Revue E tijdschrift– 125me année/125ste jaargang – n° 2-2009 (juin/juni 2009) 9

Appareils de coupure

Résumé

Les transformateurs de distribution sont présents en grand nombre dans tous les environnements urbanisés. Ilsdoivent être protégés efficacement pour assurer la sécurité des biens et des personnes, en particulier au niveaudes risques d’incendie car la majorité de ces transformateurs sont immergés dans des cuves remplies d’huileminérale.

La coupure des courants par fusibles et la coupure par disjoncteur sont deux méthodes qui différent fondamen-talement quant au principe de fonctionnement, chacune des technologies ayant ses avantages et inconvénients.L’application à la protection des transformateurs de distribution est à la croisée de ces deux techniques et, selonla taille des transformateurs à protéger, il est fait appel à l’une ou à l’autre. La connaissance des mécanismesde défaut interne et de leur évolution est fondamentale dans le choix du type de protection.

Les règles de bonne pratique diffèrent selon qu’il s’agit de distribution publique ou d’installations privées. Dansla deuxième partie de cet article, on donne un aperçu de ces règles telles qu’elles sont définies et validées dansles publications.

Summary

Distribution transformers are present in large numbers in all urban environments. They must be adequatelyprotected to ensure the safety of persons and property, particularly at the level of fire risk because the majorityof these transformers are immersed in tanks filled with mineral oil.

The current cutoff by fuses and circuit breaker are two methods that differ fundamentally in principle of operation, each technology having its advantages and disadvantages. The application to the protection of dis-tribution transformers is at the crossing of these two techniques and, depending on the size of the transformersto protect, the one or the other is used.

Knowledge of internal failure mechanisms and their evolution is fundamental in choosing the appropriate typeof protection. The rules of best practice differ for public distribution and private facilities. In the second part ofthis article, we give an overview of these rules as defined and validated in the literature.

La protection des transformateurs dedistributionYvan Tits, Laborelec; André Even, EvenConsults

Samenvatting

Distributietransformatoren zijn aanwezig in grote aantallen in alle stedelijke omgevingen. Ze dienen efficientbeveiligd te worden om de veiligheid van personen en goederen te verzekeren, in het bijzonder op het niveau vanbrandgevaar omdat de meerderheid van deze transformatoren in kuipen met minerale olie onderdompeld zijn .

De onderbreking van de foutstromen door smeltzekeringen of vermogenschakelaars zijn twee methoden waar-van het werkingsprincipe fundamenteel verschilt. Elke technologie heeft zijn voor-en nadelen. De toepassingvan de beveiliging van de distributietransformatoren ligt op de kruising van deze twee technieken en,afhankelijk van de grootte van de te beschermen transformatoren, wordt het ene of het andere gebruikt.

Kennis van interne foutmechanismen en de evolutie ervan is van fundamenteel belang bij het kiezen van degepaste bescherming. De regels van goede vakmanschap verschillen in openbare distributie en in prive-faciliteiten. In het tweede deel van dit artikel geven we een overzicht van deze regels, zoals ze gedefinieerd engevalideerd worden in de literatuur.

Introduction

Cet article traite des transformateursdans la gamme de 100 à 1000 kVA quisont largement utilisés dans lesréseaux de distribution publique pourl’alimentation des réseaux basse ten-sion (BT) et dans les installations pri-vées raccordées en HT. Ils méritent uneattention particulière à plusieurstitres.

Ils sont souvent installés au cœur debâtiments dont la sécurité peut êtremise en danger en cas d’avarie grave.Le risque d’incendie est très présent àl’esprit du législateur et des exploi-tants, y compris le fait que le transfor-mateur est susceptible de jouer le rôlede combustible passif dans de telles cir-constances.

Ils sont aussi utilisés en très grandnombre; l’ordre de grandeur du nombred’unités en service en Belgique est de100.000 et, dans l’absolu, cela augmenteforcément les risques. Par ailleurs c’estaussi une raison pour concevoir uneprotection qui assure la sécurité tout enrestant aussi économique que possible.

La préoccupation vient principalementdes transformateurs à bain d’huile,c-à-d ceux dont les parties actives sontimmergées dans une huile minéraleisolante. Il s’agit de prendre les précau-tions pour éviter qu’en cas de défautinterne au transformateur, il y ait rup-ture de la cuve et projection d’huile etde flammes. Le rôle de la protection estdonc d’empêcher ce qu’il est convenud’appeler des manifestations exté-rieures qui mettraient en péril leslocaux environnants et les personnesqui s’y trouvent.

Dans sa nomenclature des surintensi-tés contre lesquelles il faut protéger lesmachines électriques, le RGIE dis-tingue les courants de surcharges, lescourants de défauts impédants et lescourants de courts-circuits. Concernantces derniers, en particulier en cas decourt-circuit dans les circuits alimentéspar les transformateurs, et donc uncourt-circuit externe au transforma-teur, l’intégrité de celui-ci est assuréepar les exigences de la norme etdûment vérifiée par des essais en vraiegrandeur. Du point de vue de la tenuedu transformateur, il faut que le court-circuit externe soit éliminé dans undélai de 2 s ce qui est à la portée de

l’appareillage. Cette tenue aux courts-circuits externes est un aspect impor-tant de la conception des transforma-teurs, mais ce sujet (actuellement bienmaîtrisé) sort du cadre du présentarticle qui se concentre sur l’élimina-tion des autres types de surintensité.

La question de la protection se poseaussi parce qu’il y a deux types d’appa-reillage utilisés pour la coupure dessurintensités en amont des transforma-teurs de distribution, à savoir lesfusibles combinés avec un interrupteuret les disjoncteurs. Chacun de ces maté-riels a ses avantages et inconvénientset il se trouve que l’application «protec-tion des transformateurs de distribu-tion» se positionne en plein dans la zonefrontière délimitant les domaines préfé-rentiels d’application de l’une et l’autrede ces technologies. Il y a matière àréflexion si l’on veut opérer le meilleurchoix. Comme on le verra par la suite,cela se traduit concrètement par deslogigrammes permettant effectivementd’adopter les meilleures pratiques. Lesparticularités de ces types d’appareillageseront exposées ci-dessous, en prélimi-naire à la description du comportementdes transformateurs en cas de défaut.

Les principes de protection sont baséssur l’expérience concernant le compor-tement des transformateurs en défaut.Nous exposerons également les ensei-gnements que l’on peut retenir d’unecampagne d’essais en vraie grandeur etqui a été à la base d’une réflexion surles pratiques à adopter.

Ensuite, nous passons en revue les dis-positions qui s’appliquent aux 3 cas defigure principaux, à savoir les transfor-mateurs de distribution publique, les

transformateurs dans les cabines privées (cabines clients) et enfin les dispositions spécifiques à l’usage destransformateurs secs (par oppositionaux transformateurs à bain d’huile).

Les combinés interrupteur-fusible

Il y a une grande différence entre lesprincipes de coupure mis en jeu dansles fusibles d’une part et dans les dis-joncteurs d’autre part. Les fusibles dontil est question ici sont les fusibles limi-teurs1 qui ont pour caractéristiqueprincipale d’interrompre les surintensi-tés dans des temps très courts. La tech-nique mise en œuvre consiste à déve-lopper à l’intérieur du fusible, dès lafusion de l’élément conducteur, un arcélectrique de grande longueur (grâce audéveloppement spirale du fil fusible),énergiquement refroidi par le sable deremplissage, avec une tension d’arcbien supérieure à la tension de service.Cette force contre-électromotrice qui sedéveloppe dès la première millisecondede la fusion force la diminution du cou-rant et l’éteint extrêmement rapide-ment. La durée d’arc n’est que dequelques millisecondes, le temps totalde coupure est quant à lui influencé parla durée de fusion de l’élément fusible(temps de pré-arc) qui dépend de l’in-tensité du courant à couper (=> courbestemps courant de pré-arc).

Il en va tout autrement de la coupuredans un disjoncteur qui maîtrise le cou-rant non pas en développant une forcecontre-électromotrice élevée, mais enrefroidissant et soufflant l’arc de

Revue E tijdschrift– 125ste jaargang/125ème année – n° 2-2009 (juni/juin 2009)10

Schakelapparatuur

1 La catégorie des ‘fusibles limiteurs’ s’opposeà celle des ‘fusibles à expulsion’ qui n’est pasutilisée en Europe.

Fig. 1: Oscillogramme de coupure par fusible

manière à le rendre suffisammentinstable pour qu’il s’éteigne à l’occasiondu passage naturel par zéro. Le tempsde coupure par un disjoncteur résultede la concaténation du temps de fonc-tionnement du relais de protection, dutemps d’ouverture mécanique et deséparation des contacts et enfin dutemps d’arc.

Typiquement, là où un fusible maîtrisele courant de défaut en 5 ms, il en faut 80 au disjoncteur (cfr Figs. 1 et 2 extraites de [3] )

Le point fort des fusibles est d’assurerune élimination très rapide des grandscourants et de limiter de façon trèsspectaculaire les conséquences desdéfauts puisque l’énergie libérée dansle défaut est en première approxima-tion directement proportionnelle à l’in-tensité et à la durée du défaut. De cepoint de vue, les fusibles ont un avantagenotable par rapport aux disjoncteurs.

Il y a cependant plusieurs facteurs quilimitent ou en tout cas compliquentl’utilisation des fusibles.

Limitation en tension

L’effet limiteur est lié à la longueur del’arc qui se développe dans le fusible;dans le volume confiné d’un fusible, lalongueur de l’arc ne peut être augmen-tée indéfiniment sans perdre le contrô-le. D’autre part, après fonctionnementdu fusible, il faut obtenir une rigiditédiélectrique suffisante entre les pôlesde l’appareil. En pratique, ceci limitel’usage des fusibles à la gamme des‘moyennes tensions’ jusqu’à 36 kV. Cen’est donc pas une contrainte pour l’ap-plication en distribution.Limitation en courant

L’élément fusible est parcouru par leplein courant du circuit à protéger. Celaprovoque une dissipation de chaleurqui, en régime normal, peut dépasser100 W par fusible, soit 300 W par cellu-le triphasée. C’est un problème poten-tiel qui est d’autant plus aigu que lecourant assigné du fusible est élevé.C’est pourquoi, l’utilisation de fusiblesest limitée dans une gamme de cou-rants qui va environ de 16 à 100 A.

Appareils de coupure

Fig. 2: Oscillogramme de coupure par disjoncteur

Non-fonctionnement en protectioncontre les surcharges

La maîtrise de l’arc qui se développeaprès la fusion de l’élément fusiblerepose d’une part sur une bonne distri-bution des points de fusion le long del’élément fusible et un refroidissementénergique par le sable de remplissage(création de « fulgurite » par fusion dusable). Dans la zone des faibles cou-rants, ces phénomènes sont instables etle fusible ne va pas réussir à limiter etmaîtriser le courant. Il va ‘exploser’ etconstituer lui-même un défaut élec-trique.

Cette caractéristique importante ducomportement des fusibles HT est par-fois méconnue et pourtant il est essen-tiel d’en tenir compte: les fusibles HTont un courant minimum de coupure(désigné par I3 dans les caractéris-tiques) c’est à dire que dans la zone des

courants entre le courant assigné dufusible et ce courant minimum coupure,le fusible est en danger. En aucun cas ilne peut être considéré pour assurer laprotection contre les surcharges.

Combinaison du fusible avec uninterrupteur

Pour remédier à cet inconvénientmajeur le fusible va être combiné à uninterrupteur qui possède les qualitéscomplémentaires, à savoir qu’il estcapable de couper des surintensitésdans la gamme des courants peu élevés.En combinant les capacités de coupurede l’interrupteur et du fusible, on peutcouvrir de manière très efficace lagamme complète des surintensités.

Le fonctionnement des fusibles estautonome puisque c’est la surintensitéelle-même qui déclenche le processusde coupure. Il n’en va pas de même d’un

interrupteur qui requiert un signal etune source d’énergie extérieure pouropérer la manœuvre d’ouverture. Lesinterrupteurs sont le plus souventmunis d’une commande manuelle à res-sort qui, au moment de la manœuvre defermeture, accumule l’énergie nécessaireà la manœuvre d’ouverture qui pourraêtre déclenchée ultérieurement parimpulsion mécanique ou électrique.

Dans les «combinés interrupteur-fusibles» le déclenchement d’ouvertureest obtenu par l’action des percuteurs(voir Fig. 4) libérés par les fusibles àl’instant même où le fil fusible fond.Grâce à cette action rapide, si le fusibleest en difficulté à la suite d’une surin-tensité inférieure à son courant mini-mum de coupure, il est «sauvé» par l’in-terrupteur qui maîtrise et interromptproprement le courant. Par contre, si lasurintensité est très forte, le fusible aterminé la coupure bien avant que lescontacts de l’interrupteur aient eu letemps de se séparer et de mettre ce der-nier en difficulté. La combinaison deces deux modes de coupure donne unappareil remarquablement économiqueet fiable.

L’application des combinés interrup-teur-fusible pour la protection destransformateurs nécessite de respecterplusieurs règles concernant le choix descourants nominaux des fusibles.

Fonctionnement en régime normal

Le courant du transformateur ne doitpas dépasser le courant nominal desfusibles utilisés. Le choix doit être faiten prenant en compte les surchargesadmissibles sur les transformateursainsi que le déclassement éventuel lié à

Revue E tijdschrift– 125ste jaargang/125ème année – n° 2-2009 (juni/juin 2009)12

Schakelapparatuur

Fig. 5: Oscillogramme de coupure par disjoncteur

Fig. 4: Réalisations ancienne et moderne de combinés interrupteurs fusiblesFig. 3: Fusibles dont un avec percuteur sorti

l’échauffement additionnel lorsque lesfusibles sont logés dans des alvéoles etne sont pas refroidis au contact de l’airambiant. Le déclassement dû à cet effetthermique dépend du type de fusible etdu type d’appareillage dans lequel lefusible est placé. L’utilisateur se référeraaux indications du constructeur à cesujet.

Passage des courants d’enclenchement

Lorsqu’on enclenche un transforma-teur, le transitoire de magnétisationcrée un appel de courant élevé («inrushcurrent») qui se maintient et met plu-sieurs secondes avant de disparaitretotalement. Il faut évidemment que lesfusibles s’abstiennent de fonctionner àl’occasion de l’enclenchement et donc nesoient pas trop rapides dans cette zonede courant.

Coordination entre les capacitésde coupure de l’interrupteur et desfusibles

Pour une surintensité dépassant lepouvoir de coupure de l’interrupteur, ilfaut que les fusibles soient suffisam-ment rapides pour couper le courantavant que l’interrupteur n’entre enaction. Dans ce contexte, on utilise lanotion de courant de transition. Pourune combinaison particulière d’inter-rupteur (caractérisé par son délaimécanique d’ouverture) et de fusible(caractérisé par sa courbe detemps/courant et les tolérances surcette courbe), le courant de transitionest le courant de défaut triphasé le plusélevé pouvant donner lieu à une coupu-re par fusible sur une phase, suivie parune coupure par l’interrupteur sur lesautres phases. Les normes donnent unerègle simple pour déterminer ce cou-rant de transition pour une combinai-son particulière d’interrupteur et defusible. Une caractéristique importantede l’interrupteur est le courant de tran-sition maximum qu’il peut prendre encharge, il s’agit du courant de transi-tion assigné de l’interrupteur. Lors del’application, l’utilisateur vérifie que lecourant de transition effectif est bieninférieur au courant de transition assi-gné de l’interrupteur utilisé.

Pouvoir de coupure au secondaire destransformateurs: en cas de défaut francau secondaire des transformateurs, ladynamique2 du circuit concerné n’est

pas compatible avec le pouvoir de cou-pure des interrupteurs. Pour éviter desolliciter indûment l’interrupteur ilfaut donc que le courant de transitionpropre à l’application concernée soitinférieur au courant de court-circuitfranc au secondaire du transformateur.Un défaut au secondaire du transfor-mateur doit être éliminé le plus rapidement possible, y compris dans lecas d’un défaut monophasé. La limite ultime est que le défaut monophasé soitéliminé en moins de 2 s.

La combinaison de ces contraintes,telles qu’illustrée dans l’exemple de laFig. 5, laisse peu de marge sur le choixdu fusible à utiliser. La difficulté estd’autant plus réelle que les caractéris-tiques temps/courant de pré-arc desfusibles HT (ou courbes de fusion) nesont pas normalisées. Dans la série R10des courants normalisés (16, 20, 25, 32,40, 50, 63, 80, 100, 125) il n’y a parfoisqu’une valeur qui respecte l’ensembledes contraintes. L’utilisateur est donc, àdéfaut d’avoir lui-même fait ladémarche complète de sélection,contraint de suivre les indications duconstructeur et ne pas improviserquant à l’utilisation des fusibles.

Moyennant le respect de ces règles, l’uti-lisation du combiné interrupteur-fusiblepour la protection des transformateursest un moyen efficace et économique.

La protection par disjoncteur

La protection par disjoncteur a desavantages et des inconvénients.

Avantages

Par comparaison avec la protection parfusibles où il faut remplacer les fusiblesaprès fonctionnement sur défaut, le dis-joncteur a un avantage pratique évi-dent puisque le ré-enclenchement peutêtre effectué dès que la cause du défauta été identifiée et éliminée, sans inter-vention d’un opérateur sur l’appareil decoupure pour remplacer des éléments.La réalisation d’ensembles compactsavec des disjoncteurs est d’autant plusaisée qu’il ne faut pas prévoir toutes lessécurités nécessaires pour accéder auxfusibles HT sans mettre l’installationhors service.

Le pouvoir de coupure des disjoncteurscouvre facilement toute la gamme dessurintensités, y compris dans la zonedes courants de surcharge, ce qui n’estpas le cas pour les fusibles.

L’utilisation d’une chaîne de protectioncomplète avec capteur de courant,relais et disjoncteur permet de réaliserdes fonctions plus complètes et plusfacilement paramétrables.

Particularités

Une des particularités dont il faut s’ac-commoder, c’est la nécessité de prévoirune alimentation du relais de protec-tion, alors que les appareils sont placésdans des cabines qui ne disposent pasde source de tension sécurisée (atelier

Revue E tijdschrift– 125me année/125ste jaargang – n° 2-2009 (juin/juni 2009) 13

Appareils de coupure

2 Plus précisément, la tension transitoire derétablissement après coupure.

Fig. 6: Essai de vérification d’une chaîne de protection intégrée au disjoncteur

d’énergie – redresseur/batterie). Lasolution ancienne consistait à utiliserdes «relais directs», soit des capteurs desurintensité, directement placés sur lesconducteurs parcourus par le courantde service et donc mis au potentiel deces conducteurs (le réglage ne peut sefaire qu’après mise hors service de lacellule) et actionnant mécaniquement ledéclenchement à l’aide d’une tringlerieisolante. Cette technologie est actuelle-ment abandonnée.

Par opposition, on désigne par protec-tion indirecte la chaîne de protectionavec transformateur/capteur de cou-rant assurant l’isolation entre le circuitprincipal et le circuit de protection pro-prement dit.

La question de l’alimentation des relaisn’est pas résolue pour autant, sauf àutiliser une chaîne de protection auto-nome dans laquelle l’énergie nécessaireau fonctionnement du relais de protec-tion est prélevée sur le courant de ser-vice au travers du capteur de courant.

Généralement, la chaîne de protectionautonome est intégrée, c-à-d inclusedans le module disjoncteur, on parlealors de disjoncteur à protection inté-grée, l’ensemble étant totalement auto-nome et parfaitement adapté à l’usagedans une cabine de distribution.

Inconvénients

La Fig. 2 illustre parfaitement le désa-vantage de la protection par disjonc-teur: le temps d’élimination des surin-tensités élevées est nettement supé-rieur à celui que l’on peut obtenir avecdes fusibles. Le temps d’élimination dudéfaut est la somme de trois compo-santes:

– le temps de réaction du relais;– le temps d’ouverture mécanique et deséparation des contacts;– le temps d’arc.

Le temps d’arc est typiquement d’unedizaine de ms; combiné avec le tempsde séparation des contacts, le tempspropre au disjoncteur (entre réceptionde l’impulsion de déclenchement etextinction de l’arc) est typiquement de60 à 70 ms mais il existe des disjonc-teurs rapides («commandes 1 cycle»)pour lesquels le temps est de 30 ms.Le relais quant à lui doit traiter numé-riquement le signal courant transmis

par les capteurs. On comprend bien quele temps de traitement est de l’ordre degrandeur de la période d’un signal 50 Hz, à savoir 20 ms. En réalité, letemps de réaction est de 30 à 50 ms, entout cas pour un relais qui, au momentdu défaut, dispose de la réserve d’énergienécessaire à son fonctionnement.

A ce sujet, 3 situations se présentent:

– Relais ‘dual-powered’: outre l’alimen-tation par le courant de service le relaisest alimenté par une source externe,non-fiabilisée, prise par exemple sur leréseau de distribution BT ; la combinai-son des deux sources assure une fiabili-té totale et un fonctionnement accélérélorsque la source externe est disponible,c-à-d pratiquement dans tous les cas.– Protection autonome dans la situa-tion où le courant de service avant ledéfaut est suffisant pour alimenter lerelais.– Protection autonome dans la situa-tion où le courant de service avant ledéfaut est insuffisant pour alimenter lerelais ; le système prélève l’énergie surle courant de défaut, ce qui ajoute undélai supplémentaire.

Dans ces trois cas, les temps de fonc-tionnement de la chaine de protectionsont:

Relais ‘dual powered’ alimenté30 – 50 ms

Relais autonome, «pré-chargé»30 – 55 ms

Relais autonome, non «pré-chargé»35 – 65 ms

A noter aussi que pour des relais auto-nomes, il y a un courant minimum endessous duquel le relais n’est pas suffi-samment alimenté et en pratique il esttrès difficile de déclencher pour desniveaux correspondant à 200 kVA.

Au total, on peut considérer qu’avec lestechnologies appliquées dans lescabines de distribution, les temps d’éli-mination des défauts par disjoncteurssont de:

– 60 à 90 ms pour les disjoncteurs«rapides»;– 90 à 135 ms pour les disjoncteurs«classiques».

Comportement des transformateurs(à bain d’huile) en défaut

Le danger que l’on veut éviter dans lecas des transformateurs de distributionà bain d’huile est l’initiation d’un incen-die qui pourrait résulter de la rupturede la cuve suite à un défaut interne etla projection de flammes et d’huile.

L’expérience que l’on a de la protectiondes transformateurs de distribution esttrès rassurante à ce sujet et les méca-nismes qui entrent en jeu sont bienconnus. Une étude poussée a été faite(cfr [2]) afin de confirmer la pertinencedes pratiques courantes qui ont étéultérieurement formalisées et codifiées(cfr chapitres suivants).

Les transformateurs de distribution àbain d’huile sont actuellement (quasisans exception) de type hermétique àremplissage intégral. Cela signifie quela cuve est soudée (ou hermétiquementboulonnée) et est conçue pour assurerune étanchéité tout au long de la duréede vie du transformateur, soit plus de30 ans. Le remplissage de la cuve se faitsous vide de manière à éviter la présencede matelas gazeux sous la face supé-rieure de la cuve.

Un tel design implique que la cuve soitsuffisamment flexible pour s’adapteraux variations de volume dues à la dila-tation thermique de l’huile. C’est le casgrâce aux ailettes de refroidissementqui forment les parois latérales et sontconçues pour se déformer légèrement(mais de façon nettement visible) etlimiter la montée en pression.

Typiquement, la montée en pressiondans les conditions extrêmes de tempé-

Revue E tijdschrift– 125ste jaargang/125ème année – n° 2-2009 (juni/juin 2009)14

Schakelapparatuur

Fig. 7: Transformateur à bain d’huile

rature est de l’ordre de 0.2 Bar relatif.A vide et avec des températuresambiantes inférieure 15°C, on peut éga-lement avoir une dépression.

Les transformateurs sont soumis quoti-diennement à ces variations de pres-sions, également de saison en saison,c’est la raison pour laquelle la résistanceà la fatigue mécanique fait l’objet d’essais de type.

Si un défaut interne donne lieu à la pro-duction de gaz, il y aura une montée enpression qui est fonction de la quantitéde gaz produits et de l’élasticité de lacuve. C’est à ce niveau que l’on doitconstater que la montée en pression seraplus importante pour un petit transfor-mateur. En effet, le type de défaut, l’éner-gie développée, la production de gaz3 nedépendant pas directement de la tailledu transformateur tandis que l’élasticité(mesurée en litres /bar) est évidemmentplus grande pour les transformateurs deplus grande taille.

Ce qui est important pour pouvoirmettre en place une protection efficacec’est de connaître d’une part l’évolutionde la surintensité au cours du dévelop-pement du défaut et, d’autre part lavitesse de la montée en pression afin des’assurer que la protection élimine ledéfaut avant que la pression n’atteignedes valeurs supérieures à la limite detenue des cuves.

Ceci est d’autant plus important quepour des surintensités faibles, lesfusibles sont lents à réagir. Les essaissur des transformateurs de distributionont montré que

– un arc direct dans la cuve entre lesconnexions primaires, non éliminé rapi-dement (50.. 100 ms) peut provoquer larupture de la cuve; ce n’est pas un pro-blème pour les fusibles, mais c’en est unpour les disjoncteurs;– la montée en pression est progressive(autrement dit la rupture ne se fait passous l’effet d’une onde de choc);– les défauts dans les enroulementsévoluent de façon erratique mais génè-rent en temps utile des courants provo-quant un fonctionnement efficace desfusibles;– les défauts au niveau des enroule-ments secondaires sont les plus cri-tiques;– la protection par fusibles est efficace,elle peut être améliorée par l’utilisation

de détecteurs de pression qui peuventla doubler et aussi couvrir les cas d’évo-lution lente d’un défaut latent.

Ces résultats corroborent la pratiqued’exploitation; parmi les dizaines de casde défaut expertisés par les auteurs, unseul a donné lieu à une perforationlocale de la cuve suite un passage ducourant de défaut BT par la cuve métal-lique.

En conclusion, la protection des petitstransformateurs se fera préférentielle-ment par fusibles. Si la protection pardisjoncteur est appliquée à des trans-formateurs de taille modeste, il y a lieude mettre en œuvre des disjoncteursrapides. Par ailleurs les transforma-teurs de plus grande taille (> 630 kVA),on sort du domaine d’application desfusibles et la protection par disjoncteurs’impose.

Si les risques résiduels encourus en casde défaillance sont élevés, le meilleurmoyen de compléter la protection estd’inclure un système de détection depression (p.ex. bâtiments à risque).

Ceci montre bien que la protection destransformateurs de distribution sesitue dans une zone frontière entre l’ap-plication de deux technologies diffé-rentes et qu’une guidance formelle étaitnécessaire pour cette application. C’estl’objet des chapitres suivants.

Protections à prévoir dans lescabines raccordées au réseau dedistribution moyenne tension

Les gestionnaires des réseaux belgesont publié sur le site de Synergrid, ledocument C2-112 intitulé «Prescri-ptions techniques de raccordement auréseau de distribution haute tension».Ce document, complété par sa note d’interprétation C2-116, précise le typede matériel adapté à la protection destransformateurs MT/BT. Le matérielagréé pour être raccordé au réseau dedistribution est répertorié au documentC2-117 disponible sous la rubrique«matériel reconnu».

Deux modes de protection de transfor-mateur peuvent être appliqués:

– L’association d’une protection contreles courts-circuits par un combinéinterrupteur-fusibles avec une protec-tion contre les surcharges par disjonc-

teur BT équipé de relais thermiquesadaptés à la surcharge autorisée. Cettedernière protection peut également êtreassurée par un contrôle de la tempéra-ture de l’huile du transformateur (ther-mostat) actionnant l’ouverture du com-biné interrupteur-fusibles par l’inter-médiaire d’une bobine à émission.Comme expliqué plus haut, l’associa-tion des fusibles et du combiné inter-rupteur doit être judicieusement choi-sie, suivant les instructions du fabri-cant de l’appareil. Etant donné la diffi-culté de fabriquer des fusibles fiablespour des intensités importantes, cemode de protection est généralementlimité à une puissance maximale dutransformateur de 800 kVA pour lestensions de service les plus courantes.Les performances à l’échauffement del’appareil sont particulièrement impor-tantes pour protéger les transforma-teurs ayant des puissances élevées (>400 kVA), les températures maximalesdes contacts risquant d’être dépasséesen fonction de la dissipation de chaleurémise par les fusibles parcourus par lecourant. La puissance dissipée maxi-male admise par l’appareil est donnéeau document C2-117 dans la colonne«Ur/Ir ou W-Iassocié/Irth» pour les cel-lules protection transformateur parcombiné.– La protection contre les courts-cir-cuits et les surcharges par disjoncteurHT associé à des relais indirects équi-pés d'une chaîne de protection autono-me intégrée, sans source d'alimentationextérieure. Ce mode de protection estobligatoire pour des transformateurs depuissances supérieures à 800 kVA (ouégales, en fonction de la tension). Ilpeut être mis en œuvre pour des puis-sances inférieures en fonction descaractéristiques de tenue thermiquesdes appareils raccordés en aval. Lerelais indirect, tout en étant alimentépar le courant de défaut, peut néan-moins disposer d’une seconde alimenta-tion, ce qui lui permet de réagir plusrapidement.

Protection des transformateurs dedistribution

Comme nous l’avons vu dans les cha-pitres précédents, le choix de la protec-tion optimale des transformateurs dedistribution dépend de leur puissanceou de paramètres qui y sont liés tels

Revue E tijdschrift– 125ste jaargang/125ème année – n° 2-2009 (juni/juin 2009)16

Schakelapparatuur

3 On trouvera en [2] les ordres de grandeursdes quantités mises en jeu.

que la dimension de sa cuve, sa tensionassignée et son courant assigné.Synergrid, qui représente l’ensembledes gestionnaires de réseaux deBelgique, a publié sur son site web

www.synergrid.be le document C2-120intitulé «Les règles de bonne pratiquepour la protection des transformateursde distribution» afin de guider l’utilisa-teur dans ce choix. Bien que ce docu-

ment ait été écrit pour conseiller lesgestionnaires de réseaux, ses recom-mandations sont bien entendu égale-ment valables pour tous les transfor-mateur MT/BT.

Revue E tijdschrift– 125me année/125ste jaargang – n° 2-2009 (juin/juni 2009) 17

Appareils de coupure

Fig. 8: Logigramme 2 du C2/120 - 02.2007 de Synergrid

Revue E tijdschrift– 125me année/125ste jaargang – n° 2-2009 (juin/juni 2009) 19

Appareils de coupureCe document reprend les différents dis-positifs principaux et complémentairesqui permettent de bien protégér lestransformateurs. Il décrit les règles àobserver pour respecter les obligationslégales ainsi que des recommandationsd’installation des protections en fonctiondu lieu d’installation du transformateuret de son type de gestion de charge.

En particulier, il classe les disjoncteursde protection de transformateurs en 3catégories en fonction de leur tempstotal de déclenchement. Celui-ci tientcompte du temps de coupure le plusdéfavorable du disjoncteur ainsi que dutemps de réaction le plus défavorabledu relais et de la chaîne mécanique defonctionnement, et ce en fonction de laprésence ou non d’une alimentation detype « dual ». Ces classes sont adaptéesà la protection des transformateurs enfonction de leur puissance. CertainsGRD ont mentionné ces caractéris-tiques de rapidité basée sur le temps dedéclenchement dans leurs listes dematériel agréés (document C2/117publié sur le site de Synergrid).

Afin de faciliter la sélection du type deprotection à utiliser en fonction du lieud’installation du transformateur et deson type de gestion de charge, le docu-ment C2-120 propose divers logi-grammes tenant compte de la naturedu risque contre lequel le transforma-teur doit être protégé.

L’exemple du logigramme permettantde choisir le type de protection la plusappropriée en fonction de la puissancedu transformateur est présenté en Fig. 8.

Cas particulier des transformateurs secs

L’huile minérale isolante des transfor-mateurs a un pont d’éclair < 300 °C. Dece fait, des précautions particulièrespour la protection contre les incendiessont prévues pour des bâtiments danslesquels les conséquences d’un incendiesont aggravées par la disposition deslieux (p.ex. bâtiments élevés) ou leuraffectation (p .ex. hôpitaux).

L’avantage des transformateurs secsest qu’ils ne sont pas soumis à ces exi-gences complémentaires. Toutefois,avec des parties actives dans l‘air, ilsintroduisent un autre type de risque, àsavoir le risque d’arc électrique dans

des locaux et donc des risques pour lasécurité des personnes et des locaux.Réintroduire par le biais de transfor-mateurs secs un risque d’arc électriquedans les locaux alors que de gros effortsont été consentis pour maîtriser et éli-miner ce risque au niveau de l’appa-reillage électrique (tableaux électriques– cfr les autres articles à ce sujet dansla présente revue) est contraire à l’évo-lution récente.

C’est la raison pour laquelle les ges-tionnaires de réseaux imposent de placer ces transformateurs de type secdans un local séparé, afin d’éviter lesrisques pour les travailleurs qui sontamenés à pénétrer dans le local demanœuvre de la cabine.

Lorsque l’utilisation de liquides iso-lants avec un point d’éclair < 300 °Cn’est pas possible, par exemple pourrépondre aux impositions des servicesincendie, les transformateurs à isola-tion dans l’huile de silicone ou d’esthernaturel ou synthétique sont une alter-native intéressante aux transforma-teurs secs car combinent les avantagesdes 2 technologies.

Conclusions

La coupure des courants par fusibles etla coupure par disjoncteur sont deuxméthodes qui différent fondamentale-ment quant au principe de fonctionne-ment, chacune des technologies ayantses avantages et inconvénients.L’application à la protection des trans-formateurs de distribution est à la croi-sée de ces deux techniques et selon lataille des transformateurs à protéger, ilest fait appel à l’une ou à l’autre.

Les règles de bonne pratique sont défi-nies et validées par dans les publica-tions en la matière.

Références

[1] Règlement Général des Installations élec-triques (RGIE)

[2] Safety of distribution transformersagainst internal failure; A. Even, M.Desmedt, R. Van Schevensteen CIRED1997 paper 1.17

[3] Current-Limiting Fuses Improve PowerQuality; R. Wilkins, H.C. Cline PowerQuality Assurance magazine – September1999

[4] Les règles de bonne pratique pour la pro-tection des transformateurs de distribu-tion Synergrid http://www.synergrid.be/download.cfm?fileId=C2-120FR022007.pdf

[5] Prescriptions techniques de raccordementau réseau de distribution haute tension;http://www.synergrid.be/Media/C2-112FR03_2004.pdf

[6] Note d’interprétation du documentC2/112; http://www.synergrid.be/down-load.cfm?fileId=C2-116_FR_090529.pdf

Les auteurs

Yvan Tits, né en 1957.Ingénieur industrielélectricien-électroni-cien - 1979 (ISIL), for-mation complémentaireen gestion d’entreprise- 1980 et conseiller enprévention niveau I -1987 (ULg). Dans lasociété Intercom, a étéresponsable de la

construction des réseaux électriques de larégion de La Louvière en 1984-1985. Faitpartie du bureau d’étude de la zone Hainauten 1985-1986. Responsable de l’exploitationdes réseaux gaz de la région de Mons de 1986à 1989. Responsable de la coordination de latechnologie du matériel des réseaux de distri-bution d’Electrabel de 1990 à 2000. Expert enéquipements de réseaux électriques de distri-bution puis «Technology manager» de cetteactivité à Laborelec à partie de 2001, périodeau cours de laquelle il effectue également unretour de 2 ans dans le réseau de distributionWallons.

André Even estconsultant indépendantau service des sociétésdu secteur de la distri-bution et de l’utilisationde l’électricité.Diplôme de l’universitéde Liège, InstitutMontéfiore, en 1971 ild’abord travaillé dans lacoopération universitaire

comme chargé de cours à l’université deConcepcion au Chili, est ensuite entré dans lesecteur électrique belge, d’abord en bureaud’étude ELECTROBEL pour lequel il anotamment suivi des chantiers de construc-tion de postes HT en Algérie. Il a passé la plusgrande partie de sa carrière à Laborelec,d’abord comme spécialiste en coordinationd’isolement et simulation des phénomènestransitoires en réseau. Ensuite il a dirigé àLaborelec les laboratoires d’essais HT etcourts-circuits et, enfin, il a été Accountmanager et coordinateur de projets de R&D.