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TRANSFORMATEUR SEC A ENROULEMENTS ENROBES. CONDUGT~URS
OU INSTALLATIONS ~LECTRIQUES ANALOGUES ~T PROCEDE DE
PR~PARATION DE LEUR RESINE D'~NROBAG~.
L'invention a trait à l'amélioration de la tenue au feu
des conducteurs électriques enrobés mis en service à chaud.
Elle s'applique en particulier aux transformateurs secs
de puissance ou de distribution,dont les températures de tra--
vail dépassent classiquement de plus d'une centaine de degrés
10 centigrades la température ambiante~température de travail de
l'ordre de 140-150~C généralement). Aussi,et pour des raisons
de commodité uniquement, on se réfèrera pour la suite de :
l'exposé à l'exemple des transformateurs précités.
Dans ce type de transformateurs, réservés habituellement
15 à une gamme de tension allant de 3 à 36 kV, le bobinage est
noyé dans une résine synthétique isolante à propriétés di- ~.
électriques et présentant plusieurs millimètres d'épaisseur
~de 2à 5 mm par ex.). On rappelle,qu'outre sa fonction d'iso-
lation électrique, la résine a un role de protection contre
20 l'humidité et les poussières qui pourraient faire baisser la
tension de claquage.Elle protège également les bobinages élec -
triques contre un milieu ambiant pollué par des agents chi-
miques agressifs et joue un role important de tenue mécanique
en assurant la fixité des spires entre-elles dans le bobinage
25Gn sait néanmoins que, dans des conditions d'usage
extrêmes accidentelles,ou ~ la suite d'une anomalie,les trans
formatsurs peuvent braler.L'étude de leur comportement au feu
a permis de se rendre compte que,lorsque la résine d'enrobage :~
brûle, elle continue souvent à br~ler, meme si l'incendie qui
30 en est la eause a cessé, car, à partir d'une température cri-
tique qui lui est propre,la résine devient inflammable àl'air -
A ce stade, quelques rappels concernant la constitution
de ces résines peuvent s'avérer utiles pour la suite.
Les enrobages actuels pour transformateurs secs sont
35 des résines thermodurcissables, obtenues par chauffa~e d'un
mélange initial composé d'une résine proprement-dite (un epo-
xyde généralement) et d'un durcisseur,tel que de l'anhydride.
Un exemple classique est fourni par lss dérivés diglYcidi-
....
~ . .
2 132~072
ques éthers du _is-phénol A, plus couramment appelés DGEBA, ~
et formés par réaction entre le bis-phénol A et l'hépichloro- :
hydrine (voir l'USP 3,202,947 par ex.). Ces résines sont le ~
plus souvent réticulées et rendues infusibles et insolubles -
5 par addition d'amines et de polysulfures de basse masse molé- -
culaire(résine ARALDITE~R,par exemple).On trouve des exemples
autres parmi les polyesters thermodurcissables. Les propor-
tions pondérales sont classiquement de 50 % pour la résine et ;
de 50 % pour le durcisseur.
10Généralement, on utilise des résines chargées:la résine ;
liquide de départ recoit, avant l'addition du durcisseur, une :~
charge, souvent minérale, par exemple de la farine de quartz
(silice),ou de la laine de verre, dans des proportions pondé-
rales qui sont de l'ordre de 3 de charge pour l de résine. On ~
15 aura alors dans le mélange initial par exemple 20% de résine, --
60 % de silice et 20% de durcisseur. - -
Cette charge a pour rôle d'améliorer le comportement
thermomécanique et d'absorber une partie déjà de la chaleur
de polymérisation de la résine, ce qui permet d'éviter la
20 formation de fissures. Elle a également un r~le de renfort
mécanique, car la résine non chargée peut rester de consis- :
tance molle à la température de fonctionnement des transfor-
mateurs.
D'un autre coté,on utilise plutot des élastomères,comme
Ides résines de silicone, ou des r~sines polyesters, qui sont
¦25 des thermoplastiques, dans le cas notamment d'enrobage de
¦ .cables ou de fils, afin de leur autoriser une certaine sou-
plesse. Des exemples sont donnés par l'E.P.R (Ethylène-propy- ;
lène-rubber,l'E.V.A.(Ethylène vinyl acetate), ou le Polyéthy-
lène réticulé). -
30L'invention ne distingue pas selon le type de résine
(thermodurcissable, thermoplastique ou élastomère), dans la
mesure où cette résine est un matériau isolant destiné a Btre
utilisé 'à chaud" et présente donc de ce fait un bon compor-
tement thermo-mécanique aux températures de travail élevées
35 indiquées auparavant. Aussi, par commodité de language, on
appellera indi~féremment résine d'enrobage ou 'résine char-
i gée" la matière constitutive de l'enrob~ge isolant final '
formée par le mélange: résine proprement-dite, charge de
renfort (le cas échéant), et durcisseur éventuel (adjuvants
40 habituels compris,tels qu'accélérateur,flexibilisateur,etc.).
':
.- 3 132~072
Le but de l'invention est d'améliorer le comportement au
feu des conducteurs électriques enrobés, notamment les enrou-
lements des transformateu,rs secs, en accroissant, à leur tem-
pérature de servioe, la stabilité thermique de la résine
5 d'enrobage ignifu~e utilisée.
A cet effet, l'invention a pour objet un conducteur ou
enroulement éleotriques enrobés da-ns.une résine isolante char
~ée contenant une sub~tance i~ni~u~e par formation d'eau
quand la temp~rature s'~lève,tslle ~ue de l'alumine hydratée,
10 oaractérisés en ce que une ~raction de la charge, égale à au
moins 20~ du poids total de la résine d'enrobage, est consti-
tuée par ladite substance i~ni~uge, qui a été préalablement
deshydratée partiellement d'uns guantité telle qu'elle ne
provoque pas de ~ormation intempestive d'eau dans la résine
15 tant gue le conducteur enrobé est en service dans ses condi-
tions normales de température.
L'invention a encore pour~ objet un procédé de prépara-
tion d'une résine isolante chargée de ce type pour l'enrobage
des enroulements de6 trans~ormateurs secs, selon lequel on
20 ajoute a la résine liguide in~tiale une charge dont une frac-
tion,égale à au moins 20% du poids total de la résine d'enro-
bage, est constituée par une substance ayant des proprietés
igniiugeantes par ~ormation d'eau lorsque la température
s'élève, telle que de l'alumine hydratée, mais cs,aprè~ avoir
25 au ~r~alablo doshydrat~ partiollement la substance iani~uge,
par chau~aBe de pré~érence, a~in que, lors de l'utilisation
du trans~ormateur à sa températur~ de ~onctionnement nominal
il n'y ait pas de ~ormation intempe~tive d'eau au sein de la
résine pouvant nuire a sa qualité.
L'invention a également pour objet un transformateur sec
enrobé, dont au moins un enroulement électrique est enrobé
dans une masse ds résine isolantë ignifuge con~orme à'celle
obtenue par le procédé spéci~ié ci-avant.
Le role i~ni~u~eant de l'alumine trihydratée, en tant
qu'adjuvant aux résines d'enrobage pour cables éleotriques ou
pour transformateurs, est déj~ connu, par exemple du document
USP 3.20Z.947 d~à mentionné, Mals. ~amais ,~usqu'loi. à la con-
nalssanc~ des Inventsurs.on a pu mettre sn lumlbre l'avantage que
.
.
132~072
on pouvait paradoxalement attendre d'une meilleure stabilité
thermique de la résine en déshydratant préalablement partiel-
lement un tel adjuvant,alors qu'il agit comme igni~fuge préci-
sément en formant de l'eau.
;
L'invention sera bien comprise, et d'autres aspects et
avantages apparaitront plus clairement, au vu de la descrip-
tion détaillée qui suit, donnée en référence:
- aux tableaux I, II et III présentés dans le corps du texte -~
et exprimant la bonne tenue au feu d'une résine d'enrobage
selon l'invention; :
- au tableau IV, également présenté dans le corps de la
description, et donnant les caractéristiques principales
du profil du départ d'eau avec la montée en température :
15 pour un certa$n nombre de substances ignifuges; :
- aux figures 1 et 2 montrant l'évolution dans le temps de la :,-
perte de poids de différentes substances ignifuges utilisa-
bles, par formation et élimination d'eau, resultant de leur :
instabilité "à chaud" lorsqu'on les chauffe à température
20 constante. -:-
: ., .
On reprend successi~ement les deux caractéristiques :
essentielles de l'invention énoncées auparavant: ~
: :, .'
25 1) AJOUT EN OUANTITE SUFFISANTE D'~NE SUBSTANCE IGNIFUGEANTE
PAR FORMATION D'EAU DUE A UNE INSTABILITE A CHAUD.
La substance i~nifuge ajoutée peut 8tre de l'alumine
hydratée Al~C~, nHkO avec n=1,2, ou 3 de la magnésie bihydra~
tée,du borate de zinc, ou tout autre matière connue pour ses ''
30 propriétés d'autoextinguibilité par élimination d'eau et, de
préférence, capable en outre, tout comme la silice,de renfor- ~ -
cer la résine. On pourra donner préférence à l'alumine trihy-
dratée, qui s'est avérée être l'ignifuge le plus efficace, et :
qui, de surcroit, ne dé~age pas, ou peu de fumée.
La réaction de formation d'eau peut s'écrire : -
2 Al(OH)~ ----> Al2~ + 3 H20
La vitesse de cette réaction augmente dans le sens de la
flèche avec la température, et son endothermicité retarde,
voire empeche,l'atteinte du seuil d'allumage de la résine.
' :-
..
132~072
On verra plus loin que cette vitesse nJévolue pas liné-
airement avec la température, mais qu'il se forme un pic de
départ intense d'eau caractéristique de la substance, et dont
un intéret déterminant est qu'il apparait à des températures
5 situées précisément dans la zone de surchauffe à risque, donc
en de~à de la température critique dJinflammibilité de la
résine d'enrobage.
LJAl(OH)~ peut 8tre aisément mélangé à la charge miné-
rale de départ,puisqu'ils se présentent,tous deux, sous forme
10 de matière solide en poudre ou de grains fins.
Au lieu de 60% en poids de SiO~ dans la résine finale,
on y substitue, pour majeure part, de la substance ignifuge.
On réalise ainsi, par exemple, un mélange représentant 50
d'Al(OH)~ et 10 % seulement de Si~. LJex~érience a cependant
15 montré que l'on pouvait baisser la quantité dJAl(OH)~ jusquJà
25 %(donc 35~ de SiO-), sans nuire de ~aCon significative aux
qualités de bonne tenue au feu de l'enrobageJ dues à la
présence de la substance ignifuge.
Ces valeurs, établies pour une charge initiale de 60 %
20 en poids peuvent bien entendu ~tre modifiées si cette propor-
tion varie.
Les tableaux I,II et III ci-après fournissent des indi-
cations et des résultats chiffrés d'essais réalisés en labo-
25 ratoire sur un transformateur sec, montrant l'effet de subs-
tances igni~uges (ici Al(OH)~ et Borate de Zinc) sur les
valeurs de parametres reconnus comme représentatifs de la
tenue au feu des matériaux et en particulier des résines
d'enrobage des enroulements des transformateurs secs,à sa~oir
30 l'Indice d'Oxygène, la Vitesse de Combustion et le Pou~oir
Calorifique Supérieur. ~
~ :.': '
, ~
, /
.
6 1325072 ;
,.. ..
TABLEAU I : Indlces ~'OxY~ène ~I.O )
Température de mesure ' 20~C ' 80~C ' 150~C' 200~C
,_____________________----,----, . . . .
,Indice d'Oz (I.O.) , 30 , Z7 ' Z3,5 , 21 , : .
minimal imposé
===================================================~ ... ',::.
ALUMINE TRI-HYDRAT~ , ::-:
,_______________________ --------, , :
IT~OX D_l 70% de Si02 ~ 30 ~ 28 ~ 24 ~ 19 ,
~c~c~ ~c ,_______________,______,______,______,______, :
20% de S i02 et ~ 39 ~ 37 ~ 32 ~ 31
~Ox '50% d~Al(OH)~
,_______,_______ ,-- , . . . . . .
, ,60% de SiOz , ~ 26 ' / ' f , / , : .:
50% de Si02 et , ~ 25
10% d'Al(OH~
,_______________,---------- , , , , ~ : :
, ,40% de SiOz et ~ ~ 27
, ,20% d'Al(OH)~
,______________--,---- , , , , :,~:
~T~X ~C '35% de Si02 et , ~ 30 ~ ~ 28 , ~ Z5 ' ~ 20 , :~ -
~c~o- '25% d~Al(oH)~
25 , TOT~ t
' ~Ox ,25% de Si02 et ,28-31 ,28-31 ,24-27 '1~-22 , : :
t ,35% d'Al~OH)~ ~ , , , . .
~______________~,____ I , . . .
' l20% de SiO2 et ~30-33 '2~-33 '25-28 ,23-24 ~ .-
~ ~40% d'Al(OH)~ ~ , ' , , . .
,______________--, . . . .
10% de Si02 et ~32-35 '30-32 '27-2~ ~24-26
50% d'Al~OH~
~===================================================, . .
' BO~ATE DE ZINC ' :
,_____________ , ,:
~T~X c~'10% de Si02 et '~ 32.5'
TOT.-O-~ 55% de Borate ' ' pas de valeurs
,___________--_-- -- , : . :
~T~OX D~ 10% de Si02 et ~ 30.3,
,c~O~ ~50% de Borate ' ' pas de valeurs
I ~TOT~o ~----------------____________________ ~
¦ ~ ~ox ~60% de Borate ,~ 33.6, pas de valeurs , ;:.
----
:.
: ' .:-.:
':: ,:
. .: .
~325072
La matière d'enrobage a été pr~Rarés de la manière
suivante: la charge minérale (ici de la silice~, apr~s avoir
été mélangée à la substance ignifuge en quantité adéquate, a
été malaxée,pour moitié,avec la r~sine liquide (resine époxy-
5 digue commercialisée par la ~irme Suisse CIBA-GEIGY sous la
n~que ds com merce ARALDITE CY22S ) et. pour l autre moi~ avec
le durclsseur. ég~ement à l ' ~ta~ llquide ~anhydrld~ com mcrcia-
lls~ par la flrme pr~ci~6e ~us ~ marque da commerce 'DURCISSEUR
HY 227"). Lss deux mélanges ont ensuite été réunis et le tout
10 a été malaxé,puis mie au four(80 ~ 150~C)pour prise en masse.
Pour ces essais,les méthodes de mesure ont ~té conformes
aux normes UTE NF T51-071 à 20~C et EDF HN20 M40 ~ 80, 150 et
200~C.
Rq.- Lss fourchettes de valeurs traduisent le fait gue
l'I.O. mesuré dépendait, dans ce cas, de l'origine
de l'Alumins du commerce qui a été utilisée.
- - Les cases marquées d'un /" traduisent des mesures
jugées inutiles.Les valeurs correspondantes,compte
tonu de oolle obtenue ~ 20~C,sont d'emblée non-ac-
ceptables,car trop on deoà de l'I.O.minimal imposé
~n voit immédiatement que pour une charge totale de 60%
la t~nour minimale d~Al~oH)~à respecter est de 20-2~.En dec~
lés valeurs min~malos impos~es à l'Indice d'O2 ne sont plus
e~iioao~mont assur~s. Do~ mosuros oompl~mentairos,non consi-
25 ~n6es isi,ont p~rmis do montror,qu'aveo une oharge globale de
70% on ~oids(lro partie du tableau),la valeur seuil d'Al(OH)3
de~cend à 20%. On observe également, qu'en ce qui concerne le
Borate de Zino, le seuil minimal est bien plus élevé: 50 % en
poids au minimum, ce qui traduit,comme on le sa~ait,une effi-
30 cacité plus grande de l'Alumine trihydratée.
Les Vitesses de Combustion consignées dans le tableau II
ci-aprb~ ont ~té mesuré~es dans l'appareil utilisé pour la
~ détermination d'Indices d'Oxygène sur des ~prou~ettes en
forme de plaquettes allongées, de 100 mm de long, 6:$ mm de
35 large et de 4 mm d'épaisseur. Les éprou~ettes comportent deux
repères à la suite l'un de l'autre selon la longueur, le
; premier étant situé ~ lOmm d'une extrémité,le second à 60 mm.
On n~e, ~ la tomp6rnture ambiant~, le temps de comb~tion de
l'~prouv~tt~ oatro 108 doux r0pore~ et on sn d~dui~ la
40 Vit~8~0 moyonno do Combu~t~o~ (sn mm/s) en ~onction du taux
d'oxy~bno dans un m61ange ¢om~urant d'Oxygène et d'azote.
"
- .. :. , . . , ;: .. .-; . . . .. -, . , -- ,. : - . .... -, . . .. . . .
8 132~072 '
..~ .. ..
:: .
TABLEAU II : Vitesses de Combustion. --~
_______________-------------------------------------------------- - .~
Taux d'O2 , 35% , 40% , 45% ' 50% ' 60% ' -~
,Vitesse de Combustion' , ' ' ' ' ~
' maximale autorisée ' 0.15 ' 0.30 ' 0.4S ' 0.6 ' 0.9 ' - --
' (en mm/s~ ' ' ' '=== --________i
:,:. -.. : :
' ALUMINE TRI-H~'DRATEE
,___________________________________________________________,
10 IT~UX DC, 70% de SiG2 ' 0.28 ' 0.37 ' 0.47 ' 0.5B ' l.OS
,c~r~oc ,_____________~_____----,------------,--------------,------------,----- ---, .
20~ de SiO2 +, 0.06 , O.10 , O.13 , O.19 , O.25
,0-~ '5G% d'Al(OH)~
____'_____----' -: .
' '60% de SiOz ,~0.35 '~0.50 '~0.60 ,~0.75 ,~l.G , ~-
,_______,______,_______,__--------, , ;: .
50% de SiOz +,~0.35 '~0.45 '~0.60 ,~0.75 ' ~1.0
10% d'Al(OH~
~ ,_____________,_______ ,______,_____ , -- , , :;: .
, '40% de SiOz +'~0.20 ,~0.35 '~0.45 '~0.55 ' ~1.0
' ,20% d'Al(OH)~
,_____________,_______ ,______,_______ ,_____ , ___ , . ,
35% de SiO2 +, 0.18 , 0.28 , 0.38 , 0.49 , 0.95
,c~oc ,25% d'Al(~H)~
I TOTf~
25% de SiO2 +' 0.14- ' 0.20-, 0.27- ' 0.34-t 0.56-
35% d'Al(OH)~, 0.17 ' 0.23 , 0.30 ' 0.37 ' 0.59
,_____________,_______,__--------, -- , . . ....
' '20% de SiO2 +' 0.13- ' 0.19-' 0.24- , 0.30-, 0.48-
' '40% d'Al(OH)~' 0.16 ' 0.20 , Q.27 ' 0.35 ' 0.56
,_____________,_______,__ ___, ___, __, . . .
10% de SiOz +' 0.07- ' 0;14-' 0.20- ' 0.26-' 0.37-
50% d'Al(OH)~' 0.10 ' 0.16 ' 0.23 , 0.29 ' 0.40
______________ =================== , .
,=======_________________________________
35 ' BO~ATE DE ZINC , ~:
,________________---------------------------------------------- ,
T~X c~,lo~ de SiO2 +. , ~0.16, ~0.21 ' ~0.30, ~0.8 ' -
TOT. ~Q~ ' 55% de Boratel
,_________---------------- .. .
~T~UX DC ~ 10% de 5iOz +~ ~ 0.25, 0.43 ~ 0.65 ~ 0.98
'c~ c '50% de Borate'
~ TOT~C
, 0-~ '60% de Borate, , ~0.25, ~0.31 ' ~0.52' ~0.96 '
__________________------------ -- ------------------ ---- -,::~
', ':
9 132~072 : ~
Rq. les indications de couples de valeurs ont meme significa-
tion que dans le tableau précédent. ~
Comme on peut aisément le constater,les valeurs données ~ -
dans le Tableau II corroborent celles du tableauI en montrant
5 que,à l'égard du critère Vitesse de combustion également,la -
valeur plancher à respecter pour la quantité d'Al(OH)~ dans
le mélange de départ est sensiblement de 25% en poids (un peu -
moins de 50~ pour le Borate).
Ces conclusions demeurent entièrement valides au vu du
10 tableau III ci-dessous consignant les résultats de la série
d'essais effectués sur le 3ème paramètre retenu, le Pouvoir
Calorifique Supérieur(P.C.S.). Comme on pourra le constater,
la valeur maximale admise de 11 MJ par kg de matière n'est
jamais dépassée.
TABLEAU III : Pouvoir Calorifique SuPérieur (P.C.S.l
(Méthode d'essai: calorimétrie adiabatique selon
la norme UTE NF M 03-005.)
: -
Taux de chargell Taux de charge total : 60%
20 total: 70% 1l . ':- ,
=========================================================== .. ::
ALUMINE TRI-HYDRATE
rr-~~~~~~~I~~~ I i 1 : . :
0%SiO2 1 20%SiOz 11 60% SiOzl40%SiOz135% SiOz125%SiOzl10% SiO2:
I + Il' I + .1 + 1' + I + - :.:
SO% Al 11 10% Al.l25% Al.. 35% Al.l 50% Al......... ~
_______l------------~1 _______I________1________________~_________ . . ::
~ 8 1 ~ 7 î~ 1 ~
l! l I l - I'
_______________l_________l_______l________________l_________
BORATE DE ZINC ¦ ~
________________________________ ____________ ____________ :.. ~ :'.
0%SiO2+55%Bor. Il 10% SiOz I 50% de Borat~ 60~ de Borate
____~l ___----------- t
~ 10 Ij- ~ 11 1 ~ 11
__________________________________________________________ ..
On voit donc clairement apparaitre sur ces tableaux l'in- ~
~luence sur la tenue au ~eu ds l'ajout à la résine de départ, ~ -
dans des proportions adéquates,d'une matière ignifugeante par
40 formation et élimination d'eau, conformément à l'invention.
lO 1 3 2 5 0 7 2 : -
.
Ces résultats traduisent une forte libération d'eau de
la part de la résine d'enrobage, lorsque celle-~i atteint des
températures anormalement élevées. Un tel phénomène agit en
absorbeur de chaleur autocontrolé, qui retarde et freine la
5 combustion de la résine chargée, et confère à celle-ci le
caractère d'auto-extinguibilité recherché.
Bien entendu,une formation abondante de molécules d'eau
au sein meme de la masse n'est pas sans conséquences sur la
10 qualité de la résine d'enrobage. Celle-ci se dégrade au cours
d'un tel processus et, @énéralement, ne peut plus etre ré-
utilisée pour la suite. Le transformateur doit alors être
remplacé ou reconditionné.
La perte en poids de la substance ignifugeante au.cours
de la montée en température est un bon indicateur de sa capa-
cité à former de l'eau.On notera,comme le montrent les spéci-
fications des fournisseurs, que, dans le cas de l'Al(OH)~, la
psrte de poids est déjà proche de 30% à 300~C. Elle s'opère
20 d'ailleurs pratiquement uniquement à cette température sous
la forme d'un pic étroit et de grande amplitude,ce qui témoi-
gne de la vivacité et de l'intensité du phénomène, lorsque ce
niveau de température, caractéristique de l'agent ignifuge
utilisé, est atteint.
Ceci se vérifie quelle que soit la variété d'alumine tri
hydratée du commerce utilisée, comme le montre plus préci-
sément le tableau IV ci-après.
Ce tableau de valeurs est donné à simple titre d'infor-
30 mation,à partir des indications des fournisseurs de l'Al(OH)~vendue sous la dénomination "ALCOA" selon des variétés, dont
les références commerciales sont reprises dans les colonnes
, du tableau pour les identifier. ~
: ...:
".
-I ~ . .
:1 .
. , ' , ;;
ll 132~072
TABLEAU IV:AnalYse des rZics endothermiques de formation d'eau
(les montées en température ont été opérées de 25 à
600~C sous une pro~ression constante de 10~C/min.)
______________________________________________
¦M15 ¦S6$/40¦ C31 ¦ M6 ~ M15S ¦-S65/150¦k~DIUk
~ SODA
_____________ ____________ ._____. _____ .______ _______. ______ ..
Temp. début lZi~6 205216 180 195 188 197
du pic (Z'C) .
_________________________ .__________________________,______
Temp. fin ¦ 372 ¦ 385 ¦ 353 ¦ 382 ¦ 355 ¦ 370 353
du pic (~C) ~ l
Temp. max. l 316 ¦ 312 ¦ 314 ¦ 314 ¦ 311 ¦ 309 312
du pic ~~C) ¦ ¦ l l l l l
_________________________ __________________ _______ _______
~H du pic 1.03 1.01 t.O7 1.06 1.03 1.0 1.02
Z~en kJ/g) ~ l~ . ____
_____________ ._____ _____________ ______. _______ _______------ ~ :
Pour que 18s e~ets attendus par le type de substance
20 iZgni~uge préconisée par l'invention soient pleinement satis-
~aisants, il faut, non seulement que le pic de départ intense
d'eau se développe a des températures adéquates, c'est à dire
entro le point de ~onotionnement normal à ohaud et celui où
l'enrobaZ~e peut s'en~lammer, mais encore qu'une formation
25 d' cZaU ne se réalise véritablement qu'en cas de surchauffe
anormale. Autrement-dit, il convient d'éviter tout risque de
déZ~radation prématurée de la résine d'e~robaZ~e qui pourrait
etre occasionnée par une formation intempestive d'eau depuis
la température ambiante jusqu'à celle du ~onctionnement
30 normal à chaud du trans~ormateur.
C'est cette di~ficulté qui est résolue par la seconde
caractéristique principale de l'invention, à savoir, un pré-
viZsilliissement modéré de la résine, comme on va le voir plus
en détails ci-après :
2)DESHYDRATATION PARTIELLZE PEE~ DE LA QUANTITE DE SUBS-
TANCE IGNIFUGE AJOUTEE
Il s'agit igi de provoquer une déshydratation préalable
pour ~viter qu'slle se produise ultérieurement dans le trans-
40 ~ormateur. Mais, cette déshydratation ne doit etre que par-
. ,
132~072
12
tielle, puisqu'on la recherche par ailleurs à haute tempéra-
ture, quand le transformateur chauffe anormalement et que des
risques d'inflammation sont à craindre.
Cette déshydratation peut avantageusement s'opérer par
5 chauffage préalable del'Al(OH)~. L'objectif à atteindre est,
non pas une élimination totale de l'eau susceptible de se
~ormer dans une gamme de températures allant de l'ambiante à
la température de fonctionnement "à chaud" du transformateur
(et que l'on appellera de façon imagée "eau volatile" pour
10 marquer le fait qu'elle doit partir à basse température),mais
une élimination suffisante afin que l'eau volatile' résidu-
elle soit présente en trop faible quantité pour conduire à
une dégradation de la résine. On a pu observer, en effet,que,
lorsque l'alumine trihydratée n'avait pas été préchauffée
15 avant d'etre ajoutée ~ la charge minérale, des éclatements de
la résine enrobant les bobinages électriques de transforma-
teurs d'essais intervenaient à la température de fonctionne-
ment, qui obligaient à la mise au rebut de ces derniers.
Une ~aCon commode de parvenir à réaliser la déshydrata-
20 tion partielle de la substance ignifuge par préchauffage estde considérer sa courbe de perte de poids en fonction du
temps. Pour une substance utilisée pour la première fois, on
pourra avantageusement procéder en deux étapes:
- Une premibre, sur échantillon d'analyse, destinée à
25 déterminer la quantité d'eau qui s'élimine lors d'un séjour
prolongé ià tsmpérature constante, qui est celle(ou voisine de
celle) du fonctionnement normal à chaud du transformateur;
- Une seconde étape, de traitement cette fois de la
totalité de la matière, consistant à la chauffer à relati-
30 vement haute température afin d'atteindre rapidement, doncdans des conditions industrielles, une perte de poids corres-
pondant à la valeur d'élimination d'eau déterminée dans la
phase précédente.
Bien entendu, cette seconde étape sera répétée à chaque
35 préparation de résine, alors que la première n'est réellement
nécessaire qu'une seule fois pour caractériser un type de
substance igni~uge que l'on avait jamais utilisée aupara~ant.
Les courbes des figures 1 et 2 illustrent bien cette
première phase d'étude sur échantillons en montrant l'allure,
,~ .
132~072
13
a certaines valeurs de température,de l'évolution de la perte
de poids en fonction du temps pour certaines valeurs de la
température. Les courbes sont Paramétrées sur certaines des
variétés d'Alumine trihydratée ALCOA du Tableau IV repérées
5 par leur références commerciales à l'extrémité droite de
chaque courbe. Trois valeurs de température ont été consi-
dérées: 140, 160 et 180~C afin de bien couvrir les conditions
de marche habituelle '~ chaud" des transformateurs. Pour
éviter des surcharges inutilès, les trois familles correspon-
10 dantes de courbes ont été séparées sur les deux figures: lafigure 1 regroupe les familles à 140~C(traits discontinus) et
160~C (trait plein); la famille à 180~C apparait seule en
trait plein sur la figure 2
Comme on le voit, toutes ces courbes sont avantageuse~
15 ment d'allure générale lo~arithmique avec une croissancs très
rapide au début, suivie d'un palier légèrement incliné sur
l'horizontale, ce palier étant d'autant plus tot atteint que
la température de travail est élevée. Ainsi à 180~C (fig. 2),
la maJeUre part de l'eau " volatile " (80% environ) est déja
20 formée au bout de 140 h. seulement, sur les plus de 700 h. de
durée totale des tests. La perte de poids s'échelonne alors
entre 5,3% et 2,5% environ, selon le type d'alumine
On ~éri~ie l'existence et la stabilité des paliers en
testant des Alumines préalablement chauffées à plu8 haute
25 température. Des tests ont ainsi été faits sur deux échantil-
lons de la variétP "M15" maintenus pendant 18 h.,l'un à 180~C
l'autre à 200~C. Les résultats apparaissent sur la fig.l sous
la forme de deux droites (A) et ~B) ayant des ordonnées à
l'origine de 1.6~ et 4.2% de perte de poids pour 180 et 200~C
30 respectivement. On constate leur quasi-horizontalité, ce qui
reflète bien l'insensibilité des échantillons à un second
chauffage à plus basse température, en raison du fait que la
quasi-totalité de leur " eau volatile " à 140~ ou à 160~C a
effectivement été éliminée au cours du premier chauffa~e.
On observe, par ailleurs, sur la fig. 2, qu'au bout de
18 h. à 180~C, un échantillon " M15 " se trouve à peine à mi-
hauteur de sa courbe de croissance rapide de perte de Poids
par élimination d'eau
--
.-. ~,
- . .- . -~ . -, .. . , .. - .. ,..... . ,.. ,. .,... ... , ., . . . ~.. ,
~ .
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14
On aura immédiatement compris que ces courbes ont une
allure caractéristique favorable qui permet de déduire très - :
aisément le degré de déshydratation partielle préalable
auquel on doit parvenir.On pourra ainsi, par exemple, choisir
5 comme critère, le début du palier et retenir comme proportion ;
d'eau "volatile" à éliminer, la valeur donnée par l'ordonnée
. . .
de ce début de palier.
Ainsi, les figures montrent que, pourla variéte"S65/40"
on pourra retenir 2.5~ de perte en poids,pour une température
10 de fonctionnement du transformateur de 140~C,de 4% à 160~C et
de 5.5% à 180~C.
De meme,la variété"M15's'accomodera d'une perte en poids
préalable de 2 % pour un fonctionnement du transformateur à
160~C et de 3.5 % à 180~C.
A 140~C, la courbe de cette variété a une allure moins
typée. On notera, toutefois, gue la valeur de 0.7% obtenue au
bout de 500 h. environ pourra parfaitement convenir.
Pour fixer les idées, on peut donc dire globalement que
la perte en poids préalable à viser s'échellonne entre 0.5 ~
20 st 10 % environ pour l'ensemble des substances ignifuges
retenues pour la mise en oeuvre de l'invention.
Le passage ensuite à la phase industrielle consiste
simplement ~ deshydrater en conséguence la masse de substance
igni~uge par des teohniques de chauffage rapide au four, avec
25 surveillance de la perte de poids,par exemple par gravimétrie
à l'aide d'une balance automatique dont le plateau est placé
dans l'enceinte du four.
A titre d'information, dans le cas d'Alumines de type
"M15", la perte de poids de 3,5%, recherché pour un ~onction-
30 nement du transformateur à 180~C, a pu être atteint au termede 6 heures de chauffa~e seulement à 200~C.
Cette opération de chauffage sera bien entendu d'autant
plus rapide que la température de chauffe sera élevée. Toute-
fois, pour des raisons évidentes de préservation d'un fort
35 potentiel de formation d'eau, nécessaire en cas de surchauffe
anormale, on prendra soin de ne pas dép~sser de beaucoup, et
de préférence de rester dsssous, la température de début du
pic d'élimination intense d'eau caractéristique de la subs-
tance ignifuge utilisée et dont quelques valeurs sont consi-
40 gn~es dans le tableau IV ci-avant.
:. ' '
132~072
~' '
Si l'on ne souhaite pas devoir opérer par gravimetrie,en
raison notamment de quantités trop importantes de matière qui
pourraient 8tre éventuellement à traiter, on aura avanta~e à
procéder par une étape intermédiaire permettant de traduire
5 la perte de poids visée en une durée de chauffage.Ceci pourra
se faire a l'aide d'un second échantillon de mesure de la
substance ignifuge concernée, dont on connait la proportion
pondérale d'eau à éliminer et que l'on soumet à un chauffage
rapide à une température élevée déterminée. Ce chauffage
10 s'opérzra avec une pesée en continu de l'échantillon afin de
pouvoir mesurer le temps nécessaire pour parvenir à une perte
ds poids corresPondant à la proportion connue d'eau à élimi-
ner.La valeur de la mesure définit la durée de l'opération de
chauffage, à une température rigoureusement identique à celle
15 de l'opération intermédiaire ci-dessus, à laquelle on soumet-
tra la masse de substance ignifuge devant être traitée.
Au besoin, on pourra s'assurer de la bonne exécution de
l'opération en déterminant par gravimétrie à température
élevée, 1200~C par exemple, la teneur en eau restante d'un
20 échantillon prélevé à cet effet à la masse de substance igni-
fuge traitée. Par comparaison avec la teneur en eau totale
initiale ( habituellement de l'ordre de 20 à 35 ~ en poids
environ) que l'on aura déterminé auparavant de ~acon analogue
sur un ~chantillon de référence, on en déduit que la quantité
25 d'eau "volatile" e~ectivement éliminée est bien conforme à
celle visée.
On notera que le temps de chauffage n'est pas tout à
fait indépendant de la granulométrie de la matière. Il a pu
etre observé, au coursdes essais, qu'une granulométrie gros-
30 sière occasionnait une perte en poids plus importante qu'unegranulométrie fine pour un temps de chauffage donné.
On observera également que les valeurs de perte en poids
déterminées ci-avant, par lecture des courbes de tests faites
à partir d'échantillons, ne représentent nullement une limite
35 supérieure à ne pas dépasser. Seulement, comme ces valeurs
correspondent au début du palier, il n'y a en principe aucune
~ utilité à poursuivre longuement le chauffage pour ~agner
¦ quelques lOèmes de pourcent,qui,de toute fa~on,sont probable-
ment trop peu significatifs pour provoquer un départ d'eau
40 capable de nuire à la qualité de la résine d'snrobage.
16 1325072
On aura certainement compris que ces courbes, valables
aux températures de fonctionnement normal du transformateur à
chaud, reflètent le comportement de l'eau dite "volatile", à
ces températures. A des températures supérieures, les paliers
5 se situent à des niveaux plus élevés et sont atteints plus
rapidement, notamment à la température du pic caractéristique
de la substance ignifuge utilisée et qui,comme on l'a vu, se
situe au voisinage de 300~C pour toute les variétés d'Al(OH)3
étudiées.
La substance ignifu~e ainsi prétraitée devient pr~te à
l'emploi.Il reste à achever la préparation de la résine d'en-
robage de la manière habituelle: la charge minérale, après
avoir été intimement mélangée à une quantité adéquate de subs
tance ignifuge partiellement pré-déshydratée, est divisée en
15 deux parts égales. L'une est alors introduite dans le bain de
résine p~re, et l'autre dans le durcisseur,également à l'état
liquide.Les deùx mélanges sont malaxés séparément pour former
deux suspensions solide - liquide, puis réunis en un seul
mélange que l'on malaxe à son tour pour assurer une bonne
20 homogénéité. La pulpe résultante est ensuite coulée dans un
moule,dans lequel on a préalablement disposé le bobinage élec
trique du transformateur que l'on désire enrober.Après coulée
le moule est mis au four pour prise en masse de la résine.
Après défournement et re~roidis~ement, le bloc de résine
25 inoorporant le bobinage est démoul~ et peut alors 8tre monté
dans le trans~ormateur prévu pour le recevoir.
Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux
exemples décrits ci-avant, mais s'étend à de nombreuses
30 variantes ou équivalents, dans la mesure où sont respectées
les caractéristiques énoncées dans les revendications qui
suivent.
En particulier, l'invention ne se limite pas aux trans-
formateurs proprement-dit.Il faut en effet entendre,par cette
35 dénomination utilisée ici, plus largement l'ensemble des ap-
pareils ou équipements électriques inductifs pouvant travail-
ler à des températures relativement élevées, de 100 à 200~C
comme on l'a vu, et dont les enroulements électriques peuvent
être noyés dans un bloc de résine isolante.
132~072 - ~
17
De m~me, bien que l'invention ait été initialement
concue pour les applications des résines thermodurcissables
(enrobage des bobinages inductifs,dans les transformateurs en
particulier),elle concerne en fait tous les matériaux diélec-
5 triques d'enrobage. Elle présente un intérêt sp~cialementmarqué dans le cas d'installations électriques ayant un fonc-
tionnement nominal de longue durée à température élevée ou
moyennement élevée. C'est dire, que l'on trouvera particuliè-
rement avantage a l'utiliser pour les résines d'enrobage pos-
sèdant déja des aptitudes de bonne tenue thermomécanique.
~ . ~
