie linéaire de leur courbe d'aimantation et chacun de leurs secondaires délivre, à travers une résistance ajustable de réglage 51,52-ou 53, un courant proportionnel au courant de la phase correspondante à une résistance non-linéaire de mesure 61,62 ou 63 faisant partie de l'image thermique qui sera décrite plus loin (les résistances de réglage pourraient aussi être connectées en parallèle aux bornes desdits secondaires). La tension développée aux bornes de chacune des résistances de mesure est redressée respectivement par les diodes 71,72 ou 73 d'un dispositif redresseur, les sorties de ces diodes étant connectées en commun à une cellule RC de temporisation dont la sortie est reliée, par l'intermédiaire d'un commutateur à seuil de tension 9, à la bobine 10 d'un relais de déclenchement qui commande la serrure 11 d'un disjoncteur muni de contacts de coupure 20,21,22,23 montés en série dans les conducteurs 0,1,2,3 de la ligne. Dans le cas d'une ligne et d'un transformateur monophasés, tous les éléments particuliers aux conducteurs de phase 2,3 de la figure 1 disparaissent et l'on obtient le circuit de la figure 2. Les résistances non-linéaires 61,62,63 sont des résistances à coefficient de température positif qui s'échauffent sous l'action des courants que leur fournissent les transformateurs intensité 41,42,43. Si une surcharge modérée (correspondant à une surintensité inférieure au triple de l'intensité nominale) apparatt par exemple sur le conducteur 1, ltéchauffement de la résistance 61 est d'abord faible et elle présente une valeur basse (par exemple 50 > t); le courant qui la traverse est donc relativement élevé et les ampères-tours secondaires N2I2 du transformateur d'intensité 41 sont importants.Les ampères-tours magnétisants N1 lo résultant de la composition géométrique des ampères-tours primaires N1 I1 et secondaires N2 I2 sont faibles. I1 en résulte que la tension Uc aux bornes du condensateur de la cellule RCest faible et inférieure à la tension de seuil Us du commutateur 9 (par exemple, Uc = U ) 3 s. Si la surcharge persiste, la résistance 61 s'échauffe progressivement et, au bout d'un temps dépendant de l'amplitude de la surcharge, elle atteint sa température de basculement. A ce moment, sa valeur ohmique devient brusquement très grande (par exemple 5 à 6 u ). Les ampères-tours secondaires N2 I2 décroissent; comme N1 I1 est constant, K1 Io augmente, ce qui entratne une variation de Uc qui atteint le seuil de commutation Us . Le condensateur C se décharge alors dans la bobine 10 du relais et celui-ci commande la disjonction des contacts 20,21,22, 23. S'il s'agit d'une forte surcharge, c'est-à-dire d'une surintensité dépassant le triple de l'intensité nominale, la résistance 61 présente une valeur faible, mais le courant de surcharge est suffisant pour que la tension aux bornes du condensateur C atteigne le seuil de conduction Us du commutateur 9, avant même que la résistance 61 ait basculé". Le retard de déclenchement est alors beaucoup plus petit que dans le cas d'une faible surcharge, étant maintenant déterminé uniquement par la constante de temps de la cellule de temporisation RC. Les résistances de mesure 61,62,63 font partie d'une image thermique 4 représentée par la figure 3 et conçue de telle manière que la température de ces trois résistances reste respectivement égale, en cas d'intensité normale ou de faible surcharge, à celle du point chaud de chacun des trois enroulements du transformateur triphasé à-protéger. Ces résistances de mesure sont fixées sur une plaquette métallique 6 bonne conductrice de la chaleur.Cette plaquette est placée dans un fluide (air ou huile) à l'intérieur d'une enceinte calorifugée constituée par deux enveloppes 7,8 successives en matière plastique, séparées par une couche épaisse 12 de polystyrneexpansé. Les résistances 61,62,63 sont reliées électriquement à la plaquette 6, leur point commun étant acoessible par un fil de connexion 13 soudé à celle-ci, tandis que l'autre borne de chaque résistance est reliée à un fil de connexion respectif 81,82,83. Ces quatre fils de connexion rectilignes traversent à force la couche isolante 12. Les résistances de mesure 61,62,63 se comportent thermiquement coe les enroulerents hb w logues du transformateur. Dans le cas d'un transformateur triphasé, la disposition de ces résistances sur la plaquette métallique 6 permet de distinguer les surcharges Monophasées des surcharges polyphasées. En effet, en cas de surcharge polyphasée, les résistances de mesure s'échauffent d'une part par effet Joule seuls l'influence des courants de surcharge, d'autre part par influence mutuelle, tout comme les enroulements du transformateur. En cas de surcharge monophasée, un seul de ces enroulement s'échauffe, et non les autres, de sorte que eeux-ei, du fait de la conduction thermique de l'huile du transformateur, freinent lteehauffe-ent dudit enroulement. I1 en est de même pour les résistances de mesure couplées thermiquement par la plaquette 6.Ainsi, une résistance de mesure s'échauffe moins en cas de surcharge monophasée qu'en cas de surcharge polyphasée, pour un mOrne courant de surcharge dans la phase corres- pondante, et son basculement entratnant le déclenchement de la protection interviendra plus tard dans le premier cas, ce qui est satisfaisant. La température de basculement des résistances de mesure non-linJaires est choisie voisine de celle qui correspond à la classe d'isolement du transformateur, soit entre 100 C et 120 C pour la classe E, de sorte que la protectionde celui-ci est assurée des que la température du ou des points les plus chauds de ses enroulements atteint cette zone de température. L'image thermique 4, bien que complètement autonome et séparée du transformateur à protéger, peut représenter très précisément l'état thermique de ce dernier moyennant une détermination expérimentale préliminaire des paramètres de construction à adopter pour un type donné de transformateur. Toutes les images thermiques réalisées conformément à ces paramètres sont utilisables, sans nécessiter elles-mêmes aucun réglage, pour un tranabrmateur du type considéré. A titre indicatif, les dimensions extérieures d'une image thermique convenant à des transformateurs MT/BT triphasés de 50 à 100 kVA sont égales à 64 x 84 x 67 xm, et celles de sa plaquette interne, réalisée en cuivre argenté, sont égales à 10 I 38 x 20 mm. La figure 5 représente un iode de réalisation simplifié, selon lequel on n'utilise, pour un transformateur triphasé, qu'une seule résistance de mesure 60 à coefficient de température positif alimentée par l'ensemble des transformateurs d'intensité 41,42,43 et connectée au point de sortie commun des redresseurs 71,72,73. Le circuit de la figure 5 est par ailleurs identique à celui dela figure 1 et fonctionne d'une manière analogue, la résistance de mesure 60 assurant les longues temporisations de déclenchement aux faibles surcharges et la cellule RC les courtes temporisations aux fortes surcharges. Le circuit de la figure 5, qu'il est possible d'utiliser lorsqu'on ne recherche pas une très grande précision de déclenchement, peut encore autre simplifié (figure 6) en supprimant le commutateur à seuil 9, le seuil de déclenchement étant alors déterminé par le seuil propre du relais 10. Les circuits des figures 5 et 6 peuvent Outre utilisés également pour la protection de lignes et de tous appareillages électriques montés en amont ou en aval du disjoncteur. On remarquera d'autre part que tous les circuits représentés sur les figures sont exclusivement alimentés par les courants en ligne et fonctionnent ind8pendamment des tensions entre phases. REVENDICATIONS 1.- Déclencheur pour disjoncteur destiné à la protec tion contre les surintensités d'un appareil électrique branché sur une ligne, notamment d'un transformateur MT/BT, comprenant une image thermique qui reproduit l'état thermique dudit appareil et est insérée dans un circuit électronique commandant un relais de déclenchement de la serrure du disjoncteur, caractérisé par le fait que l'image thermique comprend au moins une résistance de mesure non-linéaire dont la valeur ohmique augmente brusquement au franchissement d'une température déterminée, qui reçoit, par l'intermédiaire d'un transformateur d'intensité couplé à un conducteur de phase correspondant de la ligne, un courant proportionnel au courant circulant dans ce conducteur, et aux bornes de laquelle se développe une tension qui est transmise à la bobine du relais de déclenchement et assure le fonctionnement de celuiei lorsqu'elle devient supérieure à une valeur de seuil déterminée. 2.- Déclencheur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'image thermique est constituée par une enceinte calorifugée, fermée et autonome, contenant une plaquette métallique qui baigne dans un fluide et qui porte des résistances de mesure en nombre égal à celui des enroulements de phase du transforBateur à protéger, chacune de ces résistances étant alimentée par un transformateur d'intensité particulier. 3. - Déolencheur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la tension apparaissant aux bornes de chaque résistance de mesure est appliquée aux entrées d'un dispositif redresseur à sortie unique qui délivre une tension redressée résultante transmise à la bobine du relais de déclenchement. 4. - Déclencheur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'image thermique comprend une seule résistance de mesure qui est reliée par un redresseur au secondaire de chaque transformateur d'intensité, la tension redressée développée aux bornes de ladite résistance étant appliquée à la bobine du relais de déclenchement. 5.- Déclencheur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que la tension redressée est appliquée à laEbobine du relais de déclenchement par l'intermédiaire d'un circuit de temporisation. 6.- Déclencheur selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'un commutateur à seuil de tension est intercalé entre le circuit de temporisation et la bobine du relais de déclenchement. 7.- Déclencheur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'une résistance de réglage est associée au secondaire de chaque transformateur d'intensité. 8.- Déclencheur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que chaque résistance de réglage est connectée en série avec le secondaire correspondant. 9.- Déclencheur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que chaque résistance de réglage est connectée en parallèle avec le secondaire correspondant.