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-Appareil électrique.
La présente invention concerne de façon générale un appa- reil électrique inductif et plus particulièrement des procédés per- fectionnés d'isolement et de refroidissement d'appareils électriques inductifs* L'utilisation de résines liquides à couler ou de résines à mouler, telles que des résines phénoliques, polyesters ou époxydes, dont la construction des appareils électriques inductifs, par exem- ple les transformateurs, a permis d'obtenir des transformateurs qui sont plus petits et plus légers que les transformateurs ordinai. res.
Le noyage des enroulements de l'appareil électrique dans des
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résines thermoduroissables exemptes de vides donne un système isolant ou les pannes par cheminement sont impossible et dont les risques de panne par percement disruptif de la résine sont tria faibles parce que les résines ont une très grande rigidité diélectrique.
Les excellentes qualité. d'isolement des résines permettent une réduction marquée de l'épaisseur des isolant. dont résulte la r4duo-, tion de dimension et de poids déjà citée. D'autres avantagea des résines isolantes thermodurcissables solides sont l'amélioration de la résistance mécanique, la simplification de la construction, la résistance aux milieux défavorables et la suppression des risques' et des inconvénients de l'huile,
Bien qu'une résine isolante solide soit idéale du point de vue de l'Isolement électrique et soit un meilleur conducteur de la chaleur que la plupart des autres Isolante,
il est nécessaire de recourir à un refroidissement supplémentaire pour les transtor- mateurs de toutes puissances sauf les petites. Les transformateurs de puissance nécessitent généralement un refroidissement suppléa en taire qui est désirable dans tous les cas. Toutefois, le dispositif de refroidissement doit être introduit sans perdre aucun des avan- tages du système d'isolement à l'aide d'une résine thermodurcissable solide*
De façon générale, l'invention a donc pour but de procurer un appareil électrique inductif nouveau et perfectionné.
L'invention a en particulier pour but de procurer un nou- veau système perfectionné d'Isolement et de refroidissement pour des appareils électriques indue tifs.
En résumé, ces buts sont atteints suivant l'invention en construisant un transformateur qui utilise les qualités d'isolement supérieures des résines thermodurcissables et qui comprend des canaux de refroidissement très efficace ménagés dans ou entre les enroulements du transformateur. Plus spécifiquement, le système isolant à la résine thermodurcissable solide est pourvu de canaux de refroidissement disposés convenablement en communication thermique
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avec le enroulements inductifs noyés.
Dans une forme de réalisation préférée de 1 'invention, on recourt à un système de refroidissement par vaporisation dans lequel un liquide approprié est introduit dans le$ pénaux de refroidissement et la chaleur dégagée par les enroule- ments pendant le fonctionnement de l'appareil électrique provoque la vaporisation du liquide.
La température du liquide, de refroidissement N'élevé jusque sa température de vaporisation et le lipide se vapo- rise en absorbant une grande quantité de chaleur égale à sa chaleur latente de vaporisation* Le liquide absorbe donc la chaleur latente de vaporisation et passe en phase vapeur sans nouvel accroissement de température. La vapeur chemine alors vers une surface de refroi- dissement ou échangeur de chaleur où elle se condense en abandonnant sa chaleur latente de vaporisation, toujours sans modification appré- ciable de la température. Le liquide condensé retourne alors aux canaux de refroidissement pour être recyclé.
D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront de sa description ci-après.
L'invention sera mieux comprise en se référant aux des- sine annexés, dans lesquels!
Fig. 1A, qui représente en perspective et partiellement en coupe un transformateur* illustre une forme de réalisation de l'in- vention
Fig. 1B est une vue en perspective partiellement en coupe d'un assemblage d'enroulements comme le représente la Fig. 1A;
Fig. 2 est une vue de face en élévation et partiellement en coupe d'un transformateur et illustre une autre forme de réalisa- tion de l'invention; Fig. 3@est une vue plongeante des canaux de refroidisse- ment d'une autre forme encore de réalisation de l'invention;
Fig. 3B est une vue en élévation et en coupe des canaux de refroidissement de la Fig. 3A;
et,
Fig. 4 est une vue de face en élévation et en coupe d'un
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transformateur suivant une autre forma de réalisation de l'1Tent1on.
Les Flgn. 1À et 10 des dessin , et op part4oUter "la Fig, 1A., représentent de façon générale un appareil Induotlt eu transformateur 10 appliquant les principes de l'intention* te uana- formateur 10 comprend un noyau magnétique 12 et des asseablifes d'enroulements 14 disposés dans une enceinte ou boîtier 16 en mater ou en un autre matériau approprie* Des conducteurs électriques 18 vont des enroulements électriques 14 aux borne. 20. Ces bornes sont
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montées de façon isolée sur l'enceinte 16. Les dahangeurs de chaleur 22 et les ailettes associées 24 sont montée dan# oe cas au-4"'UI de l'enceinte 16 et disposés dans un logement 26.
Les assemblages d'enroulement. électriques 14 représenté*
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en détail sur la $1g. 1B comprennent des enroulements à banne et à haute tensions 30 et 32e respectivement Les enroulements â'batue et à haute tensions 30 et 32 comprennent des conducteurs électriques 28 complètement ;noyés dans une résine isolante thermoduteiasable cou..
14o exempte de vides 34. La résine solide coulée isole les enrou- lements à basse et à haute tensions 30 et 32 l'un de l'autre et de la masse et constitue le diélectrique interne des enroulements* Des fentes ou canaux de refroidissement 36 sont ménagés dans les
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enroulements à basse et à haute tensions 30 et 2 entre les conducm teurs électriques 28. Les canaux de refroidissement 36 traversent
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dans ce cas de part en part l'assemblage d'enroulements 1411 #>#'! Sur la Ji';1.g. IA encore, des collecteurs 38 coiffent complè- tement les orifices des canaux 36p à chaque extrémité de 1'assem- blage d'enroulements 14. Les collecteurs 38 montés sur les orifices des canaux 36 sont raccordés une canalisation 40 qui débouche dans les échangeurs de chaleur 22.
Une canalisation de retour 44 fait ,
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tri # communiquer les échangeurs de chaleur 22 avec la partie inférieure: des canaux 36.
Dans les transformateurs suivant l'invention.. on peut utiliser l'un ou l'autre système de refroidissement. Toutefois} un
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système de refroidissement préféré du point de vue de l'efficacité et de la simplicité recourt à la vaporisation. Dans un système de refroidissement par vaporisation, un liquide de refroidissement est introduit dans les canaux de refroidissement 36 jusque un niveau sensiblement égal ou supérieur à celui des canaux.
Etant donné que le liquide de refroidissement bout à une température déterminée par la pression régnant dans le système de refroidissement, il est possible de choisir la température d'ébullition en choisissant un liquide et en faisant le vide dans le système de refroidissement Jusqu'à la pression requise pour atteindre la température d'ébulli- tion voulue. Si la pression dans le système de refroidissement est ramenée jusqu'à la tension de vapeur du liquide de refroidissement utilisé, la pression dans le système de refroidissement ae modifie ... avec la température, de sorte.que le liquide de refroidissement est toujours à l'ébullition pour une pression quelconque dans le système.
Par conséquent, la température d'ébullition du liquide de refroidissement est déterminée par la construction au système de refroidissement et par ses pertes plutôt que par les propriétés du liquide de refroidissement. Lorsque cette température est détermi- née, la pression dans le système est définie par la relation tension de vapeur-température du fluide de refroidissement particulier utilité. Ainsi, un liquide à point d'ébullition élevé sous la pres- sion atmosphérique conduit à un système de refroidissement à basse pression et un liquide à bas point d'ébullition sous la pression atmosphérique à un système de refroidissement à haute pression.
En cours de fonctionnement, la chaleur engendrée par le courant électrique circulant dans les conducteurs électriques 28 et transférée au liquide de refroidissement remplissant les canaux
36. Le liquide de refroidissement des canaux s'échauffe, ce qui en provoque sa vaporisation au voisinage des parois de* canaux* Le li- quide de refroidissement vaporise s'élève en bulles dans le liquide restant et pénètre dans les collecteurs. 38, la canalisation 40 et
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dans les échangeurs de chaleur vapeur/a:1.r,22,:
P. refroidissement '!'i \ t 1 dans les échangeurs de chaleur 22, le liquide !de refroidissement se
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condense et retourne par gravité au fond des' anaux 36 par la cana- lisation 44 'It .'' lr
Le passage du liquide de refroidissement l'état de va. peur sous l'effet de la chaleur se fait aveu .élévation de la tempé- rature du liquide jusqu'à sa température de vaporisation où. il
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absorbe une grande quantité de chaleur égale à sa chaleur de vaporisation, sans autre accroissement de température.
Lorsque le liquide de refroidissement se condense dans les échangeurs de chaleur 22 une quantité de chaleur égale à la chaleur de vaporisation est abandonnée par le liquide de refroidissement et absorbée par les échangeurs de chaleur 22, sans modification appréciable de la tem- pérature du liquide de refroidissement*
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Le refroidissement du tranatom4te ar ce procède de vaporisation très efficace ne nécessite qu'une faible quantité de milieu de refroidissement et le cycle de refroidissement est amorce et entretenu sans pompe mécanique.
Etant donne que le refroidisse* ' ment par vaporisation est très efficace, le nombre de canaux de refroidissement 36 nécessaire et leur section peut se réduire à un*
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valeur minimum qui permet de construire de f<ujcn peu onéreuse un transformateur simple et résistant* îù outre, Io refroidissement par vaporisation nécessite un échangeur de chaleur relativement petit, parce qu'un refroidissement efficace se tait avec une petit. modification de la température. De plus,
l'utilisation d'un liquide de refroidissement inerte ininflammable supprime les risques
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d'incendie existant avec un liquide de refroidissement lnflammble.
La résine thermodurcissable isolante 34 peut être un* .
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résine liquide à couler ou une résine 4 mouler, coma. le* 1'4..1011. phénoliques, polyesters ou époxydes. La résine doit avoir une faible
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viscosité lui permettant 4#ixpeégner de$ es4mbl*ges **rrit sans laisser de vides, oeautres exigences physiques du système isolant 34 sont la résistance mécanique, la opacité de se déformer sous on*
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trente sans rupture et un faible coefficient de perte diélectrique dans un intervalle de température étendu.
De nombreuses résines satisfont à ces conditions et conviennent comme milieu Isolant 34 pour rassemblera d'enroulements 14' Par exemple, des résines du type' époxyde conviennent.
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Le,coefficient de dilatation thermique de la résine non chargea si en général beaucoup plus grand que celui des métaux or- dinaires. Par conséquente pour éviter le crevassaient de la résine au cour$ des cycles thermiques de l'appareil inductif sous l'effet de la différence entre les coefficients de dilatation de la résine et des enroulements métalliques, on peut utiliser une résine flexible ou réduire le coefficient de dilatation de la résine en ajoutant à celle-ci des charges inertes inorganiques non friables.
Certaines chargea convenant pour réduire le coefficient de dilata-
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tion des résines ler.moduroi8sables sont le sable, la silice pulvé-. risée, le mica, le silex et le silicate de béryllium et d'aluminium.
Le milieu de refroidissement utilisé doit être inerte et ininflammable et avoir d'excellentes propriétés de transfert de chaleur* Des liquides ayant les propriétés requises, y compris une faible viscosité, une faible tension superficielle et une grande chaleur de vaporisation sont les produits complètement fluorés constitués par un mélange de composés à 8 atomes de carbone. La liaison carbone-fluor est extrêmement solide et confère au produit une excellente stabilité chimique et une grande résistance à la décomposition thermique et à la décharge électrique. Par exemple,
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le perfluoro-propyltétrahydropyrane, CaF16o, ayant un point d'ébul- lition de 101 C sous la pression atmosphérique convient.
Pour ménager les canaux de refroidissement 36 dans les enroulements à basse et à haute tensions 30 et 32, les enroulements 30 et 32 peuvent être bobinés en plaçant des plaques de cire,ou d'une autre matière appropriée à l'endroit requis. Si on utilise de la cire, celle-ci est fondue après le bobinage de l'assemblage
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d'enroulements 14 et la polymérisation de la résine* 81 on utilise d'autres matières, par exemple du caoutchouc enduit de graisse de silicone,
les morceaux de caoutchouc doivent déborder suffisamment des enroulements pour pouvoir en être rôtira après le bobinât de l'enroulement et le durcissement de la résine* La caoutchouc donne d'excellents gabarits pour canaux de refroidissement, parce que sa section diminue lorsqu'il est extrait par traction.
Les assemblages d'enroulements de la Fige 1A peuvent être obtenus en bobinant d'abord les enroulements à basse et haute tensions 30 et 32 en utilisant des rubans de caoutchouc ayant la largeur et l'épaisseur que doivent avoir les canaux 36 et une longueur un peu supérieure à celle de ces canaux Le caoutchouc peut être enduit d'une fine couche de graisse de silicone pour faciliter son extraction ultérieure. Pour éviter le jaillissement d'un arc dans l'isolant à travers Ion canaux,
plusieurs couches de matière isolante peuvent être appliquées sur le caoutchouc et un écran métal- lique peut être replié autour * l'isolante avec un léger recouvre- ment. L'isolant est placé entre les parties de l'écran métallique, qui se recouvrent afin d'empêcher que celui-ci ne constitue un circuit continu et d'éviter ainsi des pertes par circulation de cou- . rant dans le métal.
La gaine, de matière isolante établit un isolant solide entre le canal et l'écran métallique., La couche de native isolante et l'écran métallique ont une longueur correspondant la largeur de bobinage de l'enroulement, de sorte qu'elles ne pénè- trent pas dans l'isolant principal. Pour en faciliter l'extraction, les rubans de caoutchouc débordent de quelques centimètres à chaque extrémité des- enroulements.
Il convient de remarquer que les canaux de reforidisse- , ment peuvent être forcés en disposant des tûtes métalliques ou non . métalliques en des endroits appropriés dans du entre les enroule- ments électriques* Toutefois, le transfert d chaleur au liquide de refroidissement dans les canaux n'est pas aussi satisfaisant que
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lorsque l'isolant lui-même forme les parois des canaux de refroidisse- Ment*
Les enroulements 30 et 32 sont donc bobinée après que des rubans de caoutchouc aient été placés aux endroits judicieux pour former le canaux de refroidissement.
Les enroulements contenant les gabarits pour les canaux sont suspendus dans un récipient de dimension appropriée afin que les enroulements n'entrent pas en contact avec les parois du récipient. Une charge telle que du sable ou au silicate d'rluminium et de béryllium est introduite dans le récipient puis Imprégnée de résine ajoutée de façon à remplir le récipients La résine est alors polymérisée pour donner un assemblage d'enroulements isoles rigides exempts de vides.
Si on le désire, au lieu de suspendre les enroulements dans le récipient, une petite quantité de charge et de résine peut être ajoutée dans le récipient et polymérisée* Les assemblages d'enroulements peuvent être ensuite déposés sur cette résine durcie et le reste du récipient peut être rempli de charge et de résine qui est polymérisée. L'ensemble est alors retiré du récipient et les gabarits de caoutchouc formant lois canaux peuvent être retirés. Lorsque la résine est dure les rubans de caoutchouc sont extraits par traction. La graisse de silicone évite l'adhérence au caoutchouc à la résine.
Dans le transformateur polyphasé de la Fig. 1A, les @ssem- blagua d'enroulements 14 peuvent être placés dans une enceinte ou boîtier 16. Si on le désire, l'enceinte 16 peut être rendue étanche aux gaz et remplie d'un liquide ou d'un gaz inerte à haute rigidité diélectrique pour assurer l'isolement des conducteurs sortant de l'isolant solide 34.
Par exemple, un gaz électronégatif comme SF6 peut servir à isoler les conducteurs menant aux bornes 18, les conducteurs interphase. (non représentes) et les conducteurs des priées Intermédiaires (non représentés):
La Fig. 2 est un schéma représentant une autre forme de réalisation de l'invention recourant à un autre agencement des canaux
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de refroidissement* Dans ce cas, le transformateur 50 comprend un . noyau magnétique 52 et des enroulements à haute et à basse tensions 54 et 56 disposés de façon appropriée dans une enceinte 58, Les anaux de refroidissement 60 ménages dans les enroulements à haute et à basse tensions 54 et 56 communiquent avec un collecteur 62 à leur ;
partie supérieure et sont fermés à leur partie Inférieur* par la matière isolante 64, qui peut être une résine thermodurcissable comprenant une charge appropria connu décrit ci-dessus. La matière isolante 64 entoure complètement et noie les enroulements 54 et 56, Le collecteur 62 communique avec un éohangeur de chaleur 66 par des tubes d'admission 68 et de sortie 70.
Un liquide de refroidissement, qui peut être un fluorocarbure cornue décrit ci-dessus, est introduit dans ces canaux de refroidissement 60 jusqu'à un niveau voisin du sommet des canaux 60 ou même plus élevé.
En cours de fonctionnement, la chaleur engendrée par le courant circulant dans les enroulements 54 et 56 est transférée vers les canaux 60 où le milieu de refroidissement voisin des parois des canaux se vaporise. Le milieu de refroidissement vaporisé ,'élève en bulles dans le liquide restant, entre dans le collecteur 62 et dans le condenseur ou échangeur de chaleur 56 par le tube d'admission 68 de l'échangeur ae chaleur.
La Tapeur abandonne sa chaleur de vapo- risation dans l'échangeur de chaleur et se condense puis retombe par gravité dans le collecteur 62 en passant par le tube de sortie 70 de l'échangeur de chaleur, Du collecteur 62, le liquide condensa retourne dans les canaux de refroidissement 60. Ainsi, s'établit un cycle continu de vapeur quittant les canaux de refroidissement 60 et de liquide de refroidissement condensé retournant. ces canaux.
Il convient de re&arquer que dans ce cas la vapeur sortant* et le liquide rentrant passent par la même extrémité des canaux de refroi- crissement: 60.
L'écoulement du liquide et de la vapeur dans les canaux de refroidissement peut être améliora per un monta,. que représentent
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' lea Fige. 3A et 3B. La yig. représente une vue plongeante de ,( ,1 '... . ' '4.," ' . la disposition des cana= de old1'8ement et la 718, 3B'-Ost' mm vue en '14vat10n et en coups représentant plu. en détenu la diapo- :,' .1t:t.on des canaux.
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unnsystème de refroidissement ayant aussi d'excellente)) caractéristi- ques, et de les combiner dans un seul appareil électrique* Telle est la chose réalisée suivant l'invention. L'isolement par la résine thermodurcissable comme décrit ci-dessus, est excellent et le système de refroidissement par vaporisation décrit est très efficace sans être onéreux, étant donné qu'aucune pompe n'est nécessaire et que l'échengeur de chaleur peut être relativement petit parce qu'il ne doit réduire que de quelques degrés la température du liquide de re- froidissement.
Le système de refroidissement par vaporisation décrit ci- dessus est la forme de réalisation préférée de l'invention, parce que le nouvel agencement des enroulements et de l'isolement décrit ici permet d'utiliser facilement ce dispositif de refroidissement très efficace. Toutefois il convient de remarquer que d'autres dispo- sitifs de refroidissement peuvent être utilisés.
Par exemple, des liquides de refroidissement, tels que de l'huile, peuvent être mis en circulation dans les canaux de refroidissement représentés- sur les Figs. 1A et 1B, par circulation naturelle ou forcée, et refroidis dans des échangeurs de chaleur appropriés. En outre, des gaz tels que le gaz électronégatif SF6 peuvent servir de milieu de refroidit- siéent et être mis en circulation dans les canaux de refroidissement du transformateur. Le gaz doit alors être refroidi également à l'aide d'un échangeur de chaleur approprié* De plus, étant donné que les canaux de refroidissement sont ménagés dans une résine insensi- ble à la corrosion,
de l'eau peut évidemment servir d'agent de @ refroidissement liquide. L'eau peut être vaporisée et condensée dans l'échangeur de chaleur, ou simplement mise en circulation dans le transformateur et l'échangeur de chsieur en restant à l'état liquide.
Jbtant donné que la résine dans laquelle sont ménagés les canaux n'introduit pas d'agent contaminant dans l'eau, l'eau chauffée dans les canaux peut être déversée dans un réservoir (non représenté) et utilisée à des fins industrielles ou domestiques, de l'eau étant ajoutée suivant les nécessités pour maintenir la température du
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transformateur entre les limites voulues.
Bien que divers modes et détails de réalisation aient été décrits pour illustrer l'Invention, il vu de soi que celle-ci est - susceptible de nombreuses varlantes et modifications sans sortirde son cadre.