Brevet FR2712730A1 — publié le 19950524

I TRANSFORMATEUR ELECTRIQUE IMMERGE PROTEGE. La présente invention a trait à un transformateur élec- OS trique immergé protégé. On rappelle qu'un transformateur "Immergé" est un trans- formateur dont les enroulements électriques et le circuit magnétique sont refroidis par immersion dans un liquide dié- lectrlque (généralement une huile minérale) contenu dans une cuve. On appelle "transformateur immergé protégé". un transfor- mateur du type précité comportant des équipements destinés à le protéger contre des avaries internes. comme des dégra- dations de l'isolation des enroulements. et dont l'ampleur ou la persistance peuvent conduire à l'éclatement de la cuve. Selon des Informations disponibles. près de t/.. du parc français des transformateurs Immergés de distribution de l'électricité. soit plus de 500 appareils. explosent chaque année. mettant en péril la sécurite des personnes Immédila- tement ou à plus ou moins court-terme (incendies. épandage du diélectrique dans les sols. etc...). A chaque fols. la cause apparente est. soit une baisse anormale du niveau du liquide diélectrique dans la cuve.soit à une élévation intempestlve de la température interne qui conduit à l'éclatement de la cuve. suite à une élévation trop forte de la pression du liquide diélectrique. Afin d'éviter ces conséquences fâcheuses. il a déjà été proposé pour les transformateurs de petite puissance(n'exédant pas 160 kVA de puissance totale généralement). d'utiliser à la place d'une cuve en tôle d'acier assemblée, une cuve en aluminium moulée constituée de deux demi-coquilles réunies par soudage étanche. Cette solution s'attache en fait aux effets d'une élévation de température. De plus. elle se traduit par un surcoût sensible du transformateur et son application reste limitée aux appareils de relativement faible puissance. On connaît également du document USP 4.192.174 un dispositif de protection des transformateurs constitué par un détecteur de changement des caractéristiques du liquide diélectrlque.telles que surpression ou température excessives. ou son niveau. monté sur la cuve et capable d'émettre vers l'extérieur un signal d'alarme à destination d'une station de surveillance. On ne trouve cependant pas sur le marché à l'heure actuelle des transformateurs immergés auto-protégés. c'est-à- dire à déclenchement automatique ne nécessitant ni la surveil- lance. ni I' intervention de quiconque. Le but de la présente invention est précisément de combler cette lacune en assurant au transformateur son auto- élimlnation du réseau d'alimentation électrique. et éviter ainsi les risques d'explosion provenant de défectuosités internes. A cet effet. l'invention a pour objet un transformateur électrique Immergé protégé. placé dans une cuve étanche contenant un liquide diélectrique et comprenant un équipement de protection. caractérisé en ce que cet équipement. placé de préférence au sein du liquide diélectrique. est au moins cons- titué par une unité d 'auto-protectlon réagissant aux modifica- tions de caractéristiques du liquide diélectrique provoquées par des éventuelles avaries internes et comprenant: un capteur sensible aux variations d'au moins un paramètre représentatif des caractéristiques dudit liquide diélectrique (niveau dans la cuve. température ou pression. formation de gaz. etc...) et délivrant un signal proportionnel à ces variations. et un actlonneur comprenant: un rupteur non-réarmable de contact entre les phases de l'alimentation électrique et les enrou- lements primaires correspondants du transformateur. et un déclencheur de commande d'ouverture du rupteur sollicité par le signal délivré par le capteur. lorsque l 'amplitude dudit signal dépasse une valeur seuil préétablie de sécurité. Conformément à une réalisation préférée de l'inventlon. le capteur est de type mécanique. et délivre un signal sous forme d'une force appliquée au déclencheur de!'actionneur pour activer celui-ci lorsque ledit seuil de sécurité est OS dépassé. Conformément à une variante de réalisation. le rupteur est constitué par: - deux supports de connexions électriques. en matière Isolante de l'électricité. l'un portant les bornes d'entrée dans les enroulements du primaire du transformateur. l'autre portant les bornes correspondantes de sortie des phases de l'alimen- tation électrique. lesdites bornes d'entrée et de sortie étant disposées en regard les unes des autres sur leur sup- port respectif et en contact entre elles pour assurer I a liaison électrique du transformateur en position de ferme- ture du rupteur. l'un des supports étant fixe et l'autre étant monté mobile en rotation autour de son axe entre une position de fermeture et une position d'ouverture du rupteur - des moyens à action antagoniste élastique tendant en perma- nence à placer le rupteur en position d'ouverture en éloi- gnant entre elles les bornes de sortie de celles d 'entrée par rotation du support mobile. - et un organe de verrouillage en rotation du support mobile assurant le maintien du rupteur en position de fermeture en étant en prise dans le déclencheur. Conformément à une variante préférée. le déclencheur est formé par un élément mobile sollicité par le capteur. et par une gâchette pivotante à ressort de retour dont une extrémité coopère avec I 'organe de verrouillage en rotation du support mobile pour maintenir le rupteur en position de fermeture.et I 'autre extrémité coopère avec ledit élément mobile. Dans une réalisation préférée de l'invention. l'équi- pement de protection comprend en outre une unité de protection sensible aux éventuelles surcharges en courant pouvant être appelées sur le réseau d'alimentation électrique par le transformateur. suite à un effondrement de son impédance interne par exemple. cette unité étant constituée par au moins un fusible.de préférence deux. ayant des seuils de coupure différents et montés en cascade sur chaque phase de l'ali- mentation électrique. Comme on l'aura compris. l'invention réside. dans ses dispositions essentielles. dans la conception d'un dispositif de rupture du passage du courant automatique. autonome. sans intervention de l'extérieur du transformateur et de préférence non-réarmable par ' utilisateur pour des raison de sécurité. O10 L'inventeur s'est rendu compte que. parmi les causes d'anomalies dangereuses pouvant intervenir au sein d'un trans- formateur Immergé. se situaient des défectuosités locales. telles qu'un défaut,. ou une détérioration ponctuel de l'isola- tion électrique des conducteurs formant les enroulelements. Ces dégradations locales peuvent. plus ou moins rapide- ment. dégénérer en "points chauds" par création de très fortes Intensités de courant circulant en boucles serrées très localisées constituant de véritables mini court-circuits. Or. ces phénomènes qui évoluent souvent plutôt lentement au moins au début. ne se manifestent en fait que très discrètement. par une sur-intensité qui peut être très inférieure à l'intensité d.'entrée dans le primaire. et qui passe donc facilement inaperçue. voire même être Indétectable. Ce sont précisément des phénomènes de ce type qui sont pris en compte par le dispositif de protection selon l'inven- tion. dont un mode de réalisation va être décrit plus en détail à présent à titre d'exemple en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles: - la figure t montre une vue d'ensemble du dessous d'un équi- pement de protection d'un transformateur dans sa version la plus complète. c'est-à-dire sensible à la fois aux change- ments de caractéristiques du liquide diélectrique et aux surcharges de courant: - les figures 2 montrent. en vue latérale selon la direction A-A de la figure 1. l'équipement de protection d'abord en position de fermeture (figure 2a). puis en position d'ouver- ture (fig. 2b): - la figure 3 donne les caractéristiques de fonctionnement des fusibles dans la forme la plus complète de réalisation de 1 ' invention. Sur toutes les figures. les mêmes éléments sont désignés par des références identiques. Comme on le voit.l'équipement de protection est constitué par une unité sensible aux modifications des caractéristiques du liquide diélectrique (ici la pression), associée. dans sa forme complète de réalisation à une unité complémentaire sensible aux surcharges en courant appelées par le transfor- mateur sur le réseau d'alimentation. L' unité sensible aux modifications de la pression du liquide diélectrique comprend essentlellement un capteur 1 et un actionneur 2. Le capteur.monté sur une semelle de fixation 3. est ici du type mécanique à membrane (non représentée). dont la déformation, transmise par la tige 4. est proportion- nelle à la pression du liquide de refroidissement au sein duquel la membrane est plongée. L'actionneur comprend un rupteur 5 et un déclencheur 6 lié au capteur 1 et sollicitant le rupteur. Le rupteur est formé par deux supports de connexion en matière plastique électro-isolante.l'un. le support 7. portant les bornes 8. 8'. 8' de sortie des phases U. V. H du réseau de l'alimentation électrique triphasée alimentant le transfor- mateur. l'autre support 9. étant équipé des bornes corres- pondantes 10. I0'. 10" d'entrée dans les enroulements non- 2S représentés du primaire du transformateur. Comme on le voit. les bornes de sortie 8...sont disposées en regard des bornes d'entrée 10... sur leur support respectif et coopèrent entre- elles pour assurer les contacts électriques en position de fermeture du rupteur (fig. 2a). En l'espèce.les bornes de sortie 10... sont constituées par des plots que viennent enserrer des fourches élastiques formant l'extrémité des bornes d'entrée 8... Dans cette réalisation. le support 7 est monté mobile en rotation autour de son axe longitudinal de manière à pouvoir prendre deux positions angulaires possibles: - une position. dite de fermeture du rupteur. visible sur les fig. 1 et 2a. et dans laquelle les contacts entre les bornes de sortie 8... et d'entrée 10... sont assurés. - une position décalée angulairement de la précédente avec un débattement suffisant pour éloigner les bornes d'entrée des bornes de sortie correspondantes sans risque d'arcages élec- triques entre- elles. Il s'agit de la position d'ouverture du rupteur. montrée sur la figure 2b. Le rupteur 5 comprend également un moyen à action antago- niste élastique. ici un ressort à lame 11. dont une extrémité est fixée sur le support mobile 7 et l'autre extrémité prend libre appui sur une surface verticale 28 d'une embase fixe 12. Comme on i'aura compris. ce ressort a pour rôle de tendre en permanence à placer le support mobile7 en position d'ouverture o10 Le support mobile 7 comprend également une butée de verrouillage en rotation 13 qui assure le blocage du support en position de fermeture en coopérant avec le déclencheur 6. ainsi qu'on le verra mieux par la suite. Ici. la butée 13 est formée d'un doigt fixé perpendiculalrement au support mobile 7 et dont l'extrémité libre 14 est conformée en crochet. Le déclencheur 6 est constitué. dans l'exemple considéré. par un élément mobile rigide S1 falsant levier et par une gâchette 16. L'élément mobile 15 a son point fixe 17 à une extrémité. l'autre extrémité 18. laissée libre coopère avec la gâchette 16. Le point médiant 19 du levier 15 est fixé à l'extrémité de la tige 4 de la membrane 3 du capteur 1. La gâchette 16 est montée pivotante sur un axe à ressort 20. Une portée 21 de la gâchette est sollicitée par l'extré- mlté libre 18 de l'élément 15. et son autre portée 22. en opposition à la première. est conformée pour maintenir l'extrémité en crochet 14 du doigt 13. Le support mobile 7 est. comme on le voit. monté dans des paliers 23 prévus sur Il'embase fixe 12 et qui portent eux-mêmes également le support fixe 9. Aux extrémités de ce dernier. des paliers complémentaires 23' sont prévus pour maintenir le support mobile 7 à ses extrémités. Ces pallers ainsi que le support fixe 9 sont. a l'instar du support mobile 7. en une matière isolante de l'électricité. par exemple en papier bakélisé. Le tout est donc porté par!'embase 12. laquelle est fixée sous un plateau 24 que l'on vient fixer à la partie sup- périeure du transformateur avant Immersion dans la cuve. On notera la présence avantageuse d'ergots 25 formant des extensions sur les bornes 8....du support mobile 7 et qui servent de butée de fin de rotation de ce support en position d'ouverture en venant prendre appui contre le support fixe 9. Le dispositif qui vient d'être décrit fonctionne de la manière suivante: En marche normale du transformateur. le rupteur 5 est en position de fermeture, telle que le montrent les fig. 1 et 2a. O10 Si la pression au sein du liquide diélectrique vient à augmenter. suite à une élévation anormale de la température provoquée par exemple par une défectuosité locale de l'iso- lation électrique des enroulements du transformateur. la déformation de la membrane 3 qui en résulte. est transmise.par la tige 4. au levier 15. qui la communique. en l'amplifiant à son extrémité libre 18. à la gâchette 16. On notera qu'un Jeu est avantageusement prévu de montage entre l'extrémité 18 et la gâchette. Ce jeu est réglé pour être comblé lorsque la limite de surpression est atteinte. Ainsi. Il remplit également la fonction de temporisateur. en permettant de discriminer les phénomènes trop fugaces pour menacer réellement la tenue du transformateur. A ce moment-là. l'extrémité 18 sollicite la gâchette 16. qui en pivotant autour de son axe 20. va libérer le doigt de retenue 13 à son autre extrémité 22. Sous l'effet du ressort 11. le support mobile 7 ainsi débloqué. pivote autour de son axe afin de déconnecter les bornes de sortie 8... des bornes d' entrée correspondantes 10.... mettant ainsi le transformateur hors-circuit. Le rupteur est alors en position irréversible d'ouverture. telle que le montre la figure 2b. L'ensemble du dispositif est placé à l'intérieur même de la cuve du transformateur. de sorte que. la rupture des contacts électriques une fois faite. il n'est plus possible de réarmer le dispositif sans une intervention spéciale de démon- tage de la cuve. Il se peut que. dans certaines circonstances. les défectuosités locales d'isolation électrique à 'intérieur du transformateur dégénèrent trop rapidement pour permettre au dispositif d'auto-protection décrit ci- avant d'en detecter les effets sur les caractéristiques du liquide diélectrique avant que des dégats Irréparrables n'adviennent. Pour pallier ce risque, le dispositif de protection précédent est complété par une unité de protection supplémen- OS taire sensible. elle. aux courants élevés pouvant être bruta- lement appelés sur le réseau d'alimentation par le transfor- mateur. en raison par exemple d'un effondrement de l'impédance interne causé par un court-circuit local. mais à chute ohmique importante. Cette unité de protection est constituée avantageusement par un. de préférence deux fusibles, à seuils de coupure étagés. et montés en cascade sur chacune des phases de l'alimentation. en série avec les connexions électriques 8-10.... en aval ou. comme le montre les figures. en amont de ces connexions par rapport au réseau d'alimentation. Comme on le voit. ces fusibles, désignés par les réfé- rences 26 et 27. sont fixés également sur la base 24. Ils se présentent sous la forme de barreaux cylindriques. segmentés électriquement en trois parties indépendantes entre-elles et relatives chacune à une phase de l'alimentation triphasée. Leurs plages respectives de fusion avec la température en fonction du temps sont visibles sur le schéma de la figure 3. Le fusible 27 par exemple est destiné à fonctionner dans un domaine d'intensité du courant très élevé. repéré par la lettre (c). allant au delà de 200 A. Le fusible 26. monté en série avec le précédent. présente lui une plage de fonctionnement plus basse (repérée par la lettre b). allant de 15 à 200 A. par exemple. Le seuil inférieur de S15 A. correspond approximativement à 3 à 5 fois l'intensité nominale d'un transformateur de distribution classique de 160 kVA de puissance en triphasé. Le fusible 26 est destiné à protéger le transformateur contre les fluctua- tions Incontrôlées plus ou moins durables de l'impédance d 'entrée du primaire.Celle-ci peut en effet chuter brutalement et ainsi faire un appel massif de courant d'intensité. relati- vement plus modérée que celle pris en compte par le fusible 27. mais néanmoins tout à fait préjudiciable à la tenue du transformateur. La plage repérée (a) sur la figure est la zone d'action du rupteur 5 décrit précédemment. Son domaine d'intervention. comme on l'a déjà expliqué. est celui des basses intensités. c'est-à- dire celui de l'intensité nominale de fonctionnement OS du transformateur(par exemple 3 A.). dans lequel les anomalies internes préjudiciables au transformateur peuvent se mani- fester par des surintensitées très faibles. qui passent donc aisément inaperçues. Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter à l'exemple de réalisation décrit ci-avant. mais s'étend à de multiples variantes et équivalents dans la mesure o est respectée sa définition donnée dans les revendications ci- après. Ainsi. par exemple. le doigt de retenue 13 peut être remplacé par une empreinte en creux faite dans le support mobile 7 lui-même. De même. la gâchette 16.bien qu'avantageuse. n'est pas un intermédiaire indispensable entre le levier 15 et le doigt 13. lesquels peuvent être mis en liaison directe entre-eux. De même. l'équipement de protection n'est immergé au sein du liquide diélectrique que pour le rendre inacessible. et secondairement pour des raisons d'encombrement. Il peut fort bien être disposé sur la plaque 24 à l'extérieur. à coté donc des Isolateurs. pourvu qu'un capot Inviolable de protection le recouvre. De même encore. comme on l'aura compris. la solution décrite auparavant prend en compte directement la pression du liquide diélectrique comme grandeur indicatrice d'une éléva- tion de température. Selon une variante.la pression peut être surveillée de façon indirecte. A cet effet. le capteur de pression 1 peut être remplacé par un détecteur de gaz. En effet. quand l a température s'élève. Il n'y a pas en fait de risque sérieux d 'explosion du transformateur pour cause de surpression interne tant qu'Il n'y a pas de mise en ébullition du liquide diélectrique. IO Un tel détecteur de formation gazeuse pourra être logé avantageusement dans l'endroit le plus élevé de la cuve. Si nécessaire. en raison de la présence de chicanes pouvant former des poches. on utilisera plusieurs détecteurs répartis aux points hauts o de telles poches sont plus aisément susceptibles de se former. Bien que conçue Inltialement pour les transformateurs. i'lnvention s'applique de même à tout autre appareil élec- trique analogue. c'est-à-dlre à tout appareil comportant des enroulements électriques immergés dans un liquide diélec- trique. et que l'on convient. par souci de simplification. de dénommer également par le vocable général de "transformateur" dans le présent mémoire. II R E V E H D ICATIO I S 1. Transformateur électrique Immergé protégé. placé dans une cuve étanche contenant un liquide diélectrique et comprenant un équipement de protection. caractérisé en ce que ledit équipement est au moins constitué par une unité d'auto- protection réagissant aux modifications des caractéristiques du liquide diélectrique provoquées par d'éventuelles avaries Internes et comprenant: - un capteur (1) sensible aux variations d'au moins un para- mètre représentatif des caractéristiques dudit liquide dié- lectrique et délivrant un signal proportionnel à ces variations. - et un actionneur (2) comprenant: * un rupteur(S) non-réarmable de contact entre les phases de l'alimentation électrique (u. v. w) et les enroulements primaires correspondants du transformateur. * et un déclencheur (6)de commande d'ouverture du rupteur(S) sollicité par le signal délivré par le capteur (1).lorsque l 'amplitude dudit signal dépasse une valeur seuil pré- établie de sécurité. 2. Transformateur selon la revendication 1. caractérisé en ce que le capteur (1) est de type mécanique. et délivre un signal sous forme d'une force appliquée au déclencheur (6) de I ' actionneur pour activer celuici lorsque ledit seuil de sécurité est dépassé. 3. Transformateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rupteur (5) est constitué par: - deux supports (7. 9) de connexions électriques. en matière isolante de l'6électricité. l'un (7) portant les bornes (8.8' 8a) d'entrée du courant dans les enroulements du primaire du transformateur.l'autre(9) portant les bornes correspondantes (10.10'.10)de sortie des phases de l'alimentation électri- que. lesdites bornes d'entrée et de sortie étant disposées en regard les unes des autres sur leur support respectif et en contact entre elles pour assurer la liaison électrique du transformateur en position de fermeture du rupteur. l'un (9) des supports étant fixe et l'autre(7) étant monté mobile en rotation autour de so axe entre une position de fermeture et une position d'ouverture du rupteur. - des moyens à action antagoniste élastique (11) tendant en permanence à placer le rupteur (5)en position d'ouverture en éloignant entre elles les bornes de sortie (10...) de celles d'entrée(8...) par rotation du support mobile (7). - et un organe (13) de verrouillage en rotation du support mobile (7) assurant le maintien du rupteur (5) en position de Fermeture en étant en prise dans le déclencheur (2). 4. Transformateur selon la revendication 3. caractérisée en ce que les bornes présentent sur le support mobile (7) comportent des extensions(25) constituant des butées de fin de course de la rotation dudit support mobile(7) quand celui-ci parvient à sa position d'ouverture. 5. Transformateur selon la revendication 3. caractérisé en ce que ledit support mobile (7) est monté en rotation dans des paliers (23) qui maintiennent également le support fixe (9). lesdits paliers étant portés par une embase (12) fixée à un plateau de base (24) et portant le déclencheur (6) et offrant une surface d'appui(28) aux moyens à action antagoniste élastlque(11). 6. Transformateur selon la revendication 1. caractérisé en ce que le déclencheur (6) est Formé par un élément mobile (15) sollicité par le capteur (1). et par une g&chette (16) pivotante à ressort de retour (20) dont une extrémité (22) coopère avec l'organe (13) de verrouillage de la rotation du support mobile (7) pour maintenir le rupteur (5) en position de fermeture. et l'autre extrémité (21) coopère avec ledit élément mobile (15). 7. Transformateur selon la revendication 1. caractérisé en ce que l'équipement de protection comprend. outre ladite unité d 'auto-protection réagissant aux modifications des caractéris- tiques du liquide diélectrique. une unité de protection sensible aux éventuelles surcharges en courant électrique pouvant être appelées sur le réseau d'alimentation électrique I3 par le transformateur. caractérisé en ce que ladite unité est constituée par au moins un fusible (27) monté sur chacune des phases de ' alimentation électrique. 8. Transformateur selon la revendication 7. caractérisé en ce que ladite unité comprend une batterie d'au moins deux fusibles (26. 27) ayant des seuils de coupure étagés et montés en cascade. 9. Transformateur selon la revendication 8. caractérisé en ce que ladite unité est monté en amont de l'unité de protection sensible aux caractéristiques du liquide diélectrique. par rapport à l'alimentation électrique. 10. Transformateur selon la revendication 1 ou 8. caractérisé en ce que 'I équipement de protection est immergé au sein du liquide diélectrique.