EP1267368A1 - Transformateur de distribution auto-protégé par un disjoncteur déclenchant sur court-circuit secondaire - Google Patents

Transformateur de distribution auto-protégé par un disjoncteur déclenchant sur court-circuit secondaire Download PDF

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EP1267368A1
EP1267368A1 EP02354044A EP02354044A EP1267368A1 EP 1267368 A1 EP1267368 A1 EP 1267368A1 EP 02354044 A EP02354044 A EP 02354044A EP 02354044 A EP02354044 A EP 02354044A EP 1267368 A1 EP1267368 A1 EP 1267368A1
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EP
European Patent Office
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pallet
circuit
primary
circuit breaker
phase
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EP02354044A
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Jacques Schneider Electric Industries SA Fabbro
Philippe Schneider Electric Industr. SA Marechal
Christophe Schneider Electric Industr. SA Preve
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Schneider Electric Industries SAS
Original Assignee
Schneider Electric Industries SAS
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/40—Structural association with built-in electric component, e.g. fuse
    • H01F27/402—Association of measuring or protective means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/24—Electromagnetic mechanisms
    • H01H71/2472—Electromagnetic mechanisms with rotatable armatures
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/44—Automatic release mechanisms with or without manual release having means for introducing a predetermined time delay
    • H01H71/443—Automatic release mechanisms with or without manual release having means for introducing a predetermined time delay with dash-pot

Definitions

  • the invention relates to a MV / MV primary distribution transformer or secondary MV / LV, the windings of which are immersed in a liquid or gas dielectric contained in a tank, and which is fitted with an integrated protection device, intended to limit the effects of an internal transformer failure as well as the failures at the secondary terminals of the transformer. More specifically, it relates to a transformer, the protection device of which is arranged inside the tank of the transformer, forming with it a functional and material unit that we called self-protected transformer.
  • the protection device is connected to the primary circuit and includes a circuit breaker controlled by tripping means and fuses, arranged upstream of the circuit breaker.
  • the fuses, the circuit breaker and the tripping means are associated in such a way that under conditions corresponding to a short circuit to transformer secondary circuit terminals, the circuit breaker contact members are separate and interrupt the current without the fuses starting, and there is a threshold value for the intensity of the current passing through each fuse, lower than the breaking capacity of the corresponding pole of the circuit breaker and beyond which the fusion of the fuse is completed before an order for separation of the contact members given by the tripping means could have caused the separation of the contacts.
  • the triggering means comprise a trigger device with maximum current including means for measuring the intensity of the current flowing in a secondary phase of the transformer.
  • the means of measurement are located near the secondary phase conductors, while the circuit breaker is located on the primary side of transformer, away from secondary phase conductors.
  • the invention therefore aims to provide a self-protected transformer whose means are simple and reliable over the lifetime of the installation, i.e. more than 20 years.
  • the trigger device is arranged inside the tank, so that the transformer constitutes, with its means of protection, a functional unit and material delimited by the tank, which corresponds exactly to the concept of self-protected transformer.
  • the electromechanical relay of each phase is intended to be placed as close as possible secondary phase conductors, while the circuit breaker is placed in the circuit primary.
  • the drive train allows a mechanical transmission of the triggering order from one to the other. It also performs the logic function "OR" between the trigger orders likely to be given by the relay each of the phases. This avoids any electronic transmission device, by nature less reliable over the life of the equipment concerned.
  • the mechanical transmission chain by definition, only transmit the kinetic energy delivered by the relay, up to the trigger lock of the breaker. It does not use an intermediate accumulator mechanism energy, for example a spring mechanism released by an intermediate lock. In in other words, the energy required to move the circuit breaker latch from its position locking to its tripping position is provided by the electromechanical relay and not by another system of accumulation.
  • This type of direct training is possible because the electromagnetic power available in the event of a secondary short circuit sufficiently large, so that part of this can be recovered low cost power using a simple electromechanical converter to train the drive train.
  • the overcurrent trigger device comprises in in addition, for each pallet, a timer device, introducing a delay between setting in movement of the pallet and the arrival of the trigger lock in the position of trigger.
  • This timer introduces a delay in the response of the relay electromechanical, which ensures chronometric selectivity between the circuit breaker of the transformer and the protection means located downstream of the transformer.
  • the timer delays the order to open the circuit breaker, leaving circuit breakers and / or fuses located downstream of the transformer, outside the tank, on the secondary network, time to cut the line responsible for the fault. This allows limit tripping of the circuit breaker located in the transformer tank, only critical cases where the fault occurred between the secondary crossings and the means of protection located downstream of the transformer tank.
  • the timer device of each pallet has an element dissipating energy by friction, and applying to the pallet a resisting force all the more important as the pallet has a high kinetic energy.
  • the dielectric is a viscous liquid, the timer device comprising at least one brake immersed in said viscous dielectric.
  • the timer device of each pallet has a dead travel link such that the pallet does not drive the output member as long as the pallet has not covered a dead travel between the rest position and the position trigger order.
  • the transmission kinematic chain comprises a drive shaft and, for each secondary phase, a coupling means unidirectional between the pallet and the drive shaft, suitable for transmitting to the drive shaft transmission the electromagnetic driving force applied by the fixed magnetic circuit to the palette.
  • the drive shaft is provided with a return spring to a position of rest.
  • the fixed magnetic circuit comprises for each phase secondary a piece of ferromagnetic material having an air gap, the pallet being also in ferromagnetic material and arranged in the air gap so as to form with the piece of ferromagnetic material a magnetic circuit with variable reluctance having a reluctance which decreases when the pallet goes from the rest position to the trigger order position.
  • the threshold defined by the reminder means elastic is exceeded, the pallet begins to move towards its order position of trigger. As soon as this movement begins, the reluctance of the magnetic circuit decreases, therefore, at constant current intensity in the secondary phase concerned, the instantaneous power and electromagnetic force transmitted to the pallet increase.
  • the circuit breaker tripping means include in addition to a transducer sensitive to the temperature and / or pressure of the dielectric fluid in the tank, and going from a deactivated position to an activated position when the fluid temperature exceeds a given temperature threshold and / or the fluid pressure passes a given pressure threshold, the transmission kinematic chain being arranged such that when the transducer switches from its deactivated position to its position activated, the drive train drives the lock to its position trigger.
  • the circuit breaker must also prevent faults occurring at inside the transformer. Fluid temperature and pressure are good indicators of the correct operation of the transformer and it is particularly advantageous to use the same transmission chain for all the means of trigger. The assembly obtained is particularly inexpensive.
  • the protection device also comprises, for each phase primary, arranged in the tank, in the primary electrical circuit in series between the primary bushings and the circuit breaker, fuses with sufficient breaking capacity to ensure the breaking of the corresponding phase in the event of a short circuit in the circuit primary.
  • the main function of fuses is to deal with a short circuit primary.
  • a three-phase MV / MV distribution transformer or MT / BT 10 includes, inside a sealed tank 12 containing a dielectric fluid 14, in this case an oil with high dielectric strength having a higher viscosity water, a primary electrical circuit 16 and a secondary electrical circuit 18.
  • the circuit primary electric 16 connects primary bushings 20, arranged on a cover 22 of the tank 12, to the primary windings 24 of the transformer.
  • a protection device electric internal to the tank is arranged in series between the bushings 20 and the windings primary 24, so as to cut the power supply to the primary windings 24 in the event of an electrical fault.
  • This protection device comprises fuses 26 located at the closer to the primary crossings 24, possibly partially inserted in the primary bushings 24, and a circuit breaker 28 disposed downstream of the fuses 26.
  • the secondary electrical circuit 18 of the transformer 10 connects the secondary windings 30 of the transformer 10 to secondary crossings 32, via secondary phase conductors 34 and, the if necessary, a neutral distribution conductor 36.
  • Triggering means 40 ensure tripping of the circuit breaker.
  • relays electromechanical 42 sensitive to currents flowing in phases 34 of the circuit secondary of the transformer and possibly a transducer 44 sensitive to the pressure of the dielectric fluid and / or a transducer 46 sensitive to the temperature of the fluid dielectric.
  • a kinematic chain 50 ensures the transmission of orders from tripping from the various electromechanical relays 42 and transducers 44, 46 at circuit breaker 28.
  • the circuit breaker 28 is supported by a fixed frame 52 on the internal face of the cover 22 of the transformer tank.
  • This circuit breaker has a drive mechanism (not shown) of a switching shaft 54, this shaft carrying three cranks 56 each driving a movable contact 58 of a vacuum interrupter 60.
  • the mechanism is controlled by a trigger lock 62 which pivots about an axis geometric fixed with respect to the chassis, between a locking position in which it locks the mechanism in the closed position of the contacts, and a position trigger in which it releases the mechanism that causes the separation of contact.
  • the trigger lock is returned to the locked position by a spring not shown.
  • the conductors 34, 36 of the secondary circuit are constituted by bars through the transformer cover at the bushings.
  • the secondary bushings 32 are located at a distance from the circuit breaker 28. Indeed, although we have not shown in FIGS. 2 to 4, for the sake of clarity, the primary bushings 20 and primary fuses 26, there are however on the cover 22 the through holes 64 of the primary bushings 20, which are necessarily located proximity of the circuit breaker 28, between the latter and the secondary bushings 32.
  • the electromechanical relays 42 of the three secondary phases 34 are arranged at level of the secondary bushings 32, inside the tank 12. They are identical, of so that only one will be described for the sake of simplification.
  • Relay 42 includes a fixed magnetic circuit 70 formed by a piece of U-shaped ferromagnetic material, surrounding the corresponding secondary phase conductor 34 and concentrating the lines of electromagnetic field in an air gap.
  • the fixed magnetic circuit 70 is arranged in a plane perpendicular to the axis of current flow in the phase conductor 34, that is to say in the plane of Figure 3.
  • a pivoting pallet 72 around an axis 74 perpendicular to the plane of FIG. 3.
  • the pallet 72 is itself made of ferromagnetic material.
  • the pallet 72 is extended by an arm 80 forming a crank, bringing to its free end a pivot axis 82 of a rigid rod 84.
  • the rod 84 forms a connecting rod which cooperates, at its end opposite to the pallet 72, with a crank receiving 86 of a transmission shaft 88. More precisely, the end of the rod 84 is curved to form a hook 90 visible in Figure 4, which fits into a slot 92 of the receiving crank 86, so as to form with the receiving crank 86 a unidirectional coupling.
  • a friction plate 94 is fixed to the rod 84.
  • the shaft 88 has as much 86 receiving cranks that there are secondary and relay phases electromechanical 42.
  • the shaft 88 spins in three bearings 96 arranged on flanges 98 fixed support integral with the cover 22 of the tank. At its end closest to the circuit breaker, it forms a deflection arm 102 coming to attack the release lock 62 of the circuit breaker. Tree 88 is recalled counterclockwise towards its rest position in FIG. 3 by a return spring 104.
  • the oil constituting the dielectric fills the tank up to the lid, so that the circuit breaker 28, the electromechanical relays 42 as well as the kinematic chain of transmission 50 constituted by the rods 84 provided with their plates 94 and the shaft 88 provided of its receiving cranks 86 and its deflection arm 102, are completely submerged in oil.
  • the transformer protection device operates as follows.
  • each pallet 72 In nominal mode or in the presence of overload currents, the forces electromagnetic on each pallet 72 are insufficient to compensate for the set threshold by the return spring 78 partially bandaged, so that each pallet 72 remains in its rest position shown in FIG. 3, against the end of travel stop 76.
  • the overload currents will therefore be taken into account exclusively by the protection located downstream of the transformer tank.
  • the tension of the spring 78 thus allows ensure the amperometric selectivity of the installation.
  • the hook 90 of the rod then drives the transmission shaft 88 in rotation in clockwise in Figure 2. However, this movement is slowed down by the presence of the corresponding plate 94 which, having to overcome the resistance generated by the oil which it displaces, opposes the movement of the rod 84.
  • the deflection arm 102 drives the latch 62 counterclockwise of a watch.
  • the shape of the pallet 72 is such that the distance separating the pallet from the walls of the fixed magnetic circuit decreases rapidly when the pallet is rotated in the direction counterclockwise. Consequently, the reluctance of the magnetic circuit overall including pallet 72 decreases rapidly and, for a short-circuit current of given intensity, the electromagnetic forces exerted on the pallet increase.
  • the moment of electromagnetic forces relative to the axis of rotation 74 of the pallet also increases, although less rapidly, due to the decrease in the lever arm corresponding due to rotation. Overall, this rapid increase in the timing of electromagnetic forces ensures, at constant short-circuit intensity, an acceleration continues to rotate the paddle 72.
  • the paddle 72 therefore continues its movement and drives with it the entire kinematic chain 50 constituted by the rod 84, the transmission shaft 88 and the deflection arm 102.
  • the deflection arm 102 brings the locking bolt trigger 62 in a trigger position.
  • the latch 62 releases the circuit breaker mechanism 28 which drives the shaft switching 54 and contacts 58 in a separated position, cutting off the supply of the primary circuit 16 of the transformer.
  • a secondary protection device such as a circuit breaker with fuse or a circuit breaker, located downstream of the transformer tank on the secondary line where the fault appeared, opens the circuit quickly enough, the intensity of the current in conductor 34 and the induction flux it induces in the air gap of the circuit fixed magnetic 70 decrease before the rotation of the shaft has caused the tripping of the circuit breaker.
  • the moving moving masses are weak and relatively negligible compared to the efforts of return springs 78, 104 and resistant efforts of the plates 94, so that the general movement of the chain kinematic 50 in the direction of release stops almost instantaneously. Pallet 72 and the shaft 88 then return to their rest position under the joint stress of their respective return springs 78, 104.
  • the plates 94 are dimensioned so as to ensure a time delay sufficient for shutdown to take place downstream of the transformer every whenever possible.
  • the plates therefore ensure chronometric selectivity to very low cost.
  • the objective is not to cause the tripping of the circuit breaker on secondary fault only when this occurs between the tank and the protective means located downstream of the tank, i.e. when the fault cannot be detected or eliminated at the level of protection means located downstream of the tank.
  • the duration of the trigger delay must be essentially identical in the case where the short circuit occurs between a phase and neutral, in the case of a short circuit between two phases and in the case of a short circuit phase. This is the reason why it is preferable to provide each phase of a friction plate 94, rather than having a single plate at the level of the tree.
  • the timer function can be obtained by any means mechanical, in particular by any device dissipating energy by fluid friction or solid.
  • the time delay can also be obtained by a dead stroke of one of the elements of the transmission chain, preferably independently for each palette.
  • An example of this variant has been shown in the embodiment of the FIG. 5, where the elements identical to the first embodiment have been identified with identical references.
  • the embodiment of Figure 5 does not differ from the first mode of realization that by the fact that the end of the rod 184 carrying the hook was extended, so that the hook 190 does not start to drive the tree until after covered a certain distance in the slot 92.
  • the pallet 72 first covers a certain dead travel by driving the rod 184 against the return force of the spring 78, before the hook comes into contact with the receiving crank 86 and does not start to drive the shaft 88.
  • the pallet is not necessarily a pivoting part. It can be for example replaced by a moving part in translation.
  • the multifunction tree 88 of the embodiment can be replaced by several parts, for example: a part providing the logical "OR" function between movements different relays, another part ensuring the mechanical transmission of this movement remotely, up to the release lock.

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Abstract

Un transformateur de distribution triphasé 10 comporte, à l'intérieur d'une cuve étanche 12 contenant une huile de haute tenue diélectrique, un circuit électrique primaire 16 et un circuit électrique secondaire 18. Un disjoncteur est disposé en série entre les traversées primaires 20 et les enroulements primaires 24, de manière à couper l'alimentation électrique des enroulements 24 primaires en cas de défaut électrique. Des moyens de déclenchement 40 assurent le déclenchement du disjoncteur. Ces moyens comportent des relais électromécaniques 42 à maximum de courant sensibles aux courants circulant dans les phases 34 du circuit secondaire du transformateur, ainsi éventuellement qu'un transducteur 44 sensible à la pression du fluide diélectrique et/ou un transducteur 46 sensible à la température du fluide diélectrique. Une chaíne cinématique 50 assure la transmission des ordres de déclenchement en provenance des différents relais électromécaniques 42 et transducteurs 44, 46 au disjoncteur 28.

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
L'invention est relative à un transformateur de distribution primaire MT/MT ou secondaire MT/BT, dont les enroulements sont immergés dans un liquide ou un gaz diélectrique contenu dans une cuve, et qui est doté d'un dispositif de protection intégré, destiné à limiter les effets d'une défaillance interne du transformateur ainsi que les défaillances aux bornes secondaires du transformateur. Plus précisément, elle a trait à un transformateur dont le dispositif de protection est disposé à l'intérieur de la cuve du transformateur, formant avec ce dernier une unité fonctionnelle et matérielle que l'on appelle transformateur auto-protégé.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Dans le document EP 0.981.140 est décrit un transformateur immergé auto-protégé du type précédent. Le dispositif de protection est relié au circuit primaire et comporte un disjoncteur commandé par des moyens de déclenchement ainsi que des fusibles, disposés en amont du disjoncteur. Les fusibles, le disjoncteur et les moyens de déclenchement sont associés de telle manière que dans des conditions correspondant à un court-circuit aux bornes du circuit secondaire du transformateur, les organes de contact du disjoncteur se séparent et interrompent le courant sans que ne débute une fusion des fusibles, et qu'il existe une valeur seuil d'intensité du courant traversant chaque fusible, inférieure au pouvoir de coupure du pôle correspondant du disjoncteur et au-delà de laquelle la fusion du fusible est achevée avant qu'un ordre de séparation des organes de contact donné par les moyens de déclenchement ait pu entraíner la séparation des contacts. Selon un mode de réalisation, les moyens de déclenchement comportent un dispositif déclencheur à maximum de courant comprenant un moyen de mesure de l'intensité du courant circulant dans une phase du secondaire du transformateur.
Toutefois, le document ne précise pas comment doit être transmise aux moyens de déclenchement l'information obtenue par les moyens de mesure. Or les moyens de mesure sont situés près des conducteurs de phases secondaires, alors que le disjoncteur est situé du côté primaire du transformateur, à distance des conducteurs de phases secondaires.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'invention vise donc à proposer un transformateur auto-protégé dont les moyens de déclenchement soient simples et fiables sur la durée de vie de l'installation, soit plus de 20 ans.
A cet effet, l'invention a pour objet un transformateur électrique de distribution comportant :
  • une cuve contenant un diélectrique liquide ou gazeux,
  • un circuit électrique primaire triphasé comportant des enroulements primaires immergés dans le diélectrique,
  • des traversées électriques primaires permettant de relier le circuit électrique primaire à un réseau électrique primaire extérieur à la cuve,
  • un circuit électrique secondaire triphasé comportant des enroulements secondaires immergés dans le diélectrique,
  • des traversées électriques secondaires permettant de relier le circuit électrique secondaire à un réseau électrique secondaire extérieur à la cuve,
  • un dispositif de protection comportant
  • un disjoncteur disposé dans la cuve, dans le circuit électrique primaire, entre les traversées primaires et les enroulements primaires, le disjoncteur comportant un verrou de déclenchement mobile entre une position de verrouillage et une position de déclenchement,
  • des moyens de déclenchement du disjoncteur, comportant un dispositif déclencheur à maximum de courant,
caractérisé en ce que le dispositif déclencheur à maximum de courant comporte, disposés dans la cuve :
  • pour chaque phase du circuit secondaire du transformateur, un relais électromécanique, comportant
  • une palette mobile entre une position de repos et une position d'ordre de déclenchement,
  • un circuit magnétique fixe pour appliquer à la palette une force électromagnétique motrice croissant avec l'intensité du courant traversant 1a phase du circuit secondaire du transformateur,
  • un moyen de rappel élastique de la palette vers la position de repos, appliquant à la palette en position de repos une force de rappel seuil,
  • une chaíne cinématique de transmission disposée entre les relais électromécaniques et le verrou de déclenchement du disjoncteur, comportant un organe de sortie entraínant le verrou de déclenchement du disjoncteur de sa position de verrouillage à sa position de déclenchement lorsque la palette du relais électromécanique de l'une quelconque des phases secondaires se déplace de la position de repos à la position d'ordre de déclenchement.
Le dispositif déclencheur est disposé à l'intérieur de la cuve, de sorte que le transformateur constitue, avec ses moyens de protection, une unité fonctionnelle et matérielle délimitée par la cuve, ce qui correspond très exactement à la notion de transformateur auto-protégé.
Le relais électromécanique de chaque phase a vocation à être disposé au plus près des conducteurs de phase secondaires, alors que le disjoncteur est disposé dans le circuit primaire. La chaíne cinématique de transmission permet une transmission mécanique de l'ordre de déclenchement de l'un à l'autre. Elle assure également la fonction logique « OU » entre les ordres de déclenchement susceptibles d'être donnés par les relais de chacune des phases. On évite ainsi tout dispositif électronique de transmission, par nature moins fiable sur la durée de vie de l'appareillage concerné.
Il est à noter que la chaíne de transmission mécanique, par définition, ne fait que transmettre l'énergie cinétique délivrée par le relais, jusqu'au verrou de déclenchement du disjoncteur. Elle ne met pas en oeuvre de mécanisme intermédiaire à accumulateur d'énergie, par exemple un mécanisme à ressort libéré par un verrou intermédiaire. En d'autres termes, l'énergie nécessaire pour déplacer le verrou du disjoncteur de sa position de verrouillage à sa position de déclenchement est fournie par le relais électromécanique et non par un autre système d'accumulation. Ce type d'entraínement direct est possible car la puissance électromagnétique disponible en cas de court-circuit secondaire s'avère suffisamment importante, de telle sorte que l'on peut récupérer une partie de cette puissance à faible coût à l'aide d'un convertisseur électromécanique simple, pour entraíner la chaíne cinématique de transmission.
Quant au ressort de rappel de la palette de chaque relais, il assure la sélectivité ampèremétrique de l'installation, puisqu'en dessous du seuil fixé par le ressort dans la position de repos de la palette, les surcharges seront traitées exclusivement par les protections situées en aval du transformateur.
Préférentiellement, le dispositif déclencheur à maximum de courant comporte en outre, pour chaque palette, un dispositif temporisateur, introduisant un retard entre la mise en mouvement de la palette et l'arrivée du verrou de déclenchement dans la position de déclenchement. Ce temporisateur introduit un retard dans la réponse du relais électromécanique, qui permet d'assurer la sélectivité chronométrique entre le disjoncteur du transformateur et les moyens de protection situés en aval du transformateur. En d'autres termes, le temporisateur retarde l'ordre d'ouverture du disjoncteur, laissant aux disjoncteurs et/ou aux fusibles situés en aval du transformateur, à l'extérieur de la cuve, sur le réseau secondaire, le temps de couper la ligne responsable du défaut. Ceci permet de limiter le déclenchement du disjoncteur disposé dans la cuve du transformateur, aux seuls cas critiques où le défaut est intervenu entre les traversées secondaires et les moyens de protection situés en aval de la cuve du transformateur. En disposant un dispositif temporisateur pour chaque phase secondaire, on assure que la temporisation sera suffisante quel que soit le type de défaut, entre une phase et le neutre, entre deux phases ou entre les trois phases secondaires.
Selon un mode de réalisation préférentiel, le dispositif temporisateur de chaque palette comporte un élément dissipant de l'énergie par frottement, et appliquant à la palette un effort résistant d'autant plus important que la palette a une énergie cinétique importante. Avantageusement, le diélectrique est un liquide visqueux, le dispositif temporisateur comportant au moins un frein plongé dans ledit diélectrique visqueux. On obtient ainsi la fonction recherchée de façon très économique.
Selon un mode de réalisation, le dispositif temporisateur de chaque palette comporte une liaison à course morte telle que la palette n'entraíne pas l'organe de sortie tant que la palette n'a pas couvert une course morte entre la position de repos et la position d'ordre de déclenchement.
Selon un mode de réalisation, la chaíne cinématique de transmission comporte un arbre de transmission et, pour chaque phase secondaire, un moyen d'accouplement unidirectionnel entre la palette et l'arbre de transmission, apte à transmettre à l'arbre de transmission la force électromagnétique motrice appliquée par le circuit magnétique fixe à la palette. L'arbre de transmission est pourvu d'un ressort de rappel vers une position de repos. Les accouplements unidirectionnels permettent d'assurer la fonction « OU » précitée de manière simple.
Préférentiellement, le circuit magnétique fixe comporte pour chaque phase secondaire une pièce en matériau ferromagnétique présentant un entrefer, la palette étant également en un matériau ferromagnétique et disposée dans l'entrefer de manière à former avec la pièce en matériau ferromagnétique un circuit magnétique à réluctance variable ayant une réluctance qui diminue lorsque la palette passe de la position de repos à la position d'ordre de déclenchement. Une fois que le seuil défini par le moyen de rappel élastique est dépassé, la palette commence à se déplacer vers sa position d'ordre de déclenchement. Dès que ce mouvement s'amorce, la réluctance du circuit magnétique diminue, donc, à intensité du courant constante dans la phase secondaire concernée, la puissance instantanée et la force électromagnétique transmises à la palette croissent. Si les conditions de court-circuit ne disparaissent pas, le mouvement se poursuit inéluctablement jusqu'à ce que la palette ait atteint la position d'ordre de déclenchement. Si par contre les conditions de court-circuit disparaissent avant que la palette concernée ait atteint sa position d'ordre de déclenchement, la force électromagnétique motrice sur la palette disparaít instantanément alors que la palette est soumise à la force de rappel du moyen de rappel élastique et que le dispositif temporisateur s'oppose à la poursuite du mouvement de la palette. L'inertie de la palette et de la chaíne de transmission étant négligeables par rapport aux autres grandeurs en jeu, on assiste en conséquence à un arrêt quasi-immédiat de la palette, puis à son retour vers la position de repos.
Préférentiellement, les moyens de déclenchement du disjoncteur comportent en outre un transducteur sensible à la température et/ou à la pression du fluide diélectrique dans la cuve, et passant d'une position désactivée à une position activée lorsque la température du fluide dépasse un seuil de température donné et/ou que la pression du fluide passe un seuil de pression donné, la chaíne cinématique de transmission étant disposée de telle manière que lorsque le transducteur passe de sa position désactivée à sa position activée, la chaíne cinématique de transmission entraíne le verrou vers sa position de déclenchement. En effet, le disjoncteur doit également prévenir les défauts survenant à l'intérieur du transformateur. La température du fluide et sa pression sont de bons indicateurs du fonctionnement correct du transformateur et il est particulièrement avantageux d'utiliser la même chaíne de transmission pour l'ensemble des moyens de déclenchement. L'ensemble obtenu est particulièrement peu onéreux.
Préférentiellement, le dispositif de protection comporte en outre, pour chaque phase primaire, disposés dans la cuve, dans le circuit électrique primaire en série entre les traversées primaires et le disjoncteur, des fusibles ayant un pouvoir de coupure suffisant pour assurer la coupure de la phase correspondante en cas de court-circuit du circuit primaire. Les fusibles ont pour fonction essentielle de traiter le cas du court-circuit primaire.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple non limitatif, et représentés aux dessins annexés sur lesquels :
  • la figure 1 représente un schéma électrique d'un transformateur selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
  • la figure 2 représente une vue en perspective d'un dispositif de protection situé à l'intérieur d'une cuve du transformateur selon le mode de réalisation de la figure 1 ;
  • la figure 3 représente une vue de dessous du dispositif de la figure 2 ;
  • la figure 4 représente une vue de côté du dispositif de la figure 2 ;
  • la figure 5 représente une variante selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, dans une vue de côté comparable à la figure 4.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION
En référence à la figure 1, un transformateur de distribution triphasé MT/MT ou MT/BT 10 comporte, à l'intérieur d'une cuve étanche 12 contenant un fluide diélectrique 14, en l'espèce une huile de haute tenue diélectrique ayant une viscosité plus importante que l'eau, un circuit électrique primaire 16 et un circuit électrique secondaire 18. Le circuit électrique primaire 16 relie des traversées primaires 20, disposées sur un couvercle 22 de la cuve 12, aux enroulements primaires 24 du transformateur. Un dispositif de protection électrique interne à la cuve est disposé en série entre les traversées 20 et les enroulements primaires 24, de manière à couper l'alimentation électrique des enroulements 24 primaires en cas de défaut électrique. Ce dispositif de protection comporte des fusibles 26 situés au plus près des traversées primaires 24, éventuellement partiellement insérés dans les traversées primaires 24, et un disjoncteur 28 disposé en aval des fusibles 26. Pour le montage des fusibles 26, on se référera utilement au document EP 0,981,140 A1 dont la description est insérée ici sur ce point par référence. Le circuit électrique secondaire 18 du transformateur 10 relie les enroulements secondaires 30 du transformateur 10 à des traversées secondaires 32, par l'intermédiaire de conducteurs secondaires de phase 34 et, le cas échéant, d'un conducteur de distribution du neutre 36. Des moyens de déclenchement 40 assurent le déclenchement du disjoncteur. Ces moyens comportent des relais électromécaniques 42 sensibles aux courants circulant dans les phases 34 du circuit secondaire du transformateur, ainsi éventuellement qu'un transducteur 44 sensible à la pression du fluide diélectrique et/ou un transducteur 46 sensible à la température du fluide diélectrique. Une chaíne cinématique 50 assure la transmission des ordres de déclenchement en provenance des différents relais électromécaniques 42 et transducteurs 44, 46 au disjoncteur 28.
En référence aux figures 2 à 4, le disjoncteur 28 est supporté par un châssis 52 fixé sur la face interne du couvercle 22 de la cuve du transformateur. Ce disjoncteur comporte un mécanisme d'entraínement (non représenté) d'un arbre de commutation 54, cet arbre portant trois manivelles 56 entraínant chacune un contact mobile 58 d'une ampoule à vide 60. Le mécanisme est piloté par un verrou de déclenchement 62 qui pivote autour d'un axe géométrique fixe par rapport au châssis, entre une position de verrouillage dans laquelle il verrouille le mécanisme en position de fermeture des contacts, et une position de déclenchement dans laquelle il libère le mécanisme qui provoque la séparation des contacts. Le verrou de déclenchement est rappelé en position de verrouillage par un ressort de rappel non représenté.
Les conducteurs 34, 36 du circuit secondaire sont constitués par des barres métalliques traversant le couvercle du transformateur au niveau des traversées. Par construction, les traversées secondaires 32 se trouvent disposées à distance du disjoncteur 28. En effet, bien que l'on n'ait pas représenté sur les figures 2 à 4, par soucis de clarté, les traversées primaires 20 et les fusibles primaires 26, on distingue cependant sur le couvercle 22 les orifices de passage 64 des traversées primaires 20, qui se trouvent nécessairement à proximité du disjoncteur 28, entre celui-ci et les traversées secondaires 32.
Les relais électromécaniques 42 des trois phases secondaires 34 sont disposés au niveau des traversées secondaires 32, à l'intérieur de la cuve 12. Ils sont identiques, de sorte que l'on n'en décrira qu'un seul par soucis de simplification. Le relais 42 comprend un circuit magnétique fixe 70 formé par une pièce de matériau ferromagnétique en U, entourant le conducteur de phase secondaire 34 correspondant et concentrant les lignes de champ électromagnétique dans un entrefer. Le circuit magnétique fixe 70 est disposé dans un plan perpendiculaire à l'axe de cheminement du courant dans le conducteur de phase 34, c'est-à-dire dans le plan de la figure 3. Dans l'entrefer est disposé une palette 72 pivotant autour d'un axe 74 perpendiculaire au plan de la figure 3. La palette 72 est elle-même constituée en matériau ferromagnétique. Elle est retenue dans une position de repos contre une butée de fin de course 76, par un ressort de rappel 78, qui reste partiellement bandé dans cette position. La palette 72 se prolonge par un bras 80 formant manivelle, portant à son extrémité libre un axe 82 de pivotement d'une tringle rigide 84. La tringle 84 forme une bielle qui coopère, à son extrémité opposée à la palette 72, avec une manivelle réceptrice 86 d'un arbre de transmission 88. Plus précisément, l'extrémité de la tringle 84 est recourbée pour former un crochet 90 visible sur la figure 4, qui s'insère dans une fente 92 de la manivelle réceptrice 86, de manière à former avec la manivelle réceptrice 86 un accouplement unidirectionnel. Une plaque de frottement 94 est fixée à la tringle 84.
Comme on le voit plus particulièrement sur la figure 2, l'arbre 88 comporte autant de manivelles réceptrices 86 qu'il y a de phases au secondaire et de relais électromécaniques 42. L'arbre 88 tourillonne dans trois paliers 96 disposés sur des flasques de support fixes 98 solidaires du couvercle 22 de la cuve. A son extrémité la plus proche du disjoncteur, il forme un bras de renvoi 102 venant attaquer le verrou de déclenchement 62 du disjoncteur. L'arbre 88 est rappelé dans le sens contraire des aiguilles d'une montre vers sa position de repos de la figure 3 par un ressort de rappel 104.
L'huile constituant le diélectrique remplit la cuve jusqu'au couvercle, de sorte que le disjoncteur 28, les relais électromécaniques 42 ainsi que la chaíne cinématique de transmission 50 constituée par les tringles 84 munies de leurs plaques 94 et l'arbre 88 muni de ses manivelles réceptrices 86 et de son bras de renvoi 102, sont complètement immergés dans l'huile.
Le dispositif de protection du transformateur fonctionne de la manière suivante.
En régime nominal ou en présence de courants de surcharge, les forces électromagnétiques sur chaque palette 72 sont insuffisantes pour compenser le seuil fixé par le ressort de rappel 78 partiellement bandé, de sorte que chaque palette 72 reste dans sa position de repos représentée sur la figure 3, contre la butée de fin de course 76. Les courants de surcharge seront donc pris en compte exclusivement par les dispositifs de protection situés en aval de la cuve du transformateur. La tension du ressort 78 permet ainsi d'assurer la sélectivité ampèremétrique de l'installation.
En cas de défaut sur l'une des phases secondaires 34, l'intensité du courant traversant le conducteur 34 de la phase secondaire concernée induit un flux d'induction important dans l'entrefer du circuit magnétique fixe 74. Le moment par rapport à l'axe de rotation de la palette 72 des forces électromagnétiques exercées sur la palette dépasse le seuil fixé par le ressort de rappel 78, de sorte que la palette 72 est entraínée en rotation dans le sens contraire des aiguilles d'une montre sur la figure 3, effectuant une traction sur la tringle 84 correspondante.
Le crochet 90 de la tringle entraíne alors l'arbre de transmission 88 en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre sur la figure 2. Toutefois, ce mouvement est ralenti par la présence de la plaque 94 correspondante qui, devant vaincre la résistance engendrée par l'huile qu'elle déplace, s'oppose au mouvement de la tringle 84. A l'autre extrémité de l'arbre 88, le bras de renvoi 102 entraíne le verrou 62 dans le sens contraire des aiguilles d'une montre.
La forme de la palette 72 est telle que la distance séparant la palette des parois du circuit magnétique fixe diminue rapidement lors de la rotation de la palette dans le sens contraire des aiguilles d'une montre. En conséquence, la réluctance du circuit magnétique global incluant la palette 72 diminue rapidement et, pour un courant de court-circuit d'intensité donnée, les forces électromagnétiques exercées sur la palette augmentent. Le moment des forces électromagnétiques par rapport à l'axe de rotation 74 de la palette augmente également, bien que moins rapidement, du fait de la diminution du bras de levier correspondant due à la rotation. Globalement, cette augmentation rapide du moment des forces électromagnétiques assure, à intensité de court-circuit constante, une accélération continue de la rotation de la palette 72.
Si le court-circuit se prolonge, la palette 72 poursuit donc son mouvement et entraíne avec elle l'ensemble de la chaíne cinématique 50 constituée par la tringle 84, l'arbre de transmission 88 et le bras de renvoi 102. Lorsque la palette 72 atteint une position de commande de déclenchement, le bras de renvoi 102 amène le verrou de déclenchement 62 dans une position de déclenchement. En arrivant en position de déclenchement, le verrou 62 libère le mécanisme du disjoncteur 28 qui entraíne l'arbre de commutation 54 et les contacts 58 dans une position de séparation, coupant l'alimentation du circuit primaire 16 du transformateur.
Si, par contre, un dispositif de protection secondaire, tel qu'un coupe-circuit à fusible ou un disjoncteur, situé en aval de la cuve du transformateur sur la ligne secondaire où est apparu le défaut, ouvre le circuit suffisamment rapidement, l'intensité du courant dans le conducteur 34 et le flux d'induction qu'elle induit dans l'entrefer du circuit magnétique fixe 70 diminuent avant que la rotation de l'arbre n'ait provoqué le déclenchement du disjoncteur. Les masses mobiles en mouvement sont faibles et relativement négligeables par rapport aux efforts des ressorts de rappel 78, 104 et aux efforts résistants des plaques 94, de sorte que le mouvement général de la chaíne cinématique 50 dans le sens du déclenchement s'arrête quasi-instantanément. La palette 72 et l'arbre 88 retournent alors dans leur position de repos sous la sollicitation conjointe de leurs ressorts de rappel respectifs 78, 104.
Les plaques 94 sont dimensionnées de manière à assurer une temporisation suffisante pour que la coupure ait effectivement lieu en aval du transformateur toutes les fois que cela est possible. Les plaques assurent donc une sélectivité chronométrique à très faible coût. En fait, l'objectif est de ne provoquer le déclenchement du disjoncteur sur défaut secondaire que lorsque celui-ci a lieu entre la cuve et les moyens de protection situés en aval de la cuve, c'est-à-dire lorsque le défaut ne peut être ni détecté, ni éliminé au niveau des moyens de protection situés en aval de la cuve.
Il est à noter que si certaines phases secondaires ne sont pas concernées par le court-circuit, les palettes 72 et les tringles 84 correspondantes restent immobiles et n'entravent pas la rotation de l'arbre 88 entraíné par la palette de la phase en court-circuit. En effet, toute tringle 84 immobile dans sa position de repos coulisse librement dans la fente 92 de la manivelle réceptrice correspondante lorsque celle-ci pivote dans le sens horaire sur la figure 4. L'accouplement unidirectionnel entre la tringle 84 et l'arbre 88, réalisé par la coopération du crochet 90 et de la fente 92, permet de rendre indépendants les uns des autres les déplacements des relais électromécaniques 42 des différentes phases.
Par ailleurs, il convient de noter que la durée de la temporisation du déclenchement doit être essentiellement identique dans le cas où le court-circuit intervient entre une phase et le neutre, dans le cas d'un court-circuit entre deux phases et dans le cas d'un court-circuit triphasé. C'est la raison pour laquelle il est préférable de pourvoir chaque phase d'une plaque de frottement 94, plutôt que de disposer une plaque unique au niveau de l'arbre.
Naturellement, diverses modifications sont possibles.
Selon une variante non représentée, il peut être utile le cas échéant de prévoir une plaque de frottement 94 non plane, de manière à obtenir un effort résistant plus important dans le sens du déclenchement, où la temporisation est souhaitée, que dans le sens du retour à la position de repos, où la temporisation n'est pas nécessaire.
Plus généralement, la fonction de temporisation peut être obtenue par tout moyen mécanique, notamment par tout dispositif dissipant de l'énergie par frottement fluide ou solide.
La temporisation peut être également obtenue par une course morte d'un des éléments de la chaíne de transmission, de préférence de manière indépendante pour chaque palette. On a représenté un exemple de cette variante dans le mode de réalisation de la figure 5, où les éléments identiques au premier mode de réalisation ont été identifiés avec des références identiques. Le mode de réalisation de la figure 5 ne diffère du premier mode de réalisation que par le fait que l'extrémité de la tringle 184 portant le crochet a été rallongée, de manière à ce que le crochet 190 ne se mette à entraíner l'arbre qu'après avoir couvert une certaine distance dans la fente 92. Lorsqu'un court-circuit secondaire apparaít, la palette 72 couvre tout d'abord une certaine course morte en entraínant la tringle 184 contre l'effort de rappel du ressort 78, avant que le crochet n'entre en contact avec la manivelle réceptrice 86 et ne se mette à entraíner l'arbre 88. Ce dispositif à toutefois l'inconvénient d'imposer une plus grande course de la palette 72 entre la position de repos et la position d'ordre de déclenchement. On peut également combiner une liaison à course morte avec un dispositif dissipateur d'énergie telle que la plaque 194, que l'on a représenté en pointillé sur la figure 5 pour traduire son caractère optionnel.
La palette n'est pas nécessairement une pièce pivotante. Elle peut être par exemple remplacée par une pièce mobile en translation.
L'arbre multifonctions 88 du mode de réalisation peut être remplacé par plusieurs pièces, par exemple : une pièce assurant la fonction logique « OU » entre les déplacements des différents relais, une autre pièce assurant la transmission mécanique de ce mouvement à distance, jusqu'au verrou de déclenchement.

Claims (10)

  1. Transformateur électrique de distribution comportant
    une cuve (12) contenant un diélectrique liquide ou gazeux (14),
    un circuit électrique primaire triphasé (16) comportant des enroulements primaires (24) immergés dans le diélectrique (14),
    des traversées électriques primaires (20) permettant de relier le circuit électrique primaire à un réseau électrique primaire extérieur à la cuve,
    un circuit électrique secondaire triphasé (18) comportant des enroulements secondaires (30) immergés dans le diélectrique (14),
    des traversées électriques secondaires (32) permettant de relier le circuit électrique secondaire (18) à un réseau électrique secondaire extérieur à la cuve (12),
    un dispositif de protection comportant
    un disjoncteur (28) disposé dans la cuve, dans le circuit électrique primaire (16), entre les traversées primaires (20) et les enroulements primaires (24), le disjoncteur (28) comportant un verrou de déclenchement (62) mobile entre une position de verrouillage et une position de déclenchement,
    des moyens de déclenchement (40) du disjoncteur, comportant un dispositif déclencheur à maximum de courant,
    caractérisé en ce que le dispositif déclencheur à maximum de courant comporte, disposés dans la cuve (12) :
    pour chaque phase (34) du circuit secondaire (18) du transformateur, un relais électromécanique (42), comportant:
    une palette (72) mobile entre une position de repos et une position d'ordre de déclenchement,
    un circuit magnétique fixe (70) pour appliquer à la palette (72) une force électromagnétique motrice croissant avec l'intensité du courant traversant la phase du circuit secondaire du transformateur,
    un moyen de rappel élastique (78) de la palette (72) vers la position de repos, appliquant à la palette (72) en position de repos une force de rappel seuil,
    une chaíne cinématique de transmission (50) disposée entre les relais électromécaniques (42) et le verrou de déclenchement (62) du disjoncteur, comportant un organe de sortie (102) entraínant le verrou de déclenchement du disjoncteur de sa position de verrouillage à sa position de déclenchement lorsque la palette (72) du relais électromécanique (42) de l'une quelconque des phases secondaires (34) se déplace de la position de repos à la position d'ordre de déclenchement.
  2. Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif déclencheur à maximum de courant comporte en outre, pour chaque palette, un dispositif temporisateur (94), introduisant un retard entre la mise en mouvement de la palette et l'arrivée du verrou de déclenchement dans la position de déclenchement.
  3. Transformateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif temporisateur de chaque palette comporte un élément dissipant de l'énergie par frottement, et appliquant à la palette un effort résistant d'autant plus important que la palette a une énergie cinétique importante.
  4. Transformateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le diélectrique (14) est un liquide visqueux, le dispositif temporisateur comportant au moins un frein (94) plongé dans ledit diélectrique visqueux.
  5. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le dispositif temporisateur de chaque palette comporte une liaison à course morte telle que la palette n'entraíne pas l'organe de sortie (102) tant que la palette n'a pas couvert une course morte entre la position de repos et la position d'ordre de déclenchement.
  6. Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chaíne cinématique de transmission (50) comporte un arbre de transmission (88) et, pour chaque phase secondaire (34), un moyen d'accouplement unidirectionnel (90,92) entre la palette (72) et l'arbre de transmission (88), apte à transmettre à l'arbre de transmission (88) la force électromagnétique motrice appliquée par le circuit magnétique fixe (70) à la palette (72).
  7. Transformateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'arbre de transmission (88) est pourvu d'un ressort de rappel (104) vers une position de repos.
  8. Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour chaque phase secondaire (34), le circuit magnétique fixe (70) comporte une pièce en matériau ferromagnétique présentant un entrefer, la palette (72) étant également en un matériau ferromagnétique et disposée dans l'entrefer de manière à former avec la pièce en matériau ferromagnétique un circuit magnétique à réluctance variable ayant une réluctance qui diminue lorsque la palette passe de la position de repos à la position d'ordre de déclenchement.
  9. Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de déclenchement du disjoncteur comportent en outre un transducteur sensible à la température (46) et/ou à la pression (48) du fluide diélectrique dans la cuve, et passant d'une position désactivée à une position activée lorsque la température du fluide dépasse un seuil de température donné et/ou que la pression du fluide passe un seuil de pression donné, la chaíne cinématique de transmission (50) étant disposée de telle manière que lorsque le transducteur (46, 48) passe de sa position désactivée à sa position activée, la chaíne cinématique de transmission (50) entraíne le verrou (62) vers sa position de déclenchement.
  10. Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de protection comporte en outre, pour chaque phase primaire, disposés dans la cuve, dans le circuit électrique primaire en série entre les traversées primaires et le disjoncteur, des fusibles ayant un pouvoir de coupure suffisant pour assurer la coupure de la phase correspondante en cas de court-circuit du circuit primaire.
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