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TRANSFORMATEUR SEC A ENROULEMENTS ENROBES. CONDUCTEURS
OU INSTALLATIONS ELECTRIQUES ANALOGUES ET PROCEDE DE
PREPARATION DE LEUR RESINE D'ENROBAGE.
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
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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 de 3 à 36 kV, le bobinage est noyé dans une résine synthétique isolante à propriétés di- électriques et présentant plusieurs millimètres d'épaisseur (de 2à 5 mm par ex. ). On rappelle, qu'outre sa fonction d'iso- lation électrique, la résine a un rôle de protection contre l'humidité et les poussières qui pourraient faire baisser la tension de claquage. Elle protège également les bobinages élec triques contre un milieu ambiant pollué par des agents 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 trans formateurs 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 àl'air
A ce stade, quelques rappels concernant la constitution de ces résines peuvent s'avérer utiles pour la suite.
Les enrobages actuels pour transformateurs secs sont 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 diglycidi-
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ques éthers du bis-phénol A, plus couramment appelés DGEBA, et formés par réaction entre le bis-phénol A et l'hépichloro- hydrine (voir l'USP 3,202, 947 par ex. ). Ces résines sont le plus souvent réticulées et rendues infusibles et insolubles par addition d'amines et de polysulfures de basse masse molé- culaire (résine ARALDITEc,,, 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 à 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 coté, 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 cables ou de fils, afin de leur autoriser une certaine souplesse. Des exemples sont donnés par l'E. P. R (Ethylène-propy- lène-rubber, l'E. V. A. (Ethylène vinyl acetate), ou le Polyéthy- lène réticulé).
L'invention ne distingue pas selon le type de résine (thermodurcissable, thermoplastique ou élastomère), dans la 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 chargéie" 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. ).
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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 conducteur ou enroulement électriques enrobés dans une résine isolante char gée contenant une substance ignifuge par formation d'eau quand la température s'élève, telle 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 deshydratée partiellement d'une quantité telle qu'elle ne provoque pas de formation intempestive d'eau dans la résine tant que le conducteur 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 des enroulements des transformateurs secs, selon lequel on ajoute à la résine liquide initiale une charge dont une fraction, égale à au moins 20% du poids total de la résine d'enrobage, est constituée par une substance ayant des proprietés ignifugeantes par formation d'eau lorsque la température s'élève, telle que de l'alumine hydratée, mais ce, après avoir au préalable deshydraté partiellement la substance ignifuge, par chauffage de préférence, afin que, lors de l'utilisation du transformateur à sa température de fonctionnement nominal il n'y ait pas de formation intempestive d'eau au sein de la résine pouvant nuire à sa qualité.
L'invention a également pour objet un transformateur sec enrobé, dont au moins un enroulement électrique est enrobé dans une masse de résine isolante ignifuge conforme à celle obtenue par le procédé spécifié ci-avant.
Le rôle ignifugeant de l'alumine trihydratée, en tant qu'adjuvant aux résines d'enrobage pour cables électriques ou pour transformateurs, est déjà connu, par exemple du document USP 3,202, 947 déjà mentionné (et dont l'enseignement est incor poré ici par référence). Mais, jamais jusqu'ici, à la connaissance des inventeurs, on a pu mettre en lumière l'avantage que
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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 apparaitront 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 figures 1 et 2 montrant l'évolution dans le temps de la perte de poids de différentes substances ignifuges utilisa- bles, par formation et élimination d'eau, resultant de leur instabilité "à chaud" lorsqu'on les chauffe à température constante.
On reprend successivement les deux caractéristiques essentielles de l'invention énoncées auparavant : 1) AJOUT EN QUANTITE SUFFISANTE D'UNE SUBSTANCE IGNIFUGEANTE
PAR FORMATION D'EAU DUE A UNE INSTABILITE A CHAUD.
La substance ignifuge ajoutée peut être de l'alumine hydratée A1203, nH20 avec n=1, 2, ou 3 de la magnésie bihydra- tée, du borate de zinc, ou tout autre matière connue pour ses propriétés d'autoextinguibilité 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 surcroit, ne dégage pas, ou peu de fumée.
La réaction de formation d'eau peut s'écrire :
2 Al (OH) -- > Al=0= + 3 Iso
La vitesse de cette réaction augmente dans le sens de la flèche avec la température, et son endothermicité retarde, voire empêche, l'atteinte du seuil d'allumage de la résine.
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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 intéret déterminant est qu'il apparait à des températures situées précisément dans la zone de surchauffe à risque, donc en deçà de la température critique d'inflammibilité de la résine d'enrobage.
L'Al (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 SiO= dans la résine finale, on y substitue, pour majeure part, de la substance ignifuge.
On réalise ainsi, par exemple, un mélange représentant 50 % d'Al (OH) 3 et 10 % seulement de Size L'expérience a cependant montré que l'on pouvait baisser la quantité d'Al (OH) 3 jusqu'à 25 % (donc 35% de SiO=), sans nuire de façon significative aux qualités de bonne tenue au feu de l'enrobage, dues à la 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, II 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 Al (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 I :
Indices d'Oxygène (1. 0.)
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<tb>
<tb> Température <SEP> de <SEP> mesure <SEP> 20 C <SEP> 80 C <SEP> 150 C <SEP> 200 C
<tb> Indice <SEP> d'O# <SEP> (I.O.) <SEP> 30 <SEP> 27 <SEP> 23,5 <SEP> 21
<tb> minimal <SEP> imposé
<tb> ALUMINE <SEP> TRI-HYDRATE
<tb> TAUX <SEP> DE <SEP> 70% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> ¯ <SEP> 30 <SEP> ¯ <SEP> 28 <SEP> ¯ <SEP> 24 <SEP> ¯ <SEP> 19
<tb> CHARGE
<tb> TOTAL <SEP> 20% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> et <SEP> ¯ <SEP> 39 <SEP> ¯ <SEP> 37 <SEP> ¯ <SEP> 32 <SEP> ¯ <SEP> 31
<tb> 70% <SEP> 50% <SEP> d'Al(OH)3
<tb> 60% <SEP> de <SEP> SiO3 <SEP> ¯ <SEP> 26 <SEP> / <SEP> / <SEP> /
<tb> 50% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> et <SEP> ¯ <SEP> 25 <SEP> / <SEP> / <SEP> /
<tb> 10% <SEP> d'Al(OH)3
<tb> 40% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> et <SEP> ¯27 <SEP> / <SEP> / <SEP> /
<tb> 20% <SEP> d'Al)OH)
3
<tb> TAUX <SEP> DE <SEP> 35% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> eT <SEP> ¯ <SEP> 30 <SEP> ¯ <SEP> 28 <SEP> ¯ <SEP> 25 <SEP> ¯ <SEP> 20
<tb> CHARGE <SEP> 25% <SEP> d'Al(OH)3
<tb> TOTAL
<tb> COX <SEP> 25% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> et <SEP> 28-31 <SEP> 28-31 <SEP> 24-27 <SEP> 19-22
<tb> 35% <SEP> d'Al(OH)3
<tb> 20% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> et <SEP> 30-33 <SEP> 29-33 <SEP> 25-28 <SEP> 23-24
<tb> 40% <SEP> d'Al(OH)3
<tb> 10% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> et <SEP> 32-35 <SEP> 30-32 <SEP> 27-29 <SEP> 24-26
<tb> 50% <SEP> d'Al(OH)
3
<tb> BORATE <SEP> DE <SEP> ZINC
<tb> TAUX <SEP> CH <SEP> 10% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> ET <SEP> ¯ <SEP> 32.5
<tb> TOT.65% <SEP> 55% <SEP> de <SEP> Borate <SEP> pas <SEP> de <SEP> valeurs
<tb> TAUX <SEP> DE <SEP> 10% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> et <SEP> ¯ <SEP> 30.3
<tb> CHARGE <SEP> 50% <SEP> de <SEP> Borate <SEP> pas <SEP> de <SEP> valeurs
<tb> TOTAL
<tb> 60% <SEP> 60% <SEP> de <SEP> Borate <SEP> ¯ <SEP> 33.6 <SEP> pas <SEP> de <SEP> valeurs
<tb>
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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-ac- ceptables, car trop en deçà de l'I. 0. minimal imposé
On voit immédiatement que pour une charge totale de 60% la teneur minimale d'Al (On) à respecter est de 20-25%. En deçà lés valeurs minimales'imposées à l'Indice d'Oz ne sont plus efficacement assurées. Des mesures complémentaires, non consignées ici, ont permis de montrer, qu'avec une charge globale de 70% en poids (lre partie du tableau), la valeur seuil d'Al (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 la suite l'un de l'autre selon la longueur, le premier étant situé à 10mm 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.
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TABLEAU II : Vitesses de Combustion.
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<tb>
<tb>
Taux <SEP> d'O2 <SEP> 35% <SEP> 40% <SEP> 45% <SEP> 50% <SEP> 60%
<tb> Vitesse <SEP> de <SEP> Combustion
<tb> miximale <SEP> autorisée <SEP> 0.15 <SEP> 0.30 <SEP> 0.45 <SEP> 0.6 <SEP> 0.9
<tb> 9en <SEP> mm/s)
<tb> ALUMINE <SEP> TRI-HYDRATEE
<tb> TAUX <SEP> DE <SEP> 70% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> 0.29 <SEP> 0.37 <SEP> 0.47 <SEP> 0.58 <SEP> 1.05
<tb> CHARGE
<tb> TOTAL <SEP> 20% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> + <SEP> 0.06 <SEP> .010 <SEP> 0.13 <SEP> 0.19 <SEP> 0.25
<tb> 70% <SEP> 50% <SEP> d'Al(OH)3
<tb> 60% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> ¯0.35 <SEP> ¯0.50 <SEP> ¯0.60 <SEP> ¯0.75 <SEP> ¯1.0
<tb> 50% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> + <SEP> ¯0.35 <SEP> ¯0.45 <SEP> ¯0.60 <SEP> ¯0.75 <SEP> ¯.1.0
<tb> 10% <SEP> d'Al(OH)3
<tb> 40% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> + <SEP> ¯0.20 <SEP> ¯0.35 <SEP> ¯0.45 <SEP> ¯0.55 <SEP> ¯1.0
<tb> 20% <SEP> d'Al(OH)
3
<tb> TAUX <SEP> DE <SEP> 35% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> + <SEP> ¯0.18 <SEP> ¯0.28 <SEP> ¯0.38 <SEP> ¯0.49 <SEP> ¯0.95
<tb> CHARGE <SEP> 25% <SEP> d'Al(OH)3
<tb> TOTAL
<tb> 60% <SEP> 25% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> + <SEP> 0.14- <SEP> 0.20- <SEP> 0.27- <SEP> 0.34- <SEP> 0.56-
<tb> 35% <SEP> d'Al(OH)3 <SEP> 0.17 <SEP> 0.23 <SEP> 0.30 <SEP> 0.37 <SEP> 0.59
<tb> 20% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> + <SEP> 0.13- <SEP> 0.19- <SEP> 0.24- <SEP> 0.30- <SEP> 0.48-
<tb> 40% <SEP> d'Al(OH)3 <SEP> 0.16 <SEP> 0.20 <SEP> 0.27 <SEP> 0.35 <SEP> 0.56
<tb> 10% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> + <SEP> 0.07- <SEP> 0.14- <SEP> 0.20- <SEP> 0.26- <SEP> 0.37-
<tb> 50% <SEP> d'Al(OH)
3 <SEP> 0.10 <SEP> 0.16 <SEP> 0.23 <SEP> 0.29 <SEP> 0.40
<tb> BORATE <SEP> DE <SEP> ZINC
<tb> TAUX <SEP> CH <SEP> 10% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> + <SEP> ¯0.16 <SEP> ¯0.21 <SEP> ¯0.30 <SEP> ¯0.8
<tb> TOT-65% <SEP> 55% <SEP> de <SEP> Borate
<tb> TAUX <SEP> DE <SEP> 10% <SEP> de <SEP> SiO2 <SEP> + <SEP> ¯0.25 <SEP> ¯0.43 <SEP> ¯0.65 <SEP> ¯ <SEP> 0.98
<tb> CHARGE <SEP> 50% <SEP> de <SEP> Borate
<tb> TOTAL
<tb> 60% <SEP> 60% <SEP> de <SEP> Borate <SEP> ¯0.25 <SEP> ¯0.31 <SEP> ¯0.52 <SEP> ¯0.96
<tb>
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Rq. les indications de couples de valeurs ont même significa- tion que dans le tableau précédent.
Comme on peut aisément le constater, les valeurs données
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dans le Tableau II corroborent celles du tableau en montrant que, à l'égard du critère Vitesse de combustion"également, la valeur "plancher" à respecter pour la quantité d'Al (OH) dans le mélange de départ est sensiblement de 25% en poids (un peu moins de 50% pour le Borate).
Ces conclusions demeurent entièrement valides au vu du 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 adiabatique selon la norme UTE NF M 03-005.)
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<tb>
<tb> Taux <SEP> de <SEP> charge <SEP> Taux <SEP> de <SEP> charge <SEP> total <SEP> : <SEP> 60%
<tb> total <SEP> : <SEP> 70%
<tb> ALUMINE <SEP> TRI-HYDRATE
<tb> 70%SiO2 <SEP> 20%SiO2 <SEP> 60% <SEP> SiO2 <SEP> 40SiO2 <SEP> 35% <SEP> SiO2 <SEP> 25%SiO2 <SEP> 10% <SEP> SiO2
<tb> + <SEP> + <SEP> + <SEP> + <SEP> +
<tb> 50% <SEP> Al) <SEP> f <SEP> 10% <SEP> AlJ <SEP> 25% <SEP> Al. <SEP> J <SEP> 35% <SEP> Al. <SEP> j <SEP> 50% <SEP> Al..
<tb>
¯ <SEP> 8 <SEP> ¯ <SEP> 7 <SEP> ¯ <SEP> 11 <SEP> ¯ <SEP> 11 <SEP> ¯ <SEP> 11 <SEP> ¯ <SEP> 11 <SEP> ¯ <SEP> 11 <SEP> ¯ <SEP> 11
<tb> BORATE <SEP> DE <SEP> ZINC
<tb> 10%SiO2+55%Bor. <SEP> 10% <SEP> SiO2 <SEP> + <SEP> 50% <SEP> de <SEP> Borate <SEP> 60 <SEP> de <SEP> Borate
<tb> ¯ <SEP> 10 <SEP> ¯ <SEP> 11 <SEP> ¯ <SEP> 11
<tb>
On voit donc clairement apparaitre 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.
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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 autocontrolé, 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 reconditionné.
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'Al (OH) s, la perte de poids est déjà proche de 30% à 300oC. Elle s'opère d'ailleurs pratiquement 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 tri hydratée 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 l'Al (OH) 3 vendue sous la dénomination"ALCOA"selon des variétés, dont les références commerciales sont reprises dans les colonnes du tableau pour les identifier.
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TABLEAU IV :
Analyse des pics endothermiques de formation d'eau (les montées en température ont été opérées de 25 à
600 C sous une progression constante de 10OC ; min.)
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<tb>
<tb> M15 <SEP> S65/40 <SEP> C31 <SEP> M6 <SEP> M15S <SEP> S65/150 <SEP> MEDIUM
<tb> SODA
<tb> Temp. <SEP> début <SEP> 196 <SEP> 205 <SEP> 216 <SEP> 180 <SEP> 195 <SEP> 188 <SEP> 197
<tb> du <SEP> pic <SEP> ( C)
<tb> Temp. <SEP> fin <SEP> 372 <SEP> 385 <SEP> 353 <SEP> 382 <SEP> 355 <SEP> 370 <SEP> 353
<tb> du <SEP> pic <SEP> ( C)
<tb> Temp. <SEP> max.
<SEP> 316 <SEP> 312 <SEP> 314 <SEP> 314 <SEP> 311 <SEP> 309 <SEP> 312
<tb> du <SEP> pci <SEP> ( C)
<tb> @H <SEP> du <SEP> pic <SEP> 1.03 <SEP> 1.01 <SEP> 1.07 <SEP> 1.07 <SEP> 1.03 <SEP> 1.0 <SEP> 1.02
<tb> (en <SEP> kJ/g)
<tb>
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 la 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) DESHYDRATATION PARTIELLE PREALABLE DE LA QUANTITE DE SUBS-
TANCE 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 par-
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tielle, 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 del'Al (OH) ?. 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'ambiante à la 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"résidu- elle soit présente en trop faible quantité pour conduire à une dégradation de la résine.
On a pu observer, en effet, que, lorsque l'alumine trihydratée n'avait pas été préchauffée avant d'être ajoutée à la charge minérale, des éclatements de la résine enrobant les 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 : - Une première, sur échantillon d'analyse, destinée à déterminer la 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 figures 1 et 2 illustrent bien cette première phase d'étude sur échantillons en montrant l'allure,
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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 consi-
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dérées : 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 figure 1 regroupe les familles à 140 C (traits discontinus) et 160 C (trait plein) ; la famille à 180 C apparait seule en trait plein sur la figure 2.
Comme on le voit, toutes ces courbes sont 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 "M15" 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 1400 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 mihauteur de sa courbe de croissance rapide de perte de poids par élimination d'eau
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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, pourla variéte"S65/40" on pourra retenir 2. 5% de perte en poids, pour une température de fonctionnement du transformateur de 140 C, de 4% à 1600C et de 5. 5% à 180 C.
De même, la variété"M15"s'accomodera d'une perte en poids préalable de 2 % pour un fonctionnement du transformateur à 1600C et de 3.5 % à 180oC.
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'échellonne entre 0.5 % et 10 % environ pour l'ensemble des substances ignifuges retenues pour la mise en oeuvre de l'invention.
Le passage ensuite à la phase industrielle consiste simplement à deshydrater 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 200oC.
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.
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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 connait 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 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, 1200 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 à fait indépendant de la granulométrie de la matière. Il a pu être observé, au coursdes 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.
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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 300 C pour toute les variétés d'Al (OH) 3 étudiées.
La substance ignifuge ainsi prétraitée devient prête à l'emploi. Il 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 subs tance ignifuge partiellement pré-déshydratée, est divisée en deux parts égales. L'une est alors introduite dans le bain de résine pûre, 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 élec trique du transformateur que l'on désire enrober.
Après coulée le moule est mis au four pour prise en masse de la résine.
Après défournement et 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. Il faut en effet entendre, par cette dénomination utilisée ici, plus largement l'ensemble des appareils ou équipements électriques inductifs pouvant travailler à des températures relativement élevées, de 100 à 2000C comme on l'a vu, et dont les enroulements électriques peuvent être noyés dans un bloc de résine isolante.
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De même, bien que l'invention ait été initialement concue pour les applications des résines thermodurcissables (enrobage des bobinages inductifs, dans les transformateurs en particulier), elle concerne en fait tous les matériaux 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 possèdant déjà des aptitudes de bonne tenue thermomécanique.