La protection des transformateurs de distribution

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Appareils de coupure
Résumé
Les transformateurs de distribution sont présents en grand nombre dans tous les environnements urbanisés. Ils
doivent être protégés efficacement pour assurer la sécurité des biens et des personnes, en particulier au niveau
des risques d’incendie car la majorité de ces transformateurs sont immergés dans des cuves remplies d’huile
minérale.
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, selon
la taille des transformateurs à protéger, il est fait appel à l’une ou à l’autre. La connaissance des mécanismes
de 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. Dans
la deuxième partie de cet article, on donne un aperçu de ces règles telles qu’elles sont définies et validées dans
les publications.
Summary
Distribution transformers are present in large numbers in all urban environments. They must be adequately
protected to ensure the safety of persons and property, particularly at the level of fire risk because the majority
of these transformersare 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, eachtechnology 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 transformers
to protect, the one or the other is used.
Knowledge of internal failure mechanisms and their evolution is fundamental in choosing the appropriate type
of protection. The rules of best practice differ for public distribution and private facilities. In the second part of
this article, we give an overview of these rules as defined and validated in the literature.
La protection des transformateurs de
distribution
Yvan Tits, Laborelec; André Even, EvenConsults
Samenvatting
Distributietransformatoren zijn aanwezig in grote aantallen in alle stedelijke omgevingen. Ze dienen efficient
beveiligd te worden om de veiligheid van personen en goederen te verzekeren, in het bijzonder op het niveau van
brandgevaar 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 toepassing
van 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 de
gepaste 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 en
gevalideerd worden in de literatuur.

Introduction
Cet article traite des transformateurs
dans la gamme de 100 à 1000 kVA qui
sont largement utilisés dans les
réseaux de distribution publique pour
l’alimentation des réseaux basse ten-
sion (BT) et dans les installations pri-
vées raccordées en HT. Ils méritent une
attention particulière à plusieurs
titres.
Ils sont souvent installés au cœur de
bâtiments dont la sécurité peut être
mise en danger en cas d’avarie grave.
Lerisque d’incendie est très présent à
l’esprit du législateur et des exploi-
tants, y compris le fait que le transfor-
mateur est susceptible de jouer le rôle
de combustible passif dans de telles cir-
constances.
Ils sont aussi utilisés en très grand
nombre; l’ordre de grandeur du nombre
d’unités en service en Belgique est de
100.000 et, dans l’absolu, cela augmente
forcément les risques. Par ailleurs c’est
aussi une raison pour concevoir une
protection qui assure la sécurité tout en
restant aussi économique que possible.
La préoccupation vient principalement
des transformateurs à bain d’huile,
c-à-d ceux dont les parties actives sont
immergées dans une huile minérale
isolante. Il s’agit de prendre les précau-
tions pour éviter qu’en cas de défaut
interne au transformateur, il y ait rup-
ture de la cuve et projection d’huile et
de flammes. Le rôle de la protection est
donc d’empêcher ce qu’il est convenu
d’appeler des manifestations exté-
rieures qui mettraient en péril les
locaux environnants et les personnes
qui s’y trouvent.
Dans sa nomenclature des surintensi-
tés contre lesquelles il faut protéger les
machines électriques, le RGIE dis-
tingue les courants de surcharges, les
courants de défauts impédants et les
courants de courts-circuits. Concernant
ces derniers, en particulier en cas de
court-circuit dans les circuits alimentés
par les transformateurs,et donc un
court-circuit externe au transforma-
teur, l’intégrité de celui-ci est assurée
par les exigences de la norme et
dûment vérifiée par des essais en vraie
grandeur. Du point de vue de la tenue
du transformateur, il faut que le court-
circuit externe soit éliminé dans un
délai 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 bien
maîtrisé) sort du cadre du présent
article qui se concentre sur l’élimina-
tion des autres types de surintensité.
La question de la protection se pose
aussi parce qu’il y a deux types d’appa-
reillage utilisés pour la coupure des
surintensités en amont des transforma-
teurs de distribution, à savoir les
fusibles combinés avec un interrupteur
et les disjoncteurs. Chacun de ces maté-
riels a ses avantages et inconvénients
et il se trouve que l’application «protec-
tion des transformateurs de distribu-
tion» se positionne en plein dans la zone
frontière délimitant les domaines préfé-
rentiels d’application de l’une et l’autre
de ces technologies. Il y a matière à
réflexion si l’on veut opérer le meilleur
choix. Comme on le verra par la suite,
cela se traduit concrètement par des
logigrammes permettant effectivement
d’adopter les meilleures pratiques. Les
particularités de ces types d’appareillage
seront exposées ci-dessous, en prélimi-
naire à la description du comportement
des transformateurs en cas de défaut.
Les principes de protection sont basés
sur l’expérience concernant le compor-
tement des transformateurs en défaut.
Nous exposerons également les ensei-
gnements que l’on peut retenir d’une
campagne d’essais en vraie grandeur et
qui a été à la base d’une réflexion sur
les pratiques à adopter.
Ensuite, nous passons en revue les dis-
positions qui s’appliquent aux 3 cas de
figure 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 des
transformateurs secs (par opposition
aux transformateurs à bain d’huile).
Les combinés interrupteur-fusible
Il y a une grande différence entre les
principes de coupure mis en jeu dans
les fusibles d’une part et dans les dis-
joncteurs d’autre part. Les fusibles dont
il est question ici sont les fusibles limi-
teurs1qui ont pour caractéristique
principale 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 la
fusion de l’élément conducteur, un arc
électrique de grande longueur (grâce au
développement spirale du filfusible),
énergiquement refroidi par le sable de
remplissage, avec une tension d’arc
bien supérieure à la tension de service.
Cette force contre-électromotrice qui se
développe dès la première milliseconde
de la fusion force la diminution du cou-
rant et l’éteint extrêmement rapide-
ment. La durée d’arc n’est que de
quelques millisecondes, le temps total
de coupure est quant à lui influencé par
la durée de fusion de l’élément fusible
(temps de pré-arc) qui dépend de l’in-
tensité du courant à couper (=> courbes
temps courant de pré-arc).
Il en va tout autrement de la coupure
dans un disjoncteur qui maîtrise le cou-
rant non pas en développant une force
contre-électromotrice élevée, mais en
refroidissant et soufflant l’arc de
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Schakelapparatuur
1La catégorie des ‘fusibles limiteurs’ s’oppose
àcelle des ‘fusibles à expulsion’ qui n’est pas
utilisée en Europe.
Fig. 1: Oscillogramme de coupure par fusible

manière à le rendre suffisamment
instable pour qu’il s’éteigne à l’occasion
du passage naturel par zéro. Le temps
de coupure par un disjoncteur résulte
de la concaténation du temps de fonc-
tionnement du relais de protection, du
temps d’ouverture mécanique et de
séparation des contacts et enfin du
temps d’arc.
Typiquement, là où un fusible maîtrise
le 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’assurer
une élimination très rapide des grands
courants et de limiter de façon très
spectaculaire les conséquences des
défauts puisque l’énergie libérée dans
le défaut est en première approxima-
tion directement proportionnelle à l’in-
tensité et à la durée du défaut. De ce
point de vue, les fusibles ont un avantage
notable par rapport aux disjoncteurs.
Il y a cependant plusieurs facteurs qui
limitent ou en tout cas compliquent
l’utilisation des fusibles.
Limitation en tension
L’effet limiteur est lié à la longueur de
l’arc qui se développe dans le fusible;
dans le volume confiné d’un fusible, la
longueur de l’arc ne peut être augmen-
tée indéfiniment sans perdre le contrô-
le. D’autre part, après fonctionnement
du fusible, il faut obtenir une rigidité
diélectrique suffisante entre les pôles
de l’appareil. En pratique, ceci limite
l’usage des fusibles à la gamme des
‘moyennes tensions’ jusqu’à 36 kV. Ce
n’est donc pas une contrainte pour l’ap-
plication en distribution.
Limitation en courant
L’élément fusible est parcouru par le
plein courant du circuit à protéger. Cela
provoque une dissipation de chaleur
qui, en régime normal, peut dépasser
100 W par fusible, soit 300 W par cellu-
le triphasée. C’est un problème poten-
tiel qui est d’autant plus aigu que le
courant assigné du fusible est élevé.
C’est pourquoi, l’utilisation de fusibles
est 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
AVWdgZaZX! Xdci^cjdjhan dc i]Z ^ccdkVi^dc eVi]!
]Zaeh ndj ^c ^cXgZVh^c\ i]Z gZa^VW^a^in d[ ndjg cZildg` gZ\VgY^c\/
i]Z fjVa^in Xdcigda d[ ZaZXig^XVa cZildg` Zfj^ebZci XVWaZh! hl^iX] \ZVg! igVch[dgbZgh! ###
i]Z YgVl^c\ je d[ Zfj^ebZci heZX^ÒXVi^dch [dg Y^hig^Wji^dc VcY ^cYjhig^Va cZildg`
i]Z XVjhZ d[ [V^ajgZ VcVanh^h d[ YZ[ZXi^kZ Zfj^ebZci Vi XjhidbZg h^iZ dg ^c aVWdgVidgn
Id \Zi i]dhZ i]gZZ dW_ZXi^kZh [jaÒaaZY h^bjaiVcZdjhan! eaZVhZ XdciVXi jh#
AVWdgZaZX 7Za\^jb AVWdgZaZX I]Z CZi]ZgaVcYh
GdYZhigVVi &'* 6bZg^`VaVVc (*
&+(% A^c`ZWZZ` +&.. 6: BVVhig^X]i"6^gedgi
7Za\^jb I]Z CZi]ZgaVcYh
I# (' '(-' %' && I# (& )( (+ ,* %%%
;# (' '(-' %' )&
lll#aVWdgZaZX#Xdb
_d\e6bWXeh[b[Y$Yec

Non-fonctionnement en protection
contre les surcharges
La maîtrise de l’arc qui se développe
après la fusion de l’élément fusible
repose d’une part sur une bonne distri-
bution des points de fusion le long de
l’élément fusible et un refroidissement
énergique par le sable de remplissage
(création de « fulgurite » par fusion du
sable). Dans la zone des faibles cou-
rants, ces phénomènes sont instables et
le fusible ne va pas réussir à limiter et
maîtriser le courant. Il va ‘exploser’ et
constituer lui-même un défaut élec-
trique.
Cette caractéristique importante du
comportement des fusibles HT est par-
fois méconnue et pourtant il est essen-
tiel d’en tenir compte: les fusibles HT
ont un courant minimum de coupure
(désigné par I3dans les caractéris-
tiques) c’est à dire que dans la zone des
courants entre le courant assigné du
fusible et ce courant minimum coupure,
le fusible est en danger. En aucun cas il
ne peut être considéré pour assurer la
protection contre les surcharges.
Combinaison du fusible avec un
interrupteur
Pour remédier à cet inconvénient
majeur le fusible va être combiné à un
interrupteur qui possède les qualités
complémentaires,àsavoir qu’il est
capable de couper des surintensités
dans la gamme des courants peu élevés.
En combinant les capacités de coupure
de l’interrupteur et du fusible, on peut
couvrir de manière très efficace la
gamme complète des surintensités.
Le fonctionnement des fusibles est
autonome puisque c’est la surintensité
elle-même qui déclenche le processus
de coupure.Il n’en va pas de même d’un
interrupteur qui requiert un signal et
une source d’énergie extérieure pour
opérer la manœuvre d’ouverture. Les
interrupteurs sont le plus souvent
munis d’une commande manuelle à res-
sort qui, au moment de la manœuvre de
fermeture, accumule l’énergie nécessaire
àla manœuvre d’ouverture qui pourra
être déclenchée ultérieurement par
impulsion mécanique ou électrique.
Dans les «combinés interrupteur-
fusibles» le déclenchement d’ouverture
est obtenu par l’action des percuteurs
(voir Fig. 4) libérés par les fusibles à
l’instant même où le filfusible fond.
Grâce à cette action rapide, si le fusible
est 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 interrompt
proprement le courant. Par contre, si la
surintensité est très forte, le fusible a
terminé la coupure bien avant que les
contacts de l’interrupteur aient eu le
temps de se séparer et de mettre ce der-
nier en difficulté. La combinaison de
ces deux modes de coupure donne un
appareil remarquablement économique
et fiable.
L’application des combinés interrup-
teur-fusible pour la protection des
transformateurs nécessite de respecter
plusieurs règles concernant le choix des
courants nominaux des fusibles.
Fonctionnement en régime normal
Le courant du transformateur ne doit
pas dépasser le courant nominal des
fusibles utilisés.Le choix doit être fait
en prenant en compte les surcharges
admissibles sur les transformateurs
ainsi que le déclassement éventuel lié à
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Schakelapparatuur
Fig. 5: Oscillogramme de coupure par disjoncteur
Fig. 4: Réalisations ancienne et moderne de combinés interrupteurs fusibles
Fig. 3: Fusibles dont un avec
percuteur sorti

l’échauffement additionnel lorsque les
fusibles sont logés dans des alvéoles et
ne sont pas refroidis au contact de l’air
ambiant. Le déclassement dû à cet effet
thermique dépend du type de fusible et
dutype d’appareillage dans lequel le
fusible est placé. L’utilisateur se référera
aux indications du constructeur à ce
sujet.
Passage des courants
d’enclenchement
Lorsqu’on enclenche un transforma-
teur, le transitoire de magnétisation
crée un appel de courant élevé («inrush
current») qui se maintient et met plu-
sieurs secondes avant de disparaitre
totalement. Il faut évidemment que les
fusibles s’abstiennent de fonctionner à
l’occasion de l’enclenchement et donc ne
soient pas trop rapides dans cette zone
de courant.
Coordination entre les capacités
de coupure de l’interrupteur et des
fusibles
Pour une surintensité dépassant le
pouvoir de coupure de l’interrupteur, il
faut que les fusibles soient suffisam-
ment rapides pour couper le courant
avant que l’interrupteur n’entre en
action. Dans ce contexte, on utilise la
notion de courant de transition. Pour
une combinaison particulière d’inter-
rupteur (caractérisé par son délai
mécanique d’ouverture) et de fusible
(caractérisé par sa courbe de
temps/courant et les tolérances sur
cette courbe), le courant de transition
est le courant de défaut triphasé le plus
élevé pouvant donner lieu à une coupu-
re par fusible sur une phase, suivie par
une coupure par l’interrupteur sur les
autres phases. Les normes donnent une
règle simple pour déterminer ce cou-
rant de transition pour une combinai-
son particulière d’interrupteur et de
fusible. Une caractéristique importante
de l’interrupteur est le courant de tran-
sition maximum qu’il peut prendre en
charge,il s’agit du courant de transi-
tion assigné de l’interrupteur. Lors de
l’application, l’utilisateur vérifie que le
courant de transition effectif est bien
inférieur au courant de transition assi-
gné de l’interrupteur utilisé.
Pouvoir de coupure au secondaire des
transformateurs: en cas de défaut franc
au secondaire des transformateurs,la
dynamique2du circuit concerné n’est
pas compatible avec le pouvoir de cou-
pure des interrupteurs. Pour éviter de
solliciter indûment l’interrupteur il
faut donc que le courant de transition
propre à l’application concernée soit
inférieur au courant de court-circuit
franc au secondaire du transformateur.
Un défaut au secondaire du transfor-
mateur doit être éliminé le plus
rapidement possible, y compris dans le
cas d’un défaut monophasé. La limite
ultime est que le défaut monophasé soit
éliminé en moins de 2 s.
La combinaison de ces contraintes,
telles qu’illustrée dans l’exemple de la
Fig. 5, laisse peu de marge sur le choix
du fusible à utiliser. La difficulté est
d’autant plus réelle que les caractéris-
tiques temps/courant de pré-arc des
fusibles HT (ou courbes de fusion) ne
sont pas normalisées. Dans la série R10
des courants normalisés (16, 20, 25, 32,
40, 50, 63, 80, 100, 125) il n’y a parfois
qu’une valeur qui respecte l’ensemble
des contraintes. L’utilisateur est donc, à
défaut d’avoir lui-même fait la
démarche complète de sélection,
contraint de suivre les indications du
constructeur et ne pas improviser
quant à l’utilisation des fusibles.
Moyennant le respect de ces règles, l’uti-
lisation du combiné interrupteur-fusible
pour la protection des transformateurs
est un moyen efficace et économique.
La protection par disjoncteur
La protection par disjoncteur a des
avantages et des inconvénients.
Avantages
Par comparaison avec la protection par
fusibles où il faut remplacer les fusibles
après fonctionnement sur défaut, le dis-
joncteur a un avantage pratique évi-
dent puisque le ré-enclenchement peut
être effectué dès que la cause du défaut
aété identifiée et éliminée, sans inter-
vention d’un opérateur sur l’appareil de
coupure pour remplacer des éléments.
La réalisation d’ensembles compacts
avec des disjoncteurs est d’autant plus
aisée qu’il ne faut pas prévoir toutes les
sécurités nécessaires pour accéder aux
fusibles HT sans mettre l’installation
hors service.
Le pouvoir de coupure des disjoncteurs
couvre facilement toute la gamme des
surintensités, y compris dans la zone
des courants de surcharge, ce qui n’est
pas le cas pour les fusibles.
L’utilisation d’une chaîne de protection
complète avec capteur de courant,
relais et disjoncteur permet de réaliser
des fonctions plus complètes et plus
facilement paramétrables.
Particularités
Une des particularités dont il faut s’ac-
commoder, c’est la nécessité de prévoir
une alimentation du relais de protec-
tion, alors que les appareils sont placés
dans des cabines qui ne disposent pas
de source de tension sécurisée (atelier
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Appareils de coupure
2Plus précisément, la tension transitoire de
rétablissement après coupure.
Fig. 6: Essai de vérification d’une chaîne de protection intégrée au disjoncteur