CH678988A5 - - Google Patents
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Description
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CH 678 988 A5
Description
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 travail dépassent classiquement de plus d'une centaine de degrés 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 référera pour la suite de l'exposé à l'exemple des transformateurs précités.
Dans ce type de transformateurs, réservés habituellement à une gamme de tension allant dé 3 à 36 kV, le bobinage est noyé dans une résine synthétique isolante à propriétés diélectriques et présentant plusieurs millimètres d'épaisseur (de 2 à 5 mm par ex.) On rappelle, qu'outre sa fonction d'isolation électrique, la résine a un rôle de protection contre l'humidité et les poussières qui pourraient faire baisser la tension de claquage. Elle protège également les bobinages électriques contre un milieu ambiant pollué par des agents chimiques agressifs et joue un rôle important de tenue mécanique en assurant la fixité des spires entre-elles dans le bobinage.
On sait néanmoins que, dans des conditions d'usage extrêmes accidentelles, ou à la suite d'une anomalie, les transformateurs peuvent brûler. L'étude de leur comportement au feu a permis de se rendre compte que, lorsque la résine d'enrobage brûle, elle continue souvent à brûler, même si l'incendie qui en est la cause a cessé, car, à partir d'une température critique qui lui est propre, la résine devient inflammable à l'air.
Ä ce stade, quelques rappels concernant la constitution de ces résines peuvent s'avérer utiles pour ia suite.
Les enrobages actuels pour transformateurs secs sont des résines thermodurcissables, obtenues par chauffage d'un mélange initial composé d'une résine proprement-dite (un epoxyde généralement) et d'un durcisseur, tel que de l'anhydride. Un exemple classique est fourni par les dérivés diglycidiques éthers du bis-phénol A, plus couramment appelés DGEBA, et formés par réaction entre le bis-phénol A et l'hépîchlorohydrîne (voir l'USP 3 202 947 par ex.). Ces résines sont le plus souvent réticulées et rendues înfusibles et insolubles par addition d'amines et de polysulfures de basse masse moléculaire (résine ARALDITE®, par exemple). On trouve des exemples autres parmi les polyesters thermodurcissables. Les proportions pondérales sont classiquement de 50% pour la résine et de 50% pour le durcisseur.
Généralement, on utilise des résines chargées: la résine liquide de départ reçoit, 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 pondérales qui sont de l'ordre de 3 de charge pour 1 de résine. On 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 formation de fissures. Elle a également un rôle de renfort mécanique, car la résine non chargée peut rester de consistance molle à la température de fonctionnement des transformateurs.
D'un autre côté, on utilise plutôt des élastomères, comme des résines de silicone, ou des résines polyesters, qui sont des thermoplastiques, dans le cas notamment d'enrobage de câblés ou de fils, afin de leur autoriser une certaine souplesse. Des exemples sont donnés par I'E.P.R (Ethylène-propylène-rub-ber, rE.V.A.(ËthyIène vinyl acetate), ou le Polyéthylène réticulé).
L'invention ne distingue pas selon le type de résine (thermodurcissable, thermoplastique ou élasto-mère), dans ia mesure où cette résine est un matériau isolant destiné à être utilisé «à chaud» et présente donc de ce fait un bon comportement thermo-mécanique aux températures de travail élevées indiquées auparavant. Aussi, par commodité de language, on appellera indifféremment résine d'enrobage ou «résine chargée» la matière constitutive de l'enrobage isolant final formée par le mélange: résine proprement-dite, charge de renfort (le cas échéant), et durcisseur éventuel (adjuvants habituels compris, tels qu'accélérateur, flexibilisateur, etc.).
Le but de l'Invention est d'améliorer le comportement au feu des conducteurs électriques enrobés, notamment les enroulements des transformateurs secs, en accroissant, à leur température de service, la stabilité thermique de la résine d'enrobage ignifuge utilisée.
A cet effet, l'invention a pour objet un enroulement électriques enrobés dans une résine isolante chargée contenant une substance ignifuge par formation d'eau quand la température s'élève, teile que de l'alumine hydratée, caractérisés en ce que une fraction de la charge, égale à au moins 20% du poids total de la résine d'enrobage, est constituée par ladite substance ignifuge, qui a été préalablement déshydratée partiellement d'une quantité telle qu'elle ne provoque pas de formation intempestive d'eau dans la résine tant que l'enroulement enrobé est en service dans ses conditions normales de température.
L'invention a encore pour objet un procédé de préparation d'une résine isolante chargée de ce type pour l'enrobage d'enroulements électriques, selon la revendication 4.
Le rôle ignifugeant de l'alumine trihydratée, en tant qu'adjuvant aux résines d'enrobage pour câblés électriques ou pour transformateurs, est déjà connu, par exemple du document USP 3 202 947 déjà mentionné (et dont l'enseignement est incorporé ici par référence). Mais, jamais jusqu'ici, à la connaissance
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des inventeurs, on a pu mettre en lumière l'avantage que on pouvait paradoxalement attendre d'une meilleure stabilité thermique de la résine en déshydratant préalablement partiellement un tel adjuvant, alors qu'il agit comme ignifuge précisément en formant de l'eau.
L'invention sera bien comprise, et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement, au vu de la description 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 pour un certain nombre de substances ignifuges;
- aux fig. 1 et 2 montrant l'évolution dans te temps de la perte de poids de différentes substances ignifuges utilisables, par formation et élimination d'eau, résultant de leur instabilité «à chaud» lorsqu'on les chauffe à température constante.
On reprend successivement les deux caractéristiques essentielles de l'invention énoncées auparavant:
AJOUT EN QUANTITE SUFFISANTE D'UNE SUBSTANCE IGNIFUGEANTE PAR FORMATION D'EAU DUE A UNE INSTABILITE A CHAUD.
La substance ignifuge ajoutés peut être de l'alumine hydratée AI2O3, nHgO avec n =1,2, ou 3 de ia magnésie bihydratée, du borate de zinc, ou tout autre matière connue pour ses propriétés d'autoextinguibili-té par élimination d'eau et, de préférence, capable en outre, tout comme la silice, de renforcer la résine. On pourra donner préférence à l'alumine trihydratée, qui s'est avérée être l'ignifuge le plus efficace, et qui, de surcroît, ne dégage pas, ou peu de fumée.
La réaction de formation d'eau peut s'écrire:
2 AI(OH)3 -» AI2O3 + 3 H2O
La vitesse de cette réaction augmente dans le sens de la flèche avec là température, et son endother-mîcité retarde, voire empêche, l'atteinte du seuil d'allumage de la résine.
On verra plus loin que cette vitesse n'évolue pas linéairement avec la température, mais qu'il se forme un pic de départ intense d'eau caractéristique de la substance, et dont un intérêt déterminant est qu'il apparaît à des températures situées précisément dans la zone de surchauffe à risque, donc en deçà de la température critique d'inflàmmibilité de la résine d'enrobage.
L'AI(OH)3 peut être aisément mélangé à la charge minérale de départ, puisqu'ils se présentent, tous deux, sous forme de matière solide en poudre ou de grains fins.
Au lieu de 60% en poids de SÌO2 dans la résine finale, on y substitue, pour majeure part, de la substance ignifuge. On réalise ainsi, par exemple, un mélange représentant 50% d'AI(OH)3 et 10% seulement de S1O2. L'expérience a cependant montré que l'on pouvait baisser la quantité d'AI(OH)3 jusqu'à 25% (donc 35% de SÌO2), sans nuire de façon significative aux qualités de bonne tenue au feu de l'enrobage, dues à ia présence de la substance ignifuge.
Ces valeurs, établies pour une charge initiale de 60% en poids peuvent bien entendu être modifiées si cette proportion varie.
Les tableaux I, Il et III ci-après fournissent des indications et des résultats chiffrés d'essais réalisés en laboratoire sur un transformateur sec, montrant l'effet de substances ignifuges (ici AI(OH)3 et Borate de Zinc) sur les valeurs de paramètres reconnus comme représentatifs de la tenue au feu des matériaux et en particulier des résines d'enrobage des enroulements des transformateurs secs, à savoir l'Indice d'Oxygène, la Vitesse de Combustion et le Pouvoir Calorifique Supérieur.
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Tableau 1:
Indicesd'Oxygène (LO.)
Température de mesure
20°C
80°C •
150°C
200°C .
Indica d!02 (I.O.) minimal imposé
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Alumine Tri-Hydraté.
Taux de charge total 70%
70% de S1O2
-30
-28
-24
-19
20%deSiÓ2et 50% d'AI(OH)3
-39
-37
-32
-31
Taux de charge total 60%
60% de S1O2
. -26
/
l
/
50%deSi02ét 10% d'Ai (OH)3
-25
/
/
/
40%deSi02et 20%d'AI(OH)3
-27
/
/
l
35%deSi02et 25%d'Al(0H)3
-30
-28
-25
-20
25% de SÌO2 et 35%d'Al(OH)3
28-31
28-31
24-27
19-22
20%deSi02et 40%d'AI(OH)3
30-33
29-33
25-28
23-24
10%deSi02et 50% d'AI(OH)3
32-35
30-32
27-29
24-26 '
Borate de Zinc
Taux de charge total 65%
10%deSi02et . 55% de Borate .
-32.5
pas de valeurs
Taux de charge total 60%
10%deSiQ2et 50% de Borate
-30.3
pas de valeurs
60% de Borate
-33.6
pas de valeurs
La matière d'enrobage a été préparée de la manière suivante: la charge minérale (ici de la silice), après avoir été mélangée à la substance ignifuge en quantité adéquate, a été malaxée, pour moitié, avec la résine liquide (résine époxydique commercialisée par la firme Suisse CIBA-GEIGY sous la dénomination «ARALDITE CY 225») et, pour l'autre moitié, avec le durcisseur, également à l'état liquide (anhydride commercialisé par la firme précitée sous la dénomination «DURCISSEUR HY 227»). Les deux mélanges ont ensuite été réunis et le tout a été malaxé, puis mis au four (80 à 150°C) pour prise en masse.
Pour ces essais, les méthodes de mesure ont été conformes aux normes UTE NF T51-071 à 20°C et
EDF HN20 M40 à 80,150 et 200°C.
Rq-
— Les fourchettes de valeurs traduisent le fait que l'i.O. mesuré dépendait, dans ce cas, de l'origine de l'Alumine du commerce qui a été utilisée.
- Les cases marquées d'un «/» traduisent des mesures jugées inutiles. Les valeurs correspondantes, compte tenu de celle obtenue à 20°C, sont d'emblée non-acceptables, car trop en deçà de l't.O. minimal imposé.
On volt immédiatement que pour une charge totale de 60% la teneur minimale d'AI(OH) 3 à respecter est de 20-25%. En deçà les valeurs minimales imposées à l'Indice d'02 ne sont plus efficacement assurées. Des mesures complémentaires, non consignées ici, ont permis de montrer, qu'avec une charge globale de 70% en poids (1re partie du tableau), la valeur seuil d'AI(OH)3 descend à 20%. On observe également, qu'en ce qui concerne le Borate de Zinc, le seuil minimal est bien plus élevé: 50% en poids au minimum, ce qui traduit, comme on le savait, une efficacité plus grande de l'Alumine trihydratée.
Les Vitesses de Combustion consignées dans le tableau II ci-après ont été mesurées dans l'appareil utilisé pour la détermination d'Indices d'Oxygène sur des éprouvettes en forme de plaquettes allongées, de 100 mm de long, 6.5 mm de large et de 4 mm d'épaisseur. Les éprouvettes comportent deux repères à ia suite l'un de l'autre selon la longueur, le premier étant situé à 10 mm d'une extrémité, le second à 60 mm. On note, à la température ambiante, le temps de combustion de l'éprouvette entre les deux repères et on en déduit la Vitesse moyenne de Combustion (en mm/s) en fonction du taux d'oxygène dans un mélange comburant d'Oxygène et d'azote.
4
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
CH678 988 A5
Tableau II:
Vitesses de Combustion.
Tauxd'02
35%
40%
45%
50%
60%
Vitesse de Combustion maximale autoriseé (en mm/s)
0.15
0.30
0.45
0.6
0.9
Alumine Tri-Hydratée
Taux de charge total 70%
70% de SÌO2
0.28
0.37
0.47
0.58
1.05
20%deSi02+ 50%d'AI(OH)3
0.06
0.10
0.13
0.19
0.25
Taux de charge total .60%
60%deSiÛ2
-0.35
- 0.50
— 0.60
-0,75
-1.0
50% de SiCbf tÖ%d'AI(OH)3
-0.35
-0.45
-0.60
-0.75
-1.0
40% de sìo2 + 20%d'AI(OH)3
-0.20
"0.35
-0.45
-0.55
-1.0 .
35% de SÌO2+ 25%d'AI(OH)3
-0,18
-0.28
-0.38
-0.49
-0.95.
•
25% de SÌO2+ 35%d'AI(ÓH)3
0.14-0.17
0.20-0.23
0.27-0.30
0.34-0.37 .
0.56-0.59 • '
20% de sìo2+ 40% d'AI(OH)a •
0.13-0.16
0.19-0.20
0.24-0.27
0.30-0.35
0.48-0£6
10%deSI02+ 50%d'AI(OH)3
0.07-0.10
0.14-0.16
0.20-. 0.23
0.26-0.29
0.37-0.40
Borate de Zinc
Taux de charge total 65%
10% deSi02 + 55% dé Borate
-0.16
-0.21
-.0.30
-0.8
Taux de charge total 60%
10%deSi02 + 50% de Borate
~0.25
-0.43
-0.65
-0.98
60% de Borate
-0.25
-0.31
- 0.52
-0.96
Rq. les indications de couples de valeurs ont même signification que dans le tableau précédent.
Comme on peut aisément le constater, les valeurs données dans le Tableau II corroborent celles du tableau I en montrant que, à l'égard du critère «Vitesse de combustion» également, la valeur «plancher» à respecter pour la quantité d'AI(OH)3 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 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.)
(Méthode d'essai: calorimétrie adiabatîque selon ia norme UTE NF M 03-005.)
Taux de charge total: 70%
Taux dé chargé total: 60%
Alumine tri-hydraté
70% sìq2 20% SÌQ2+
60% sìo2
40% sìo2+
35%SiÔ2 +
25%SiQ2 +
10%SiQ2 +
50% Al
10% Al.
25% Al..
35% ai:
50% Al..
-8 -7
-11
-11
-11
-11
-11
Borate de zinc
10% SÌO2+55% Bor.
10% SÌO2+50% de Borate
60% de Borate
-10
-11
-11
On voit donc clairement apparaître sur ces tableaux l'influence sur la tenue au feu de l'ajout à la résine de départ, dans des proportions adéquates, d'une matière ignifugeante par formation et élimination d'eau, conformément à l'invention.
5
5
10
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20
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50
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60
65
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Ces résultats traduisent une forte libération d'eau de la part de la résine d'enrobage, lorsque celle-ci atteint des températures anormalement élevées. Un tel phénomène agit en absorbeur de chaleur autocontrôlé, qui retarde et freine la 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 même de la masse n'est pas sans conséquences sur la qualité de la résine d'enrobage. Celle-ci se dégrade au cours d'un tel processus et, généralement, ne peut plus être réutilisée pour la suite. Le transformateur doit alors être remplacé ou re-conditionné.
La perte en poids de la substance ignifugeante au cours de la montée en température est un bon indicateur de sa capacité à former de l'eau. On notera, comme le montrent les spécifications des fournisseurs, que, dans le cas de l'Ai (OH)3, la perte de poids est déjà proche de 30% à 300°C. Elle s'opère d'ailleurs praiiquement uniquement à cette température sous la forme d'un pic étroit et de grande amplitude, ce qui témoigne 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 trihydratée du commerce utilisée, comme le montre plus précisément le tableau IV ci-après.
Ce tableau de valeurs est donné à simple titre d'information, à partir des indications des fournisseurs de PAI(0H)3 vendue sous la dénomination «ALCOA» selon des variétés, dont les références commerciales sont reprises dans les colonnes du tableau pour les identifier.
Tableau IV:
Analyse des pics endcrthermiques de formation d'eau
(jes montées en température ont été opérées de 25 à 600°C sous une progression constante' de ° 10°C/min.)
.MIS
S65/4Q
C31
M6
M15S
S65/15Ö
MEDIUM SODA
Temp. début du pic (°C)
196
205
216
180
195
188
197
Temp.findu pîc (°C)'
372
385
353
382
355
370
353
Temp. max du pio (°C)
316
312
314
314
311
309
312
AH du pic. (en kJ/g)
1.03
1.01
1.07
1.06
1.03
1.0
1.02
Pour que les effets attendus par le type de substance ignifuge préconisée par l'invention soient pleinement satisfaisants, il faut, non seulement que le pic de départ intense d'eau se développe à des températures adéquates, c'est à dire entre le point de fonctionnement normal à chaud et celui où l'enrobage peut s'enflammer, mais encore qu'une formation d'eau ne se réalise véritablement qu'en cas de surchauffe anormale. Autrement-dit, il convient d'éviter tout risque de dégradation prématurée de ta résine d'enrobage qui pourrait être occasionnée par une formation intempestive d'eau depuis la température ambiante jusqu'à celle du fonctionnement normal à chaud du transformateur.
C'est cette difficulté qui est résolue par la seconde caractéristique principale de l'invention, à savoir, un prévieillissement modéré de la résine, comme on va le voir plus en détails ci-après:
2) DESHYDRATATIQM PARTIELLE PREALABLE DE LA QUANTITE DE SUBSTANCE IGNIFUGE AJOUTEE
Il s'agit ici de provoquer une déshydratation préalable pour éviter qu'elle se produise ultérieurement dans le transformateur. Mais, cette déshydratation ne doit être que partielle, puisqu'on la recherche par ailleurs à haute température, quand le transformateur chauffe anormalement et que des risques d'inflammation sont à craindre.
Cette déshydratation peut avantageusement s'opérer par chauffage préalable de l'AI(OH)3. L'objectif à atteindre est, non pas une élimination totale de l'eau susceptible de se former dans une gamme de températures allant de l'ambrante à (a température de fonctionnement «à chaud» du transformateur (et que l'on appellera de façon imagée «eau volatile» pour marquer le fait qu'elle doit partir à basse température), mais une élimination suffisante afin que l'eau «volatile» résiduelle 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 avant d'être ajoutée à la charge minérale, des éclatements de la résine enrobant tes bobinages électriques de transformateurs d'essais intervenaient à la température de fonctionnement, qui obligaient à la mise au rebut de ces derniers.
Une façon commode de parvenir à réaliser la déshydratation partielle de la substance ignifuge par préchauffage est de 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:
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- Une première, sur échantillon d'analyse, destinée à déterminer ia quantité d'eau qui s'élimine lors d'un séjour prolongé à température 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 relativement haute température afin d'atteindre rapidement, donc dans des conditions industrielles, une perte de poids correspondant à la valeur d'élimination d'eau déterminée dans la phase précédente.
Bien entendu, cette seconde étape sera répétée à chaque préparation de résine, alors que la première n'est réellement nécessaire qu'une seule fois pour caractériser un type de substance ignifuge que l'on avait jamais utilisée auparavant.
Les courbes des fig. 1 et 2 illustrent bien cette première phase d'étude sur échantillons en montrant l'allure, à 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 par leur références commerciales à l'extrémité droite de chaque courbe. Trois valeurs de température ont été considérées: 140, 160 et 180°C afin de bien couvrir les conditions de marche habituelle «à chaud» des transformateurs. Pour éviter des surcharges inutiles, les trois familles correspondantes de courbes ont été séparées sur les deux figures: la fig. 1 regroupe les familles à 140°C (traits discontinus) et 160°C (trait plein); la famille à 180°C apparaît seule en trait plein sur la fig. 2.
Comme on le voit, toutes ces courbes sont avantageusement d'allure générale logarithmique avec une croissance très rapide au début, suivie d'un palier légèrement incliné sur l'horizontale, ce palier étant d'autant plus tôt atteint que la température de travail est élevée. Ainsi à 180°C (fig. 2), la majeure part de l'eau «volatile« (80% environ) est déjà 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 vérifie l'existence et la stabilité des paliers en testant des Alumines préalablement chauffées à plus haute température. Des tests ont ainsi été faits sur deux échantillons de la variété «Ml 5» maintenus pendant 18 h, l'un à 180°C l'autre à 200°C. Les résultats apparaissent sur la fig. 1 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 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 chauffage.
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.
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 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, pour la variété «S65/40» on pourra retenir 2.5% de perte en poids, pour une température de fonctionnement du transformateur de 140°C, de 4% à 160°C et de 5.5% à 180°C.
De même, la variété »M15» s'accommodera 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, que 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'échelionne entre 0.5% et 10% environ pour l'ensemble des substances ignifuges retenues pour la mise en œuvre de l'invention.
Le passage ensuite à la phase industrielle consiste simplement à déshydrater en conséquence la masse de substance ignifuge par des techniques de chauffage rapide au four, avec 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 fonctionnement du transformateur à 180°C, a pu être atteint au terme de 6 heures de chauffage seulement à 200°C.
Cette opération de chauffage sera bien entendu d'autant plus rapide que la température de chauffe sera élevée. Toutefois, pour des raisons évidentes de préservation d'un fort potentiel de formation d'eau, nécessaire en cas de surchauffe anormale, on prendra soin de ne pas dépasser de beaucoup, et de préférence de rester dessous, la température de début du pic d'élimination intense d'eau caractéristique de la substance ignifuge utilisée et dont quelques valeurs sont consignées dans le tableau IV ci-avant.
Si l'on ne souhaite pas devoir opérer par gravimétrie, en raison notamment de quantités trop importantes de matière qui pourraient être éventuellement à traiter, on aura avantage à procéder par une étape intermédiaire permettant de traduire la perte de poids visée en une durée de chauffage. Ceci pourra se faire à l'aide d'un second échantillon de mesure de la substance ignifuge concernée, dont on connaît la proportion pondérale d'eau à éliminer et que l'on soumet à un chauffage rapide à une température élevée déterminée. Ce chauffage s'opérera avec une pesée en continu de l'échantillon afin de pouvoir
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mesurer le temps nécessaire pour parvenir à une perte de poids correspondant à la proportion connue d'eau à éliminer. La valeur de la mesure définit la durée de l'opération de chauffage, à une température rigoureusement identique à celle de l'opération intermédiaire ci-dessus, à laquelle on soumettra 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, 12Q0°C par exemple, la teneur en eau restante d'un échantillon prélevé à cet effet à la masse de substance ignifuge 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 façon analogue sur un échantillon de référence, on en déduit que la quantité d'eau «volatile» effectivement éliminée est bien conforme à celle visée.
On notera que le temps de chauffage n'est pas tout â fait indépendant de la granulométrie de la matière. Il a pu être observé, au cours des essais, qu'une granulométrie grossière occasionnait une perte en poids plus importante qu'une granulométrie 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 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 gagner quelques 10èmes de pourcent, qui, de toute façon, sont probablement trop peu significatifs pour provoquer un départ d'eau capable de nuire à la qualité de la résine d'enrobage.
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 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 30Q°C pour toute les variétés d'AI(OH)3 étudiées.
La substance ignifuge ainsi prétraitée devient prête à l'emploi. II reste à achever la préparation de la résine d'enrobage de la manière habituelle: la charge minérale, après avoir été intimement mélangée à une quantité adéquate de substance ignifuge partiellement pré-déshydratée, est divisée en deux parts égaies. L'une est alors introduite dans le bain de résine pure, et l'autre dans le durcisseur, également à l'état liquide. Les deux 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 homogénéité. La pulpe résultante est ensuite coulée dans un moule, dans lequel on a préalablement disposé le bobinage électrique du transformateur que l'on désire enrober. Après coulée le moule est mis au four pour prise en masse de la résine. Après détournement et refroidissement, le bloc de résine incorporant le bobinage est démoulé et peut alors être monté dans le transformateur 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 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 transformateurs proprement-dit. II faut en effet entendre, par cette dénomination utilisée ici, plus largement l'ensemble des appareils ou équipements électriques inductife pouvant travailler 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.
De même, bien que l'invention ait été initialement conçue pour les applications des résines thermodur-cissables (enrobage des bobinages inductife, dans les transformateurs en particulier), elle concerne en fait tous les matériaux diélectriques d'enrobage. Elle présente un intérêt spécialement marqué dans le cas d'installations électriques ayant un fonctionnement nominal de longue durée à température élevée ou moyennement élevée. C'est dire, que l'on trouvera particulièrement avantage à l'utiliser pour les résines d'enrobage possédant déjà des aptitudes de bonne tenue thermomécanique.
Claims (11)
1. Enroulement électrique enrobé dans une résine isolante chargée contenant une substance ignifuge par formation d'eau quand la température s'élève, caractérisé en ce que une fraction de la charge, au moins égaie à 20% du poids total de la résine d'enrobage, est constituée par ladite substance ignifuge partiellement déshydratée d'une quantité telle qu'elle ne provoque pas de formation intempestive d'eau dans la résine d'enrobage pouvant dégrader la qualité de celle-ci, tant que l'enroulement est utilisé dans ses conditions normales de température.
2. Enroulement électrique enrobé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite substance ignifuge présente, par rapport à son état non-déshydraté, une perte en poids de 0.5 à 10% environ.
3. Enroulement électrique enrobé selon la revendication 1 ou selon la revendication 2, caractérisé en ce que la substance ignifuge est de l'alumine trihydratée.
4. Procédé de préparation d'une résine isolante chargée d'enrobage d'enroulements électriques en vue d'obtenir un enroulement électrique enrobé selon la revendication 1 selon lequel on ajoute à la résine initiale, en plus de la charge, une substance ignifuge par formation d'eau quand la température s'élève, procédé caractérisé en ce que l'on ajoute ladite substance à raison d'au moins 20% du poids total de la résine d'enrobage, et en ce que auparavant on a déshydraté partiellement ladite substance en quantité
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telle qu'il n'y ait pas de formation intempestive d'eau pouvant préjudicier à la tenue de la résine d'enrobage, tant que l'enroulement électrique reste en service à sa température nominale de fonctionnement.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on soumet la substance ignifuge à un traitement de déshydratation partielle préalable jusqu'à ce qu'elle présente une perte en poids comprise entre 0.5 et 10% de son poids initial.
6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'on utilise, comme substance ignifuge, de l'alumine trihydratée.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on détermine le degré de déshydratation partielle préalable dé la substance ignifuge que l'on utilise pour la première fois, en prélevant un échantillon de mesure que l'on soumet à un chauffage prolongé à température constante, inférieure à celle du pic d'élimination d'eau propre de la substance ignifuge utilisée, et en considérant l'allure de l'évolution de la perte de poids dudit échantillon dans le temps.
8. Procédé selon la revendication 4 ou 7, caractérisé en ce que l'on effectue la déshydratation partielle préalable de la substance ignifuge en la soumettant à un chauffage rapide jusqu'à ce que sa perte en poids corresponde à la quantité d'eau à éliminer selon une proportion préalablement déterminée sur un échantillon de mesure dont on a suivi l'évolution de la perte en poids en fonction du temps, lors d'un chauffage prolongé à température inférieure à celle du pic d'élimination d'eau propre de la substance ignifuge utilisée.
9. Procédé selon la revendication 5 ou 8, caractérisé en ce que l'on effectue la déshydratation partielle préalable de la substance ignifuge en la soumettant à un chauffage rapide jusqu'à ce que sa perte en poids corresponde à la quantité d'eau à éliminer selon une proportion préalablement déterminée sur un échantillon de mesure dont on a suivi l'évolution de la perte en poids en fonction du temps, lors d'un chauffage prolongé a température inférieure à celle du pic d'élimination d'eau propre à la substance ignifuge utilisée.
10. Procédé selon ia revendication 9, caractérisé en ce que l'on effectue ledit chauffage rapide pendant une durée qui a été prédéterminée par une opération de chauffage menée sous une température identique et effectuée avec pesée d'un échantillon de la substance ignifuge utilisée jusqu'à ce que celui-ci présente une perte en poids correspondant à la quantité d'eau que l'on souhaite éliminer.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on a préalablement déterminé ladite quantité d'eau à éliminer par un suivi de l'évolution dans le temps de la perte de poids d'un échantillon de mesure que l'on a soumis à un chauffage prolongé à température constante, inférieure à celle du pic d'élimination d'eau propre à la substance ignifuge utilisée.
9
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| CH678988A5 true CH678988A5 (fr) | 1991-11-29 |
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