CA1325072C

CA1325072C - Dry-type power transformer having embedded windings and process for producing embedding resin

Info

Publication number: CA1325072C
Application number: CA000597015A
Authority: CA
Inventors: Brigitte Pidancet; Miguel Vazquez; Philippe Cordier
Original assignee: France Transfo SAS
Current assignee: France Transfo SAS
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1989-04-18
Publication date: 1993-12-07
Anticipated expiration: 2010-12-07
Also published as: LU87494A1; JP2722405B2; DK192089D0; AT402242B; SE8901148D0; PT90346A; IE891229L; DE3912874C2; JPH0212904A; FR2630578A1; IT1234438B; DE3912874A1; CH678988A5; IT8909403A0; ATA94689A; ES2010928A6; SE508250C2; PT90346B; IE64367B1; BE1006158A4

Abstract

TRANSFORMATEUR SEC A ENROULEMENTS ENROBES, CONDUCTEURS ET INSTALLATIONS ELECTRIQUES ANALOGUES, ET PROCEDE DE PREPARATION DE LEUR RESINE D'ENROBAGE. Selon l'invention, une substance ignifuge par formation d'eau, telle que de l'alumine trihydratée, est incorporée à résine d'enrobage, en proportion adéquate d'au moins 20% du poids total de la résine, cette substance ayant été préalablement partiellement deshydratée, par chauffage, jusqu'à une perte en poids pouvant se situer entre 0.5 et 10 % environ du poids initial, de manière à éviter, lors de la mise en service de l'appareil à sa température de fonctionnement normal "à chaud", une formation intempestive d'eau pouvant préjudicier à la ténue de la résine d'enrobage. L'invention améliore ainsi la tenue au feu des installations électriques en accroissant, à leur température de service, la stabilité thermique de la résine d'enrobage. L'invention s'applique préférentiellement aux transformateurs secs de puissance et de distribution de l'électricité.DRY TRANSFORMER WITH COATED WINDINGS, CONDUCTORS AND SIMILAR ELECTRICAL INSTALLATIONS, AND PROCESS FOR PREPARING THEIR COATING RESIN. According to the invention, a water-retardant substance, such as alumina trihydrate, is incorporated into the coating resin, in an adequate proportion of at least 20% of the total weight of the resin, this substance having been previously partially dehydrated, by heating, to a weight loss which may be between approximately 0.5 and 10% of the initial weight, so as to avoid, when the appliance is put into service at its normal operating temperature "to hot ", untimely formation of water which could be detrimental to the thinness of the coating resin. The invention thus improves the fire resistance of electrical installations by increasing, at their operating temperature, the thermal stability of the coating resin. The invention preferably applies to dry power transformers and electricity distribution.

Description

- 1 1325072 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-....
~ . . - 1 1325072 DRY TRANSFORMER WITH COATED WINDINGS. CONDUGT ~ URS
OR FACILITIES ~ SIMILAR ELECTRICS ~ T METHOD OF
PREPARATION OF THEIR ~ NROBAG ~ RESIN.
The invention relates to improving fire resistance coated electrical conductors put into service hot.
It applies in particular to dry transformers of power or distribution, including working temperatures--typically exceed more than a hundred degrees 10 centigrade room temperature ~ working temperature generally around 140-150 ~ C). Also, and for reasons for convenience only, we will refer for the following to:
the presentation to the example of the aforementioned transformers.
In this type of transformers, usually reserved 15 at a voltage range from 3 to 36 kV, the winding is embedded in a synthetic insulating resin with di- ~ properties.
electric and several millimeters thick ~ 2 to 5 mm, for example). We recall, that in addition to its function of iso-electrical lation, the resin has a role of protection against 20 humidity and dust which could lower the breakdown voltage. It also protects the electrical windings -trques against an environment polluted by chemical agents aggressive mites and plays an important role in mechanical resistance ensuring the fixity of the turns between them in the winding 25 However, we know that under conditions of use accidental extremes, or ~ following an anomaly, trans formats may sputter. Study of their fire behavior allowed to realize that when the coating resin: ~
burns, it often continues to burn, even if the fire which 30 is the eause ceased because, from a critical temperature its own tick, the resin becomes flammable to air -At this stage, some reminders concerning the constitution of these resins may prove useful later.
The current coatings for dry transformers are 35 thermosetting resins, obtained by heating a initial mixture composed of a resin proper (an epo-xyde generally) and a hardener, such as anhydride.
A classic example is provided by lss derivatives 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 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 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 --.-. ~, - . .- . -~ . -, .. . , .. - .. ,..... . ,.. ,. .,... ... , ., . . . ~.. , ~ .
132~072 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.

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 - ~

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.
~ . ~ 2 132 ~ 072 ques ethers of _is-phenol A, more commonly called DGEBA, ~
and formed by reaction between bisphenol A and hepichloro-:
hydrin (see USP 3,202,947 for example). These resins are the ~
more often crosslinked and made infusible and insoluble -5 by addition of low molecular weight amines and polysulphides -ring (ARALDITE ~ R resin, for example).
others among thermosetting polyesters. The propor-by weight are conventionally 50% for the resin and;
50% for the hardener.
10Generally, charged resins are used: resin;
starting liquid receives, before the addition of the hardener, a: ~
filler, often mineral, for example quartz flour (silica), or glass wool, in weighted proportions which are of the order of 3 charges per liter of resin. We ~
15 will then have in the initial mixture for example 20% of resin, -60% silica and 20% hardener. - -This role has the role of improving behavior thermomechanical and absorb some of the heat already resin polymerization, which avoids the 20 formation of cracks. It also has a reinforcing role mechanical, because the uncharged resin may remain of:
soft tance at operating temperature of transformers mateurs.
On the other hand, we rather use elastomers, like Ides silicone resins, or polyester resins, which are ¦25 thermoplastics, in particular in the case of coating ¦. Cables or wires, to allow them some support crying. Examples are given by the EPR (Ethylene-propy-;
lene-rubber, EVA (Ethylene vinyl acetate), or Polyethy-crosslinked lene). -30The invention does not distinguish according to the type of resin (thermosetting, thermoplastic or elastomer), in the since this resin is an insulating material intended to be used 'hot' and therefore therefore exhibits good behavior thermo-mechanical at high working temperatures 35 indicated previously. Also, for convenience of language, we will indi ~ ferently refer to coating resin or 'resin char-i gée "the constituent material of the coating ~ final insulating ge ' formed by the mixture: resin itself, charge of reinforcement (if applicable), and possible hardener (additives 40 usual ones included, such as accelerator, flexibilizer, etc.).
':
.- 3 132 ~ 072 The object of the invention is to improve behavior at fire from coated electrical conductors, especially windings lements of transformers, dry, increasing, at their tem-service temperature, thermal stability of the resin 5 fireproof coating ~ e used.
To this end, the invention relates to a driver or eletric windings coated in an insulating resin char ~ ée containing a sub ~ tance i ~ ni ~ u ~ e by water formation when the temperature rises, tslle ~ ue of hydrated alumina, 10 oaractérisés in that a load reaction, equal to the minus 20 ~ of the total weight of the coating resin, is killed by said substance i ~ ni ~ uge, which was previously partially dehydrated as a guarantee does not cause untimely water formation in the resin 15 as long as the coated conductor is in service under its conditions normal temperature.
Another subject of the invention is a process for preparing tion of a loaded insulating resin of this type for coating windings of 6 trans ~ dry speakers, according to which 20 adds to the initial liquid resin a charge including a frac-tion, equal to at least 20% of the total weight of the coating resin bage, is made up of a substance with properties igniiugeantes by ~ ormation of water when the temperature rises, such as hydrated alumina, but cs, after ~
25 au ~ r ~ alablo doshydrat ~ partly the substance iani ~ uge, by chau ~ aBe of pre ~ erence, a ~ in that when in use from trans ~ speaker to its temperature ~ from ~ nominal operation there is no ~ untimely ormation ~ tive of water within the resin which can affect its quality.
The invention also relates to a dry transformer coated, at least one electrical winding of which is coated in a mass of flame retardant insulating resin con ~ elm à'celle obtained by the process speci ~ ied above.
The role i ~ ni ~ u ~ eant of alumina trihydrate, as as an adjunct to coating resins for electrical cables or for transformers, is already known, for example from the document USP 3.20Z.947 d ~ mentioned, Mals. ~ amais, ~ usqu'loi. at the con-nalssanc ~ des Inventsurs.on we could highlight the advantage that .
.
132 ~ 072 we could paradoxically expect better stability thermal of the resin by dehydrating partially beforehand-Lement such an adjuvant, while it acts as igni ~ fuge preci-when forming water.
;
The invention will be well understood, and other aspects and advantages will appear more clearly, in view of the description detailed description which follows, given with reference:
- Tables I, II and III presented in the main text - ~
and expressing the good fire resistance of a coating resin according to the invention; :
- in Table IV, also presented in the body of the description, and giving the main characteristics the profile of the water flow with the rise in temperature:
15 for a certain number of flame retardants; :
- Figures 1 and 2 showing the evolution over time of:, -weight loss of different flame retardants used by formation and elimination of water, resulting from their:
"hot" instability when heated to temperature 20 constant. -: -:.,.
We resume successively the two characteristics:
essentials of the invention set out above: ~
::,. ' 25 1) ADDING A SUFFICIENT OUANTITY OF A FIREPROOFING SUBSTANCE
BY FORMING WATER DUE TO HOT INSTABILITY.
The added i ~ nifuge substance can be alumina hydrated Al ~ C ~, nHkO with n = 1,2, or 3 of bihydra magnesia ~
zinc borate, or any other material known for its '' 30 self-extinguishing properties by elimination of water and preferably also capable, like silica, of reinforcing ~ -cer the resin. We can give preference to trihy- alumina dratée, which has proven to be the most effective flame retardant, and:
which, moreover, does not age, or little smoke.
The water formation reaction can be written: -2 Al (OH) ~ ----> Al2 ~ + 3 H20 The speed of this reaction increases in the direction of the arrow with temperature, and its endothermicity delays, or even prevents, reaching the ignition threshold of the resin.
': -..
132 ~ 072 We will see later that this speed does not change linearly.
with temperature, but a peak is formed intense departure of water characteristic of the substance, and of which a decisive interest is that it appears at temperatures 5 located precisely in the overheating zone at risk, therefore in de ~ at the critical temperature of the flammability of the coating resin.
LJAl (OH) ~ can easily be mixed with mineral filler starting line, since they both come in the form 10 of solid powder or fine grains.
Instead of 60% by weight of SiO 3 in the final resin, it replaces, for the most part, fire-retardant substance.
This produces, for example, a mixture representing 50 Al (OH) ~ and only 10% Si ~. LJex ~ érience has however 15 shown that the amount of dJAl (OH) ~ could be lowered 25% (therefore 35 ~ of SiO-), without harming any significant ~ aCon qualities of good resistance to fire of the coating J due to the presence of the flame retardant.
These values, established for an initial load of 60%
20 by weight can of course be modified if this propor-tion varies.
Tables I, II and III below provide details cations and quantified results of laboratory tests 25 rake on a dry transformer, showing the effect of sub-ignited tances (here Al (OH) ~ and Zinc Borate) on the parameter values recognized as representative of the fire resistance of materials and in particular resins for coating the windings of dry transformers, at its ~ oir 30 Oxygen Index, Burning Speed and Power Superior heat. ~
~:. ':' , ~
, /
.
6,1325072;
, .. ..
TABLE I: Indlces ~ 'OxY ~ ene ~ IO) Measuring temperature '20 ~ C' 80 ~ C '150 ~ C' 200 ~ C
, _____________________----, ----,. . . .
, Oz Index (IO), 30, Z7 'Z3.5, 21,:.
minimum imposed =================================================== = ~ ... ', ::.
ALUMINA TRI-HYDRAT ~, :: -:
, _______________________ --------,,:
IT ~ OX D_l 70% of Si02 ~ 30 ~ 28 ~ 24 ~ 19, ~ c ~ c ~ ~ c, _______________, ______, ______, ______, ______,:
20% of S i02 and ~ 39 ~ 37 ~ 32 ~ 31 ~ Ox '50% d ~ Al (OH) ~
, _______, _______, -,. . . . . .
,, 60% of SiOz, ~ 26 '/' f, /,:.:
50% Si02 and, ~ 25 10% Al (OH ~
, _______________, ----------,,,, ~::
,, 40% of SiOz and ~ ~ 27 ,, 20% Al (OH) ~
, ______________--, ----,,,,::, ~:
~ T ~ X ~ C '35% of Si02 and, ~ 30 ~ ~ 28, ~ Z5 '~ 20,: ~ -~ c ~ o- '25% d ~ Al (oH) ~
25, EARLY ~ t '~ Ox, 25% of Si02 and, 28-31, 28-31, 24-27' 1 ~ -22,::
t, 35% Al ~ OH) ~ ~,,,. .
~ ______________ ~, ____ I,. . .
'120% SiO2 and ~ 30-33' 2 ~ -33 '25 -28, 23-24 ~ .-~ ~ 40% Al (OH) ~ ~, ',,. .
, ______________--,. . . .
10% Si02 and ~ 32-35 '30 -32 '27 -2 ~ ~ 24-26 50% Al ~ OH ~
~ ================================================== ==,. .
'ZINC BO ~ ATE':
, _____________,,:
~ T ~ X c ~ '10% of Si02 and '~ 32.5' TOT.-O- ~ 55% of Borate '' no values , ___________ - _-- -,:. :
~ T ~ OX D ~ 10% of Si02 and ~ 30.3, , c ~ O ~ ~ 50% of Borate '' no values I ~ EARLY ~ o ~ ----------------____________________ ~
¦ ~ ~ ox ~ 60% of Borate, ~ 33.6, no values,;:.
----:.
: '.: - .:
'::,:
. .:.
~ 325072 The coating material was pr ~ rare in the way following: the mineral filler (here silica ~, after having has been mixed with the flame retardant in adequate quantity, has been kneaded, for half, with the liquid resin (epoxy resin) 5 dyke marketed by the ~ IRME Suisse CIBA-GEIGY under the only as from ARALDITE CY22S) and. for the other me ~ with the hardener. also ~ ~ ~ ta ~ llquide ~ anhydrld ~ com mcrcia-lls ~ by flrme pr ~ ci ~ 6th ~ us ~ trade mark 'HARDENER
HY 227 "). Lss two mixtures were then combined and the whole 10 was kneaded, then kneaded in the oven (80 ~ 150 ~ C) for solidification.
For these tests, the measurement methods were compliant UTE NF T51-071 to 20 ~ C and EDF HN20 M40 ~ 80, 150 and 200 ~ C.
Rq.- Lss ranges of values reflect the fact the measured OI depended, in this case, on the origin of the commercial Alumins which was used.
- - The boxes marked with a / "translate measurements deemed unnecessary. Corresponding values count ou tone obtained ~ 20 ~ C, are immediately non-ac-ceptables, because too much is below the IOminimal imposed ~ n immediately sees that for a total load of 60%
the minimum t ~ nour of Al ~ oH) ~ to respect is 20-2 ~. In dec ~
the minimum values imposed on the O2 Index are no longer e ~ iioao ~ mont assur ~ s. Do ~ mosuros oompl ~ mentairos, not consi-25 ~ n6es isi, have allowed montror, that avo a global load of 70% on ~ oids (part of the table), the threshold value of Al (OH) 3 from ~ ash to 20%. We also observe that, as regards the Borate de Zino, the minimum threshold is much higher: 50% in minimum weight, which translates, as we know, 30 greater capacity of Alumina trihydrate.
The Combustion Speeds recorded in Table II
below aprb ~ have been measured ~ es in the apparatus used for the ~ determination of Oxygen Indices on ~ prou ~ are in shape of elongated inserts, 100 mm long, 6: $ mm 35 wide and 4 mm thick. The tests have two marks one after the other according to the length, the ; the first being located ~ 10mm from one end, the second at 60mm.
We are born, at ambient tempering, the comb time of the ~ prov ~ tt ~ oatro 108 sweet r0pore ~ and we sn d ~ dui ~ the 40 Vit ~ 8 ~ 0 moyonno do Combu ~ t ~ o ~ (sn mm / s) depending on the rate of oxy ~ bno in a mixture ¢ om ~ urant of Oxygen and nitrogen.
"
- ..:. ,. . ,;: .. .-; . . . .. -,. , -,. : -. .... -,. . ... . .
8 132 ~ 072 ' .. ~ .. ..
::.
TABLE II: Combustion speeds. - ~
_______________------------------------------------------------- - -. ~
O2 rate, 35%, 40%, 45% '50%' 60% '- ~
, Combustion Speed ',''''~
'maximum allowed' 0.15 '0.30' 0.4S '0.6' 0.9 '- -'(in mm / s ~''''=== --________ i :,:. - ..::
'ALUMINUM TRI-H ~' DRATE
, ___________________________________________________________, 10 IT ~ UX DC, 70% SiG2 '0.28' 0.37 '0.47' 0.5B 'l.OS
, c ~ r ~ oc, _____________ ~ _____----, ------------, --------------, ------- -----, ----- ---,.
20 ~ SiO2 +, 0.06, O.10, O.13, O.19, O.25 0.0- ~ 5G% Al (OH) ~
____'_____---- '-:.
'' 60% SiOz, ~ 0.35 '~ 0.50' ~ 0.60, ~ 0.75, ~ lG, ~ -, _______, ______, _______, __--------,,;:.
50% SiOz +, ~ 0.35 '~ 0.45' ~ 0.60, ~ 0.75 '~ 1.0 10% Al (OH ~
~, _____________, _______, ______, _____, -,,:;:.
, '40% of SiOz + '~ 0.20, ~ 0.35' ~ 0.45 '~ 0.55' ~ 1.0 ', 20% Al (OH) ~
, _____________, _______, ______, _______, _____, ___,. , 35% SiO2 +, 0.18, 0.28, 0.38, 0.49, 0.95 , c ~ oc, 25% Al (~ H) ~
I TOTf ~
25% SiO2 + '0.14-' 0.20-, 0.27- '0.34-t 0.56-35% Al (OH) ~, 0.17 '0.23, 0.30' 0.37 '0.59 , _____________, _______, __--------, -,. . ....
'' 20% SiO2 + '0.13-' 0.19- '0.24-, 0.30-, 0.48-'' 40% Al (OH) ~ '0.16' 0.20, Q.27 '0.35' 0.56 , _____________, _______, __ ___, ___, __,. . .
10% SiOz + '0.07-'0; 14- '0.20-' 0.26- '0.37-50% Al (OH) ~ '0.10' 0.16 '0.23, 0.29' 0.40 ______________ ====================,.
, ======= _________________________________ 35 'BO ~ ATE OF ZINC, ~:
, ________________----------------------------------------------, T ~ X c ~, lo ~ of SiO2 +. , ~ 0.16, ~ 0.21 '~ 0.30, ~ 0.8' -EARLY. ~ Q ~ '55% of Boratel , _________---------------- ...
~ T ~ UX DC ~ 10% of 5iOz + ~ ~ 0.25, 0.43 ~ 0.65 ~ 0.98 'c ~ c '50% de Borate' ~ EARLY ~ C
, 0- ~ '60% of Borate,, ~ 0.25, ~ 0.31 '~ 0.52' ~ 0.96 ' __________________------------ - ------------------ ---- -, :: ~
',':
9 132 ~ 072: ~
Rq. indications of pairs of values have even significant tion than in the previous table. ~
As can easily be seen, the values given ~ -in Table II corroborate those in Table I by showing 5 that, with regard to the Burning speed criterion also, the -floor value to respect for the quantity of Al (OH) ~ in the starting mixture is approximately 25% by weight (a little -less than 50 ~ for Borate).
These conclusions remain entirely valid in view of the 10 table III below recording the results of the series of tests carried out on the 3rd parameter retained, the Power Higher Calorific (PCS). As we can see, the maximum allowable value of 11 MJ per kg of material is not never exceeded.
TABLE III: Higher Calorific Power (PCSl (Test method: adiabatic calorimetry according to UTE NF M 03-005 standard.) : -Chargell rate Total charge rate: 60%
20 total: 70% 1l. ': -, =================================================== ========= .. ::
ALUMINA 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! Lili' _______________l_________l_______l________________l_________ ZINC BORATE ¦ ~
________________________________ ____________ ____________: .. ~: '.
0% SiO2 + 55% Bor. Il 10% SiOz I 50% de Borat ~ 60 ~ de Borate ____ ~ l ___----------- t ~ 10 Ij- ~ 11 1 ~ 11 __________________________________________________________ ..
We therefore clearly see appear on these tables the ~
~ luence on the holding at ~ had in the addition to the starting resin, ~ -in adequate proportions, of a flame retardant material by 40 formation and elimination of water, in accordance with the invention.
lO 1 3 2 5 0 7 2: -.
These results reflect a strong release of water from the part of the coating resin, when this ~ i reaches abnormally high temperatures. Such a phenomenon acts in self-monitoring heat absorber, which delays and brakes the 5 combustion of the charged resin, and gives it the self-extinguishing character sought.
Of course, an abundant formation of water molecules even within the mass is not without consequences on the 10 quality of the coating resin. This degrades during of such a process and, generally speaking, can no longer be re-used for the rest. The transformer must then be replaced or reconditioned.
Weight loss of the flame retardant during the course temperature rise is a good indicator of its capacity quoted to form water. We note, as the speci suppliers, that in the case of Al (OH) ~, the weight psrte is already close to 30% at 300 ~ C. It takes place 20 actually almost only at this temperature under the shape of a narrow peak of great amplitude, which testifies gne of the vivacity and the intensity of the phenomenon, when this temperature level, characteristic of flame retardant used, is reached.
This is true regardless of the variety of alumina sorted.
commercial hydrate used, as shown in more detail Table IV below.
This table of values is given for information only.
30 mation, from the indications of the suppliers of Al (OH) ~ sold under the name "ALCOA" according to varieties, including the commercial references are listed in the columns , from the table to identify them. ~
: ...:
".
-I ~. .
: 1.
. , ', ;;
ll 132 ~ 072 TABLE IV: Analysis of endothermic rZics of water formation (the temperature increases were carried out from 25 to 600 ~ C under a constant pro ~ ression of 10 ~ C / min.) ______________________________________________ ¦M15 ¦S6 $ / 40¦ C31 ¦ M6 ~ M15S ¦-S65 / 150¦k ~ DIUk ~ SODA
_____________ ____________ ._____. _____ .______ _______. ______ ..
Temp. early lZi ~ 6 205 216 180 195 188 197 of the peak (Z'C).
_________________________ .__________________________, ______ Temp. end ¦ 372 ¦ 385 ¦ 353 ¦ 382 ¦ 355 ¦ 370 353 peak (~ C) ~ l Temp. max. l 316 ¦ 312 ¦ 314 ¦ 314 ¦ 311 ¦ 309 312 from the peak ~~ C) ¦ ¦ lllll _________________________ __________________ _______ _______ ~ H of the peak 1.03 1.01 t.O7 1.06 1.03 1.0 1.02 Z ~ in kJ / g) ~ l ~. ____ _____________ ._____ _____________ ______. _______ _______------ ~:
So that 18s are expected by the type of substance 20 iZgni ~ uge recommended by the invention are fully satisfied ~ ease, it is necessary, not only that the intense starting peak of water develops at adequate temperatures, i.e.
enter the point of normal onotation at ohaud and the one where the enrobaZ ~ e can be ignited, but still only training 25 d 'cZaU is only realized in the event of overheating abnormal. In other words, any risk of deZ ~ premature radiation of the resin of e ~ robaZ ~ e which could be caused by untimely water formation since the ambient temperature up to that of the operating 30 normal hot trans ~ ormateur.
It is this difficulty which is solved by the second main feature of the invention, namely, a pre-moderate aging of the resin, as we will see more in detail below:
2) PARTIELLZE PEE DEHYDRATION ~ OF THE QUANTITY OF SUBS-ADDED FLAME RETARDANT
This is igi to cause prior dehydration to prevent it from happening later in the trans-40 ~ speaker. But, this dehydration should only be by-. , 132 ~ 072 because it is also sought at high temperatures.
when the transformer heats up abnormally and risks of ignition are to be feared.
This dehydration can advantageously take place by 5 preheating of Al (OH) ~. The objective to be reached is, not a total elimination of water likely to ~ elm in a range of temperatures from ambient to the "hot" operating temperature of the transformer (and which we will pictorially call "volatile water" for 10 mark the fact that she must leave at low temperature), but sufficient removal so that the volatile water 'remains it is present in too small a quantity to lead to degradation of the resin. We have observed, in fact, that when the alumina trihydrate had not been preheated 15 before being added ~ the mineral filler, bursts of the resin coating the electrical windings of transforma-testers intervened at operating temperature which required the disposal of the latter.
A convenient ~ aCon to achieve dehydrata-20 partial preheating of the flame retardant is to consider its weight loss curve as a function of time. For a substance used for the first time, we can advantageously proceed in two stages:
- A first, on analysis sample, intended for 25 determine the amount of water that is eliminated during a stay extended at constant temperature, which is that (or close to that) normal hot operation of the transformer;
- A second step, this time treatment of all of the material, consisting of heating it to relati-30 high temperature in order to quickly reach, therefore under industrial conditions, a corresponding weight loss corresponding to the water elimination value determined in the previous phase.
Of course, this second step will be repeated each time 35 resin preparation, while the first is really necessary only once to characterize a type of igni ~ uge substance that we had never used before.
The curves in Figures 1 and 2 illustrate this first phase of study on samples showing the pace, , ~.
132 ~ 072 at certain temperature values, the evolution of the loss of weight as a function of time for certain values of the temperature. The curves are set on some of the varieties of ALCOA trihydrate Alumina from Table IV identified 5 by their commercial references at the right end of each curve. Three temperature values were considered.
derivatives: 140, 160 and 180 ~ C to properly cover the conditions usual "hot" operation of transformers.
avoid unnecessary overloading, the three families correspond 10 dantes of curves have been separated in the two figures: Figure 1 groups the families at 140 ~ C (broken lines) and 160 ~ C (solid line); the family at 180 ~ C appears alone in solid line in figure 2 As we can see, all these curves are advantageous ~
15 general looking lo ~ arithmic with very growth fast at first, followed by a slightly inclined landing on the horizontal, this level being all the more reached as soon as the working temperature is high. So at 180 ~ C (fig. 2), most of the "volatile" water (around 80%) is already 20 formed after 140 h. only, on more than 700 h. of total duration of the tests. Weight loss then spreads out between 5.3% and 2.5% approximately, depending on the type of alumina On ~ éri ~ ie the existence and the stability of the bearings in testing aluminas previously heated to higher 25 temperature. Tests were thus carried out on two samples.
lons of varietP "M15" maintained for 18 h., one at 180 ~ C
the other at 200 ~ C. The results appear in fig.l under the form of two lines (A) and ~ B) having ordinates at the origin of 1.6 ~ and 4.2% weight loss for 180 and 200 ~ C
30 respectively. We can see their quasi-horizontality, which well reflects the insensitivity of the samples to a second heating at a lower temperature, due to the fact that the almost all of their "volatile water" at 140 ~ or 160 ~ C a effectively eliminated during the first heating ~ e.
We also observe in fig. 2, that after 6 p.m. at 180 ~ C, a sample "M15" is barely halfway height of its rapid weight loss growth curve by water removal -.-. ~, -. .-. - ~. -, ... , .. - .., ...... , ..,. ., ... ...,.,. . . ~ .., ~.
132 ~ 072 We will immediately understand that these curves have a favorable characteristic appearance which makes it possible to deduct very -:
easily the degree of partial dehydration beforehand which we have to reach, so we can, for example, choose 5 as a criterion, the start of the plateau and retain as a proportion;
of "volatile" water to be eliminated, the value given by the ordinate . . .
from this start of the plateau.
Thus, the figures show that, for the variety "S65 / 40"
we can retain 2.5 ~ weight loss, for a temperature 10 transformer operation from 140 ~ C, from 4% to 160 ~ C and 5.5% at 180 ~ C.
Likewise, the variety "M15" will accommodate weight loss 2% advance for transformer operation at 160 ~ C and from 3.5% to 180 ~ C.
At 140 ~ C, the curve of this variety looks less typed. Note, however, that the value of 0.7% obtained at after 500 h. approximately will be perfectly suitable.
To fix the ideas, we can say overall that the weight loss prior to targeting ranges between 0.5 ~
20 st approximately 10% for all flame retardants retained for the implementation of the invention.
The transition then to the industrial phase consists simply ~ dehydrate in consequence the mass of substance igni ~ uge by rapid heating techniques in the oven, with 25 monitoring of weight loss, for example by gravimetry using an automatic balance with the pan placed inside the oven.
For information, in the case of aluminas of the type "M15", the weight loss of 3.5%, sought after for an ~ anointing-30 ment of the transformer at 180 ~ C, could be reached at the end of 6 hours of heating ~ e only at 200 ~ C.
This heating operation will of course be all the more faster than the heating temperature will be high. Any-times, for obvious reasons of preservation of a fort 35 potential for water formation, necessary in case of overheating abnormal, we will take care not to spend a lot, and preferably stay below, the temperature at the start of peak intense water removal characteristic of the subs-flame retardant used and some values of which are considered 40 gn ~ es in Table IV above.
:. '' 132 ~ 072 ~ '' If one does not wish to have to operate by gravimetry, in due in particular to excessive amounts of material which could possibly be treated, we will have avanta ~ e to proceed with an intermediate step to translate 5 the target weight loss over a period of heating.
be done using a second measurement sample of the flame retardant concerned, the proportion of which is known by weight of water to be removed and which is subjected to heating fast at a determined high temperature. This heating 10 will operate with a continuous weighing of the sample in order to ability to measure time required to achieve loss corresponding weights corresponding to the known proportion of water to be eliminated The value of the measurement defines the duration of the operation of heating, to a temperature strictly identical to that 15 of the above intermediate operation, to which we submit tra the mass of flame retardant to be treated.
If necessary, we can ensure the proper execution of the operation by determining by gravimetry at temperature high, 1200 ~ C for example, the remaining water content of a 20 sample taken for this purpose from the mass of ignited substance treated fuge. Compared to the total water content initial (usually around 20 to 35 ~ by weight approximately) that we have previously determined from ~ acon analog on a reference sample, we deduce that the quantity 25 of "volatile" water e ~ ectively removed is well in accordance with the target.
Note that the heating time is not entirely made independent of the grain size of the material. He could be observed, during the tests, that a coarse particle size 30% caused a greater weight loss than a fine particle size for a given heating time.
It will also be observed that the weight loss values determined above, by reading the test curves made from samples, do not represent a limit 35 greater than not to be exceeded. Only like these values correspond to the beginning of the landing, there is in principle no ~ utility to continue heating for a long time ~ agn ¦ a few hundredths of a percent, which, in any case, are likely-too insignificant to cause water to flow out 40 capable of adversely affecting the quality of the coating resin.

We will certainly have understood that these valid curves at normal operating temperatures of the transformer at hot, reflect the behavior of so-called "volatile" water, these temperatures. At higher temperatures, the bearings 5 are at higher levels and are reached more quickly, especially at the characteristic peak temperature of the flame retardant used and which, as we have seen, is in the neighborhood of 300 ~ C for all varieties of Al (OH) 3 studied.
The flame-retardant substance thus pretreated thus becomes ready to The preparation of the resin of resin remains to be completed.
taping in the usual way: the mineral filler, after have been intimately mixed with an adequate amount of subs partially pre-dehydrated flame retardant, is divided into 15 two equal parts. One is then introduced into the resin p ~ re, and the other in the hardener, also in the state liquid. The two mixtures are kneaded separately to form two solid - liquid suspensions, then combined into one mixture which is kneaded in turn to ensure good 20 homogeneity. The resulting pulp is then poured into a mold, in which the electric winding has been previously placed the transformer that you want to coat.
the mold is placed in the oven for solidification of the resin.
After charging and re ~ roidis ~ ement, the resin block 25 inoorporant the winding is removed from the mold ~ and can then be mounted in the trans ~ speaker planned to receive it.
It goes without saying that the invention cannot be limited to examples described above but extends to many 30 variants or equivalent, as long as they are respected the features set out in the claims which follow.
In particular, the invention is not limited to trans-trainers properly so-called.
35 denomination used here, more broadly all the app-similar or inductive electrical equipment that can work ler at relatively high temperatures, 100-200 ~ C
as we have seen, and whose electrical windings can be drowned in a block of insulating resin.
132 ~ 072 - ~

Likewise, although the invention was initially designed for applications of thermosetting resins (coating of inductive windings, in transformers in particular), it concerns in fact all the dielect materials 5 coating triques. It is of special interest in the case of electrical installations having a function long-term nominal operation at high temperature or moderately high. This means that we will find particularly rely advantage to use it for coating resins pos-already having good thermomechanical properties.
~. ~

Claims

18 The realizations of the invention, about which a right exclusive ownership or lien is claimed, are defined as follows:

1) Dry coated transformer, or electrical installation similar, at least one winding of which is coated in a charged insulating resin containing a flame retardant substance by water formation when the temperature rises, characterized by what a fraction of the charge, at least equal to 20% of the total weight of the coating resin, is constituted by said flame retardant, which has been previously dehydrated by-so much that it does not cause untimely formation of water in the coating resin can degrade the quality of it, as long as the trans-trainer is used under normal temperature conditions cross out.

2) Electric conductor coated in an insulating resin charged containing a flame retardant substance by water formation when the temperature rises, characterized in that a frac-tion of the load, at least equal to 20% of the total weight of the coating resin, is constituted by said substance flame retardant, which has been partially dehydrated in such a quantity that it does not cause formation untimely water in the coating resin which can degrade the quality of it, as long as the driver is used under normal temperature conditions.

3) Dry transformer, or conductor, coated according to the claim 1, or according to claim 2, characterized in what said flame retardant has to offer compared to its not dehydrated initial state, a loss in weight of 0.5 to 10%
about.

4) Dry transformer, or conductor, coated according to the claim 1, or according to claim 2, characterized in what the flame retardant is alumina trihydrate.

5) Process for preparing a charged insulating resin for coating electrical conductors or windings, coated dry transformers, or other installations analog electrics, whereby resin is added insulating, in addition to the filler, a flame retardant by water formation when the temperature rises, process characterized in that said substance is added at the right rate at least 20% of the total weight of the coating resin, and what previously partially dehydrated said subs-quantity in such a way that there is no training untimely water that could adversely affect the performance of the coating resin, as long as the electrical installation remains in service at its nominal operating temperature.

6) Method according to claim 5, characterized in that that the flame retardant is subjected to a treatment of partial partial hydration until it presents a weight loss between about 0.5 to 10% of its weight initial.

7) Method according to claim 5 or 6, characterized in what is used, as a flame retardant, alumina trihydrate.

8) Method according to claim 5, characterized in that the degree of partial dehydration is determined beforehand of the flame retardant that is used for the first times, by taking a measurement sample which we submit to prolonged heating at constant temperature, below that of the clean water removal peak of the ignited substance used, and considering the pace of the evolution of the loss of weight of said sample over time.

9) Method according to claim 5 or 8, characterized in what we do the partial partial dehydration of the flame retardant by subjecting it to rapid heating until its weight loss corresponds to the quantity of water to be removed in a predetermined proportion born on a measurement sample whose evolution has been followed weight loss over time, when heated prolonged at a temperature lower than that of the elimination peak-tion of clean water for the flame retardant used.

10) Method according to claim 9, characterized in that that said rapid heating is carried out for a period which was predetermined by a heating operation conducted under an identical temperature and weighed with a sample of the flame retardant used until this presents a weight loss corresponding to the quan-amount of water that you want to remove.

11) Method according to claim 10, characterized in that that said quantity of water has been determined beforehand eliminate by monitoring the evolution over time of the weight loss of a measurement sample that was subjected to prolonged heating at constant temperature, below that of the peak of elimination of clean water to the igni-fuge used.