Brevet FR2708136A1 — publié le 19950127

La présente invention concerne un dispositif de déconnexion d'un appareil électrique comportant au moins un enroulement plongé dans un liquide diélectrique contenu dans une cuve, notamment d'un transformateur immergé à haute tension comportant des éléments de sécurité, par exemple des fusibles. Ce dispositif est destiné à agir en complément à la protection assurée par la présence de ces fusibles, lors de la défaillance de l'appareil qu'il équipe. L'invention s'applique plus particulièrement à un transformateur du type décrit dans la demande de brevet français nO 91 11684 déposée le 23 septembre 1991, à laquelle on se reportera avec profit pour une description détaillée. I1 peut cependant s'appliquer à des appareils de fonction ou du type différent. Dans ce qui suit, pour fixer les idées, sans que cela limite en quoi que ce soit la portée de l'invention, on supposera que l'appareil électrique est un transformateur haute tension dont l'enroulement primaire est couplé en triangle ou en étoile et est alimenté par un réseau triphasé à neutre non distribué. On connaît les avantages qu'offrent les fusibles dans le cas d'une avarie du transformateur qu'ils protègent: ils limitent l'amplitude du courant au moment du défaut. En effet, ce courant pourrait être très important compte tenu des puissances disponibles dans les réseaux électriques. Cette protection ne vise pas particulièrement à protéger les enroulements du transformateur. En effet, celui-ci est généralement inutilisable après la défaillance. Elle a avant tout pour objet de supprimer les risques de manifestations extérieures, telles qu'explosion du transforateur, épanchement d'huile enflarée, etc., qui constituent une menace pour l'environnement. La limitation de l'amplitude, de la durée du passage du courant de défaut, et, de fait, a rUduction de l'énergie libérée au lieu du court-circuit, permettent dans la plus part des cas d'éviter les effets mentionnés précédemment. Un autre avantage de ces fusibles est l'élimination de la perturbation que représente le courtcircuit vis-à-vis de la source alimentant le transformateur, grâce à l'isolation rapide de celui-ci. Ces aspects sont plus particulièrement exploités dans les réseaux de distribution publique à haute tension, dont la tension au service est typiquement de l'ordre de 20 000 volts. Ces réseaux comportent un nombre important de transformateurs de distribution immergés dans un liquide diélectrique. Ainsi, en cas d'avarie d'un transformateur, la présence de ces fusibles, internes ou externes à l'appareil, évite dans un grand nombre de cas les effets secondaires du défaut, tels qu'explosion, incendie, épanchement du liquide diélectrique contenu par le transformateur, etc... Par ailleurs, en séparant galvaniquement le transformateur du réseau électrique qui l'alimente, ces fusibles suppriment théoriquement le court-circuit qui, dans d'autres conditions, imposerait la mise hors tension de ce même réseau et, de fait, l'interruption de la distribution de l'énergie électrique pour les abonnés qui en dépendent. Le système qui vient d'être décrit n'est cependant pas exempt d'inconvénients. En effet deux aspects réduisent l'efficacité des fusibles par rapport à l'objectif fixé: D'une part, ceux-ci présentent un courant minimal de fusion. Ils doivent être choisis pour que ce courant reste nettement supérieur au courant de service normal du transformateur, sans quoi des fonctionnements intempestifs pourraient se produire, suite à des surintensités d'enclenchement lors de la mise en service ou encore lors de surcharges en exploitation. D'autre part, dans le cas de transformateurs triphasés raccordés à un réseau dont le neutre non distribué est relié à la terre au travers d'une impédance moyenne ou forte (cas des réseaux de distribution haute tension en Europe), il est fréquent qu'un défaut ne provoque la fusion que de deux fusibles seulement. Selon le degré d'altération de l'isolation générale du transformateur, et l'impédance du neutre du réseau, un courant résiduel s'établit entre la phase dont le fusible est intact et la terre à laquelle est reliée la masse du transformateur. Ce courant résiduel, dont la valeur peut d'ailleurs être inférieure au courant de service normal du transformateur, est en général insuffisant pour provoquer la fusion du fusible par lequel il transite. Par contre, il est généralement suffisamment important pour provoquer le fonctionnement de protections sensibles aux défauts entre phase et terre de faible intensité. Ces protections, situées au niveau du poste source qui alimente le réseau, commandent alors la mise hors tension de ce dernier. La présente invention se fixe pour but principal un dispositif venant en complément de fusibles mentionnés précédemment, et destiné à éviter l'inconvénient des appareils de l'Art Connu qui vient d'être évoqué. Pour ce faire, on prévoit un dispositif de connexion comprenant des moyens sensibles à la montée en pression du transformateur après apparition d'un fonctionnement défectueux, ces moyens n'étant réellement activés qu'après que les fusibles dont est muni l'appareil aient rempli leur fonction, suite à ladite apparition du défaut L'invention a donc pour objet un dispositif de déconnexion d'un appareil électriqu-, notamment d'un transformateur de distribution, ledit appareil étant immergé dans un liquide diélectrique contenu dans une cuve et étant du type polyphasé, chaque phase étant protégée par un élément de sécurité caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de déconnexion desdites phases, des moyens sensibles à la variation de la pression régnant dans ladite cuve et des moyens de blocage en position connectée des moyens de déconnection desdites phases; et en ce que les moyens sensibles à la variation de la pression libèrent les moyens de blocage lorsque la pression régnant dans la cuve évolue en fonction du temps selon une vitesse de variation de valeur minimale prédéterminée après une défaillance de l'appareil électrique, de manière que la déconnexion se réalise après stabilisation de la pression. L'invention présente plusieurs avantages. En cas de défaut interne au transformateur, et tant que ce défaut persiste, c'est-à-dire n'est pas éliminé par les fusibles1 le dispositif selon l'invention ne produit pas d'effets réels. Cette disposition évite que le courant à interrompre par le dispositif selon l'invention soit le courant important apparu lors du défaut. Par contre, la déconnexion s'effectue bien, même si les fusibles dont est muni l'appareil n'ont pas tous fonctionné, mais cette déconnexion s'effectue lorsque le courant de dysfonctionnement est redescendu à une valeur résiduelle faible. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit en regard des figures annexées et parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue partielle en coupe illustrant un premier mode de réalisation d'un dispositif selon 11 invention; - la figure 2 illustre une variante de ce mode de réalisation pour laquelle les fusibles de protection sont disposés à l'extérieur de l'appareil à protéger; - la figure 3 est une vue partielle en coupe illustrant un second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention qui constitue un mode de réalisation préféré. La figure 1 est une vue partielle en coupe d'un dispositif de déconnexion selon un premier mode de réalisation de l'invention. Comme illustré sur la figure 1, le dispositif de déconnexion 1 est logé avec le fusible 2 qui lui est associé, dans le fût de chaque traversée haute tension 3 du transformateur ou de façon plus générale de l'appareil électrique à protéger. I1 est constitué d'un cylindre creux 4, muni d'un fond 40 et d'une paroi 41, et d'un piston 5 s'ajustant dans l'alésage du cylindre 4 avec un jeu défini pour permettre, au besoin, un écoulement de gaz entre les volumes internes 6 du cylindre 4 et 7 de ia traversée haute tension 3 précitée. On n'a représenté sur la figure 1 qu'une seule traversée 3. Il doit être bien compris que le nombre de traversées, qui correspond au nombre de phases, peut être quelconque: par exemple, comme on l'a indiqué, trois phases pour un transformateur triphasé triangle ou étoile. Un ressort à boudin 8, typiquement en bronze, repousse en permanence le piston 5 qui est arrêté dans sa course par un ressort à lames 9. Le ressort 8 s'appuie sur le fond du cylindre 4. L'extrémité libre 90 des lames du ressort 9 a typiquement la forme d'un crochet. Les lames dont la forme en position libre est courbe, comme illustré par la figure 1 (tracé en tirets 9', 90'), sont maintenues en position d'accrochage, plaquées cotre la paroi 41, du cylindre 4, par une rainure 10 ménagée à l'extérieur du piston 5, par exemple par une rainure 10 en couronne sur le fond de ce piston. L'autre extrémité du ressort 9 est fixée à la paroi 40 du cylindre creux 4. La liaison électrique en fonctionnement normal du transformateur est assurée depuis le fusible 2, au travers du cylindre creux 4, du ressort 8, du piston 4 vers une liaison souple 11 qui alimente les enroulements (non représentés). En cas de défaut interne au transformateur, et tant que ce défaut n'est pas éliminé par les fusibles 2, apparaît une augmentation progressive de la pression interne par dégagement de gaz dû à la décomposition du liquide diélectrique par effet thermique. Ce liquide diélectrique remplit la cuve (non représentée) renfermant les organes du transformateur. Cette pression agit par l'intermédiaire du matelas gazeux 12 sur le piston 5 et le repousse dans le cylindre creux 4, de façon à permettre la iibération des lames de ressorts 9 (position 9'). Tant que le défaut persiste, l'équilibre des pressions ne peut être atteint entre l'extérieur du cylindre o (volume 7) et l'intérieur de celui-ci (volume 6), de telle sorte que le ressort 8 est incapable d'éjecter le piston 4, car il reste comprimé. Ce n'est qu'après élimination du courant de défaut par les fusibles 2 concernés et stabilisation de la pression du matelas gazeux 12, que l'écoulement du gaz entre l'extérieur et l'intérieur du cylindre creux 4 rétablit un équilibre tel que le ressort 8 soit en mesure d'éjecter le piston 4 et la liaison souple qui lui est solidaire. En effet, à cet instant, étant décroché (position 9'), le ressort à lame 9 ne retient plus le piston 5. Celui-ci, sous l'effet de son propre poids, tombe dans le volume du diUlectrique et provoque de ce fait l'isolation galvanique du transformateur. Ce mécanisme se réalise simultanément sur toutes les phases. L'avantage de ce dispositif provient du fait que son fonctionnement est postérieur à celui des fusibles: ceux-ci doivent éliminer le défaut avant que le dispositif de déconnexion 1 n'intervienne. Ainsi, le courant à interrompre par le dispositif de déconnexion 1 n'est en aucun cas le courant de défaut, mais uniquement un courant résiduel, d'intensité réduite et compatible avec le pouvoir de coupure limité du dispositif. Le fait que l'élimination du courant résiduel soit provoquée de façon différée ne présente pas un inconvénient particulier. En effet, des protections équipant le poste source et sensibles à ce courant résiduel présentent une caractéristique à temps inverse qui retarde la mise hors tension du réseau d'autant plus que la valeur du courant est faible. Celui-ci est donc interrompu sous l'effet du dispositif de déconnexion 1. Un autre avantage de ce dispositif est qu'il est sensible à une augmentation de pression uniquement dans la mesure où celle-ci est rapide, ce qui est le cas lors de défauts internes du transformateur. Par contre, une augmentation de cette pression provoquée par un échauffement en service normal reste sans effet, compte tenu de la lenteur imposée par la constante de temps thermique importante du transformateur. On va maintenant décrire de façon plus détaillée le fonctionnement du dispositif de déconnexion selon l'invention, dans un exemple d'application particulier. Cet exemple correspond aux étapes typiques observées lors de l'apparition d'un défaut interne dans un transformateur installé sur un réseau de distribution haute tension. Ce cas correspond à un appareil placé sur un réseau dont le neutre est relié à la terre par une impédance de l'ordre d'une à plusieurs dizaines d'Ohns. L'origine de la défaillance peut être par exemple une surcharge appliquée à l'une des phases de l{appareil. L'échauffement excessif qui résulte de cette surcharge prolongée engendre la destruction des isolants et la naissance d'un court-circuit entre les deux extrémités de l'enroulement haute tension surchargé. Ce court-circuit est évolutif et son impédance décroît dans un laps de temps de l'ordre de la centaine de millisecondes. De la même manière, le courant le traversant croit depuis l'intensité existant au moment de la surcharge jusqu'à une valeur suffisante pour provoquer la fusion des fusibles par lesquels il transite. Ce courant peut alors atteindre une valeur de l'ordre de la centaine d'ampères. Néanmoins, compte tenu de sa brièveté (de l'ordre de la centaine de millisecondes!, il ne perturbe pas le fonctionnement du réseau et ne libère pas suffisamment d'énergie dans l'appareil pour provoquer des manifestations extérieures dangereuses, comme une explosion par exemple. En l'absence de dispositifs de déconnexion conformes à l'invention, dont les caractéristiques viennent d'être rappelées, le processus évolue le plus souvent de la manière suivante: Bien que le court-circuit entre deux phases ait été éliminé et bien que dans le transformateur il ne puisse théoriquement plus transiter de courant entre les trois phases du réseau, les effets thermiques qui viennent d'être rappelés ont considérablement affaibli l'isolation globale de l'appareil, en plus de l'enroulement haute tension détérioré. L'impédance électrique entre la troisième phase, dont le fusible est intact, et la masse de l'appareil, qui est raccordée à la terre, est ramenée à une valeur typique de l'ordre de mille à dix milles Ohms, d'où un courant de fuite entre cette phase et ia terre pouvant atteindre jusqu'à la dizaine d'ampères, appelé ici courant résiduel. Ce courant est détecté par une protection (non représentée) sensible aux défauts à la terre résIstants, située au niveau du poste source (non représenté) qui alimente le réseau dont dépend le transformateur. Cette protection va provoquer la mise hors tension de l'ensemble du réseau, après un délai compris entre quelques secondes et quelques dizaines de secondes, selon la valeur de ce courant résiduel. La distribution de l'énergie électrique est alors interrompue pour l'ensemble des abonnés dépendant du réseau, ce qui constitue un grave inconvénient. Dans le cas d'un transformateur dont chaque phase est équipée du dispositif de déconnexion conforme à la présente invention, le processus devient le suivant: Tant que le courant de défaut persiste, en général pendant une période de l'ordre de la centaine de millisecondes, la pression régnant à l'intérieur du transformateur augmente, selon une courbe de variation de la pression en fonction du temps dont la pente instantanée ou vitesse de variation est dpZdt, de l'ordre de plusieurs bars (105 Pa) par seconde. La différence de pression entre 'extérieur et l'intérieur du cylindre repousse le piston 5 à l'intérieur du cylindre o, libérant les lames de ressorts 9 (position 9'). Elle maintient cet état sans que le ressort 8 soit en mesure de provoquer l'éjection, et, de fait, la déconnexion, qui, compte tenu de l'intensité circulant dans le court-circuit, pourrait être critique. Ce n'est que lorsque les deux fusibles 2 concernés par le défaut ont fondu, et après stabilisation de la pression dans le transformateur, que l'éjection du piston 5 peut avoir lieu, et qu'ii y a isolement définitif de l'appareil vis-à-vis du réseau. On voit donc qu'il suffit de définir une valeur minimale prédéterminée de cette vitesse de variation de la pression a l'inLérieur du transformateur, et de déterminer en conséquence, en fonction des fuites existant en situation connectée entre le volume 6 et le volume 7, la force du ressort 8. Cette valeur minimale prédéterminée permet d'éviter des fonctionnements inopportuns du dispositif de l'invention. Le scénario décrit précédemment concerne un transformateur ou plus généralement un appareil électrique triphasé, équipé de fusibles internes et connecté à un réseau dont l'impédance du neutre est moyenne, soit de l'ordre de la dizaine de Ohms. I1 est clair que le scénario décrit précédemment est un scénario typique de défaut diphasé, mais que son déroulement peut présenter des variantes, telles que celle d'un défaut diphasé à la terre, et que ces variantes ne modifient en rien l'intérêt du dispositif. De même, il est clair que ce processus se réalise également si le transformateur est situé cette fois sur un réseau à neutre compensé, dont l'impédance est typiquement de l'ordre de mille Ohms. En effet, dans ce cas, un défaut dans le transformateur, situé entre une phase et la terre, même si celui-ci est à faible impédance, est fréquemment de nature intermittente et ne permet pas la fusion du fusible de la phase concernée, compte tenu de la faible valeur du courant de défaut. La probabilité du scénario de défaillance décrit précédemment, en l'absence d'un dispositif conforme à l'invention, devient de ce fait encore plus importante. Le dispositif objet de l'invention est également utilisable sur tout type de transformateur immergé, protégé par des fusibles internes ou non à l'appareil. La figure 2 illustre schématiquement la mise en oeuvre d'un dispositif selon l'invention dans le cadre d'un transformateur conventionnel, de type hermétique à remplissage intégral, dont les fusibles 2 sont situés sur es brete='es de raccordement i3. Le dispositif de déconnexion 1 peut alors être aisément installé dans chaque borne haute tension 3 de l'appareil. La seule modification à prévoir est l'aménagement d'un volume gazeux 12 dans le fût de la borne 3. La figure 3 illustre un second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Les éléments communs avec ceux de la figure 1 portent les mêmes références et ne seront redécrits qu'en tant que de besoin. Selon ce mode de réalisation, l'écoulement gazeux entre le matelas gazeux et l'intérieur 6 du cylindre creux 4 s1 effectue, non plus par le jeu de fonctionnement du cylindre 4 et le piston 5, mais par au moins un orifice 14 pratiqué dans la paroi du cylindre 4. Cet orifice 14 (ou plus généralement ces orifices) sont partiellement obturés en fonctionnement normal par une des lames du ressort 9, c'est-à-dire tant qu'elle n'est pas libérée suite à l'enfoncement du piston 5, conséquence d'un dysfonctionnement interne au transformateur ou à l'appareil électrique 1, selon le processus décrit précédemment. L'avantage de cette disposition réside dans le fait que la section de passage ne peut être affectée par une infiltration accidentelle de liquide diélectrique 12 entre le piston 5 et le cylindre o, sous l'effet de secousses durant des opérations de manutention précédant la mise en place du transformateur ou de l'appareil électrique 1. Pour fixer les idées, on peut indiquer que, s'il s'agit d'un transformateur, il existe deux modes de réalisation typiques. Selon un premier mode, plus traditionnel r la cuve est une cuve chaudronnée en tôle d'acier et le diélectrique peut être de l'huile minérale. nabltueller-ent, pour ce type de transformateur, les fusibles sont disposés à l'extérieur comme illustré par la figure 2. Dans une réalisation plus récente, la cuve du transformateur est en aluminium moulé et le diélectrique est un isolant haute température, par exemple de l'huile aux silicones. De façon avantageuse, les fusibles sont intégrés dans les fûts de traversées comme illustré par les figures 1 et 3. En ce qui concerne plus particulièrement le dispositif selon l'invention, le matériau du ressort de type boudin 8 est habituellement, comme il a été indiqué, du bronze. De même, le ressort à lame 9 peut être en bronze à ressort ou en tôle d'acier. Cependant, toutes les données techniques qui viennent d'être rappelées ne sauraient limiter en quoi que ce soit la portée de l'invention. Il s'agit de choix technologiques à la portée de l'homme de métier. En outre, l'invention n' est pas limitée aux exemples de réalisation précisément décrits, notamment, en relation avec les figures 1 à 3. Bien que particulièrement adaptés à la fonction qu'ils doivent remplir, les ressorts 8 et 9 peuvent être remplacés par tout moyen approprié. De même les sections circulaires du cylindre 4 et du piston 5 sont optimisées car elles autorisent une fabrication simple de ces éléments. Cependant d'autres sections peuvent être sélectionnées sans sortir du cadre de l'invention. Enfin, comme il a été indiqué, le dispositif selon l'invention trouve application dans des appareils électriques immergés, protégés par fusibles, autres que les transformateurs, dont le nombre de phases protégées peut être deux, trois ou plus, le liquide diélectrique pouvant être un liquide diélectrique connu quelconque. REVENDICATIONS 1. Dispositif de déconnexion (1) d'un appareil électrique, notamment d'un transformateur de distribution, ledit appareil étant immergé dans un liquide diélectrique contenu dans une cuve et étant du type polyphasé, chaque phase étant protégée par un élément de sécurité (2), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de déconnexion (4, 5) desdites phases, des moyens (8) sensibles à la variation de la pression régnant dans ladite cuve et des moyens de blocage (9) en position connectée desdits moyens de déconnection (4, 5) desdites phases; et en ce que les moyens (8) sensibles à la variation de la pression libèrent les moyens de blocage (9) lorsque la pression régnant dans la cuve évolue en fonction du temps selon une vitesse de variation de valeur minimale prédéterminée après une défaillance de l'appareil électrique, de manière que la déconnexion se réalise après stabilisation de la pression. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits éléments de sécurité (2) protégeant l'appareil électrique est un fusible. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits fusibles (2) sont disposés sur chaque phase à l'intérieur de l'appareil. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits fusibles (2) sont disposés à l'extérieur de l'appareil sur des câbles (13) d'amenée d'énergie électrique, associés auxdites phases. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de déconnexion comprennent un cylindre creux (4) , comprenant une paroi (41) et un fond (40) formant récipient, et un piston (D) enfilé dans le cylindre ceux (4); en ce que lesdits moyens sensibles à la variation de la pression sont constitués par un ressort à boudin (8) disposé dans cylindre creux (4) et exerçant une pousse sur le piston (5) tendant à l'éloigner du fond (40) du cylindre ceux (4), et en ce que les moyens de blocage sont constitués par un ressort à lames (9) solidaire par l'une des extrémités de la paroi (41) extérieure du cylindre creux (4) et retenant, par l'autre de ses extrémités (9a), en position de connexion, le piston (5); ce ressort à lames ayant une première position (9) plaquée contre la paroi extérieure dans ladite position de connexion et une seconde position, écartée de la paroi, lorsque le piston (5) est repoussé à l'intérieur du cylindre creux (4) lorsque la variation de la pression dans la cuve dépasse ladite valeur déterminée. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les lames dudit ressort à lames (9) ont une extrémité (90) en forme de crochet et en ce que le fond extérieur dudit piston (5) est muni d'une rainure périphérique (10) destinée à recevoir l'extrémité (90) en forme de crochet du ressort à lames (9), de manière à ce que les lames de celui-ci soient plaquées contre la paroi (41) externe du cylindre creux (4) et à ce qu'elles maintiennent le piston (5) à l'intérieur du cylindre creux (4) 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que le cylindre (4) et le piston (5) présentent un jeu suffisant pour autoriser, lorsque le piston (5) est enfilé dans le cylindre (4), l'écoulement d'un gaz entre l'intérieur du cylindre creux (4) et l'extérieur de celui-ci. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que la paroi du cylindre creux (4) est munie d'au moins un orifice (14), chaque orifice étant partiellement obturé par une des lames dudit ressort à lames (9) lorsqu'elle est plaquée contre la paroi (41) extérieure du cylindre creux (4) et laissant le libre passage à un écoulement d'un gaz entre l'intérieur du cylindre creux (4) et l'extérieur de celui ci lorsque la lame de ressort est éloignée de la paroi (9'). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le liquide diélectrique est choisi parmi les suivants: huile minérale ou huile aux silicones.