Brevet FR2963498A1 — publié le 20120203

SYSTEME DE PROTECTION POUR TRANSFORMATEUR ELECTRIQUE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [1] L'invention se rapporte à un système de protection pour transformateur électrique polyphasé et à un transformateur fonctionnant avec un tel système. [2] L'invention s'inscrit dans le domaine des systèmes de protection contre les effets des défauts internes d'un transformateur électrique polyphasé. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [3] Plus particulièrement l'invention concerne un système de protection pour des transformateurs destinés par exemple à une utilisation, sur des réseaux triphasés, tel qu'il est décrit dans le brevet EP 0817346. [4] Un tel système de protection comprend un dispositif de sécurité comportant des fusibles connectés en série respectivement à une phase du transformateur, lesdits fusibles étant aptes à consécutivement couper le courant le courant électrique des phases et à activer un organe de coupure permettant de déconnecter lesdites phases du réseau électrique auquel elles sont connectées. [5] En particulier, les systèmes de protection tels que ceux décrits dans le brevet EP 0817346, sont généralement utilisé dans des transformateurs de distribution moyenne-tension / basse-tension immergé dans un diélectrique liquide. En effet, ces systèmes comprennent généralement un dispositif de déconnexion comportant un moyen de protection apte à éliminer un courant de défaut s'il y a défaillance du transformateur, ledit moyen de protection étant associé à un organe de coupure qui intervient consécutivement pour isoler le transformateur du réseau qui l'alimente en établissant un sectionnement de l'ensemble des phases. [6] Un tel transformateur 1 est illustré en figure 1, et comporte une cuve 2 hermétique sur laquelle des traversées de raccordement moyenne-tension 3 et basse-tension 4 sont situées. Outre les différentes fonctions électriques, cette cuve 2 est intégralement remplie d'un diélectrique liquide 5 qui peut être par exemple de l'huile minérale. Le moyen de protection 6, l'organe de coupure 7 de ce système de protection et les enroulements électriques moyenne-tension 8 du transformateur sont connectés successivement en aval des traversées moyenne-tension 3 et dans la cuve 2. Le moyen de protection 6 étant constitué de trois fusibles moyenne- tension limiteur de courant.Les enroulements basse-tension 9 sont, quant à eux, directement raccordés aux traversées basse-tension 4. L'organe de coupure 7, correspondant à un moyen de sectionnement 7 polyphasé, est commandé par le moyen de protection 6 par le biais d'une commande 10. Cette commande 10 est une liaison mécanique entre les percuteurs des fusibles de la fonction de protection 6 et le mécanisme de déclenchement du moyen de sectionnement 7 qui réalise alors une fonction de coupure. Ces transformateurs moyenne tension / basse tension sont couramment utilisés pour la distribution de l'énergie électrique. Le sens de l'écoulement de l'énergie électrique allant du réseau moyenne-tension vers le réseau basse-tension. Ces transformateurs sont donc alimentés par une source moyenne-tension, dont la puissance de court-circuit justifie la présence de ce système de protection moyenne-tension. Ce système élimine alors les risques d'explosion et d'incendie en cas de défaut interne au transformateur. L'organe de coupure 7 introduit un sectionnement supplémentaire entre le transformateur et le réseau moyenne- tension de sorte à éliminer tout risque de perturbation de celui-ci par la présence du transformateur en défaut. [7] Toutefois, un tel système de protection n'est pas adapté pour des transformateurs utilisés dans le cadre d'applications telles que la génération décentralisée d'énergie électrique. De telles applications correspondent typiquement à une ferme éolienne ou photovoltaïque dans laquelle le transformateur est utilisé en transformateur élévateur pour injecter l'énergie produite en basse-tension dans le réseau moyenne-tension du distributeur. Or, dans ce cas, ce transformateur est susceptible d'être alimenté par le réseau basse-tension comme le réseau moyenne-tension. Une défaillance du transformateur provoquerait l'apparition d'un courant de défaut provenant en tout ou en partie du réseau moyenne-tension, laquelle défaillance serait écartée par le système de protection connu de l'état de l'art évoqué précédemment qui vise à isoler le transformateur du réseau moyenne-tension. Cependant, un des inconvénients majeur de ce système de protection est lié au fait que le transformateur reste lié au réseau basse-tension, ce qui à pour effet de maintenir le défaut dans l'appareil, avec pour conséquence un risque de destruction, voire de manifestations extérieures du transformateur, ainsi qu'un risque d'endommagement de l'installation basse-tension. EXPOSE DE L'INVENTION [8] L'invention vise à résoudre le problème lié aux difficultés techniques rencontrées pour améliorer le niveau de sécurité d'un transformateur de sorte à assurer l'interopérabilité et la portabilité d'un tel transformateur dans de nombreux cadres d'applications différents. [9] Pour ce faire, la présente invention comprend un ensemble de moyens de protections et de coupures permettant d'assurer en cas de défaut interne un isolement du transformateur vis-à-vis des deux réseaux de tension auxquels il est connecté. [0010] Dans ce dessein, un aspect de l'invention se rapporte à un système de protection pour un transformateur électrique polyphasé connecté à un réseau d'une première tension et à un réseau d'une deuxième tension, comportant un moyen de protection et un organe de coupure susceptible de déconnecter des phases du transformateur du réseau de première tension, ledit système comprenant un autre organe de coupure apte à déconnecter lesdites phases du transformateur dudit réseau de deuxième tension. [0011]Selon des modes de réalisation particuliers : - les organes de coupure sont reliés audit moyen de protection ; - le moyen de protection comporte au moins un moyen de détection et au moins un moyen de commande ; - le moyen de protection est choisi parmi l'un des éléments suivants : - élément de détection d'un courant de défaut, et - élément de détection de variations de grandeurs physiques - l'organe de coupure est localisé à l'intérieur du transformateur ; - l'organe de coupure est localisé à l'extérieur du transformateur, et - le réseau de première tension et ledit réseau de deuxième tension se rapportent respectivement à un réseau moyenne-tension et à un réseau basse-tension. 15 [0012] L'invention se rapporte également à un transformateur électrique polyphasée comportant des phases d'alimentation en entrée du transformateur et des phases de distribution en sortie dudit transformateur ainsi qu'une partie active apte à réaliser la transformation d'énergie électrique, ledit transformateur étant muni d'un système de protection dans lequel un organe de coupure est compris 20 entre lesdites phases d'alimentation et la partie active, et un autre organe de coupure est situé entre lesdites phases de distribution et ladite partie active. [0013]Selon des modes de réalisation particuliers: - un moyen de protection relié aux deux organes coupure est compris entre les phases d'alimentation et la partie active, et 10 - le transformateur étant immergé dans un liquide diélectrique contenu dans une cuve reliée à la terre et à une masse de la partie active. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0014] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent à : - la figure 1, une vue schématique d'un système de protection pour un transformateur dans l'art antérieur ; - la figure 2, une représentation du système de protection pour un transformateur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3, une représentation du système de protection pour un transformateur selon un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel un des deux organes de coupure est situé à l'extérieur du transformateur ; - la figure 4, une illustration du contacteur du système de protection représenté en figure 3, et - la figure 5, une représentation du système de protection selon la présente invention dans un mode de réalisation dans lequel plusieurs moyens de détection sont mis en oeuvre. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [0015]Dans un exemple de réalisation de la présente invention, le transformateur 1 décrit est un transformateur 1 électrique triphasé transformant par exemple une moyenne-tension en basse-tension, et est immergé dans un diélectrique liquide 5 contenu dans une cuve 2 reliée à la terre et à une masse de la partie active 34 apte à réaliser la transformation d'énergie électrique. [0016]Ce transformateur 1 est donc connecté à un réseau 11 d'une première tension - moyenne-tension - et à un réseau d'une deuxième tension 12 - basse-tension -. [0017]Ce transformateur 1 se rapporte de manière non-exhaustive et indifféremment à un transformateur élévateur de tension, ou encore un transformateur abaisseur de tension. [0018]Ce transformateur comporte des phases d'alimentation en entrée du transformateur 1 et des phases de distribution en sortie dudit transformateur 1. [0019] La figure 2 est une représentation schématique d'un transformateur 1 électrique polyphasé comprenant : - une cuve hermétique 2 contenant un diélectrique 5 liquide ; - des traversées de raccordement moyenne-tension 3 ; - des traversées de raccordement basse-tension 4 ; - un organe de coupure 7 du réseau 11 d'alimentation moyenne- tension avec la partie active 34 du transformateur 1 ; - un organe de coupure 13 du réseau 12 d'alimentation basse-tension avec la partie active 34 du transformateur 1; - un moyen de protection 6 ; - des enroulements électriques moyenne-tension 8 ; - des enroulements électriques basse-tension 9 ; - une liaison 10 entre le moyen de protection 6 et l'organe de coupure 7 apte à transmettre une fonction de commande audit organe de coupure 7, et - une liaison 14 entre le moyen de protection 6 et l'organe de coupure 13 apte à transmettre une fonction de commande audit organe de coupure 13. [0020]Dans ce mode de réalisation, le transformateur 1 comprend un moyen de protection 6 relié aux organes de coupures 7 et 13 respectivement par des liaisons 10 et 14 électriques, mécaniques ou encore électromécaniques de façon à activer ces organes de coupures 7,13 pour la déconnexion du transformateur 1 des réseaux moyenne-tension 11 et basse-tension 12. [0021]Ce moyen de protection 6 comprend au moins un moyen de détection 20,31,33 et un moyen de commande 19,21. [0022]Alternativement, le moyen de protection 6 peut être situé à l'extérieur du transformateur, ou inversement à l'intérieur du transformateur 1. Une modification des liaisons 10 et 14 permet de faire varier ces configurations. [0023] Le moyen de détection est prévu pour détecter une défaillance du transformateur 1. Ce moyen de détection se rapporte de manière non-exhaustive par exemple à : - un élément 20 pour la détection d'un courant de défaut, par exemple un fusible 20 comportant un percuteur 19 tel que décrit dans le brevet EP0817346 ; - un moyen de détection d'un courant de terre circulant entre la terre et la masse de la partie active tel que décrit dans le brevet EP0817346, ou encore - un élément 31, par exemple un relais, sensible à une ou plusieurs grandeurs physiques telles qu'une température de fonctionnement, une pression interne de la cuve 2 du transformateur 1 ou un niveau de diélectrique liquide 5, cet élément étant apte à détecter une telle grandeur lorsqu'un seuil prédéfini et ajustable de la grandeur physique qui lui est associée a été dépassé. [0024] Plusieurs de ces moyens de détection 20,31 peuvent être compris simultanément dans le moyen de protection 6. Dans ce cas précis, ces moyens de détection peuvent opérer de manière individuelle pour détecter un défaut interne du transformateur, ou en collaboration. [0025] Le moyen de protection 6 comprend également au moins un moyen de commande 19,21 apte à coopérer avec le (les) moyen de détection et les organes de coupure 7 et 13. Ce moyen de commande 19,21 correspond par exemple de manière non-exhaustive à : - un percuteur 19, compris dans un fusible 20 tel que décrit dans le document de brevet EP081734, adapté pour coopérer avec un arbre tournant 16 compris dans l'organe de coupure 7, ou encore - un solénoïde prévu pour coopérer également avec un arbre tournant 16 compris dans l'organe de coupure 13. [0026] Les organes de coupures 7 et 13 comportent un arbre tournant 16 sur la surface duquel sont agencés des moyens de déconnexion 18 aptes à être couplés aux moyens de connexion 17, et verrouillant les moyens de déconnexion 18 en position connectée. Dans un mode de réalisation l'organe de coupure 7 ou 13 peut être situé à l'extérieur du transformateur. Alternativement, les organes de coupures 7 et 13 peuvent être situés à l'extérieur du transformateur, ou inversement à l'intérieur du transformateur 1. Une modification des liaisons 10 et 14 permet de faire varier ces configurations. [0027] Les moyens de déconnexion 18 sont connectés en série respectivement avec les phases alimentant ce transformateur 1. [0028]A la figure 3, le transformateur 1 comprend un moyen de protection 6 et des organes de coupures 7 et 13. Les moyens de détection de ce moyen de protection 6 sont des fusibles 20, équipés de percuteur 19, reliés à chaque phase d'alimentation et disposés dans la cuve 2. Lorsque l'un de ces fusibles 20 détecte un courant de défaut, le percuteur qui lui est associé, est déclenché et provoque alors la rotation de l'arbre tournant 16 et l'activation du contacteur 15. La rotation de l'arbre tournant 16 déclenche la déconnexion des moyens de déconnexion couplés entre eux du fait d'être compris sur cet arbre 16, avec les moyens de connexion 17 respectifs. On obtient ainsi une déconnexion simultanée de toutes les phases au niveau de l'alimentation moyenne-tension du transformateur 1, lorsque ces moyens de déconnexion passent de la position fermée à la position ouverte. Une isolation galvanique entre la partie active 34 du transformateur 1 et le réseau d'alimentation moyenne-tension 11 est alors obtenue. [0029] La liaison 10 entre le moyen de commande 19 et l'organe de coupure 7 est mécanique. [0030] Le déclenchement du percuteur 19 d'un des fusibles 20 provoque également l'activation du contacteur 15 du fait que ce contacteur 15 soit relié mécaniquement au percuteur 19. Le contacteur 15 passe d'une position ouverte à une position fermée de sorte à ce que le contact entre les contacteurs 15 et 24 soit établi. Le circuit électrique auxiliaire 23 est alors susceptible d'alimenter un solénoïde 21 de déclenchement commandant l'ouverture de l'organe de coupure 13. En effet, le solénoïde 21 une fois alimenté électriquement provoque la rotation d'un arbre tournant 16 de sorte à ce que les moyens de déconnexion 18 se déconnectent simultanément des moyens de connexion 17. [0031]Ce circuit électrique auxiliaire 23 constitue avec le moyen de commande 21 la liaison 14 entre le moyen de protection 6 et l'organe de coupure 13 basse-tension situé ici à l'extérieur du transformateur 1. [0032] Ce circuit électrique auxiliaire 23 étant partiellement situé à l'intérieur de la cuve 2, deux traversées électriques 22 sont nécessaires pour assurer l'étanchéité de la cuve 2. Mais cet organe de coupure 13 peut également être situé dans la cuve 2 du transformateur 1. Dans ce cas, les traversées électriques 15 ne sont pas nécessaires. [0033]Cette déconnexion simultanée résulte du fait que les moyens de déconnexion 18 sont couplés entre eux en étant agencés sur l'arbre tournant 16 relié mécaniquement au solénoïde 21. [0034] Ainsi on obtient une isolation galvanique entre la partie active 34 du transformateur 1 et le réseau d'alimentation basse-tension 12. [0035]A la figure 4 est illustré un exemple de dispositif qui permet de réaliser une liaison mécanique entre le percuteur 19 et le contacteur 15, et donc de faire passer ce contacteur 15 d'une position ouverte à une position fermée. [0036]Ce dispositif comporte un contact mobile souple 25 qui est lié mécaniquement à l'arbre tournant 16 de l'organe de coupure 7 par un élément de fixation 26. En situation normale, le contacteur 15 est séparé du contact fixe 24, solidaire d'un support isolant 28. En cas de détection d'un défaut interne du transformateur 1 par le moyen de protection 6 un moyen de commande 19 déclenche la rotation de l'arbre tournant 16 sur un angle suffisant pour établir un contact entre les contacteurs 15 et 24. La liaison électrique 27 du contact mobile 25 est réalisée avec un conducteur souple pour ne pas gêner les mouvements. [0037]On notera que le ou les moyens de commande 19,21 du moyen protection 6 contrôlent l'activation de l'isolation du transformateur du réseau moyenne-tension et basse-tension lorsque le moyen de détection 20 du moyen de protection 6 détecte un défaut interne de sorte que les organes de coupures 7 et 13 sont placés en position déconnectée ou ouverte. [0038]Ainsi que nous l'avons vu précédemment le moyen de protection 6 comporte au moins un moyen de détection 31 se rapportant à un ou plusieurs relais sensibles à une ou plusieurs grandeurs physiques telles qu'une température de fonctionnement, une pression interne de la cuve 2 du transformateur 1 ou un niveau de diélectrique liquide, chacun de ces relais, en cas de dépassement d'un seuil prédéfini et ajustable par la grandeur physique qui lui est associée, provoquant par exemple la fermeture d'un circuit électrique 30,32,23 de sorte à assurer la pérennité et la sécurité de l'installation, ainsi que du transformateur 1 lui-même. [0039] Un tel système comportant des moyens de détection sensibles à une ou plusieurs grandeurs physiques est illustré à la figure 5. En complément du transformateur 1 représenté à la figure 3, le transformateur illustré en figure 5 comprend plusieurs relais dont l'un d'eux est sensible à la température du diélectrique 5 liquide susceptible de déclencher l'ouverture des organes de coupures 7 et 13. En cas de dépassement d'un seuil prédéfini de cette température, correspondant à une situation de surcharge du transformateur 1, ce relais provoque la fermeture d'un second circuit électrique auxiliaire 32 qui alimente le solénoïde 21 de déclenchement commandant au besoin l'ouverture de l'organe de coupure 13 basse-tension. L'utilisation d'un organe de coupure basse-tension réarmable, c'est-à-dire pouvant être refermée manuellement après ouverture, permet une remise en service après retour à des conditions normales d'exploitation du transformateur. [0040] Pour ce faire, un ensemble de relais 31, dit bloc de protection, est installé à l'extérieur de la cuve 2, et mis en relation avec le diélectrique liquide 5 au moyen d'une tubulure 29. [0041]Parmi les différents relais contenus dans ce bloc de protection, un premier relais ferme un deuxième circuit électrique auxiliaire 32 qui commande le solénoïde 21 de déclenchement et l'ouverture de l'organe de coupure 13 basse-tension. Un ou plusieurs autres relais ferment un troisième circuit électrique auxiliaire 30 susceptible de provoquer le fonctionnement du percuteur 19 d'un fusible 33 qui engendre la rotation d'un arbre tournant 16 et la déconnexion simultanée des moyens de déconnexion 18 avec les moyens de connexion 17, séparant ainsi le transformateur 1 du réseau moyenne-tension 11. La rotation de l'arbre tournant 16 entraine également la fermeture du contacteur 15, lequel commande le solénoïde 21 de déclenchement et l'ouverture de l'organe de coupure 13 basse-tension. [0042] Le transformateur 1 est alors isolé galvaniquement des réseaux moyenne-tension 11 et basse-tensionl2. [0043] Le moyen de protection du transformateur 1 de la figure 5 comprend plusieurs moyens de détection que sont les fusibles 20 et 33 munis de percuteur 19 ainsi que l'ensemble des relais 31. [0044]On comprend aisément que tous les types de moyens de détection 31, tels que des relais, adaptés pour détecter toutes les grandeurs physiques susceptibles de révéler un défaut interne du transformateur peuvent être utilisés dans la présente invention. [0045] De tels défauts internes sont par exemple révélés de manière non-exhaustive par une baisse du niveau de diélectrique liquide, sous l'effet de l'apparition de gaz de décomposition, ou une pression interne anormale, ou encore une température de diélectrique liquide très supérieure à une température de fonctionnement en charge. [0046] Plusieurs moyens de détection comme illustré pour le transformateur de la figure 5 peuvent être utilisés simultanément, dans un tel cas une partie de ces moyens de détection, ensemble de relais 31, peuvent être situé à l'extérieur du transformateur et l'autre partie, fusibles 20 et 33, à l'intérieur de ce transformateur 1. [0047] Dans un autre mode de réalisation tous les moyens de détection peuvent être situés à l'intérieur du transformateur 1, ou inversement à l'extérieur de ce transformateur 1. [0048] Ainsi, il est entendu que l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et illustrés. Elle n'est en outre pas limitée à ces exemples d'exécution et aux variantes décrites.25 REVENDICATIONS1. Système de protection pour un transformateur (1) électrique polyphasé connecté à un réseau d'une première tension (11) et à un réseau d'une deuxième tension (12), comportant un moyen de protection (6) et un organe de coupure (7) susceptible de déconnecter des phases du transformateur (1) du réseau de première tension (11), caractérisé en ce qu'il comprend un autre organe de coupure (13) apte à déconnecter lesdites phases du transformateur (1) dudit réseau de deuxième tension (12). 2. Système selon la revendication précédente, dans lequel lesdits organes de coupure (7,13) sont reliés audit moyen de protection (6). 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit moyen de protection (6) comporte au moins un moyen de détection (20, 31,33) et au moins un moyen de commande (19, 21). 4. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit moyen de détection (20,31,33) est choisi parmi l'un des éléments suivants : - élément de détection (20) d'un courant de défaut, et - élément de détection (31) de variations de grandeurs physiques. 5. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit organe de coupure (7) est situé à l'intérieur du transformateur (1). 6. Système selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel ledit organe de coupure (13) est situé à l'extérieur du transformateur (1). 7. Système selon l'une des revendications précédentes dans lequel, ledit réseau de première tension (11) et ledit réseau de deuxième tension (12) se rapportent respectivement à un réseau moyenne tension (11) et à un réseau basse tension (12). 8. Transformateur électrique polyphasée comportant des phases d'alimentation en entrée du transformateur (1) et des phases de distribution en sortie dudit transformateur (1) ainsi qu'une partie active apte à réaliser la transformation d'énergie électrique, ledit transformateur étant munie d'un système de protection selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel un organe de coupure (7) est compris entre lesdites phases d'alimentation et la partie active, et un autre organe de coupure (13) est situé entre lesdites phases de distribution et ladite partie active (34). 9. Transformateur selon la revendication précédente dans lequel, un moyen de protection relié aux deux organes coupure (7,13) est compris entre les phases d'alimentation et la partie active. 10.Transformateur selon l'une des revendications 8 ou 9, étant immergé dans un liquide diélectrique (5) contenu dans une cuve (2) reliée à la terre et à une masse de la partie active. 25