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PERFECTIONNEMENTS AUX DISPOSITIFS A INDUCTION.
La présente invention se rapporte aux dispositifs à induction tels que transformateurs, bobines de réactance, etc..; elle a pour objet de réduire dans les enroulements de ces dispositifs les gradients des tensions transitoi- res créées par les ondes à front raide et dues aux effets de foudre, de la commutation, etc..., de manière à assurer un certain facteur de sécurité pour ltisolement employé.
L'invention consiste en un écran ou système dtécrans électrosta- tiques entourant une partie de l'enroulement au voisinage de la borne de haute tension et comportant également d'autre écrans électrostatiques entourant une @ autre partie du dit enroulement, ce second système d'écrans étant connecté à ,l'enroulement en un point situé au-dessous du premier écran ou système dtécrans
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Un troisième système de ce genre peut être placé à l'extérieur du premier ou une partie de celui-ci et connecté au second système.
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avantages de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent, donnés simplement à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels
Les Fig. 1, 2 et 3 représentent les courbes de répartition de la tension dans un enroulement ayant une seule couche.
La Fig.4 représente en a-b-o des exemples de connexion des écrans de protection;
La Fig.5 représente en a, b, et c les modes de réalisation des conducteurs non inductifsjouant le rôle d'écrans;
Les Fig. 6,7 et 8 sont des variantes de la Fig.4c;
La Fig.9 est une coupe d'une partie de l'enroulement d'un transformateur conforme à l'invention; La Fig.10 est une vue en plan de la Fig.9;
La Fig.ll représente un transformateur auquel on a appliqué l'invention ;
La Fig. 12 une forme de réalisation des écrans latéraux*
Pour des raisons de simplicité, les courbes des fig, 1, 2 et 3 ne représentent que les tensions apparaissant dans un enroulement à une seule couche.
Dans la pratique habituelle, c'est-à-dire dans le cas des ep.rou- lements à galettes, ces courbes se rapportent à 'la spire moyenne. En réalité, la courbe de répartition de la tension sur spire, diffère légèrement des courbes représentées. De plus, comme ces courbes n'ont été tracées que pour mettre en évidence les principes de l'invention, elles ne représentent que le cas où l'enroulement a une extrémité T mise à la terre, l'autre étant reliée à la ligne L;
en réalité les écrans conformes à l'invention peuvent être appliqués aux enroulements dont les deux extrémités sont isolées ou l'une d'elles mise à la terre par l'intermédiaire d'une impédance*
Sur les Fig. l, 2 et 3, les ordonnées représentent les tensions V en % et les abaisses les nombres de spires de l'enroulement considéré, également en %.
Sur la Fig,l, le gradient initial de tension entre spires est indiqué par la pente des courbes tracées. Par exemple, le gradient de tension,
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à l'extrémité de l'enroulement, dans le cas de la courbe B, qui correspond à un cas typique d'un enroulement non protégé par écrans, peut avoir une valeur excessivement élevée. Dans,le cas de la courbe A, le gradient de tension à l'extrémité est égal à l'unité, ce qui implique une répartition uniforme de la tension.
La courbe intermédiaire, telle que G, doit avoir à son extrémité une pente moindre que la courbe B, et la contrainte de l'isolement résultante en ce point est considérablement réduite* Le coefficient de sécurité de l'isolement peut par conséquent être accru dans des conditions telles qu'il se montre satisfaisant ; dans un tel cas, un système complet d'écrans donnant la répartition d'après la courbe A, n'aurait aucune raison d'être; lierait d'ailleurs trop coûteux*
On ne considérera dans la suite que la répartition initiale de la tension dans le cas d'ondes à front raide. Dès que la pointe de tension de l'on de est passée, la répartition de la tension tend à devenir uniforme, comme l'in dique la courbe A de la fig.l.
Ce régime n'est toutefois atteint qu'après un certain'nombre d'oscillations, ce qui peut être mis en évidence par le calcul ou expérimentalement, et on constate que l'importance de ces oscillations dépend de l'écart de la courbe du gradient dû à l'impulsion initiale par rapport à la courbe A.
Sur la Fig.2, la courbe E représente cet écart entre les ordonnées de la courbe @ et celles de la courbe B, cette dernière étant la courbe typique de répartition de la tension sur un enroulement non protégé. L'examen de la courbe E montre qu'elle comporte un grand nombre d'harmoniques dont l'influence sur les oscillations et le gradient de tension dans l'enroulement, augmente progressivement avec les ordonnées de E.
Au cours des oscillations, il peut apparaître de très forts gradients de tension en un point quelconque de l'enroulement et même en des points voisins du point neutre, gradients qui peuvent être comparables au gradient initial de l'extrémité de la ligne. L'expérience a montré que les tensions maxi ma apparaissant au cours des oscillations se distribuent sur une courbe-enve- loppe telle que F à l'examen de laquelle on voit que les tensions par rapport à la terre peuvent dépasser de beaucoup celles correspondant à l'état initial et à l'état final.
Dans la Fig.3, la courbe 0 représente la répartition initiale de la tension dans un enroulement qui comporte des écrans conformes à l'Intention* Dans ce cas particulier, la courbe est telle que ses écurts par rapport à la
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courbe idéale A sont représentés par une sinusoïde, comme le montre la courbe E. Dans ce cas, il n'y a plus d'harmoniques et l'oscillation résultante fournit des gradients de tension très réduits à l'intérieur des enroulements. La courbe enveloppe des maxima de tension, telle que F, indique que les tensions par rapport à la terre sont dans ce cas également réduites.
Dans l'application générale de l'invention, les écrans doivent être donc disposés de manière à fournir une répartition de la tension initiale suivant la courbe C de la fig.l, c'est-à-dire intermédiaire entre la courbe B de la fig.2 et la courbe C de la fig. 3; op constate alors que les harmoniques de la courbe des écarta E sont considérablement réduits comparativement au cas où il nay a pas d'écran. La courbe F est alors intermédiaire entre les courbes correspondantes des fig. 2 et 3, et les gradients de tension entre spires et galettes sont suffisamment inférieurs à ceux qui se produisent dans un enroulement sans écrans pour que, dans la plupart des cas, le coefficient de sécurité de l'isolement se trouve accru dans des proportions considérables.
Les améliorations décrites ci-dessus peuvent être parachevées grâce à des écrans connectés à l'extrémité de l'enroulement et conformément à la présente invention, l'avantage qui en résulte consiste en ce que la tension maximum entre l'écran et l'enroulement adjacent est considérablement réduite, avec une diminution consécutive de l'épaisseur d'isolement. L'espace occupé par les écrans et leurs isolants est par conséquent diminué, et l'encombrement du transformateur est moindre. De plus, on réalise en général une amélioration de répartition de la tension en protégeant par des écrans, une partie plus faible du bobinage que dans le cas où l'on cherche à obtenir une répartition de tension linéaire ou uniforme.
Dans les Fig. 4, a-b-c représentent schématiquement trois exemples de connexions des écrans conformes à l'invention.
L'enroulement à protèger est représenté sur les fig. 4a et 4b par une pile de galettes F, et sur la fig. 4c par une pile de bobines G, bien que la méthode soit applicable à toutes autres formes de bobinages. Les fig.4a et 4b représentent le mode de connexion entre les sections d'enroulements qui peut si on le désire, être effectué comme indiqué en c et viceversa.
Un certain nombre d'écrans A, connectés eux-mêmes électriquement, sont en contact avec l'extrémité du bobinage reliée à la ligne, alors que les groupes B et C sont reliés, comme le montre la figure, aux connexions intermédiaires. En principe, les écrans peuvent être connectés en des points intérieur
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aux enroulements et par conséquent autrement qu'on ne l'a représenté, bien que cette dernière méthode soit plus commode.
Chaque .groupe d'écrans en contact électrique constitue une "cascade" qui peut comprendre un ou plusieurs 'écrans individuels. Un écran indivi- duel quelconque peut éventuellement avoir une largeur axiale suffisante pour couvrir plus d'une section d'enroulement, si on le désire, comme indiqué en la fig.4b.
La partie de l'enroulement adjacente à chaque cascade peut être différente dans chaque cas particulier, c'est-à-dire que dans les montages de la fig.4, le nombre de sections F en face de chaque cascade peut avoir toute valeur désirée et être le même ou différent pour les cascades individuelles,
On choisit le nombre de cascades et les parties respectives de l'enroulement protégées par elles, ainsi que l'espacement adjacent, de manière à améliorer les courbes de répartition de tension, comme décrit précédemment*
En se référant aux Fig.
4a et 4b, on voit qu'on peut disposer des écrans auxiliaires à l'extérieur des écrans principaux, de façon à accroître la capacité électrostatique entre ces derniers et l'enroulement adjacent, Un mode de connexion particulièrement approprié est représenté par la cascade auxiliaire D qui est en parallèle avec la partie correspondante de l'écran principal A. Une partie quelconque de la cascade principale peut être ainsi couverte par des écrans auxiliaires, si on le désire, et le nombre de ccascades ainsi agencées peut être aussi grand qu'on le juge nécessaire,
Dans la pratique, chaque cascade peut comporter un certain nombre de conducteurs individuels à section droite, rectangulaire ou circulaire, ou en câbles tressés.
Les conducteurs individuels peuvent être en boucles ouvertes dont une extrémité est reliée avec celle de chacune des autres boucles, alors que les autres extrémités sont isolées. Dans une variante de ce dispositif, le conducteur peut être enroulé en hélice dont une extrémité est connectée à un point approprié de l'enroulement principal et l'autre isolée. De même, l'enrou- lement en hélice peut être subdivisé en deux ou plusieurs sections, si on le désire, car on a souvent constaté qu'avec une seule hélice la longueur développée est telle que la durée de propagation des ondes transitoires est excessive.
On peut réaliser une autre variante en donnant au conducteur-écran la forme de boucle non inductive, comme représenté en a-b-c sur la fig.5; auquel cas les deux extrémités peuvent être connectées ensemble si on le désire, ou bien une extrémité peut être isolée. Bien qu'on ait seulement représenté deux spires sur la fig.5, on peut évidemment en accroître le nombre si on le
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désire.
Si on utilise des bobines du type indiqué fig. 4c, une spire extérieure constituée par du ruban de cuivre peut être prévue sur la totalité de la longueur axiale de la bobine. Dans la fig.6, on a représenté en H une spire externe de ruban assez large, tandis que dans la fig. 7 cette spire H ne fait pas un tour complet; dans la fig.8 les spires externes et internes de la bobine sont formées par une large bande H.
A titre de variante, chaque cascade peut être constituée par un seul conducteur-écran. Ce dernier peut avoir la forme d'une lame métallique ou d'un ruban enroulé sur un mandrin isolant de forme appropriée et de dimensions oonvenables, le mandrin pouvant comporter une surface conductrice réalisé- sous forme d'une pellicule métallique ou d'une peinture conductrice.
Sur les fig. 9 et 10, on voit que l'une des branches 11 du noyau d'un transformateur par exemple comporte le bobinage à basse tension 12 et le bobinage à haute tension 13, tous deux constitués par un certain nombre de ga- lettes 14 et 15 respectivement, ces dernières étant espacées par des entretoises 16. L'enroulement 13 est protégé par des bandes conductrices isolées 17 placées sur les bords externes des galettes 15 formant une partie de l'enroulement 13 la plus voisine de la borne à haute tension.
Un anneau isolé 18 peut aussi être prévu au-dessus de l'extrémité de l'enroulement 13 la plus voisine de la borne à haute tension. Cette plaque 18 doit être fendue de façon à éviter la création d'une spire en court-circuit autour de la branche 11 du noyau magnétique. On connecte à la borne 19 les écrans électro-statiques constitués par la pièce 18 et par la lame 17 prévue au bord de la première galette 15. La différence de potentiel entre la première lame 17 et le bord adjacent de la galette 15, n'est évidemment jamais très élevée. Les tensions entre les bobines successives 15 et leurs lames respectives 17 peuvent toutefois s'accroître dans des conditions telles qu'il soit nécessaire de prévoir un fort isolement entre 17 et 15.
Les lames électrostatiques en question n'ont aucun courant de char ge à supporter à part un très faible courant de capacité, de telle sorte qu'est les ne sont jamais soumises à aucune force qui tendrait à les déformer ou à les séparer des enroulements qu'elles entourent. Un dispositif satisfaisant permettant de les maintenir en place consiste à prolonger les entretoises 16 au-delà des lames 17 et à fixer ces dernières par des goupilles 20, par exemple, traversant les extrémités des entretoises 16 et portant sur les surfaces externes des lames 17, comme représenté,
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Au lieu de la plaque 18, l'extrémité du bobinage peut être entou- rée de ruban métallique connecté à la ligne.
Toute la bobine avec son ruban ment doit être convenable/isolée des bobines adjacentes, Comme dans le. cas de la plaque métallique, on doit ménager une interruption dans le métal d'enrubanna- ge de façon à éviter la création d'une spire en court-circuit autour d'une bras che de transformateur. Le rôle de cet enroulement consiste à réaliser une sur- face au potentiel de la ligne sur les quatre faces du bobinage.
Dans chaque cas, le périmètre de l'écran adjacent à une partie quelconque de l'enroulement peut être aussi grand que nécessaire au point de vue des jeux électriques ou mécaniques; il peut également être moindre si né- cessaire, dans le but de réaliser le valeur voulue de capacité entre l'écran et l'enroulement,
Sur la fig. 11, on a représenté à titre d'exemple l'application de l'invention à un transformateur industriel il comporte un circuit magnétique 110 portant l'enroulement à basse tension et l'enroulement à haute tension, ce transformateur étant enfermé dans une enveloppe 114. L'enroulement à haute ten- sion comporte un certain nombre de galettes espacées par des entretoises 116.
L'enroulement est protégé par des bandes conductrices 117 disposées à la péri- phérie des galettes formant la partie de l'enroulement la plus voisine de la borne de sortie. On peut prévoir également une plaque isolée 118 au-dessus de l'extrémité de l'enroulement la plus voisine de la borne à haute tension.
Cette plaque d'extrémité 118 doit être fendue pour éviter, comme indiqué pré- cédemment, de créer une spire en court-circuit autour du noyau magnétique, La plaque 118 et la lame 117 sont connectées à la borne à haute tension 118.
La Fig. 12 représente plus en détail l'écran 117 ayant la forme d'un ruban isolé* La bande isolée inférieure est prévue de manière à entourer une seule galette. Une extrémité de la dite bande est prévue de façon à être connectée à un point de l'enroulement principal; l'autre extrémité est recour- bée en vue dtéviter les tensions électrostatiques susceptibles de produire des effluves. La bande supérieure entoure les bords supérieurs de deux galettes adjacentes. Elle part d'une borne, suit le bord d'une bobine et est ensuite recourbée en arrière sous un angle peu aigu pour atteindre le bord de la galet- te adjacente.
Les Figé 13 à 17 inclusivement représentent des variantes des modes de connexion des écrans.
Dans ces figures, les références 115 désignent les galettes de
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l'enrovlement principal, 118 les anneaux extérieurs, 117 les écrans disposés parallèlement à l'axe, et les lettres a b qui les accompagnent désignent les différentes "cascades".
La méthode de protection par écrans décrite ci-dessus est non seulement applicable aux montages triphasés en étoile avec neutre à la terre ou isolé, ainsi qu'aux circuits monophasés, mais encore aux circuits et montages en triangle. Dans le cas d'un montage en étoile, le neutre peut être mis à la terre directement ou par l'intermédiaire d'une impédance ou d'une bobine Patersen. Dans le cas d'un montage en triangle, les écrans sont placés à chaque extrémité de l'enroulement, c'est-à-dire en bout de ligne et aux points corres- pondants de l'intérieur des enroulements. Les appareils comportant ces perfec- @ tionnements sont caractérisés par une diminution des oscillations harmoniques de la tension et par une diminution appréciable des gradients de cette dernière.
Bien qu'on ait représenté et décrit plusieurs formes de réalisation de l'invention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières,données simplement à titre d'exemple et sans aucun caractère restrictif et que par conséquent toutes les variantes ayant même principe et même objet que les dispositions indiquées ci-dessus, rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.