WO1998010445A1 - Bobine electrique elementaire constitutive d'enroulements pour transformateurs secs - Google Patents
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- WO1998010445A1 WO1998010445A1 PCT/FR1996/001353 FR9601353W WO9810445A1 WO 1998010445 A1 WO1998010445 A1 WO 1998010445A1 FR 9601353 W FR9601353 W FR 9601353W WO 9810445 A1 WO9810445 A1 WO 9810445A1
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
- H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
- H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
- H01F27/327—Encapsulating or impregnating
Definitions
- the present invention relates to dry electrical transformers for the distribution of electrical energy. More specifically, the invention relates to the production of "Medium Voltage” windings, called M.T. (or High Voltage) which are provided with such devices.
- M.T. or High Voltage
- the "Medium or High Voltage" windings constituting the primary of distribution transformers ie those intended to be subjected to input voltages of 20,000 volts and above per phase, are conventionally constituted by a wired metallic conductor with dielectric sheathing (generally an enamel film) wound in turns in series.
- the other is to wind the turns into juxtaposed spiral flat wafers, each extending radially.
- This technique described in particular in European patent n ° 0081446 in the name of the applicant, consists in synchronizing the speed of feed of the wire into a filling receptacle under the effect of its weight alone with the speed of rotation on itself of this receptacle. The wire is then deposited there in a "back and forth" movement perpendicular to the axis of the coil in formation, the completion of the movement in one direction resulting in the production of a layer.
- the purpose of the present invention is to provide a solution to the problem mentioned above.
- the subject of the invention is an elementary electrical coil of generally annular shape, intended to form the "Medium (or high) voltage winding of a dry electrical transformer, coil constituted by a wired metallic conductor with dielectric sheathing and wound in air in a plurality of turns in series arranged in juxtaposed longitudinal or radial layers, then encapsulated in a mass of electrically insulating plastic material from which emerge the input / output terminations of the coil, coil characterized in that , for any given electrical voltage to be applied between said terminations, the number of layers of turns is such that the voltage between two neighboring turns that are most electrically distant on two adjacent layers does not exceed the value that would be provided by Paschen's law applied in air to said sheathed conductor.
- the invention is based on the fact of having discovered that Paschen's law was applicable in the present case and could constitute the basis for a concrete response to the problem posed.
- the invention applies this law to the case of a conductor wound in air, but coated with a dielectric sheath, which results in the establishment of the abacuses of FIG. 2 giving the disruptive voltage between neighboring turns as a function of the thickness of the dielectric sheath, these charts being parameterized on the air pressure in the spaces between turns of the coil.
- the invention rather than seeking to fill these vacant inter-turn spaces with injected dielectric material, defines winding conditions allowing the air naturally present in these dead spaces to play effectively the role of dielectric in electrical windings which nevertheless constitute transformers capable of being placed at voltages of several tens of thousands of volts per phase. Consequently, there is no longer any risk in being limited to a simple encapsulation with insulating plastic material.
- the set of turns has in cross section a generally square or rectangular shape that is not very elongated.
- the invention has the advantage in particular of being able to build the primary windings of dry transformers according to variable sizes by stacking standard elementary coils, the number of which to be joined in series will depend on the level of electrical voltage to be applied across the terminals of the primary .
- a need does indeed exist today in the electrotechnical industry, as in all the manufacturing industries, of modular realization allowing more flexibility in the management of stocks, supplies and less manufacturing time.
- FIG. 2 gives the charts of the disruptive voltage between two turns in contact with the air as a function of the thickness of the dielectric sheath enveloping the metal wire from which the turns are formed and as a function of the pressure.
- FIG. 3a is a diagram showing a winding of turns wound in longitudinal layers.
- FIG. 4 shows, according to five successive views going from view 4a to 4e, the steps for producing an elementary coil according to the invention and the "Medium Voltage" winding which results therefrom, intended to equip a dry transformer polyphase.
- the curve of FIG. 1 clearly shows that, for a given ambient medium, here air, the disruptive voltage Ud is solely a function of the product d * p between the distance d separating two bodies placed under different electrical voltages and the pressure p air reigning between them.
- the value of the maximum tension that can be applied to the ends of such a winding can be adjusted, by choosing the number of layers of turns. component. It is then possible to produce windings adapted to any high electrical voltage as desired by simple stacking of standard elementary windings constructed according to these provisions. We will take care to consider these provisions "cold", that is to say at room temperature, in order to put us in a situation where the pressure in the spaces between turns can only increase when the electric current comes to be established in the winding.
- the pressure indicated here is an absolute pressure, the inter-turn space generally being under vacuum during the cooling phases, and the rest during the subsequent restarts of the transformer, until reaching its operating temperature.
- the voltage Td is an effective voltage, while the voltage Ud in FIG. 1 is given in peak values.
- FIGS. 3a and 3b show schematically the two winding modes, in longitudinal and radial layers respectively, and are given only by way of illustration in order to facilitate setting of the invention.
- the same references designate identical elements.
- Each of the two figures represents a cylindrical coil of revolution of axis X seen slightly from above and truncated by an axial section so as to see in cross section the organization of the turns which make up the electrical winding.
- the winding 1 of FIG. 3a is obtained from a flexible commercial wire 2 of circular section, sheathed by a film of dielectric enamel 3 of usual quality.
- This wire is wound around the X axis on a winding support 4 in turns organized in concentric longitudinal layers. After positioning at one end of the support 4 of the first turn 5, the winding of the following turns continues in the direction indicated by the arrow Fv to the other end of the support, along a helical path of very short pitch to the wire diameter.
- the second layer 7 is produced in the same way in the opposite direction, as indicated by the arrow Fv '.
- the winding is thus executed in tight turns in a "back and forth" movement along the X axis, each pass accomplished in a direction carrying out a longitudinal layer alternating with the previous layer.
- a set of concentric juxtaposed longitudinal layers is thus constructed around the axis X.
- the last turn 8 of the winding has in common with the first turn 5 to form by their splices 9, 10, which come out of the winding, the input / output terminations thereof.
- the winding 11 of FIG. 3b is obtained in a similar manner, but by winding the wire in radial flat layers 13 stacked one on the other. These layers, or wafers are formed during the deposition of the electric wire 2 in turns in a movement also of "back and forth", but this time directed perpendicular to the axis X.
- the support plate 12 provided end plates 14 and 15 serving to laterally confine the stack of pancakes 13.
- the wire 2 in this case is not tensioned, but subjected to its own weight only, and the speed of rotation of the plate is at all times adjusted to the speed of feed of the wire so that the removal of the coil takes place at the desired radial position of the wafer being formed.
- the automation allowing the industrial realization of such a winding mode is described, as already indicated, in the European patent n ° 0081446.
- the first wafer 17 begins with the internal coil 16 against the flange 14, then flourish radially in a centrifugal manner as indicated by the arrow Fh up to the level of the outer flange 15.
- the second wafer 18 is formed then on the first in the centripetal direction to the inner flange 14, and so on to the end turn 19 which extends out of the coil by a splice 20, similar to the splice 21 of the first turn 16 for form the winding input / output terminations together.
- the turns even tight necessarily define between them dead volumes 26. Many among them will remain partially, even completely, empty of dielectric material, which could not have been penetrate during its injection due to the compactness of the winding.
- any two contiguous turns should never be provided with a dielectric sheath 3 thinner than that given by the curves of the Figure 2 for a given applied electrical voltage. Otherwise, a partial discharge is possible. Such a requirement is most severe for the two most electrically distant contiguous turns on two adjacent layers (the potential difference then being the greatest), that is to say those placed at the beginning and ending ends of these two adjacent layers respectively. .
- any risk of partial discharge in the inter-turn voids 26 can be avoided if, for any voltage U applied to the winding, the number of layers of turns constituting this winding is determined so that the voltage u between two neighboring turns, but the most electrically distant on two adjacent layers, does not exceed the value Td which would be provided by the application in air of Paschen's law.
- this coil 27 has the shape of a ring of square or slightly rectangular cross section, that is to say of which the length hardly exceeds three times the width.
- This elementary coil 27, constituting a "Medium Voltage” or “High Voltage” winding for dry transformer, is produced as follows: .
- a flexible wire 2 of Cu or Al enameled in turns 30 (200-300 turns for example) is wound to form a ring 28.
- the winding takes place for example according to the type "concentric longitudinal layers described with reference in FIG. 3a, if necessary, the whole is stiffened by impregnating with an adhesive to ensure minimal mechanical support for the ring thus formed.
- the ring 28 is placed in a mold (not shown), into which an insulating dielectric resin 29 is injected which will encapsulate the ring over a thickness of several millimeters after having taken care to allow the ends of the wire to protrude sufficiently to form the terminations 9, 10 which will serve as connections. Once the resin has solidified, the standard elementary coil 27 is finished.
- the number of layers for example fifteen, has been determined so that, the maximum effective voltage between two contiguous electrically distant turns being for example 350 volts, the coil can be used under a voltage of 2500 volts for example.
- the resin used can be a thermosetting or thermoplastic polymer, provided that its electrical insulating properties are very high, since the medium (or high) voltage winding of the transformer will be subjected to voltages which reach conventionally several tens of thousands of volts per phase.
- - Figure 4c Then performs such a winding 31 for transformer by stacking a desired number of these elementary coils 27 on each other so as to achieve the desired height.
- the whole is assembled rigidly by any suitable means, for example by collage.
- the coils are connected electrically in series with one another using small connector sleeves 32 which are permanently engaged on the splices 9, 10 by crimping.
- - Figure 4d It is then necessary to electrically isolate this area of the stack where the connectors are exposed. This is achieved by covering it with a layer of resin applied by hot compression of a sheet of thermoplastic resin.
- the inductors 38 can be composed of standard elementary coils of different characteristics, such as admissible input voltage, or height of the coil. For obvious practical reasons, it will be advantageous for them all to be the same width, except for wishing to have a stepped outer wall for certain inductors.
Abstract
La bobine annulaire (27) selon l'invention a une section droite de forme générale carrée ou légèrement rectangulaire et comprend une coquille de résine isolante (29) encapsulant un ensemble (28) de spires en série (30) formée par un conducteur filaire (2) à gainage diélectrique (3), bobiné en couches de spires longitudinales ou radiales, dont le nombre est déterminé en fonction de l'épaisseur du gainage (3) de façon que la tension entre deux spires jointives mais les plus éloignées électriquement n'excède pas, pour une tension d'entrée donnée quelconque de la bobine, une valeur de tension disruptive (Td) fournie par application dans l'air de la loi de Paschen audit conducteur gainé. On peut alors notamment construire des enroulements complets (38) pour transformateurs secs par simple empilage de bobines élémentaires de ce type, tout en conservant l'air comme milieu diélectrique dans les espaces inter-spires.
Description
BOBINE ELECTRIQUE ELEMENTAIRE CONSTITUTIVE D'ENROULEMENTS POUR TRANSFORMATEURS SECS.
La présente invention a trait aux transformateurs électriques secs pour la distribution de l'énergie électrique. Plus précisément, l'invention concerne la réalisation des enroulements "Moyenne Tension", dits M.T. (ou Haute Tension) dont sont pourvus de tels appareils.
Les enroulements "Moyenne ou Haute Tension" constitutifs du primaire des transformateurs de distribution, c'est à dire ceux destinés à être soumis à des tensions d'entrée de 20 000 volts et au delà par phase, sont classiquement constitués par un conducteur métallique filaire à gainage diélectrique (une pellicule d'émail généralement) bobiné en spires en série.
On distingue schématiquement deux types de bobinage, les deux se réalisant généralement à l'air libre.
Le plus fréquent consiste à bobiner les spires en nappes, ou couches, cylindriques juxtaposées concentriques s'étendant longitudinalement selon l'axe de la bobine. Cette technique, inspirée de celle du "trancanage" couramment pratiquée dans l'industrie textile, s'opère par mise en traction du fil métallique lors de son enroulement sur un mandrin- support en spires jointives serrées selon un mouvement de "va et vient" parallèle à l'axe de la bobine, l'accomplissement du mouvement dans un sens se traduisant par la réalisation d'une couche.
L'autre consiste à bobiner les spires en galettes plates spiralées juxtaposées s'étendant chacune radialement. Cette technique, décrite notamment dans le brevet européen n° 0081446 au nom du demandeur, consiste à synchroniser la vitesse d'amenée du fil dans un réceptacle de remplissage sous l'effet de son seul poids avec la vitesse de rotation sur lui- même de ce réceptacle. La dépose du fil s'y réalise alors selon un mouvement de "va et vient" perpendiculairement à l'axe de la bobine en formation, l'accomplissement du mouvement dans un sens se traduisant par l'obtention d'une couche.
Dans le domaine des transformateurs secs qui intéresse la présente invention, c'est à dire ceux dont le refroidissement est assuré par l'air, une fois le bobinage réalisé, on noie classiquement ce dernier dans un bloc de résine électro-isolante moulée, de laquelle n'émergent que les extrémités du fil, qui formeront les connexions d'entrée/ sortie de la bobine. Le rôle de cet enrobage de résine, en plus de celui de conférer une tenue mécanique à l'enroulement, est d'assurer l'isolation des spires de fil entre-elles.
Quelque soit le mode de bobinage adopté pour la mise en spires, qu'il s'agisse du bobinage en galette plates radiales ou plus encore, du bobinage en nappes longitudinales, un problème mal résolu subsiste qui est celui de la pénétration de la matière diélectrique au sein même de l'enroulement afin d'enrober chaque spire individuellement. La matière plastique moulée a en effet moins de difficulté à encapsuler le faisceau de spires de l'extérieur que d'occuper les espaces interspires formés à l'intérieur, lors du bobinage.
II est aisé de comprendre que ces difficultés sont d'autant plus sévères que la viscosité de la matière employée est plus élevée. C'est ce qui explique le handicap à cet égard des matières thermoplastiques par rapport aux matières plastiques thermodurcissables, et ce malgré certains avantages de ces premiers, plus aisés de mise en oeuvre (pas de durcisseur) et récupérables indéfiniment par simple refusion à chaud.
Le but de la présente invention est de proposer une solution au problème ci avant évoqué.
A cet effet, l'invention a pour objet une bobine électrique élémentaire de forme générale annulaire, destinée à former l'enroulement "Moyenne (ou haute) tension d'un transformateur électrique sec, bobine constituée par un conducteur métallique filaire à gainage diélectrique et bobiné dans l'air en une pluralité de spires en série disposées en couches juxtaposées longitudinales ou radiales, puis encapsulé dans une masse de matière plastique électro-isolante de laquelle émergent les terminaisons d'entrée/ sortie de la bobine, bobine caractérisée en ce que, pour une tension électrique donnée quelconque à appliquer entre lesdites terminaisons, le nombre de couches de spires est tel que la tension entre deux spires voisines les plus éloignées électriquement sur deux couches adjacentes n'excède pas la valeur qui serait fournie par la loi de Paschen appliquée dans l'air audit conducteur gainé.
Une façon équivalente à cette référence à la loi de Paschen pour définir l'invention consiste à se porter sur les courbes de la figure 2 ci-après, qui donnent, en fonction de l'épaisseur du gainage isolant du fil conducteur, la tension électrique à ne pas outrepasser entre spires voisines dans l'enroulement pour éviter le phénomène de décharges partielles par arquages électriques entre-elles.
L'invention repose sur le fait d'avoir découvert que la loi de Paschen était applicable en l'espèce et pouvait constituer le fondement d'une réponse concrète au problème posé.
On rappelle que la loi de Paschen, établie à la fin du siècle passé, montre que la tension disruptive entre deux corps portés à des potentiels électriques différents, dans un milieu gazeux donné, l'air par exemple, est une fonction continue du produit entre la distance séparant les conducteurs et la pression du milieu ambiant. S'il souhaite plus de détails, l'homme de métier pourra se référer à des articles, ou ouvrages traitant du sujet, comme par exemple, celui de Pierre SEGUR dans "Techniques de l'Ingénieur", rubrique "Gaz isolants" D2350-4 à 7, ou la section 9.5 de l'ouvrage de Robert FOURNIER ayant pour titre "Les Isolants en électrotechnique-Concepts et théories édité en 1986 par EYROLLES, Paris, et dont les enseignements sont incorporés par référence au présent mémoire.
Pour résoudre le problème posé, l'invention fait application de cette loi au cas d'un conducteur bobiné dans l'air, mais revêtu d'une gaine diélectrique, ce qui se traduit par l'établissement des abaques de la figure 2 donnant la tension disruptive entre spires voisines en fonction de l'épaisseur de la gaine diélectrique, ces abaques étant paramétrées sur la pression de l'air dans les espaces inter-spires de la bobine.
Comme on l'aura donc compris, l'invention, plutôt que de chercher à remplir ces espaces inter-spires vacants par de la matière diélectrique injectée, définit des conditions de bobinage permettant à l'air naturellement présent dans ces espaces morts de jouer efficacement le rôle de diélectrique au sein d'enroulements électriques pourtant constitutifs de transformateurs susceptibles d'être placés à des tensions de plusieurs dizaines de milliers de volts par phase.
Dès lors, il n'y a plus aucun risque à se limiter à une simple encapsulation par de la matière plastique isolante.
Conformément à une réalisation préférée de l'invention, l'ensemble de spires présente en section droite une forme générale carrée ou rectangulaire peu allongée. Ainsi, l'invention présente l'avantage notamment de pouvoir construire les enroulements primaires des transformateurs secs selon des tailles variables par empilement de bobines élémentaires standard, dont le nombre à réunir en série dépendra du niveau de tension électrique devant être appliquée aux bornes du primaire. Un besoin existe en effet aujourd'hui dans l'industrie électrotechnique, comme dans toutes les industries manufacturières, de réalisation modulaire permettant plus de souplesse dans la gestion des stocks, des approvisionnements et moins de temps de fabrication.
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 en référence aux planches de dessins annexés, sur lesquelles :
La figure 1 , extraite de l'ouvrage précité de R. FOURNIER, donne à titre purement documentaire l'allure d'une courbe de PASCHEN dans l'air.
La figure 2 donne les abaques de la tension disruptive entre deux spires en contact dans l'air en fonction de l'épaisseur de la gaine diélectrique enveloppant le fil métallique dont sont formées les spires et en fonction de la pression.
La figure 3a est un schéma montrant un enroulement de spires bobinées en couches longitudinales.
La figure 3b est un schéma analogue, mais dans le cas d'un bobinage en couches radiales.
La figure 4 montre, selon cinq vues successives allant de la vue 4a à 4e, les étapes de réalisation d'une bobine élémentaire selon l'invention et de l'enroulement "Moyenne Tension" qui en est issu, destiné à équiper un transformateur sec polyphasé.
La courbe de la figure 1 montre clairement que, pour un milieu ambiant donné, ici de l'air, la tension disruptive Ud est uniquement fonction du produit d*p entre la distance d séparant deux corps placés sous tensions électriques différentes et la pression p de l'air régnant entre eux.
On constate que la relation n'est plus respectée aux très faibles, comme aux très fortes valeurs du produit d*p. Dans son domaine de validité (à savoir de 3*10- à 4*10" bar *mm environ), la tension disruptive Ud croît uniformément avec la distance (et/ou la pression . , sauf aux basses valeurs (inférieures à 8*10-3 pour le produit d*p) où le phénomène inverse s'observe. Cette courbe, dont l'allure montrée ici est générale pour toute courbe de Paschen, montre que la tension disruptive passe toujours d'abord par un minimum vite atteint avant de croître avec le produit d*ρ.
L'enseignement que tire l'invention de cette observation est que, dans le cas des enroulements inductifs constitués par un conducteur filaire revêtu enroulé en spires en contact, la tension maximale tolerable entre elles pour éviter des phénomènes de décharge partielle doit être inférieure à celle du minimum donné par la courbe de Paschen, de manière à se trouver toujours sur la partie ascendante de cette courbe quand on parcourt la surface du fil dans l'espace inter-spires en s'éloignant du point de contact, donc de manière à se trouver en permanence dans une situation où la tension disruptive ne peut que croître quand la distance entre les conducteurs augmente.
On peut ainsi, pour un revêtement diélectrique du fil de nature et d'épaisseur données, déterminer le nombre de couches de spires nécessaires pour que l'enroulement qui en est constitué tienne sous une tension donnée appliquée à ses extrémités.
Exprimé autrement, on peut régler la valeur de la tension maximale pouvant être appliquée aux extrémités d'un tel enroulement, grâce au choix du nombre de couches de spires le
constituant. On peut alors réaliser à souhait des enroulements adaptés à une tension électrique élevée quelconque par simple empilage d'enroulements élémentaires standard construits selon ces dispositions. On prendra soin de considérer ces dispositions "à froid" , c'est à dire à la température ambiante, afin de se mettre en situation où la pression dans les espaces inter-spires ne peut que croître quand le courant électrique vient à être établi dans l'enroulement.
Ce qui vient d'être dit est traduit quantitativement par la famille de courbes de la figure 2. Ces courbes, paramétrées sur la pression de l'air occupant les espaces inter-spires, donnent les valeurs de la tension disruptive Td (en volts) en fonction de la distance "Ep" séparant deux fils métalliques revêtus chacun d'une couche identique d'émail diélectrique habituel et en contact mutuel. Autrement dit, "EP" représente le double de l'épaisseur du revêtement diélectrique du fil bobiné.
On voit par exemple que si la pression de l'air dans les espaces inter-spires est de 0.2 bar, ou en tout cas ne descend pas en dessous de cette valeur, il n'y a pas de risque de décharge partielle entre spires voisines tant que la tension entre elles ne dépasse pas 550 volts si l'épaisseur du revêtement d'émail est de 0.15 mm, ou plus (repère A sur le graphe). Autre exemple : avec une épaisseur de diélectrique de 0.025 mm, on ne risque pas de décharges partielles dans des espaces inter-spires à 0.5 bar de pression (ou plus) tant que la tension Td entre spires jointives n'excède pas 400 volts (repère B), ou 330 volts sous 0.2 bar (repère C). Sous cette pression de 0.2 bar, la même valeur de 400 volts de tension disruptive est atteinte pour une épaisseur d'émail de 0.06 mm (repère D).
La pression indiquée ici est une pression absolue, l'espace inter-spires se mettant généralement en dépression lors des phases de refroidissement, et le restant lors des remises en service subséquentes du transformateur, jusqu'à l'atteinte de sa température de fonctionnement. La tension Td est une tension efficace, alors que la tension Ud de la figure 1 est donnée en valeurs de crête.
Les figures 3a et 3b schématisent les deux modes de bobinage, en couches longitudinales et radiales respectivement, et sont données uniquement à titre illustratif afin de faciliter la mise
en oeuvre de l'invention. Sur ces figures, les mêmes références désignent des éléments identiques.
Chacune des deux figures représente une bobine cylindrique de révolution d'axe X vue légèrement du dessus et tronquée par une coupe axiale de manière à apercevoir en section droite l'organisation des spires qui composent l'enroulement électrique.
L'enroulement 1 de la figure 3a est obtenu à partir d'un fil électrique souple 2 du commerce de section circulaire, gainé par un film d'émail diélectrique 3 de qualité habituelle. Ce fil est bobiné autour de l'axe X sur un support d'enroulement 4 en spires organisées en couches longitudinales concentriques. Après mise en place à une extrémité du support 4 de la première spire 5, le bobinage des spires suivantes se poursuit dans le sens indiqué par la flèche Fv jusqu'à l'autre extrémité du support, selon un trajet hélicoïdal de pas très court égal au diamètre du fil. On réalise ainsi la première couche longitudinale 6 de spires serrées en gardant le fil tendu et en faisant tourner le support 4 autour de son axe X. La seconde couche 7 est réalisée de la même manière en sens contraire, comme l'indique la flèche Fv' . Le bobinage s'exécute ainsi en spires serrées dans un mouvement de "va et vient" selon l'axe X, chaque passe accomplie dans un sens réalisant une couche longitudinale en alternance avec la couche précédente.
On construit ainsi un ensemble de couches longitudinales juxtaposées concentriques autour de l'axe X. La dernière spire 8 de l'enroulement a en commun avec la première spire 5 de former par leurs épissures 9, 10, qui sortent de l'enroulement, les terminaisons d'entrée/ sortie de celui-ci.
L'enroulement 11 de la figure 3b est obtenu de façon analogue, mais par un bobinage du fil en couches plates radiales 13 empilées les unes sur les autres. Ces couches, ou galettes se forment lors de la dépose du fil électrique 2 en spires selon un mouvement également de "va et vient", mais cette fois dirigé perpendiculairement à l'axe X. Autour de cet axe, tourne le plateau support 12 muni de flasques d'extrémité 14 et 15 servant à confiner latéralement l'empilage de galettes 13.
Le fil 2 dans ce cas n'est pas tendu, mais soumis à son propre poids seulement, et la vitesse de rotation du plateau est à tout moment ajustée à la vitesse d'amenée du fil de manière que la dépose de la spire se fasse à la position radiale voulue de la galette en formation. L'automatisme permettant la réalisation industrielle d'un tel mode de bobinage est décrit, comme déjà indiqué, dans le brevet européen n° 0081446.
Chaque passe réalise une spirale qui se développe radialement. Le remplissage de l'espace réservé à l'enroulement s'opère à partir du fond. Comme le montre la figure, la première galette 17 débute par la spire interne 16 contre le flasque 14, puis s'épanouir radialement de façon centrifuge comme indiqué par la flèche Fh jusqu'au niveau du flasque extérieur 15. La seconde galette 18 se forme alors sur la première dans le sens centripète jusqu'au flasque intérieur 14, et ainsi de suite jusqu'à la spire terminale 19 qui se prolonge hors de la bobine par une épissure 20, similaire à l'épissure 21 de la première spire 16 pour former ensemble les terminaisons d'entrée/ sortie de l'enroulement.
Dans le cas du bobinage en couches concentriques selon la figure 3a. comme dans celui en couches radiales de la figure 3b, une fois l'opération réalisée, l'enroulement est placé dans un moule dans lequel est injecté un polymère isolant de l'électricité. Ce polymère est par exemple une matière plastique thermo-durcissable, comme une résine époxydique thermodurcie en présence d'anhydrides, ou une matière thermoplastique, tel un polyamide, ou un acrylique. L'enroulement électrique se trouve ainsi encapsulé dans une coquille de polymère électro- isolant de laquelle n'émergent que les terminaisons dénudées 9, 10 et 20, 21.
Dans l'un comme dans l'autre type de bobinage considérés, les spires, même serrées définissent nécessairement entre elles des volumes morts 26. De nombreux parmi eux resteront partiellement, voire complètement, vides de matière diélectrique, laquelle n'aura pas pu y pénétrer lors de son injection en raison de la compacité de l'enroulement.
En accord avec la loi de Paschen, deux spires jointives quelconques ne devront jamais être pourvues d'un gainage diélectrique 3 moins épais que celui donné par les courbes de la
figure 2 pour une tension électrique appliquée donnée. Sinon, une décharge partielle est possible. Une telle exigence est la plus sévère pour les deux spires jointives les plus éloignées électriquement sur deux couches adjacentes (la différence de potentiel étant alors la plus importante), c'est à dire celles placées aux extrémités respectivement commençante et finissante de ces deux couches adjacentes.
Un exemple de tel couple de spires est référencé 22, 23 sur la figure 3a, et 24, 25 sur la figure 3b.
Par ailleurs, la tension u entre un tel couple est liée à la tension U appliquée aux entrée/sortie de l'enroulement 1 ou 11 par le nombre 2n de couches juxtaposées, selon la relation u = U/n.
On comprend alors que, conformément à l'invention, tout risque de décharge partielle dans les espaces vides inter-spires 26 peut être évité si, pour une tension quelconque U appliquée à l'enroulement, le nombre de couches de spires constituant cet enroulement est déterminé de façon que la tension u entre deux spires voisines, mais les plus éloignées électriquement sur deux couches adjacentes, n'excède pas la valeur Td qui serait fournie par l'application dans l'air de la loi de Paschen.
Dit autrement, cela signifie que le nombre de couches doit être au moins égal au double du résultat du ratio U/u arrondi par excès au premier nombre entier supérieur.
On va à présent se référer aux figures 4 qui illustrent, comme on l'a déjà dit. les étapes de réalisation d'une bobine élémentaire selon l'invention et de l'enroulement "Moyenne Tension" qui en est issu, destiné à équiper un transformateur sec polyphasé.
Pratiquement, cette bobine 27 a la forme d'un anneau de section droite carrée ou légèrement rectangulaire, c'est-à-dire dont la longueur ne dépasse guère trois fois la largeur. Cette bobine élémentaire 27, constitutive d'un enroulement "Moyenne Tension" ou "Haute Tension" pour transformateur sec, est réalisée de la façon suivante :
.
- figure 4a:
On bobine d'abord un fil souple 2 de Cu ou d'Al émaillé en spires 30 (200-300 spires par exemple) pour former un anneau 28. Le bobinage s'opère par exemple selon le type "couches longitudinales concentriques décrit en référence à la figure 3a. Au besoin, on rigidifie le tout par imprégnation d'une colle pour assurer un maintien mécanique minimal à l'anneau ainsi formé.
- figure 4b :
On place l'anneau 28 dans un moule (non représenté), dans lequel on injecte une résine diélectrique isolante 29 qui va encapsuler l'anneau sur une épaisseur de plusieurs millimètres après avoir pris soin de laisser suffisamment dépasser les extrémités du fil pour former les terminaisons 9, 10 qui serviront de connexions. Une fois la résine solidifiée, la bobine élémentaire standard 27 est terminée.
Conformément à l'invention, le nombre de couches, par exemple quinze, a été déterminé pour que, la tension efficace maximale entre deux spires jointives les plus éloignées électriquement étant par exemple de 350 volts, la bobine puisse être utilisée sous une tension de 2500 volts par exemple. On réalise ainsi une bobine de section sensiblement carrée à quinze couches et vingt spires par couches par exemple, ce dernier chiffre pouvant être modifié à souhait en fonction de la puissance électrique recherchée. On retiendra cependant que, conformément à l'invention, on a avantage à conserver un profil de forme générale carrée ou sensiblement carrée (longueur inférieure à trois fois la largeur environ) afin notamment d'obtenir pleinement la modularité recherchée pour la réalisation de l'enroulement complet, comme on va le voir par la suite.
Comme déjà signalé, la résine utilisée peut être un polymère thermodurcissable ou thermoplastique, pourvu que ses propriétés d'isolant de l'électricité soient très élevées, car l'enroulement moyenne (ou haute) tension du transformateur va être soumis à des tensions qui atteignent classiquement plusieurs dizaines de milliers de volts par phase.
- figure 4c : On réalise alors un tel enroulement 31 pour transformateur en empilant un nombre voulu de ces bobines élémentaires 27 les unes sur les autres de manière à réaliser la hauteur souhaitée. On assemble le tout rigidement par tout moyen approprié, par exemple par
collage. L'assemblage une fois réalisé, on relie électriquement les bobines en série entre elles à l'aide de petits manchons connecteurs 32 qui viennent définitivement en prise sur les épissures 9, 10 par sertissage. - figure 4d: II faut ensuite isoler électriquement cette zone de l'empilage où les connecteurs sont à nu. On y parvient en la recouvrant d'une couche de résine appliquée par compression à chaud d'une feuille de résine thermoplastique.
On obtient ainsi un empilage cylindrique de bobines élémentaires 27 présentant selon un secteur de 10-20° d'angle un bossage 33 s'étendant tout du long et duquel émergent en haut et en bas des épissures libres constituant les entrée/ sortie (E/S) de l'enroulement pour connexion avec les enroulements identiques des autres phases du transformateur.
A cette fin, on a avantage à ménager autour de ces bornes d'E/S par usinage des cuvettages 34 qui viendront coiffer les extrémités des barres de connexion inter phases. De même si la Moyenne Tension constitue le primaire (transformateur monté en abaisseur de tension), on prévoit avantageusement également un cuvettage central 35 autour des E/S intermédiaires servant classiquement au réglage du transformateur à la tension délivrée par le réseau d'alimentation. - figure 4e :
Toutefois, avant de réaliser ces différents cuvettages, on aura avantage, conformément à un mode de réalisation préféré de l'invention, de recouvrir l'empilage par une couche de quelques millimètres de résine 36 ayant des propriétés, même modestes, de conduction de l'électricité, que l'on met ensuite à la terre 37. Cette couche, mise en place par metallisation ou par C.I.C (compression isostatique à chaud) d'une résine thermoplastique conformée en feuille à cet effet, constitue un blindage électrique qui permettra de se passer de l'air comme isolant autour du transformateur. Cela signifie en particulier que le transformateur pourra séjourner à l'extérieur, hors cabine, ce qui en abaissera le coût de revient et facilitera les interventions et la maintenance en général.
Ceci terminé, on obtient l'inducteur primaire 38 prêt à être placé autour de l'enroulement secondaire avant de monter le tout autour d'une colonne du circuit magnétique du transformateur.
On peut ainsi aisément construire des enroulement en "kit" pour transformateurs à partir de modules constitués par des bobines élémentaires standard adaptées pour des tensions d'entrée déterminées. Ainsi, si on considère que l'inducteur 38 est constitué de bobines 27 identiques, chacune pouvant fonctionner sans risque de claquage jusqu'à 2500 volts, il faudra en assembler dix en série pour pouvoir travailler sous une tension de réseau de 25000 volts par exemple.
Bien entendu, les inducteurs 38 peuvent être composés de bobines élémentaires standard de caractéristiques différentes, telles que tension d'entrée admissible, ou hauteur de la bobine. Pour des raisons pratiques manifestes, on aura avantage à ce qu'elles aient toutes la même largeur, sauf à souhaiter une paroi extérieure en gradins pour certains inducteurs.
Il va de soi que l'invention ne se limite pas aux exemples décrits, mais s'étend à toute variante ou équivalent dans la mesure où sont respectées les caractéristiques données dans les revendications ci-après.
Claims
1. Bobine électrique élémentaire de forme générale annulaire, destinée à former, par empilage entre congénères, l'enroulement "Moyenne (ou haute) Tension (31) d'un transformateur électrique sec, bobine (27) constituée par un conducteur métallique filaire (2) à gainage diélectrique (3) et bobiné dans l'air en une pluralité de spires en série (30) disposées en couches juxtaposées (6, 7...), puis encapsulé dans une masse de matière plastique électro-isolante (29) de laquelle émergent les terminaisons (9, 10) d'entrée/ sortie, bobine caractérisée en ce que, pour une tension électrique donnée quelconque à appliquer entre lesdites terminaisons (9, 10), le nombre de couches (6, 7..) de spires (30) est tel que la tension entre deux spires voisines (22, 23) les plus éloignées électriquement sur deux couches adjacentes (6, 7..) n'excède pas la valeur (Td) qui serait fournie par la loi de Paschen appliquée dans l'air audit conducteur gainé (2, 3).
2. Bobine électrique élémentaire de forme générale annulaire, destinée à former, par empilage entre congénères, l'enroulement "Moyenne (ou haute) Tension" (31) d'un transformateur électrique sec, bobine (27) constituée par un conducteur métallique filaire (2) à gainage diélectrique (3) et bobiné dans l'air en une pluralité de spires en série (30) disposées en couches juxtaposées (6, 7..), puis encapsulé dans une masse de matière plastique électro-isolante (29) de laquelle émergent les terminaisons d'entrée/ sortie (9, 10), bobine caractérisée en ce que, pour une tension électrique "U" donnée quelconque à appliquer entre lesdites terminaisons (9, 10), le nombre desdites couches (6, 7..) de spires (30) est au moins égal au double du nombre entier venu du résultat, arrondi par excès, du ratio entre "U" et une valeur "u" conforme à celle de la tension disruptive (Td) lue sur les courbes de la figure 2, données en fonction de l'épaisseur (Ep) de la gaine diélectrique (3) dudit conducteur.
3. Bobine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les spires sont bobinées en couches longitudinales (6, 7..)
4. Bobine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les spires sont bobinées en couches radiales (17, 18..)
5. Bobine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la matière plastique électroisolante d'encapsulation (29) est une matière plastique thermo-durcissable.
6. Bobine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la matière plastique électroisolante d'encapsulation (29) est une matière thermoplastique.
7. Bobine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la pluralité de spires (30) forme un ensemble compact de section droite de forme générale carrée ou rectangulaire peu allongée.
8. Enroulement "moyenne (ou haute) tension (38) d'un transformateur électrique sec, caractérisée en ce qu'il est formé par un empilage de bobines élémentaires (27) selon la revendication 1 , 2 ou 7, lesdites bobines étant fixées entre elles et reliées électriquement en série par leurs connexions d'entrée/ sortie (9, 10).
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