ETAGE BASSE TENSION DE TRANSFORMATEUR ELECTRIQUE SEC.
L'invention a trait à la réalisation des transformateurs secs de puissance ou de distribution de l'énergie électrique. Elle concerne plus particulièrement les transformateurs polyphasés de ce type pourvus d'un circuit magnétique fermé dont les colonnes sont entourées par les enroulements électriques primaire et secondaire de chaque phase de l'alimentation électrique. Ces enroulements sont disposés généralement de façon concentrique, l'étage "basse tension" étant placé à l'intérieur de l'étage "Moyenne (ou Haute) tension" de l'appareil.
Dans les transformateurs secs actuels, l'isolation électrique est assurée soit par imprégnation de tous les enroulements dans un vernis isolant (transformateurs imprégnés), soit par enrobage de l'étage "Moyenne tension" dans un bloc de résine diélectrique (transformateurs enrobés), et, à chaque fois, par des couches d'air d'épaisseur suffisante qui éloignent ces enroulements des parties externes susceptibles d'être touchées par l'homme.
Cet air, mis en convection naturelle ou forcée, assure également l'équilibre thermique de l'appareil par évacuation de la chaleur à l'extérieur.
La réduction des coûts de fabrication est désormais un souci constant chez les constructeurs de transformateurs.
Si l'on parvenait à assurer l'isolation électrique uniquement par des matériaux solides tout en respectant les besoins de refroidissement, on pourrait supprimer les épaisseurs d'air, ou en tout cas les réduire très sensiblement, donc gagner en compacité et par conséquent en coût de fabrication des transformateurs. En outre, les appareils pourraient être exposés à l'extérieur, hors cabine, sans risque en cas de contact par l'homme, donc devenir d'un coût de maintenance réduit.
Avec cet objectif en vue, la présente invention a pour objet un étage "basse tension" de transformateur sec pourvu d'un circuit magnétique à colonnes autour desquelles sont disposés les enroulements électriques, étage caractérisé en ce qu'il est constitué, au niveau
de chaque phase de l'alimentation électrique, par un enroulement métallique électroconducteur noyé dans une masse de résine polymère thermo-conductrice moulée sur chaque colonne du circuit magnétique.
De préférence, la résine est un polymère thermoplastique.
De préférence également, la résine est faiblement conductrice de l'électricité.
Conformément à un autre objet de l'invention, on parvient à réaliser aisément un tel montage en moulant sur chaque colonne du circuit magnétique un manchon de résine polymère, de préférence thermoplastique, apte à conduire la chaleur (résine chargée par exemple), ainsi que, accessoirement, non électro-isolante, et qui servira de support pour le bobinage de l'enroulement "basse tension". On enrobera ensuite cet enroulement par une résine polymère diélectrique de protection, également conductrice de la chaleur et non électro-isolante. De préférence, c'est le même polymère qui est utilisé pour le moulage du manchon et pour l'enrobage de l'enroulement "basse tension", par exemple, un polyester ou un polyamide, tel que du TEFLONr.
L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront clairement au vu de la description qui suit donnée à titre d'exemple en référence aux planches de dessins annexées, sur lesquelles :
- les figures 1 à 4 montrent dans cet ordre la chronologie des étapes de fabrication d'un étage "Basse Tension" conforme à l'invention,
- les figures 5 à 7 montrent dans cet ordre la chronologie des étapes de montage d'un transformateur sec à partir d'un étage "Basse Tension" selon l'invention.
On commence par assembler, selon la méthode habituelle, la colonne feuilletée 1 du circuit magnétique du transformateur par empilage de bandes prédécoupées en acier au silicium classique (fig. 1)
Sur la partie centrale de la colonne 1 , c'est-à-dire en dehors des parties d'extrémité conformées en biseau en vue de la réunion ultérieure avec les culasses de fermeture du circuit magnétique, on vient mouler un manchon 2 en résine polymère (fig. 2).
L'opération se réalise par injection, par exemple, ou par compression de bandes à chaud si le polymère utilisé est thermoformable, comme un polyamide, ainsi qu'on le préconise de préférence pour la réalisation de l'invention. Toutefois, la matière utilisée peut aussi être une résine thermo-durcissable.
II importe cependant, qu'elle soit conductrice de la chaleur, et ce le plus possible. A cette fin, elle pourra contenir en proportion adéquate une charge de graphite, par exemple, ce qui présentera l'avantage supplémentaire de la rendre également faiblement conductrice de l'électricité, en accord avec une variante préférée de l'invention explicitée par la suite.
Après mise en place des anneaux de compression 3 habituels aux extrémités du manchon 2, on bobine à même sa surface un conducteur électrique métallique 4 qui formera l'enroulement "Basse Tension" du transformateur (fig.3). Ce conducteur peut se présenter sous forme de large bande ou de méplat en aluminium, ou en cuivre. Il est classiquement enveloppé d'un papier huilé isolant. Chacune de ses extrémités se prolonge à l'extérieur par les classiques barres de connexion 9.
On encapsule ensuite l'enroulement "Basse Tension" 4 dans une couche de résine polymère diélectrique 5, de quelques millimètres d'épaisseur, par exemple 3 mm (fig 4). Cette enveloppe de résine 5 est apportée par compression à chaud de feuilles superposées de matière thermoplastique, thermo-conductrice elle aussi afin de favoriser l'échange thermique avec l'air environnant. De préférence, cette résine est également un peu conductrice de l'électricité, ce qui permet d'améliorer la sécurité globale de l'appareil à réaliser, par mise au potentiel de la terre en 6.
Ceci termine la fabrication d'un étage "Basse Tension" conforme à l'invention.
Le manchon 2 (fig 2), bien qu'étant une entité intermédiaire qui disparaîtra en tant que tel dans la réalisation achevée (fig 4), remplit néanmoins plusieurs rôles essentiels :
D'abord, grâce à sa rigidité, il assure le nécessaire maintien mécanique de l'empilage des tôles formant la colonne 2. Classiquement, cette cohésion est assurée par boulonnage.
Ensuite, il remplit un rôle majeur d'échangeur thermique qui favorise le refroidissement de l'un (la colonne 1, ou l'enroulement 4) par l'autre, par conduction de la chaleur au travers de la matière thermo-conductrice dont il est constitué.
En outre, si on le rend également un peu conducteur de l'électricité, on peut améliorer la sécurité d'usage de l'appareil final par simple mise à la terre du manchon. Cette disposition sera facilitée si, comme on le comprend, on prévoit de faire dépasser le manchon de l'extrémité de l'enroulement 4 au moins d'un côté, afin d'offrir une surface à la prise de masse.
Par ailleurs, comme déjà dit, il sert de support d'enroulement pour le conducteur électrique métallique 4 sous tension. Ainsi, entre autres avantages, l'isolant en papier huilé qui enveloppe le conducteur 4 ne risque plus d'être blessé au cours du bobinage. Jusqu'ici, en effet, on était classiquement amené à devoir pallier ce risque en interposant entre les colonnes du circuit magnétique et les enroulements "Basse Tension" bobinés autour, des réglettes-entretoises en bois qui éloignent le conducteur des angles vifs parfois blessants du circuit magnétique.
Comme le montre la figure 4, viennent avantageusement de moulage compressif de la résine d'encapsulation 5 des nervures longitudinales 7, qui servent de distanceurs pour l'étage "Haute Tension" qui va venir prendre position autour de l'étage "Basse Tension" comme indiqué par la suite en référence aux autres figures. Ces nervures, de 5 à 10 mm de hauteur par exemple, servent également à définir entre elles des canaux 8 d'air de refroidissement par convection entre l'étage "Basse Tension" et l'étage "Haute tension". On prévoit donc par exemple quatre nervures 7 réparties à 90° l'une de l'autre autour de l'enveloppe d'encapsulation 5.
Comme déjà souligné, l'enveloppe de résine diélectrique d'encapsulation 5 comporte de préférence une certaine capacité à conduire l'électricité (résine polymère chargée de particules électroconductrices, ou naturellement électroconductrice). C'est un effet antistatique qui est ainsi recherché pour éviter que des poussières, inévitablement présentes dans l'air, viennent se déposer sur la paroi des canaux de refroidissement 8. Il est également possible alors de mettre la masse de résine 5, à la masse en la reliant électriquement à la terre, ce qui améliore la sécurité du transformateur en cas de défaillance ou de dégradation locale du papier huilé d'isolation du conducteur métallique 4 sous tension. En fait, l'ensemble des parties en résine polymère (manchon 2, enveloppe de protection 5) peut sans danger être légèrement conductrice de l'électricité, puisque la tension électrique du conducteur 4 au niveau de l'étage "Basse Tension" des transformateurs ne dépasse guère 400 - 500 volts habituellement.
II est précisé que les anneaux de compression 3 sont en fait des flasques d'extrémités destinés à contenir latéralement un conducteur métallique bobiné en spires multi-couches et conformés pour tenir compte du bobinage hélicoïdal de ce dernier. Il est nécessaire que les spires d'extrémité de chaque couche de l'enroulement portent continûment contre ces flasques sur toute leur longueur et non pas localement seulement. Ceci implique une forme en rampe rentrante ou sortante de la face d'appui de l'anneau selon l'orientation de l'hélice d'enroulement des spires. C'est pourquoi, on dispose de deux anneaux concentriques à rampes inversées pour les enroulements bicouches habituellement utilisés.
De tels anneaux présentent ici un avantage majeur, à savoir constituer une masse de bourrage aux extrémités du manchon 2 qui autorise le moulage par compression de feuilles de résine thermo-plastique 5 de façon satisfaisante. Sinon, le volume à remplir par la résine moulée aurait rendu nécessaire une opération d'injection, généralement destinée aux pièces massives, et bien moins économique que la compression.
L'étage "Basse Tension" montré à la figure 4 est bien entendu réalisé en autant d'exemplaires que les phases de l'alimentation électrique du transformateur.
Les figures suivantes numérotées 5 à 7 montrent schématiquement les étapes à accomplir pour passer de la réalisation des étapes "Basse Tension" conformes à l'invention et illustrés sur la figure 4, à celle du transformateur sec achevé qui en est équipé (figure 7).
Les nervures 7 facilitent le positionnement axial et radial de l'étage "Moyenne Tension" 10 qui vient s'enfiler par coulissement autour de l'étage "Basse Tension" décrit précédemment. Comme on le voit, mieux sur la figure 6, l'étage "Moyenne Tension" 10 peut avantageusement être constitué par un bloc annulaire de résine polymère diélectrique 11 dans laquelle est noyé l'enroulement "Moyenne Tension" 12 formé par un fil de cuivre vernis bobiné en spires. La matière utilisée peut être un polymère thermo-durcissable, ou de préférence un polymère thermoplastique de même nature, si on le souhaite, que la résine diélectrique constitutive de l'étage "Basse Tension".
On voit sur la figure 5 que le bloc 10 de résine présente, venu de moulage, un renflement 13 sur toute sa hauteur. Ce renflement sert d'emplacement, d'une part pour les terminaisons électriques 14, 14' de l'enroulement "Moyenne tension" 12 en vue de leurs connexions aux phases de l'alimentation électrique, et d'autre part, à la borne 15 de réglage de l'enroulement 12 sur la tension délivrée par ladite alimentation.
Dans l'exemple d'un transformateur triphasé considéré ici trois étages "Basse Tension" 12 conformes à l'invention, associés chacun à l'étage "Moyenne Tension" qui lui est magnétiquement couplé, sont disposés côte à côte de manière à pouvoir mettre en place les culasses magnétiques supérieure 16 et inférieure 16' qui réunissent les colonnes 1 par leurs extrémités biseautées laissées libres (figure 6).
L'ensemble est alors maintenu dans un châssis boulonné 17. Les culasses sont capotées par des couvercles de protection 18, 18' . Le couvercle supérieur 18 recevant les extrémités des barres 9 de sortie des enroulements "Basse Tension" en vue de leur liaison avec le réseau de distribution à l'aide d'isolateurs non représentés qui seront fixés sur le couvercle 18. De même, ne sont pas représentées, pour ne pas surcharger les figures, les barres de connexions qui relient les terminaisons 14, 14' aux phases de l'alimentation électrique en assurant le montage électrique "en étoile" ou "en triangle" du transformateur.
Le transformateur ainsi monté est prêt à l'emploi, soit en cabine habituelle, soit en l'état, même pour un usage en extérieur, si on a pris soin de mettre à la terre, en 19, les blocs de résine diélectrique 11 abritant les enroulements "Moyenne Tension" 12. La résine polymère choisie pour constituer les blocs 11 sera donc elle aussi dans ce cas, à l'instar de l'enveloppe 5 dans une variante préférée de réalisation, faiblement conductrice de l'électricité, pour permettre le cas échéant, l'écoulement vers la terre de charges électriques provenant des enroulements "Moyenne Tension".
Les expressions "faiblement conductrice de l'électricité" ou "non électroisolante" utilisées dans la présente description doivent s'entendre d'une matière présentant une résistivité intermédiaire entre celle d'un isolant, qui est de l'ordre de 106 ohm-cm et celle d'un conducteur métallique classique (Cu ou Al), à savoir 10'6 ohm-cm environ. On pourra retenir par exemple un matériau présentant une résistivité autour de 1 ohm-cm mais sans que cela soit restrictif du choix offert par l'invention. On aura en fait avantage à rechercher la conductivité la plus élevée possible sans aller jusqu'à créer des boucles de courant induit parasites au sein de la matière soumise au champ magnétique, ce qui pénaliserait le rendement énergétique global de l'appareil.
De même, le mode de réalisation préféré de l'étage "Basse Tension" tel que décrit au début en référence aux figures 1 à 4 et basé sur la formation préalable d'un manchon 2 sur lequel vient se bobiner le conducteur ensuite encapsulé, n'est absolument pas limitatif de l'invention. En effet, il peut être souhaité de réaliser d'abord l'enroulement conducteur noyé dans un bloc de résine annulaire. Cet élément vient ensuite se placer autour de la colonne du circuit magnétique et le tout est rigidement assemblé à l'aide d'un joint en résine polymère que l'on coule dans l'espace entre la colonne et le bloc de résine.
Il va de soi que l'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où est respectée sa définition donnée dans les revendications ci-après.