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CA 02285806 1999-10-12
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TRANSFORMATEUR SEC
de PUISSANCE ou de DISTRIBUTION de l' ENERGIE ELECTRIQUE.
La présente invention a trait à la réalisation de transformateurs secs de
puissance
ou de distribution de l'énergie électrique, monophasés ou polyphasés, du type
ayant leurs
enroulements primaire et secondaire appariés concentriques, l'enroulement
"haute (ou
moyenne) tension" d'une phase donnée de l'alimentation électrique étant placé
préférentiellement autour de l'enroulement "basse tension" de ladite phase.
Il est bien connu que, dans les transformateurs classiques immergés en cuve
dans
1o un liquide diélectrique caloporteur, une huile minérale généralement, c'est
ce dernier qui
assure à la fois le refroidissement de l'appareil, ainsi que l'isolation
électrique des
enroulements de phase entre eux et avec les autres composants métalliques,
notamment
la paroi de cuve.
On rappelle qu'il s'agit là d'un aspect essentiel de la construction des
transformateurs, d'autant que, généralement, sur chaque phase, l'enroulement
"haute -ou
moyenne- tension", sur lequel s'effectuent les réglages des paramètres de
fonctionnement
des appareils, entoure l'enroulement "basse tension" qui lui est apparié, afin
notamment
de faciliter ces réglages.
Dans les transformateurs secs, par contre, l'enroulements primaire de chaque
phase et l'enroulement secondaire qui lui est apparié sont noyés chacun dans
des blocs de
résine diélectrique de moulage, une résine époxydique généralement, placés
l'un autour
de l'autre. Il se peut d'ailleurs que tous les enroulements primaires, ou
secondaires, des
appareils polyphasés (généralement triphasé), soient noyés dans un bloc de
résine
unique. En tous cas, c'est l'air qui doit assurer les deux fonctions
d'isolation et de
refroidissement. Aussi, est-il organisé en canaux à l'intérieur des
enroulements et en
espaces et couches de séparation adéquats des enroulements appariés entre eux
et avec
les autres différents composants au sein de l'appareil. Certes, on a avantage
à choisir une
résine d'enrobage ayant des propriétés d'isolant électrique les plus élevées
possible,
compatibles avec ses autres propriétés nécessaires (tenue mécanique,
résistance au feu,
etc...) afin pouvoir réduire au maximum les couches d'air et gagner ainsi sur
la taille,
donc sur le coût de fabrication du transformateur.
Mais, ce gain en taille reste limité. D'abord, parce que le bloc de résine est
bien
entendu inévitablement plus volumineux que l'enroulement électrique qu'il
contient.
Ensuite, parce que le refroidissement, lequel se fait essentiellement par mode
convectif
solide-gaz (l'air s'échauffe en circulant au contact de la résine), impose des
couches d'air
à largeur minimale relativement importante. Pour fixer les idées, on notera
par exemple
que dans les transformateurs secs de 250 kVA de puissance électrique devant
dissiper
prés de 4 kWh de chaleur sous une température nominale de fonctionnement de
l'appareil
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de 120°C, les enroulements concentriques sont habituellement maintenus
éloignés l'un de
l'autre de 4 cm et plus.
Il apparaît ainsi que le facteur limitant la puissance des transformateurs
secs est
le facteur thermique. Les difficultés rencontrées à les refroidir
énergiquement par l'air
expliquent sans doute pourquoi ce sont toujours les transformateurs immergés
qui sont
produits et écoulés en bien plus grand nombre sur le marché, et ce malgré
certains
avantages majeurs des transformateurs secs, notamment pour la préservation de
l'environnement.
Le but de la présente invention est proposer un système de refroidissement
1o performant pour transformateurs secs, afm de pouvoir réduire l'épaisseur
des couches
d'air entre les enroulements de phase, et/ou de pouvoir augmenter la puissance
nominale
de ce type d'appareils.
A cet effet, l'invention a pour objet un transformateur électrique sec de
puissance ou de distribution de l'énergie électrique à enroulements de phase
appariés
concentriques, (les enroulements "haute -ou moyenne- tension" étant disposés
extérieurement aux enroulements "basse tension",) ces enroulements étant noyés
chacun
dans un bloc de résine diélectrique, caractérisé en ce que la surface externe
au moins du
bloc de résine incorporant le, ou les enroulements placés extérieurement (les
enroulements "haute-ou moyenne-tension" généralement) est pourvue d'ailettes
2o métalliques, en ce que au moins une discontinuité matérielle des ailettes
est présente sur
le pourtour dudit enroulement et en ce que, interposé entre ladite surface du
bloc de
résine et ces ailettes, un film en matériau semi-conducteur de l'électricité
(c'est-à-dire
ayant une capacité faible mais significative à véhiculer des charges
électriques) et mis à
un bas potentiel constant - notamment au potentiel zéro, par liaison à la
terre- recouvre la
surface du bloc de résine, la base des ailettes étant solidaire dudit film.
De préférence, les ailettes sont parallèles entre elles et disposées
longitudinalement sur le bloc de résine, selon la hauteur, sur le pourtour
dudit bloc de
résine, au moins deux ailettes consécutives étant alors disjointes l'une de
l'autre pour
créer ladite discontinuité matérielle.
3o Selon un mode de réalisation, le film semi-conducteur à potentiel constant
est
obtenu par application, sur la surface externe dudit bloc de résine, d'une
couche
adhérente et uniforme de matière semi-électroconductrice solide, tel qu'une
résine ou une
peinture conductrices, et les ailettes de refroidissement sont fixées une à
une par leur
base à la couche superficielle ainsi formée.
Selon un autre mode de réalisation, les ailettes longitudinales sont formées
par
un panneau-ondé entourant le bloc de résine dont la surface extérieure a été
préalablement revêtue d'une couche de matière semi-électroconductrice, les
extrémités en
regard dudit panneau-ondé une fois enroulé ne se rejoignant pas afin de créer
ladite
discontinuité matérielle selon le pourtour du bloc de résine.
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Dans ce qui suit, on considérera pour simplifier que l'enroulement extérieur
est
l'enroulement "haute tension".
Comme on l'aura compris, l'invention consiste, dans ses caractéristiques
essentielles, à rendre possible l'utilisation d'ailettes métalliques de
refroidissement pour
obtenir à la fois une augmentation de la surface d'échange thermique et une
amélioration
de son pouvoir dissipatif de la chaleur. Ceci est obtenu grâce,
- d'une part, aux mesures dites "de discontinuité matérielle" prises pour
éviter que
l'ensemble d'ailettes métalliques forme un circuit conducteur selon le
pourtour de
l'enroulement. Au sein duquel sinon, sous l'effet du champ magnétique
alternatif créé
1o par le courant électrique de l'enroulement, se développeraient
inévitablement des
courants induits, dont l'effet Joule obérerait, voire annulerait,
l'amélioration recherchée
du refroidissement du transformateur;
- d'autre part, à une mise de la surface du bloc de résine "haute tension" à
un bas potentiel
électrique constant, sans danger pour l'homme, le potentiel zéro de la terre
de
préférence. Dès lors, les charges électriques des courants de fizite qui
inévitablement
traversent la résine pour rejoindre la surface depuis le conducteur interne,
s'écouleront
vers ce puits de potentiel, et les ailettes métalliques proéminentes sur le
bloc de résine
pourront jouer pleinement un rôle de refroidisseur, sans constituer pour
autant un risque
quelconque de décharges électriques, même en cas de contact avec un objet, ou
avec
2o l'homme.
On peut ainsi accroître artificiellement la surface externe du bloc de résine
autant que l'on veut, par mise en place d'ailettes plus ou moins espacées les
unes des
autres. L'expérience montre par ailleurs que des ailettes métalliques ayant
entre 5 et 20
cm de hauteur conviennent pour permettre de réaliser toute la gamme voulue en
2s puissance électrique du transformateur. L'aluminium offrant une meilleure
conduction
thermique que l'acier, la hauteur d'ailettes en aluminium sera plus faible que
celle
d'ailettes en acier, toute chose égale par ailleurs.
L'obtention durable des résultats annoncés est cependant liée à la qualité de
revêtement du film semi-conducteur, lequel doit épouser la surface du bloc de
résine de
3o façon continue, sans creux ni bosses qui risqueraient de constituer des
poches d'air
préjudiciables à la tenue dans le temps de la résine.
On a pu montrer en effet que, en raison des propriétés diélectriques élevées
de
l'air par rapport à celles de la résine d'enrobage, les couches d'air ménagées
au sein du
transformateur "absorbent" les 90% du gradient du champ électrique développé
par
35 l'enroulement "haute tension". Dés lors, la résine ne participant qu'à
hauteur de 10%, on
retrouve à sa surface externe nue une tension de courant de fuite voisine de
0.9 fois la
tension aux bornes de l'enroulement à l'intérieur. Certes, vu la faible
capacité de la résine
à accumuler des charges électriques, cette tension parasite superficielle ne
représente pas
de danger réel pour l'homme qui viendrait à son contact. Toutefois, dans le
cas, par
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exemple, d'un transformateur travaillant sous une tension de20 kV, le
potentiel
surfacique résiduel s'élève tout de même à 18 kV. Les résines époxydiques
habituelles,
dont la tension disruptive se situe classiquement autour de 500 V/mm, peuvent
donc tenir
sans difficultés ces 2 kV d'écart grâce des épaisseurs de 4-Smm seulement. En
revanche,
il faut prévoir une couche d'air de plus de 20 cm d'épaisseur pour "absorber"
les 18 kV
restant entre la surface de la résine et la paroi de la cabine mise à la terre
dans laquelle est
logé le transformateur par sécurité.
Autrement-dit, si le film semi-conducteur à bas potentiel recouvrant le bloc
de
résine selon l'invention n'adhérait pas correctement à la surface, on se
retrouverait
lo localement, au niveau des éventuelles bulles d'air ainsi générées, dans les
mêmes
conditions électrostatiques que ce qui vient d'être indiqué ci dessus, mais
dans
l'impossibilité dans ce cas de pouvoir adapter l'épaisseur de la couche d'air
à cet endroit.
C'est pourquoi, on aura avantage à préférer à toute autre forme de revêtement,
celle, au demeurant bien connue par ailleurs, qui consiste à déposer, par
pulvérisation,
atomisation, ou simplement au jet, une couche de matière à l'état visqueux
(liquide de
préférence, ou pâteux), mais apte en tous cas à épouser les infractuosités de
la surface à
revêtir, et de la laisser sécher pour former une pellicule solide continue et
bien
adhérente.
En revanche, si la matière constitutive de cette enveloppe doit avoir la
capacité
2o d'écouler vers la terre, à laquelle elle est reliée, les charges
électriques collectées à la
surface de la résine, cette matière n'a pas pour autant à être un bon
conducteur de
l'électricité. Au contraire, il est préférable qu'elle ne soit pas bon
conducteur. La
continuité du revêtement, imposée pour les raisons explicités ci-avant,
devient en effet
ici, à l'instar de ce qui a déjà été dit auparavant à propos des ailettes
métalliques, un
handicap en raison des courants électriques induits qui ont tendance à se
former dans le
revêtement autour du bloc de résine en sens contraire de celui du courant
circulant dans
l'enroulement qui leur donne naissance. Pour y pallier, on opte pour une
matière peu ou
moyennement conductrice, à savoir "semi-conductrice", qui a une aptitude
filmogène,
afin d'obtenir après séchage une pellicule fine, par exemple de 30-40 ~m
seulement
3o d'épaisseur, pour augmenter la résistivité électrique. Une résine, ou une
peinture
époxydique chargée telle que la peinture référencée 440-6-308 commercialisée
par la
firme française "Blancomme", pourront parfaitement convenir à cet usage.
On rappelle que, pour la même raison, on aura avantage à ce que l'assemblage
d'ailettes ne forme pas une boucle métallique fermée autour du bloc de résine
qui les
porte. Ceci peut être réalisé au moyen d'ailettes individuelles rapportées une
à une sur le
bloc de résine en prenant soin de laisser leur base disjointes entre elles. On
peut
également y parvenir au moyen d'un panneau ondé, du type de ceux qu'on utilise
pour
réaliser les parois des cuves des transformateurs immergés, mais choisi par
exemple de
longueur plus courte que la circonférence du bloc de résine.
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L'invention sera de toute façon bien comprise et d'autres aspects et avantages
apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit, donnée à titre
d'exemple de
réalisation en référence aux planches de figures annexées, sur lesquelles:
- la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un couple
5 d'enroulements concentriques appariés d'un transformateur sec illustrant le
principe de
l'invention;
- la figure 2 est une vue partielle d'un bloc de résine d'un enroulement
"haute tension"
d'un transformateur sec selon l'invention dont la surface externe est pourvue
d'ailettes
métalliques de refroidissement;
lo - la figure 3 est une vue en perspective du dessus d'un transformateur sec
triphasé
selon l'invention.
Sur ces figures, les mêmes éléments sont désignés par des références
identiques.
On a représenté, sur la figure 1, un couple d'enroulements de phase
concentriques appariés 1 et 2 d'un transformateur sec de distribution
d'énergie électrique.
L'enroulement primaire 1 (ici la haute tension) entoure à distance
l'enroulement
secondaire 2, lequel est monté autour d'une colonne 3 du circuit magnétique en
tôle
magnétique feuilletée équipant le transformateur. Etant ici la "haute
tension"(ou HT),
l'enroulement externe 1 est classiquement formé par un conducteur filaire
bobiné 4, noyé
2o dans un bloc de résine époxydique S à propriétés diélectriques élevées. De
même,
l'enroulement "basse tension" (ou BT) 2 est constitué par un conducteur en
bande
enroulée 6, noyé dans un bloc de résine diélectrique 7, qui peut être de même
nature que
la résine constitutive du bloc 5. L'ensemble est placé dans une cabine
protectrice 8 posée
au sol.
Les proportions en taille de ces éléments ne sont respectées par la figure.
Mais
on notera que l'espace d'air 9 séparant les enroulements concentriques 1 et 2
présente une
largeur "d" d'une quinzaine de mm à peine, et que l'épaisseur "e" de résine
autour du
bobinage HT 4 est inférieure au cm.
Comme on le voit, des ailettes longitudinales de refroidissement en métal 10
3o sont présentes selon le pourtour de la surface extérieure 11 du bloc de
résine de
l'enroulement externe 1. Dans l'exemple de réalisation décrit, les ailettes
sont rapportées
une à une sur la surface du bloc par leur base sans contact entre elles. Ces
ailettes ont une
hauteur "h" pouvant aller de 5 à 20 cm environ, pour un écartement entre elles
de 1 à 3
cm environ. Au delà de 20 cm de hauteur, l'expérience montre que
l'augmentation de la
surface d'échange thermique ne se traduit plus guère par une efficacité accrue
du
refroidissement du transformateur. En deçà de 5 cm, par contre, on sous-
utiliserait trop
leur capacité de refroidissement. Entre ces deux valeurs, le choix sera fait
en fonction du
nombre d'ailettes par mètre de circonférence du bloc de résine qui les porte,
donc de
l'écartement choisi entre elles, et de la nature du métal qui les constitue. A
ce titre, pour
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une puissance de refroidissement donnée (qui s'exprime classiquement par une
densité de
flux de chaleur extrait par l'air de ventilation à la température de
fonctionnement nominal
du transformateur), plus le métal formant les ailettes sera thermo-conducteur,
ou plus les
ailettes seront resserrées, moins leur hauteur peut être importante. A titre
d'exemple, pour
un transformateur triphasé de 250 kVA de puissance électrique devant
classiquement
évacuer un flux de chaleur de 4 kWh à 120°C, on disposera d'une
batterie d'ailettes en
aluminium de 4 cm de hauteur, espacées les unes des autres de 3 cm environ
selon le
pourtour de l'enroulement externe 1, dont la longueur avoisine le mètre dans
ce cas pour
un diamètre extérieur de 30 cm environ
1o Entre la base 12 de ces ailettes et le bloc de résine 5, est interposée une
couche
semi-conductrice de l'électricité 13 qui forme un film enveloppant la surface
11 en
l'épousant étroitement. Un lien électrique 14 relie ce film semi-conducteur à
la terre, le
fixant ainsi au potentiel "zéro". Le matériau constituant le film 13 peut être
une résine, un
vernis ou une peinture, chargée par une substance lui conférant la capacité de
conduire
des charges électriques (du carbone par exemple). Comme cela a déjà été
souligné
auparavant, il doit en tous cas pouvoir bien s'étaler lors de son dépôt sur la
surface 11 du
bloc de résine 5, afin de recouvrir cette surface en formant, éventuellement
après
séchage, un film mince (de 10 à 40 gym), continu et bien adhérent, de
préférence
homogène et régulier.
2o Le rôle de cette couche semi-conductrice 13 est de rendre sans danger la
mise
en place des ailettes métalliques 10. Sa fonction, à cet effet, est de fixer
le lieu d'ancrage
de ces ailettes, à savoir la surface extérieure des enroulements du
transformateur à un
potentiel électrique constant de faible valeur, en tout cas à une valeur sans
risque pour
l'homme en cas de toucher. Dés lors, les charges électriques des inévitables
courants de
fuite qui, véhiculées par le champ électrique développé par le bobinage Haute-
Tension 4,
traversent l'épaisseur de résine "e" pour s'accumuler en surface 11. Là, elle
sont
collectées par le film semi conducteur 13 et évacuées par le lien 14 dans le
bas puits de
potentiel qui est ici la terre.
Les ailettes 10 sont rapportées par leur base 12 sur cette couche 13 par tout
3o moyen de fixation adéquat, par exemple par collage, soudage, cerclage,
etc..., l'important
étant bien entendu que les bases 12 soient bien apposées contre la surface du
film 13 afin
que la surface de contact soit la plus grande possible et que les ailettes
puissent dés lors
remplir au mieux leur fonction de refroidissement.
On notera, qu'en l'absence de telles ailettes, le même transformateur ne
pouvait
évacuer au mieux que 2 kW, soit deux fois moins.
Il faut rappeler ici, en référence à la figure 2, qu'il est nécessaire
d'éviter de
créer des courants induits parasites qui pénaliseraient le rendement du
transformateur en
générant de surcroît un supplément de chaleur à évacuer. De tels courants
pourraient
s'installer si la mise en place des ailettes 10 devait se traduire par la
formation d'une
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ceinture métallique continue autour de l'enroulement 1.C'est pourquoi, il est
impérieux de
créer une discontinuité matérielle des ailettes métalliques 10 sur le pourtour
du bloc de
résine 5. Si l'on met en place par exemple un ensemble à ailettes constitué
d'un panneau-
ondé en acier, analogue à ceux utilisés pour la réalisation des cuves de
transformateurs
immergés, dont les ondes constituent alors les ailettes de refroidissement, la
discontinuité
électrique recherchée pourra être obtenue simplement en optant pour un panneau
plus
court que le pourtour de la surface du bloc 4 sur lequel il doit s'enrouler de
manière que,
une fois mis en place, les extrémités du panneau-ondé en regard alors l'une de
l'autre ne
se rejoignent pas.
Si l'on préfère assurer un bon contact entre la base 12 des ailettes et leur
surface
support 13, on optera pour des ailettes individuelles fixées une à une selon
le pourtour à
équiper. On prendra soin, comme le montre la figure 2, de ne pas les accoler
entre elles,
ou du moins en veillant à en laisser au moins deux consécutives disjointes
pour
précisément créer la discontinuité électrique voulue sous la forme de zones
longitudinales 21 laissant apparaître le film semi-conducteur 13 à nu.
La figure 3 est présentée pour permettre de mieux se rendre compte de
l'apparence générale que prend un transformateur sec triphasé conforme à
l'invention.
Seul la partie électrique centrale a été représentée. On y reconnaît les trois
enroulements
primaires HT 1 alignés, dont les bobinages (non visibles) sont noyés dans un
bloc de
2o résine diélectrique commun. Les enroulements secondaires BT appariés sur
chaque phase
de l'alimentation sont logés dans l'espace central vide du bloc chacun
concentriquement à
son enroulement externe 1 correspondant. Ces enroulements secondaires ne sont
visibles
sur la figure que par leur périphérie intérieure 18 définissant un passage
cylindrique pour
la mise en place des colonnes du circuit magnétique (non représenté) du
transformateur.
On voit en 16 la barre de connexion supérieure du secondaire dotée de ses
bornes de
sortie 17; et en 19, la barre de connexion du primaire avec ses bornes
d'entrées mâles 20.
L'intégralité du pourtour du bloc de résine du primaire 1 est pourvu
d'ailettes métalliques
de refroidissement, conformément à l'invention, toutes parallèles entre elles
et disposées
longitudinalement selon la hauteur du bloc. On distingue cependant en l'espèce
deux
catégories d'ailettes qui se différencient par leur hauteur. Une première
catégorie
majoritaire d'ailettes courtes 10, et une seconde catégorie d'ailettes 15
sensiblement plus
grandes et localisées uniquement au voisinage des extrémités de la barre de
connexion de
la haute tension 19.
Il va de soi que l'invention ne se limite pas aux exemple décrits ci-avant,
mais
s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où est
respectée la
définition qu'en donnent les revendications jointes. Il en est ainsi par
exemple de la
forme ou de la disposition des ailettes, dont l'orientation longitudinale sur
le bloc de
résine a été retenue uniquement pour faciliter les écoulements d'air qui
s'effectuent
naturellement du bas vers le haut. De même, le film semi-conducteur à
potentiel bas
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constant peut être réalisé autrement qu'à partir d'un revêtement fluide
appliqué à la
surface du bloc de résine de l'enroulement à pourvoir d'ailettes de
refroidissement. De
même encore, tous les enroulements de phases, primaires comme secondaires,
peuvent
être concernées par la mise en place d'ailettes de refroidissement, selon les
dispositions
spécifiques de l'invention, à savoir la présence d'une enveloppe intermédiaire
semi-
conductrice formant un écran à potentiel constant au champ électrique.
Egalement, et
toujours si ces dispositions spécifiques sont respectées, d'autres surfaces de
blocs de
résine diélectriques constitutives des enroulements de phase de
transformateurs secs
peuvent être pourvues d'ailettes métalliques de refroidissement, par exemple
les faces
1o intérieures délimitant l'espace de séparation inter-enroulement 9 (fig.l),
ou même
certains des canaux de circulation d'air ménagés à l'intérieur des bobinages
électriques.
