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APPAREIL ELECTRIQUE.
La présente invention concerne;, de fagon générale, les appareils électriques, et plus spécialement les appareils isolés par une atmosphère diélectrique fluide et utilisant un dispositif de réfrigération pour évacuer la chaleur produite par l'appareil en fonctionnement.
Il est connu dans l'industrie électrique, d'isoler au moyen d'un liquide diélectrique des appareils électriques enfermésen plongeant les par- tiers électriques actives dans ce liquide, à la fois pour refroidir les par- ties électriques et pour isoler électriquement ces parties entre elles et par rapport à la cuve dans laquelle elles sont placéeso Cependant la fabrica- tion et l'emploi d'appareils isolés par un diélectrique liquide présentent certains inconvénients. Un inconvénient est la nécessité d'utiliser de gran- des quantités de diélectrique liquide, comme l'huile ou un diphényl chloré ou l'équivalent.
Les diélectriques liquides exigent de la surveillance et de l'en- tretien, parce qu'ils peuvent déposer de la boue ou sa détériorer en réagis- sant avec l'humidité et l'oxygène ou d'autres gaz réactifs pouvant pénétrer dans l'appareil électrique, et subir ainsi une diminution de leurs caracté- ristiques isolantes. Si un arc électrique se produit à l'intérieur d'un ap- pareil rempli de diélectrique liquide, il peut provoquer une explosion du un incendie, si le diélectrique est une huile'minérale, ou sinon produire des fumées halogènes corrosives et nocives dans le cas d'un diélectrique liquide chloré qui corrodent, au moins, l'intérieur de l'appareil. D'autres- inconvé- nients encore sont bien connus.
Le :nouveau transformateur du type "sec rempli de gaz ou refroi- di par l'air évite certains inconvénients de l'appareil rempli d'un diélec- trique liquide, mais il en présente d'autres qui lui sont propres. Un incon- vénient est dû à la faible rigidité diélectrique de l'air ou d'un gaz perma- nent analogue dans lequel les enroulements du transformateur peuvent être plongés, la tension de claquage ou de rupture entre enroulements et masse
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limitant les potentiels pouvant être utilisés. Le noyau et la bobine d'un transformateur à remplissage gazeux sont plus grands que ceux d'un trans- formateur à refroidissement par liquide de la même puissance nominale.
La construction de transformateurs du type sec constitue un problème plus dif- ficile que la construction de transformateurs à réfrigérant liquide, et leur calcul est un problème compliqué. En pratique, le transformateur à remplissage gazeux a une faible capacité de surcharge ce qui limite sa marche au-dessus de sa puissance nominale dans des conditions de charge anormales.
L'invention a pour but de procurer, dans'un appareil électri- que hermétique isolé au moyen de gaz ininflammables et inexplosifs et dont la chaleur produite en fonctionnement est dissipée par un mélange de gaz non condensables et condensables, le moyen de régler le refroidissement des gaz et la proportion ou rapport des gaz dans la cuve en fonction des conditions atmosphériques à l'intérieur de la cuve.
L'invention a aussi pour but de procurer un appareil électri- que enfermé contenant un gaz non condensable et un réfrigérant liquide vaporisable répandu sur l'appareil, dont la vapeur se mélange avec le gaz non condensable, et le moyen de régler la proportion vapeur-gaz du mélan- ge en fonction des conditions atmosphériques à l'intérieur de la cuve, de manière à maintenir une concentration minimum déterminée de vapeur dans la cuve pour avoir une tension de vapeur et une rigidité diélectrique va- peur-gaz minimum et une température minimum de fonctionnement de l'appa- reil.
D'autres buts ressortiront de la description donnée ci-dessous avec référence au dessin annexé.
La Fig. 1 est une vue schématique d'un transformateur construit suivant l'invention.
La Fig. 2 est une vue schématique partielle d'une autre forme d'exécution de l'invention, et
La Fig. 3 est une vue schématique partielle d'une troisième forme d'exécution de l'invention.
La Fig. 1 représente l'invention appliquée à un transformatéur 10 comprenant une cuve hermétique 12 contenant un noyau magnétique 14 avec des enroulements électriques associés 16 placés sur le fond de la cuve. Pour simplifier les dessins, les connexions vers les enroulements 16 et les iso- lateurs de passage normalement montés sur le dessus ou le couvercle de la cuve 12 ne sont pas représentés. Comme cela sera expliqué plus en détail par après, une couche 15 de matière calorifiquement isolante, comme de la fibre de verre ou analogue, peut entourer la cuve 12, étant maintenue par un man- teau métallique extérieur 17.
Comme la figure le montre, le fond de la cuve 12 est pourvu d'un puisard 18 dans lequel se trouve une quantité 20 de réfrigérant liquide va- porisable. La quantité 20 de réfrigérant liquide est relativement faible, comparée au volume de la cuve 12, puisqu'elle ne remplit normalement que le puisard 18, sans être en contact avec le noyau 14, ni avec les enroule- ments électriques 16.
Différents réfrigérants liquides vaporisables sont connus et peu- vent être employés. On peut citer, comme exemple de réfrigérant liquide va- porisable convenable, les perhalocarbures composés d'atomes halogènes à au moins 50% de fluor, le reste étant du chlore, avec un point d'ébullition compris entre 50 G et 225 Co Le choix du réfrigérant liquide vaporisable dé- pend évidemment un peu de la température supportée par l'isolant des enrou- lements électriques 16, sans dommage, et il peut même se porter sur des per- halocarbures ayant des points d'ébullition de 190 C et plus.
Comme exemples de perhalocarbures, on peut citer les monochloropentadécafluorodiméthylcyclo- hexane (C8 F15 CI) et (trifluorométhyl) monochlorotétrafluorobenzène, ce der- nier ayant un point d'ébullition de 137 C et un -point de congélation de -88 C, ainsi que le perfluorofluorane ayant un point d'ébullition de 190 G et un
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point de congélation de -60 C.
D'autres réfrigérants liquides vaporisables faisant partie de la classe des perhalocarbures précités et pouvant être utilisés, sont les composés fluorocarburés ne comprenant que du fluor et du carbone et bouil- lant entre 50 C et 150 C à la pression atmosphérique. On peut citer, comme exemples de composés fluorocarburés convenables, les perfluorométhylcyclo-
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hexane, perfluorodlméthyleyclohexane, 9 perfluoroheptane 9 perfluorohexane perfluorotoluèneg perfluoropropylcyclohexaneg perfluoroéthyleyclohexaneg et perfluorodiéthylcyclohexaneo Le point de congélation de ces fluorocar- bures liquides est considérablement en-dessous de zéro degré centigrade, de sorte qu'ils peuvent être utilisés dans presque toutes les conditions am- biantes pouvant exister en service.
D'autres perhalocarbures qui peuvent être utilisés dans l'appli-
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cation de l'invention sont le perfluoro-1-méthyl-naphtalène ayant un point d'ébullition de 161 C et un point de congélation de -75 C, le perfluoro-2- méthylnaphtalène ayant un point d'ébullition de 161 C et un point de con:
gélation en-dessous de -60 C, le perfluoroéthylcyclohexane ayant un point d'ébullition de 101 C et un point de congélation de -90 C, le perfluoro-m- diéthylcyclohexane ayant un point d'ébullition de 145 C et un point de con- gélation de -76 C, le perfluoropropylcyclohexane ayant un point d'ébulli- tion de 125 C et un point de congélation de -56 G et (trifluorométhyl) pen- tafluorobenzène ayant un point d'ébullition de 105 C et un point de congé- lation de -86 Co
Le perfluorométhylcyclohexane peut être utilisé avantageusement puisqu'il a un point d'ébullition de 76,3 C, une chaleur latente de vapori- sation de 22 calories par gramme au point d'ébullition, une chaleur spéci- fique de 0,
2 calorie par gramme, une densité de 1,8 et un point de congéla- tion en-dessous de -50 C. IL est entendu évidemment qu'on peut utiliser des mélanges de perhalocarbures, si chaque perhalocarbure a un point d'ébulli-
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tion compris entre 50 C et 225 C.
Le réfrigérant liquide 20 est appliqué aux enroulements électri- ques 16 par une pompe 24 disposée de façon à tirer le réfrigérant liquide 20 du puisard 18 et à l'envoyer par une canalisation 26 à un dispositif d'aspersion convenable 28 d'où le réfrigérant liquide .tombe en une fine pluie (non représentée) sur le noyau 14 et les enroulements 160 On peut u- tiliser d'autres procédés pour appliquer le liquide sur le noyau et les enroulements, à condition qu'ils conviennent à la disposition physique de l'appareil et principalement que le revêtement liquide soit réparti d'une fagon raisonnablement uniforme sur les parties qui doivent être refroidies.
En tombant ainsi, le réfrigérant liquide se répartit de lui-même en une mince couche (non représentée) autour des pièces électriques à l'intérieur de la cuve 12 et s'évapore librement sous l'effet de la chaleur des pièces électriques, refroidissant ainsi le noyau 14 et les- enroulements électri- ques 16.Quand le réfrigérant liquide s'évapore, ses vapeurs se mélangent avec le gaz non condensable présent dans la cuveg pour augmenter la rigidité diélectrique du gaz isolant remplissant la cuve 12.
Comme la cuve 12 est de préférence calorifiquement isolée par le revêtement 15, un réfrigérateur.,, comme le radiateur 30, communique avec la cuve 129 pour dissiper la chaleur du mélange vapeur-gaz à l'intérieur de la cuve 12 dans certaines conditions déterminées qui seront exposées en dé- tail par après. A cet effet, le collecteur supérieur 32 du radiateur 30 est relié9 par une canalisation 34 et un mécanisme à clapet 36, à la partie su- périeure de la cuve 12, et le collecteur inférieur 38 est relié, par une canalisation 409 à la partie inférieure de la cuve 12.
En vue de sa commande9 le clapet 36 est relié, par un levier à pivot 42, à l'extrémité d'un soufflet Sylphon 44, dont une ouverture commu- nique avec la canalisation 34, côté cuve du clapet 36, et qui est donc ac- tionné par la pression de vapeur à l'intérieur de la cuve 12.
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En pratique., une fois le transformateur monté et tous les joints rendus hermétiques de façon que la cuve 12 soit relativement hermétique aux gaz, dans le cas où on ne désire pas utiliser l'air comme gaz non condensa- ble, l'air emplissant la cuve et l'ensemble radiateur est évacué'suivant tout procédé classique et remplacé par un gaz inerte;, non condensable, isolant comme l'azote, sous une pression égale ou légèrement inférieure à la pres- sion atmosphérique.
Ensuite;, on introduit, dans le puisard 18 du transforma- teurg la quantité voulue de fluorocarbure liquideo La quantité de fluorocar- bure liquide doit être suffisante pour que ses vapeurs emplissent entière- ment la cuve et le radiateur associé à la température maximum du mélange gaz-vapeur pouvant être atteinte en fonctionnement, avec un excès suffisant sous forme liquide pour remplir la pompe et les tuyauteries de distribution.
En fonctionnement;, quand les enroulements 16 s'échauffent et que le fluorocarbure liquide est répandu sur ceux-ci., les vapeurs produites par la chaleur de l'appareil se mélangent avec le gaz non condensable et augmentent la rigidité diélectrique de l'atmosphère gazeuse dans la cuve 12.
Il est évident que, si la température des enroulements 16 augmente, suite à l'augmentation de la charge, il en est de même de la température et de la pression du mélange vapeur-gaz. Si le clapet 36 ne se trouvait pas dans la canalisation 34, le mélange vapeur et gaz non condensable pénétrerait dans le collecteur inférieur 38 du radiateur 30 et monterait dans celui-ci. Cet écoulement se fera, quel que soit le poids moléculaire, de cette manière, d'autant plus que la densité de la vapeur du réfrigérant liquide est net- tement supérieure à la densité du gaz non condensable. Dans le radiateur 30, la chaleur est extraite du mélange et la vapeur condensable se condense, re- venant sous forme liquide, par la canalisation inférieure 40, dans le pui- sard 18 de la cuve 12.
Le gaz non condensable refroidi, en retournant dans la cuve 12, diminue, la température et la tension de vapeur du mélange va- peur-gaz, ainsi que la rigidité diélectrique du mélange vapeur-gaz. Quand le transformateur est peu chargé, la rigidité diélectrique du mélange va- peur-gaz est donc faible.
Avee le clapet 36 dans la tuyauterie 34, au contraire, la ten- sion de vapeur du mélange gaz-vapeur dans la cuve 12 est réglée de façon à éviter ces grandes variations de pression de la vapeur et de la température, et à maintenir une température de fonctionnement minima et donc une rigi- dité diélectrique minimum du mélange gaz-vapeur.
En supposant que le trans- formateur fonctionne sous la charge maximum admissible avec, comme résultat, que le réfrigérant liquide répandu s'évapore au degré maximum et produit, en se mélangeant au gaz non condensable, une pression de vapeur maximum, la pression à l'intérieur de la cuve hermétique 12 actionne le soufflet 44 qui ouvre le clapet 36 de manière à laisser le mélange gaz-vapeur circuler librement dans le radiateur 30, comme décrit, dont la capacité de dissipa- tion de chaleur est utilisée à fond, le réfrigérant liquide condensé re- tournant du radiateur 30 dans le puisard 18 et le gaz non condensable re- froidi revenant dans la cuve 12. L'atmosphère refroidie peut contenir cer- taines vapeurs du réfrigérant liquide suivant la capacité de dissipation du radiateur et la vitesse de circulation du mélange vapeur-gaz, dans celui-ci.
Quand la charge du transformateur diminue et revient à la valeur minimum de la gamme des charges normales, la pression exercée sur le soufflet 44 dimi- nue et le clapet 36 se ferme progressivement jusqu'à la fermeture complète qui correspond à la charge minimum et qui empêche le mélange gazeux diélec- trique de passer par le radiateur 30.
Quand le clapet 36 est fermé, le mélange gaz-vapeur admis dans le radiateur 30 s'y refroidit,le réfrigérant liquide condensé retourne au puisard 18, mais le gaz non condensable est retenu dans le radiateur 30 qui, dans ces conditions, sert de réservoir d'accumulation du gaz non condensa- ble. En évitant ainsi le retour du gaz bloqué, il est évident que ce gaz refroidi n'a pas d'influence sur la température du mélange vapeur-gaz à l'intérieur de la cuve 12. Comme le réfrigérant liquide est appliqué sans interruption aux enroulements 16, la vapeur produite et mélangée au gaz non condensable restant dans la cuve 12, produit une plus forte concentration
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de vapeur dans la cuve 12, quand le clapet 36 est fermé.
En s'accumulant dans le radiateur 30, le gaz non condensable blo- que effectivement la circulation du gaz condensable vers le radiateur, de sorte que, même sans charge9 il y a une rigidité diélectrique élevée dans l'atmosphère de vapeur de la cuve 12. Le revêtement isolant 15 entourant la cuve 12 empêche aussi les pertes de chaleur à travers les parois de la cuve 12 et maintient ainsi la pression de vapeur et la rigidité diélectrique dans la cuve. Dans ces conditions de charge nulle ou minimum avec le clapet 36 fermé, une augmentation de la concentration de vapeur tend à compenser la diminution de pression et de température de la vapeur, et maintient une ri- gidité diélectrique à peu près constante dans l'atmosphère de vapeur.
Au lieu d'être commandé par la pression dans la cuve 12, le clapet 36 peut être actionné en fonction de la température à l'intérieur de la cuve 12, puisqu'il est clair que la pression et la température à l'inté- rieur de la cuve 12 sont interdépendantes. Dans la forme d'exécution repré- sentée à la Figo 2, le clapet 36 est actionné par un solénoïde 46 dont les enroulements dexcitation 48 sont en circuit avec une résistance à plots 50 dont les connexions peuvent être réglées par un curseur 52 commandé par un dispositif thermique convenable, comme le bimétal 54.
Ce dernier est placé à l'intérieur de la cuve 12 et choisi de façon que, pour une charge minimum et par conséquent une température minimum déterminée à, l'intérieur de la cuve 12, le bimétal 54 maintienne le curseur 52 de façon que le circuit soit ouvert et l'enroulement d'excitation 48 du solénoïde 46 déconnecté, le clapet 36 étant fermé dans ces conditions. Quand la charge et, par conséquent, la température dans la cuve 12 augmentent, le bimétal 54 fléchit et amène le curseur 52 à connecter le solénoïde 48 à sa source d'alimentation et à augmenter progressivement son excitation.
Quand le solénoïde 46 est excité, il ouvre le clapet 36 pour permettre au radia- teur 30 de refroidir efficacement le mélange vapeur-gaz admis et de régler la température de travail, la pression de vapeur et la rigidité diélectri- que du mélange vapeur-gaz de la manière décrite à propos de la forme d'exé- cution de la Figo 1.
On peut, au lieu d'utiliser une commande électrique fonctionnant en fonction de la température, comme dans la forme d'exécution de la Fige 29 employer une commande thermique simplifiée, comme représenté à la Figo 3.
Dans cette forme d'exécution, une ampoule 58, remplie d'un des liquides va- porisables bien connus (non représenté), est reliée à un soufflet Sylphon 64, par exemple par un tube 60 attaché à un support 62 monté sur la paroi de la cuve 12. Le soufflet 64 est connecté par la tige 66 au clapet 36.
Quand la température à l'intérieur de la cuve 12 augmente, le liquide à l'in- térieur de l'ampoule 58 s'évapore et applique une pression à l'intérieur du soufflet 64 lequel ouvre le clapet 360
Il est entendu que, dans les formes d'exécution décrites, l'ef- ficacité de l'appareillage dépend de la quantité relative de chaleur dissi- pée par le radiateur et la cuve 12 seulement, quand le transformateur est à charge maximum.
Le radiateur utilisé aura donc de préférence une capacité de dissipation de chaleur beaucoup plus considérable que la cuve seule, car si le radiateur a une plus grande capacité de dissipation de chaleur, l'ex- périence montre que l'appareil maintient mieux une pression, une températu- re et une rigidité diélectrique du mélange vapeur-gaz constantes dans la cuveg pour une gamme plus étendue de variations de chargée C'est pourquoi, il est préférable d'isoler calorifiquement la cuve 12, comme décrit dans la forme d'exécution de la Fige 1.
Quand on utilise, dans l'appareil décrit, des composés perhalo- carburés comme réfrigérant liquide 20, on a constaté que ces composés pro- duisent des vapeurs ayant des propriétés d'isolement électrique excellentes et coopérant avec le gaz non condensable dans la cuve pour donner une rigi- dité diélectrique excellente. Les vapeurs des composés perhalocarburés sont supérieures à pratiquement tous. les autres gaz, au. point- de vue rigidité
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diélectrique, facteur de puissance et résistance à l'effet couronneo Ces perhalocarbures ont une stabilité chimique et thermique excellente;, surpas- sée uniquement par celle des gaz permanents.
Leur effet de détérioration sur les matières et vernis ordinaires utilisés dans la fabrication de piè- ces électriques classiques, comme les enroulements et les bobines, est né- gligeable sinon nul. Le choix d'un réfrigérant liquide vaporisable détermi- né dépend évidemment un peu des matières et vernis utilisés dans la fabrica- tion de l'appareil électrique contenu dans la cuve 12, de façon à coopérer avec le gaz non condensable pour maintenir dans l'appareil électrique une température à laquelle la matière isolante ne subit pas de dommagesoAvec l'appareil décrit et en utilisant le mélange gaz-vapeur et la commande de réfrigération décrits, l'expérience a montré qu'il est possible d'augmenter les KVA nominaux de l'appareil électrique comparé aux transformateurs à li- quide diélectrique et à refroidissement par air connus.
Quoique l'invention ait été décrite dans son application aux transformateurs, il est entendu qu'elle peut aussi être appliquée à d'au- tres genres d'appareils électriques hermétiques comme, par exemple, les commutateurs, condensateurs, générateurs, selfs et analogues. Le réfrigé- rant liquide appliqué à l'appareil électrique pour le refroidir et pour produire le mélange vapeurs-gaz, peut être distribué de nombreuses maniè- res différentes pour obtenir un bon mélange qui extrait et dissipe effica- cement la chaleur de l'appareil électrique et l'isole bien. On obtient, dans tous les cas, un excellent transfert de chaleur et un bon réglage de la pression, de la température et de la rigidité diélectrique du mélange vapeurs-gaz,
REVENDICATIONS.
1.- Appareil électrique comprenant une cuve hermétique conte- nant un conducteur électrique, un gaz non condensable et un réfrigérant li- quide vaporisable à l'intérieur de la cuve, le réfrigérant liquide étant un fluorocarbure liquide bouillant à une température comprise entre 50 C et 225 C, un moyen d'appliquer en mince couche le réfrigérant liquide sur le conducteur électrique de manière à refroidir ce dernier principalement par la vaporisation du réfrigérant liquide, les vapeurs du réfrigérant et le gaz non condensable se mélangeant à l'intérieur de la cuve quand-les vapeurs se produisent de manière à constituer un milieu diélectrique iso- lant le conducteur de la cuve, un réfrigérateur communiquant directement, par son extrémité inférieure,
avec la partie inférieure de la cuve pour en recevoir le mélange de vapeurs et de gaz, une canalisation pour relier l'ex- trémité supérieure du réfrigérateur à la cuve, pour le retour du gaz non condensable et d'un peu des vapeurs mélangées vers la cuve, un clapet pla- cé dans la canalisation et normalement fermé pour empêcher le passage du gaz et des vapeurs dans cette canalisation, et un moyen d'ouvrir entière- ment le clapet en réponse à des changements déterminés dans l'atmosphère de la cuve, ce dernier moyen étant inopérant aussi longtemps que la tempé- rature du conducteur électrique n'atteint pas une- valeur déterminée,
et le gaz du mélange circulant dans le réfrigérateur y reste prisonnier alors que les vapeurs du mélange se condensent et retournent à la cuve de manière à séparer le gaz non condensable de la cuve et à remplir avec ce dernier le réfrigérateur, les vapeurs qui se produisent ensuite pendant que le dit der- nier moyen est inopérant, restant dans la cuve pour y établir une rigidité diélectrique donnée, le dit dernier moyen se mettant à fonctionner quand la température déterminée précitée est atteinte et actionnant le clapet de manière à laisser passer le gaz et la vapeur non condensée dans le réfrigé- rateur et la canalisation vers la cuve afin de maintenir le conducteur é- lectrique à la température donnée.