CA2285806C - Transformateur sec de puissance ou de distribution de l'energie electrique - Google Patents
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Abstract
Le transformateur sec selon l'invention, ayant ses enroulements de phase appariés concentriques (la "Haute Tension" étant habituellement placée extérieurement) et noyés dans un bloc de résine diélectrique, se caractérise par le fait que la surface externe (11) au moins du bloc de résine (5) de l'enroulement (1) disposé extérieurement est pourvue d'ailettes métalliques de refroidissement (10) présentant au moins une discontinuité électrique selon le pourtour du bloc (5) qui les porte, et que, interposé entre lesdites surface (11) et ailettes (10), un film (13) en matériau semi-conducteur de l'électricité, mis à un bas potentiel constant, celui de la terre de préférence au moyen d'un lien 14, recouvre la surface dudit bloc de résine diélectrique (5), les bases (12) des ailettes (10) étant solidaires dudit film (13). L'invention améliore le refroidissement des transformateurs secs, ouvrant ainsi la voie à la réalisation d'appareils de ce type de taille plus réduite et de puissance électrique accrue.
Description
TRANSFORMATEUR SEC
de PUISSANCE ou de DISTRIBUTION de l' ENERGIE ELECTRIQUE.
La présente invention a trait à la réalisation de transformateurs secs de puissance ou de distribution de l'énergie électrique, monophasés ou polyphasés, du type ayant leurs enroulements primaire et secondaire appariés concentriques, l'enroulement "haute (ou moyenne) tension" d'une phase donnée de l'alimentation électrique étant placé
préférentiellement autour de l'enroulement "basse tension" de ladite phase.
Il est bien connu que, dans les transformateurs classiques immergés en cuve dans 1o un liquide diélectrique caloporteur, une huile minérale généralement, c'est ce dernier qui assure à la fois le refroidissement de l'appareil, ainsi que l'isolation électrique des enroulements de phase entre eux et avec les autres composants métalliques, notamment la paroi de cuve.
On rappelle qu'il s'agit là d'un aspect essentiel de la construction des transformateurs, d'autant que, généralement, sur chaque phase, l'enroulement "haute -ou moyenne- tension", sur lequel s'effectuent les réglages des paramètres de fonctionnement des appareils, entoure l'enroulement "basse tension" qui lui est apparié, afin notamment de faciliter ces réglages.
Dans les transformateurs secs, par contre, l'enroulements primaire de chaque phase et l'enroulement secondaire qui lui est apparié sont noyés chacun dans des blocs de résine diélectrique de moulage, une résine époxydique généralement, placés l'un autour de l'autre. Il se peut d'ailleurs que tous les enroulements primaires, ou secondaires, des appareils polyphasés (généralement triphasé), soient noyés dans un bloc de résine unique. En tous cas, c'est l'air qui doit assurer les deux fonctions d'isolation et de refroidissement. Aussi, est-il organisé en canaux à l'intérieur des enroulements et en espaces et couches de séparation adéquats des enroulements appariés entre eux et avec les autres différents composants au sein de l'appareil. Certes, on a avantage à choisir une résine d'enrobage ayant des propriétés d'isolant électrique les plus élevées possible, compatibles avec ses autres propriétés nécessaires (tenue mécanique, résistance au feu, etc...) afin pouvoir réduire au maximum les couches d'air et gagner ainsi sur la taille, donc sur le coût de fabrication du transformateur.
Mais, ce gain en taille reste limité. D'abord, parce que le bloc de résine est bien entendu inévitablement plus volumineux que l'enroulement électrique qu'il contient.
Ensuite, parce que le refroidissement, lequel se fait essentiellement par mode convectif solide-gaz (l'air s'échauffe en circulant au contact de la résine), impose des couches d'air à largeur minimale relativement importante. Pour fixer les idées, on notera par exemple que dans les transformateurs secs de 250 kVA de puissance électrique devant dissiper prés de 4 kWh de chaleur sous une température nominale de fonctionnement de l'appareil
de PUISSANCE ou de DISTRIBUTION de l' ENERGIE ELECTRIQUE.
La présente invention a trait à la réalisation de transformateurs secs de puissance ou de distribution de l'énergie électrique, monophasés ou polyphasés, du type ayant leurs enroulements primaire et secondaire appariés concentriques, l'enroulement "haute (ou moyenne) tension" d'une phase donnée de l'alimentation électrique étant placé
préférentiellement autour de l'enroulement "basse tension" de ladite phase.
Il est bien connu que, dans les transformateurs classiques immergés en cuve dans 1o un liquide diélectrique caloporteur, une huile minérale généralement, c'est ce dernier qui assure à la fois le refroidissement de l'appareil, ainsi que l'isolation électrique des enroulements de phase entre eux et avec les autres composants métalliques, notamment la paroi de cuve.
On rappelle qu'il s'agit là d'un aspect essentiel de la construction des transformateurs, d'autant que, généralement, sur chaque phase, l'enroulement "haute -ou moyenne- tension", sur lequel s'effectuent les réglages des paramètres de fonctionnement des appareils, entoure l'enroulement "basse tension" qui lui est apparié, afin notamment de faciliter ces réglages.
Dans les transformateurs secs, par contre, l'enroulements primaire de chaque phase et l'enroulement secondaire qui lui est apparié sont noyés chacun dans des blocs de résine diélectrique de moulage, une résine époxydique généralement, placés l'un autour de l'autre. Il se peut d'ailleurs que tous les enroulements primaires, ou secondaires, des appareils polyphasés (généralement triphasé), soient noyés dans un bloc de résine unique. En tous cas, c'est l'air qui doit assurer les deux fonctions d'isolation et de refroidissement. Aussi, est-il organisé en canaux à l'intérieur des enroulements et en espaces et couches de séparation adéquats des enroulements appariés entre eux et avec les autres différents composants au sein de l'appareil. Certes, on a avantage à choisir une résine d'enrobage ayant des propriétés d'isolant électrique les plus élevées possible, compatibles avec ses autres propriétés nécessaires (tenue mécanique, résistance au feu, etc...) afin pouvoir réduire au maximum les couches d'air et gagner ainsi sur la taille, donc sur le coût de fabrication du transformateur.
Mais, ce gain en taille reste limité. D'abord, parce que le bloc de résine est bien entendu inévitablement plus volumineux que l'enroulement électrique qu'il contient.
Ensuite, parce que le refroidissement, lequel se fait essentiellement par mode convectif solide-gaz (l'air s'échauffe en circulant au contact de la résine), impose des couches d'air à largeur minimale relativement importante. Pour fixer les idées, on notera par exemple que dans les transformateurs secs de 250 kVA de puissance électrique devant dissiper prés de 4 kWh de chaleur sous une température nominale de fonctionnement de l'appareil
2 de 120°C, les enroulements concentriques sont habituellement maintenus éloignés l'un de l'autre de 4 cm et plus.
Il apparaît ainsi que le facteur limitant la puissance des transformateurs secs est le facteur thermique. Les difficultés rencontrées à les refroidir énergiquement par l'air expliquent sans doute pourquoi ce sont toujours les transformateurs immergés qui sont produits et écoulés en bien plus grand nombre sur le marché, et ce malgré
certains avantages majeurs des transformateurs secs, notamment pour la préservation de l'environnement.
Le but de la présente invention est proposer un système de refroidissement 1o performant pour transformateurs secs, afm de pouvoir réduire l'épaisseur des couches d'air entre les enroulements de phase, et/ou de pouvoir augmenter la puissance nominale de ce type d'appareils.
A cet effet, l'invention a pour objet un transformateur électrique sec de puissance ou de distribution de l'énergie électrique à enroulements de phase appariés concentriques, (les enroulements "haute -ou moyenne- tension" étant disposés extérieurement aux enroulements "basse tension",) ces enroulements étant noyés chacun dans un bloc de résine diélectrique, caractérisé en ce que la surface externe au moins du bloc de résine incorporant le, ou les enroulements placés extérieurement (les enroulements "haute-ou moyenne-tension" généralement) est pourvue d'ailettes 2o métalliques, en ce que au moins une discontinuité matérielle des ailettes est présente sur le pourtour dudit enroulement et en ce que, interposé entre ladite surface du bloc de résine et ces ailettes, un film en matériau semi-conducteur de l'électricité
(c'est-à-dire ayant une capacité faible mais significative à véhiculer des charges électriques) et mis à
un bas potentiel constant - notamment au potentiel zéro, par liaison à la terre- recouvre la surface du bloc de résine, la base des ailettes étant solidaire dudit film.
De préférence, les ailettes sont parallèles entre elles et disposées longitudinalement sur le bloc de résine, selon la hauteur, sur le pourtour dudit bloc de résine, au moins deux ailettes consécutives étant alors disjointes l'une de l'autre pour créer ladite discontinuité matérielle.
3o Selon un mode de réalisation, le film semi-conducteur à potentiel constant est obtenu par application, sur la surface externe dudit bloc de résine, d'une couche adhérente et uniforme de matière semi-électroconductrice solide, tel qu'une résine ou une peinture conductrices, et les ailettes de refroidissement sont fixées une à
une par leur base à la couche superficielle ainsi formée.
Selon un autre mode de réalisation, les ailettes longitudinales sont formées par un panneau-ondé entourant le bloc de résine dont la surface extérieure a été
préalablement revêtue d'une couche de matière semi-électroconductrice, les extrémités en regard dudit panneau-ondé une fois enroulé ne se rejoignant pas afin de créer ladite discontinuité matérielle selon le pourtour du bloc de résine.
Il apparaît ainsi que le facteur limitant la puissance des transformateurs secs est le facteur thermique. Les difficultés rencontrées à les refroidir énergiquement par l'air expliquent sans doute pourquoi ce sont toujours les transformateurs immergés qui sont produits et écoulés en bien plus grand nombre sur le marché, et ce malgré
certains avantages majeurs des transformateurs secs, notamment pour la préservation de l'environnement.
Le but de la présente invention est proposer un système de refroidissement 1o performant pour transformateurs secs, afm de pouvoir réduire l'épaisseur des couches d'air entre les enroulements de phase, et/ou de pouvoir augmenter la puissance nominale de ce type d'appareils.
A cet effet, l'invention a pour objet un transformateur électrique sec de puissance ou de distribution de l'énergie électrique à enroulements de phase appariés concentriques, (les enroulements "haute -ou moyenne- tension" étant disposés extérieurement aux enroulements "basse tension",) ces enroulements étant noyés chacun dans un bloc de résine diélectrique, caractérisé en ce que la surface externe au moins du bloc de résine incorporant le, ou les enroulements placés extérieurement (les enroulements "haute-ou moyenne-tension" généralement) est pourvue d'ailettes 2o métalliques, en ce que au moins une discontinuité matérielle des ailettes est présente sur le pourtour dudit enroulement et en ce que, interposé entre ladite surface du bloc de résine et ces ailettes, un film en matériau semi-conducteur de l'électricité
(c'est-à-dire ayant une capacité faible mais significative à véhiculer des charges électriques) et mis à
un bas potentiel constant - notamment au potentiel zéro, par liaison à la terre- recouvre la surface du bloc de résine, la base des ailettes étant solidaire dudit film.
De préférence, les ailettes sont parallèles entre elles et disposées longitudinalement sur le bloc de résine, selon la hauteur, sur le pourtour dudit bloc de résine, au moins deux ailettes consécutives étant alors disjointes l'une de l'autre pour créer ladite discontinuité matérielle.
3o Selon un mode de réalisation, le film semi-conducteur à potentiel constant est obtenu par application, sur la surface externe dudit bloc de résine, d'une couche adhérente et uniforme de matière semi-électroconductrice solide, tel qu'une résine ou une peinture conductrices, et les ailettes de refroidissement sont fixées une à
une par leur base à la couche superficielle ainsi formée.
Selon un autre mode de réalisation, les ailettes longitudinales sont formées par un panneau-ondé entourant le bloc de résine dont la surface extérieure a été
préalablement revêtue d'une couche de matière semi-électroconductrice, les extrémités en regard dudit panneau-ondé une fois enroulé ne se rejoignant pas afin de créer ladite discontinuité matérielle selon le pourtour du bloc de résine.
3 Dans ce qui suit, on considérera pour simplifier que l'enroulement extérieur est l'enroulement "haute tension".
Comme on l'aura compris, l'invention consiste, dans ses caractéristiques essentielles, à rendre possible l'utilisation d'ailettes métalliques de refroidissement pour obtenir à la fois une augmentation de la surface d'échange thermique et une amélioration de son pouvoir dissipatif de la chaleur. Ceci est obtenu grâce, - d'une part, aux mesures dites "de discontinuité matérielle" prises pour éviter que l'ensemble d'ailettes métalliques forme un circuit conducteur selon le pourtour de l'enroulement. Au sein duquel sinon, sous l'effet du champ magnétique alternatif créé
1o par le courant électrique de l'enroulement, se développeraient inévitablement des courants induits, dont l'effet Joule obérerait, voire annulerait, l'amélioration recherchée du refroidissement du transformateur;
- d'autre part, à une mise de la surface du bloc de résine "haute tension" à
un bas potentiel électrique constant, sans danger pour l'homme, le potentiel zéro de la terre de préférence. Dès lors, les charges électriques des courants de fizite qui inévitablement traversent la résine pour rejoindre la surface depuis le conducteur interne, s'écouleront vers ce puits de potentiel, et les ailettes métalliques proéminentes sur le bloc de résine pourront jouer pleinement un rôle de refroidisseur, sans constituer pour autant un risque quelconque de décharges électriques, même en cas de contact avec un objet, ou avec 2o l'homme.
On peut ainsi accroître artificiellement la surface externe du bloc de résine autant que l'on veut, par mise en place d'ailettes plus ou moins espacées les unes des autres. L'expérience montre par ailleurs que des ailettes métalliques ayant entre 5 et 20 cm de hauteur conviennent pour permettre de réaliser toute la gamme voulue en 2s puissance électrique du transformateur. L'aluminium offrant une meilleure conduction thermique que l'acier, la hauteur d'ailettes en aluminium sera plus faible que celle d'ailettes en acier, toute chose égale par ailleurs.
L'obtention durable des résultats annoncés est cependant liée à la qualité de revêtement du film semi-conducteur, lequel doit épouser la surface du bloc de résine de 3o façon continue, sans creux ni bosses qui risqueraient de constituer des poches d'air préjudiciables à la tenue dans le temps de la résine.
On a pu montrer en effet que, en raison des propriétés diélectriques élevées de l'air par rapport à celles de la résine d'enrobage, les couches d'air ménagées au sein du transformateur "absorbent" les 90% du gradient du champ électrique développé
par 35 l'enroulement "haute tension". Dés lors, la résine ne participant qu'à
hauteur de 10%, on retrouve à sa surface externe nue une tension de courant de fuite voisine de 0.9 fois la tension aux bornes de l'enroulement à l'intérieur. Certes, vu la faible capacité de la résine à accumuler des charges électriques, cette tension parasite superficielle ne représente pas de danger réel pour l'homme qui viendrait à son contact. Toutefois, dans le cas, par
Comme on l'aura compris, l'invention consiste, dans ses caractéristiques essentielles, à rendre possible l'utilisation d'ailettes métalliques de refroidissement pour obtenir à la fois une augmentation de la surface d'échange thermique et une amélioration de son pouvoir dissipatif de la chaleur. Ceci est obtenu grâce, - d'une part, aux mesures dites "de discontinuité matérielle" prises pour éviter que l'ensemble d'ailettes métalliques forme un circuit conducteur selon le pourtour de l'enroulement. Au sein duquel sinon, sous l'effet du champ magnétique alternatif créé
1o par le courant électrique de l'enroulement, se développeraient inévitablement des courants induits, dont l'effet Joule obérerait, voire annulerait, l'amélioration recherchée du refroidissement du transformateur;
- d'autre part, à une mise de la surface du bloc de résine "haute tension" à
un bas potentiel électrique constant, sans danger pour l'homme, le potentiel zéro de la terre de préférence. Dès lors, les charges électriques des courants de fizite qui inévitablement traversent la résine pour rejoindre la surface depuis le conducteur interne, s'écouleront vers ce puits de potentiel, et les ailettes métalliques proéminentes sur le bloc de résine pourront jouer pleinement un rôle de refroidisseur, sans constituer pour autant un risque quelconque de décharges électriques, même en cas de contact avec un objet, ou avec 2o l'homme.
On peut ainsi accroître artificiellement la surface externe du bloc de résine autant que l'on veut, par mise en place d'ailettes plus ou moins espacées les unes des autres. L'expérience montre par ailleurs que des ailettes métalliques ayant entre 5 et 20 cm de hauteur conviennent pour permettre de réaliser toute la gamme voulue en 2s puissance électrique du transformateur. L'aluminium offrant une meilleure conduction thermique que l'acier, la hauteur d'ailettes en aluminium sera plus faible que celle d'ailettes en acier, toute chose égale par ailleurs.
L'obtention durable des résultats annoncés est cependant liée à la qualité de revêtement du film semi-conducteur, lequel doit épouser la surface du bloc de résine de 3o façon continue, sans creux ni bosses qui risqueraient de constituer des poches d'air préjudiciables à la tenue dans le temps de la résine.
On a pu montrer en effet que, en raison des propriétés diélectriques élevées de l'air par rapport à celles de la résine d'enrobage, les couches d'air ménagées au sein du transformateur "absorbent" les 90% du gradient du champ électrique développé
par 35 l'enroulement "haute tension". Dés lors, la résine ne participant qu'à
hauteur de 10%, on retrouve à sa surface externe nue une tension de courant de fuite voisine de 0.9 fois la tension aux bornes de l'enroulement à l'intérieur. Certes, vu la faible capacité de la résine à accumuler des charges électriques, cette tension parasite superficielle ne représente pas de danger réel pour l'homme qui viendrait à son contact. Toutefois, dans le cas, par
4 exemple, d'un transformateur travaillant sous une tension de20 kV, le potentiel surfacique résiduel s'élève tout de même à 18 kV. Les résines époxydiques habituelles, dont la tension disruptive se situe classiquement autour de 500 V/mm, peuvent donc tenir sans difficultés ces 2 kV d'écart grâce des épaisseurs de 4-Smm seulement. En revanche, il faut prévoir une couche d'air de plus de 20 cm d'épaisseur pour "absorber"
les 18 kV
restant entre la surface de la résine et la paroi de la cabine mise à la terre dans laquelle est logé le transformateur par sécurité.
Autrement-dit, si le film semi-conducteur à bas potentiel recouvrant le bloc de résine selon l'invention n'adhérait pas correctement à la surface, on se retrouverait lo localement, au niveau des éventuelles bulles d'air ainsi générées, dans les mêmes conditions électrostatiques que ce qui vient d'être indiqué ci dessus, mais dans l'impossibilité dans ce cas de pouvoir adapter l'épaisseur de la couche d'air à cet endroit.
C'est pourquoi, on aura avantage à préférer à toute autre forme de revêtement, celle, au demeurant bien connue par ailleurs, qui consiste à déposer, par pulvérisation, atomisation, ou simplement au jet, une couche de matière à l'état visqueux (liquide de préférence, ou pâteux), mais apte en tous cas à épouser les infractuosités de la surface à
revêtir, et de la laisser sécher pour former une pellicule solide continue et bien adhérente.
En revanche, si la matière constitutive de cette enveloppe doit avoir la capacité
2o d'écouler vers la terre, à laquelle elle est reliée, les charges électriques collectées à la surface de la résine, cette matière n'a pas pour autant à être un bon conducteur de l'électricité. Au contraire, il est préférable qu'elle ne soit pas bon conducteur. La continuité du revêtement, imposée pour les raisons explicités ci-avant, devient en effet ici, à l'instar de ce qui a déjà été dit auparavant à propos des ailettes métalliques, un handicap en raison des courants électriques induits qui ont tendance à se former dans le revêtement autour du bloc de résine en sens contraire de celui du courant circulant dans l'enroulement qui leur donne naissance. Pour y pallier, on opte pour une matière peu ou moyennement conductrice, à savoir "semi-conductrice", qui a une aptitude filmogène, afin d'obtenir après séchage une pellicule fine, par exemple de 30-40 ~m seulement 3o d'épaisseur, pour augmenter la résistivité électrique. Une résine, ou une peinture époxydique chargée telle que la peinture référencée 440-6-308 commercialisée par la firme française "Blancomme", pourront parfaitement convenir à cet usage.
On rappelle que, pour la même raison, on aura avantage à ce que l'assemblage d'ailettes ne forme pas une boucle métallique fermée autour du bloc de résine qui les porte. Ceci peut être réalisé au moyen d'ailettes individuelles rapportées une à une sur le bloc de résine en prenant soin de laisser leur base disjointes entre elles. On peut également y parvenir au moyen d'un panneau ondé, du type de ceux qu'on utilise pour réaliser les parois des cuves des transformateurs immergés, mais choisi par exemple de longueur plus courte que la circonférence du bloc de résine.
L'invention sera de toute façon bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit, donnée à titre d'exemple de réalisation en référence aux planches de figures annexées, sur lesquelles:
- la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un couple
les 18 kV
restant entre la surface de la résine et la paroi de la cabine mise à la terre dans laquelle est logé le transformateur par sécurité.
Autrement-dit, si le film semi-conducteur à bas potentiel recouvrant le bloc de résine selon l'invention n'adhérait pas correctement à la surface, on se retrouverait lo localement, au niveau des éventuelles bulles d'air ainsi générées, dans les mêmes conditions électrostatiques que ce qui vient d'être indiqué ci dessus, mais dans l'impossibilité dans ce cas de pouvoir adapter l'épaisseur de la couche d'air à cet endroit.
C'est pourquoi, on aura avantage à préférer à toute autre forme de revêtement, celle, au demeurant bien connue par ailleurs, qui consiste à déposer, par pulvérisation, atomisation, ou simplement au jet, une couche de matière à l'état visqueux (liquide de préférence, ou pâteux), mais apte en tous cas à épouser les infractuosités de la surface à
revêtir, et de la laisser sécher pour former une pellicule solide continue et bien adhérente.
En revanche, si la matière constitutive de cette enveloppe doit avoir la capacité
2o d'écouler vers la terre, à laquelle elle est reliée, les charges électriques collectées à la surface de la résine, cette matière n'a pas pour autant à être un bon conducteur de l'électricité. Au contraire, il est préférable qu'elle ne soit pas bon conducteur. La continuité du revêtement, imposée pour les raisons explicités ci-avant, devient en effet ici, à l'instar de ce qui a déjà été dit auparavant à propos des ailettes métalliques, un handicap en raison des courants électriques induits qui ont tendance à se former dans le revêtement autour du bloc de résine en sens contraire de celui du courant circulant dans l'enroulement qui leur donne naissance. Pour y pallier, on opte pour une matière peu ou moyennement conductrice, à savoir "semi-conductrice", qui a une aptitude filmogène, afin d'obtenir après séchage une pellicule fine, par exemple de 30-40 ~m seulement 3o d'épaisseur, pour augmenter la résistivité électrique. Une résine, ou une peinture époxydique chargée telle que la peinture référencée 440-6-308 commercialisée par la firme française "Blancomme", pourront parfaitement convenir à cet usage.
On rappelle que, pour la même raison, on aura avantage à ce que l'assemblage d'ailettes ne forme pas une boucle métallique fermée autour du bloc de résine qui les porte. Ceci peut être réalisé au moyen d'ailettes individuelles rapportées une à une sur le bloc de résine en prenant soin de laisser leur base disjointes entre elles. On peut également y parvenir au moyen d'un panneau ondé, du type de ceux qu'on utilise pour réaliser les parois des cuves des transformateurs immergés, mais choisi par exemple de longueur plus courte que la circonférence du bloc de résine.
L'invention sera de toute façon bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit, donnée à titre d'exemple de réalisation en référence aux planches de figures annexées, sur lesquelles:
- la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un couple
5 d'enroulements concentriques appariés d'un transformateur sec illustrant le principe de l'invention;
- la figure 2 est une vue partielle d'un bloc de résine d'un enroulement "haute tension"
d'un transformateur sec selon l'invention dont la surface externe est pourvue d'ailettes métalliques de refroidissement;
lo - la figure 3 est une vue en perspective du dessus d'un transformateur sec triphasé
selon l'invention.
Sur ces figures, les mêmes éléments sont désignés par des références identiques.
On a représenté, sur la figure 1, un couple d'enroulements de phase concentriques appariés 1 et 2 d'un transformateur sec de distribution d'énergie électrique.
L'enroulement primaire 1 (ici la haute tension) entoure à distance l'enroulement secondaire 2, lequel est monté autour d'une colonne 3 du circuit magnétique en tôle magnétique feuilletée équipant le transformateur. Etant ici la "haute tension"(ou HT), l'enroulement externe 1 est classiquement formé par un conducteur filaire bobiné 4, noyé
2o dans un bloc de résine époxydique S à propriétés diélectriques élevées. De même, l'enroulement "basse tension" (ou BT) 2 est constitué par un conducteur en bande enroulée 6, noyé dans un bloc de résine diélectrique 7, qui peut être de même nature que la résine constitutive du bloc 5. L'ensemble est placé dans une cabine protectrice 8 posée au sol.
Les proportions en taille de ces éléments ne sont respectées par la figure.
Mais on notera que l'espace d'air 9 séparant les enroulements concentriques 1 et 2 présente une largeur "d" d'une quinzaine de mm à peine, et que l'épaisseur "e" de résine autour du bobinage HT 4 est inférieure au cm.
Comme on le voit, des ailettes longitudinales de refroidissement en métal 10 3o sont présentes selon le pourtour de la surface extérieure 11 du bloc de résine de l'enroulement externe 1. Dans l'exemple de réalisation décrit, les ailettes sont rapportées une à une sur la surface du bloc par leur base sans contact entre elles. Ces ailettes ont une hauteur "h" pouvant aller de 5 à 20 cm environ, pour un écartement entre elles de 1 à 3 cm environ. Au delà de 20 cm de hauteur, l'expérience montre que l'augmentation de la surface d'échange thermique ne se traduit plus guère par une efficacité accrue du refroidissement du transformateur. En deçà de 5 cm, par contre, on sous-utiliserait trop leur capacité de refroidissement. Entre ces deux valeurs, le choix sera fait en fonction du nombre d'ailettes par mètre de circonférence du bloc de résine qui les porte, donc de l'écartement choisi entre elles, et de la nature du métal qui les constitue. A
ce titre, pour
- la figure 2 est une vue partielle d'un bloc de résine d'un enroulement "haute tension"
d'un transformateur sec selon l'invention dont la surface externe est pourvue d'ailettes métalliques de refroidissement;
lo - la figure 3 est une vue en perspective du dessus d'un transformateur sec triphasé
selon l'invention.
Sur ces figures, les mêmes éléments sont désignés par des références identiques.
On a représenté, sur la figure 1, un couple d'enroulements de phase concentriques appariés 1 et 2 d'un transformateur sec de distribution d'énergie électrique.
L'enroulement primaire 1 (ici la haute tension) entoure à distance l'enroulement secondaire 2, lequel est monté autour d'une colonne 3 du circuit magnétique en tôle magnétique feuilletée équipant le transformateur. Etant ici la "haute tension"(ou HT), l'enroulement externe 1 est classiquement formé par un conducteur filaire bobiné 4, noyé
2o dans un bloc de résine époxydique S à propriétés diélectriques élevées. De même, l'enroulement "basse tension" (ou BT) 2 est constitué par un conducteur en bande enroulée 6, noyé dans un bloc de résine diélectrique 7, qui peut être de même nature que la résine constitutive du bloc 5. L'ensemble est placé dans une cabine protectrice 8 posée au sol.
Les proportions en taille de ces éléments ne sont respectées par la figure.
Mais on notera que l'espace d'air 9 séparant les enroulements concentriques 1 et 2 présente une largeur "d" d'une quinzaine de mm à peine, et que l'épaisseur "e" de résine autour du bobinage HT 4 est inférieure au cm.
Comme on le voit, des ailettes longitudinales de refroidissement en métal 10 3o sont présentes selon le pourtour de la surface extérieure 11 du bloc de résine de l'enroulement externe 1. Dans l'exemple de réalisation décrit, les ailettes sont rapportées une à une sur la surface du bloc par leur base sans contact entre elles. Ces ailettes ont une hauteur "h" pouvant aller de 5 à 20 cm environ, pour un écartement entre elles de 1 à 3 cm environ. Au delà de 20 cm de hauteur, l'expérience montre que l'augmentation de la surface d'échange thermique ne se traduit plus guère par une efficacité accrue du refroidissement du transformateur. En deçà de 5 cm, par contre, on sous-utiliserait trop leur capacité de refroidissement. Entre ces deux valeurs, le choix sera fait en fonction du nombre d'ailettes par mètre de circonférence du bloc de résine qui les porte, donc de l'écartement choisi entre elles, et de la nature du métal qui les constitue. A
ce titre, pour
6 une puissance de refroidissement donnée (qui s'exprime classiquement par une densité de flux de chaleur extrait par l'air de ventilation à la température de fonctionnement nominal du transformateur), plus le métal formant les ailettes sera thermo-conducteur, ou plus les ailettes seront resserrées, moins leur hauteur peut être importante. A titre d'exemple, pour un transformateur triphasé de 250 kVA de puissance électrique devant classiquement évacuer un flux de chaleur de 4 kWh à 120°C, on disposera d'une batterie d'ailettes en aluminium de 4 cm de hauteur, espacées les unes des autres de 3 cm environ selon le pourtour de l'enroulement externe 1, dont la longueur avoisine le mètre dans ce cas pour un diamètre extérieur de 30 cm environ 1o Entre la base 12 de ces ailettes et le bloc de résine 5, est interposée une couche semi-conductrice de l'électricité 13 qui forme un film enveloppant la surface 11 en l'épousant étroitement. Un lien électrique 14 relie ce film semi-conducteur à
la terre, le fixant ainsi au potentiel "zéro". Le matériau constituant le film 13 peut être une résine, un vernis ou une peinture, chargée par une substance lui conférant la capacité de conduire des charges électriques (du carbone par exemple). Comme cela a déjà été
souligné
auparavant, il doit en tous cas pouvoir bien s'étaler lors de son dépôt sur la surface 11 du bloc de résine 5, afin de recouvrir cette surface en formant, éventuellement après séchage, un film mince (de 10 à 40 gym), continu et bien adhérent, de préférence homogène et régulier.
2o Le rôle de cette couche semi-conductrice 13 est de rendre sans danger la mise en place des ailettes métalliques 10. Sa fonction, à cet effet, est de fixer le lieu d'ancrage de ces ailettes, à savoir la surface extérieure des enroulements du transformateur à un potentiel électrique constant de faible valeur, en tout cas à une valeur sans risque pour l'homme en cas de toucher. Dés lors, les charges électriques des inévitables courants de fuite qui, véhiculées par le champ électrique développé par le bobinage Haute-Tension 4, traversent l'épaisseur de résine "e" pour s'accumuler en surface 11. Là, elle sont collectées par le film semi conducteur 13 et évacuées par le lien 14 dans le bas puits de potentiel qui est ici la terre.
Les ailettes 10 sont rapportées par leur base 12 sur cette couche 13 par tout 3o moyen de fixation adéquat, par exemple par collage, soudage, cerclage, etc..., l'important étant bien entendu que les bases 12 soient bien apposées contre la surface du film 13 afin que la surface de contact soit la plus grande possible et que les ailettes puissent dés lors remplir au mieux leur fonction de refroidissement.
On notera, qu'en l'absence de telles ailettes, le même transformateur ne pouvait évacuer au mieux que 2 kW, soit deux fois moins.
Il faut rappeler ici, en référence à la figure 2, qu'il est nécessaire d'éviter de créer des courants induits parasites qui pénaliseraient le rendement du transformateur en générant de surcroît un supplément de chaleur à évacuer. De tels courants pourraient s'installer si la mise en place des ailettes 10 devait se traduire par la formation d'une
la terre, le fixant ainsi au potentiel "zéro". Le matériau constituant le film 13 peut être une résine, un vernis ou une peinture, chargée par une substance lui conférant la capacité de conduire des charges électriques (du carbone par exemple). Comme cela a déjà été
souligné
auparavant, il doit en tous cas pouvoir bien s'étaler lors de son dépôt sur la surface 11 du bloc de résine 5, afin de recouvrir cette surface en formant, éventuellement après séchage, un film mince (de 10 à 40 gym), continu et bien adhérent, de préférence homogène et régulier.
2o Le rôle de cette couche semi-conductrice 13 est de rendre sans danger la mise en place des ailettes métalliques 10. Sa fonction, à cet effet, est de fixer le lieu d'ancrage de ces ailettes, à savoir la surface extérieure des enroulements du transformateur à un potentiel électrique constant de faible valeur, en tout cas à une valeur sans risque pour l'homme en cas de toucher. Dés lors, les charges électriques des inévitables courants de fuite qui, véhiculées par le champ électrique développé par le bobinage Haute-Tension 4, traversent l'épaisseur de résine "e" pour s'accumuler en surface 11. Là, elle sont collectées par le film semi conducteur 13 et évacuées par le lien 14 dans le bas puits de potentiel qui est ici la terre.
Les ailettes 10 sont rapportées par leur base 12 sur cette couche 13 par tout 3o moyen de fixation adéquat, par exemple par collage, soudage, cerclage, etc..., l'important étant bien entendu que les bases 12 soient bien apposées contre la surface du film 13 afin que la surface de contact soit la plus grande possible et que les ailettes puissent dés lors remplir au mieux leur fonction de refroidissement.
On notera, qu'en l'absence de telles ailettes, le même transformateur ne pouvait évacuer au mieux que 2 kW, soit deux fois moins.
Il faut rappeler ici, en référence à la figure 2, qu'il est nécessaire d'éviter de créer des courants induits parasites qui pénaliseraient le rendement du transformateur en générant de surcroît un supplément de chaleur à évacuer. De tels courants pourraient s'installer si la mise en place des ailettes 10 devait se traduire par la formation d'une
7 ceinture métallique continue autour de l'enroulement 1.C'est pourquoi, il est impérieux de créer une discontinuité matérielle des ailettes métalliques 10 sur le pourtour du bloc de résine 5. Si l'on met en place par exemple un ensemble à ailettes constitué
d'un panneau-ondé en acier, analogue à ceux utilisés pour la réalisation des cuves de transformateurs immergés, dont les ondes constituent alors les ailettes de refroidissement, la discontinuité
électrique recherchée pourra être obtenue simplement en optant pour un panneau plus court que le pourtour de la surface du bloc 4 sur lequel il doit s'enrouler de manière que, une fois mis en place, les extrémités du panneau-ondé en regard alors l'une de l'autre ne se rejoignent pas.
Si l'on préfère assurer un bon contact entre la base 12 des ailettes et leur surface support 13, on optera pour des ailettes individuelles fixées une à une selon le pourtour à
équiper. On prendra soin, comme le montre la figure 2, de ne pas les accoler entre elles, ou du moins en veillant à en laisser au moins deux consécutives disjointes pour précisément créer la discontinuité électrique voulue sous la forme de zones longitudinales 21 laissant apparaître le film semi-conducteur 13 à nu.
La figure 3 est présentée pour permettre de mieux se rendre compte de l'apparence générale que prend un transformateur sec triphasé conforme à
l'invention.
Seul la partie électrique centrale a été représentée. On y reconnaît les trois enroulements primaires HT 1 alignés, dont les bobinages (non visibles) sont noyés dans un bloc de 2o résine diélectrique commun. Les enroulements secondaires BT appariés sur chaque phase de l'alimentation sont logés dans l'espace central vide du bloc chacun concentriquement à
son enroulement externe 1 correspondant. Ces enroulements secondaires ne sont visibles sur la figure que par leur périphérie intérieure 18 définissant un passage cylindrique pour la mise en place des colonnes du circuit magnétique (non représenté) du transformateur.
On voit en 16 la barre de connexion supérieure du secondaire dotée de ses bornes de sortie 17; et en 19, la barre de connexion du primaire avec ses bornes d'entrées mâles 20.
L'intégralité du pourtour du bloc de résine du primaire 1 est pourvu d'ailettes métalliques de refroidissement, conformément à l'invention, toutes parallèles entre elles et disposées longitudinalement selon la hauteur du bloc. On distingue cependant en l'espèce deux catégories d'ailettes qui se différencient par leur hauteur. Une première catégorie majoritaire d'ailettes courtes 10, et une seconde catégorie d'ailettes 15 sensiblement plus grandes et localisées uniquement au voisinage des extrémités de la barre de connexion de la haute tension 19.
Il va de soi que l'invention ne se limite pas aux exemple décrits ci-avant, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où est respectée la définition qu'en donnent les revendications jointes. Il en est ainsi par exemple de la forme ou de la disposition des ailettes, dont l'orientation longitudinale sur le bloc de résine a été retenue uniquement pour faciliter les écoulements d'air qui s'effectuent naturellement du bas vers le haut. De même, le film semi-conducteur à
potentiel bas
d'un panneau-ondé en acier, analogue à ceux utilisés pour la réalisation des cuves de transformateurs immergés, dont les ondes constituent alors les ailettes de refroidissement, la discontinuité
électrique recherchée pourra être obtenue simplement en optant pour un panneau plus court que le pourtour de la surface du bloc 4 sur lequel il doit s'enrouler de manière que, une fois mis en place, les extrémités du panneau-ondé en regard alors l'une de l'autre ne se rejoignent pas.
Si l'on préfère assurer un bon contact entre la base 12 des ailettes et leur surface support 13, on optera pour des ailettes individuelles fixées une à une selon le pourtour à
équiper. On prendra soin, comme le montre la figure 2, de ne pas les accoler entre elles, ou du moins en veillant à en laisser au moins deux consécutives disjointes pour précisément créer la discontinuité électrique voulue sous la forme de zones longitudinales 21 laissant apparaître le film semi-conducteur 13 à nu.
La figure 3 est présentée pour permettre de mieux se rendre compte de l'apparence générale que prend un transformateur sec triphasé conforme à
l'invention.
Seul la partie électrique centrale a été représentée. On y reconnaît les trois enroulements primaires HT 1 alignés, dont les bobinages (non visibles) sont noyés dans un bloc de 2o résine diélectrique commun. Les enroulements secondaires BT appariés sur chaque phase de l'alimentation sont logés dans l'espace central vide du bloc chacun concentriquement à
son enroulement externe 1 correspondant. Ces enroulements secondaires ne sont visibles sur la figure que par leur périphérie intérieure 18 définissant un passage cylindrique pour la mise en place des colonnes du circuit magnétique (non représenté) du transformateur.
On voit en 16 la barre de connexion supérieure du secondaire dotée de ses bornes de sortie 17; et en 19, la barre de connexion du primaire avec ses bornes d'entrées mâles 20.
L'intégralité du pourtour du bloc de résine du primaire 1 est pourvu d'ailettes métalliques de refroidissement, conformément à l'invention, toutes parallèles entre elles et disposées longitudinalement selon la hauteur du bloc. On distingue cependant en l'espèce deux catégories d'ailettes qui se différencient par leur hauteur. Une première catégorie majoritaire d'ailettes courtes 10, et une seconde catégorie d'ailettes 15 sensiblement plus grandes et localisées uniquement au voisinage des extrémités de la barre de connexion de la haute tension 19.
Il va de soi que l'invention ne se limite pas aux exemple décrits ci-avant, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où est respectée la définition qu'en donnent les revendications jointes. Il en est ainsi par exemple de la forme ou de la disposition des ailettes, dont l'orientation longitudinale sur le bloc de résine a été retenue uniquement pour faciliter les écoulements d'air qui s'effectuent naturellement du bas vers le haut. De même, le film semi-conducteur à
potentiel bas
8 constant peut être réalisé autrement qu'à partir d'un revêtement fluide appliqué à la surface du bloc de résine de l'enroulement à pourvoir d'ailettes de refroidissement. De même encore, tous les enroulements de phases, primaires comme secondaires, peuvent être concernées par la mise en place d'ailettes de refroidissement, selon les dispositions spécifiques de l'invention, à savoir la présence d'une enveloppe intermédiaire semi-conductrice formant un écran à potentiel constant au champ électrique.
Egalement, et toujours si ces dispositions spécifiques sont respectées, d'autres surfaces de blocs de résine diélectriques constitutives des enroulements de phase de transformateurs secs peuvent être pourvues d'ailettes métalliques de refroidissement, par exemple les faces 1o intérieures délimitant l'espace de séparation inter-enroulement 9 (fig.l), ou même certains des canaux de circulation d'air ménagés à l'intérieur des bobinages électriques.
Egalement, et toujours si ces dispositions spécifiques sont respectées, d'autres surfaces de blocs de résine diélectriques constitutives des enroulements de phase de transformateurs secs peuvent être pourvues d'ailettes métalliques de refroidissement, par exemple les faces 1o intérieures délimitant l'espace de séparation inter-enroulement 9 (fig.l), ou même certains des canaux de circulation d'air ménagés à l'intérieur des bobinages électriques.
Claims (9)
1 ) Transformateur sec, de puissance ou de distribution de l'énergie électrique, à
enroulements de phase appariés concentriques, ces enroulements étant noyés dans un bloc de résine diélectrique, caractérisé en ce que la surface externe (11) au moins du bloc de résine (5) de l'enroulement (1) disposé extérieurement est pourvue d'ailettes métalliques de refroidissement (10), en ce que au moins une discontinuité
matérielle desdites ailettes est présente sur le pourtour dudit enroulement et en ce que, interposé
entre ladite surface (11) et les ailettes (10), un film (13) en matériau semi-conducteur de l'électricité est mis à un bas potentiel constant et recouvre la surface du bloc de résine diélectrique (5), la base (12) des ailettes (10) étant solidaire dudit film (13)
enroulements de phase appariés concentriques, ces enroulements étant noyés dans un bloc de résine diélectrique, caractérisé en ce que la surface externe (11) au moins du bloc de résine (5) de l'enroulement (1) disposé extérieurement est pourvue d'ailettes métalliques de refroidissement (10), en ce que au moins une discontinuité
matérielle desdites ailettes est présente sur le pourtour dudit enroulement et en ce que, interposé
entre ladite surface (11) et les ailettes (10), un film (13) en matériau semi-conducteur de l'électricité est mis à un bas potentiel constant et recouvre la surface du bloc de résine diélectrique (5), la base (12) des ailettes (10) étant solidaire dudit film (13)
2) Transformateur sec selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film semi conducteur à potentiel constant (13) est obtenu par étalement d'une matière semi électroconductrice à l'état liquide ou pâteux sur la surface du bloc de résine diélectrique à
recouvrir(5).
recouvrir(5).
3) Transformateur sec selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière dont est faite ledit film semi-conducteur (13) est une peinture époxydique chargée par une substance conductrice de l'électricité.
4) Transformateur sec selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit film semi-conducteur (13) est reliée à la terre.
5) Transformateur sec selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes métalliques (10) sont parallèles entre elles et disposées longitudinalement sur le pourtour dudit bloc de résine (5) selon la hauteur et en ce que au moins deux ailettes consécutives sont disjointes l'une de l'autre.
6) Transformateur sec selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ailettes (10) présentent une hauteur comprise entre 5 et 20 cm environ.
7) Transformateur sec selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ailettes (10) sont en aluminium.
8) Transformateur sec selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ailettes de refroidissement (10) sont des ailettes individuelles fixées chacune par leur base (12) sur le bloc de résine (5), certaines ailettes au moins ayant leur base (12) non accolées les unes aux autres.
9) Transformateur sec selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ailettes de refroidissement (10) sont formées à partir d'un panneau-ondé en métal enroulé sur le bloc de résine (5) et dont les extrémités en regard sont disjointes l'une de l'autre.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| FR98.13180 | 1998-10-20 | ||
| FR9813180A FR2784787B1 (fr) | 1998-10-20 | 1998-10-20 | Transformateur sec de puissance ou de distribution de l'energie electrique |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CA2285806A1 CA2285806A1 (fr) | 2000-04-20 |
| CA2285806C true CA2285806C (fr) | 2010-08-10 |
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ID=9531810
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CA2285806A Expired - Fee Related CA2285806C (fr) | 1998-10-20 | 1999-10-12 | Transformateur sec de puissance ou de distribution de l'energie electrique |
Country Status (2)
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| FR (1) | FR2784787B1 (fr) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107039159A (zh) * | 2015-09-18 | 2017-08-11 | 西门子公司 | 电绕组、具有电绕组的干式变压器和制造电绕组的方法 |
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| DE10203246B4 (de) * | 2002-01-21 | 2004-01-29 | Bombardier Transportation Gmbh | Mittelfrequenz-Transformator |
| CN101015026A (zh) | 2004-08-10 | 2007-08-08 | 克朗普顿·格里夫斯有限责任公司 | 紧凑的干式变压器 |
| EP2075806A1 (fr) | 2007-12-27 | 2009-07-01 | Elettromeccanica di Marnate S.p.A. | Transformateur à isolation en résine de type sèche avec enroulements primaires côte à côte isolés |
| DE102016202385A1 (de) * | 2016-02-17 | 2017-08-17 | Siemens Aktiengesellschaft | Kompakter Trockentransformator mit einer elektrischen Wicklung und Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Wicklung |
| DE102016202391A1 (de) * | 2016-02-17 | 2017-08-31 | Siemens Aktiengesellschaft | Kompakter Trockentransformator mit einer elektrischen Wicklung und Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Wicklung |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1263184B (de) * | 1960-12-27 | 1968-03-14 | Transform Roentgen Matern Veb | Verfahren zum Umhuellen einer trapezfoermigen Wicklung mit Giessharz |
| FR1433517A (fr) * | 1965-02-17 | 1966-04-01 | Sectram | Perfectionnements aux bobinages électriques |
| FR1468865A (fr) * | 1965-10-22 | 1967-02-10 | Westinghouse Electric Corp | Appareil électrique d'induction |
| FR93136E (fr) * | 1967-01-26 | 1969-02-14 | Augier Sa | Transformateur pour l'éclairage public. |
| GB1268768A (en) * | 1968-07-18 | 1972-03-29 | South Wales Switchgear | Housing tanks for transformers |
| JPS59207611A (ja) * | 1983-05-11 | 1984-11-24 | Fuji Electric Corp Res & Dev Ltd | モ−ルド変圧器 |
-
1998
- 1998-10-20 FR FR9813180A patent/FR2784787B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
1999
- 1999-10-12 CA CA2285806A patent/CA2285806C/fr not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107039159A (zh) * | 2015-09-18 | 2017-08-11 | 西门子公司 | 电绕组、具有电绕组的干式变压器和制造电绕组的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2784787A1 (fr) | 2000-04-21 |
| CA2285806A1 (fr) | 2000-04-20 |
| FR2784787B1 (fr) | 2002-10-11 |
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