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"TRANSFORMATEUR A HAUTE TENSION"
Dans les transformateurs à haute tension, l'isolement de l'enroulement haute tension consiste d'habitude en un ou plusieurs cylindres an matière isolante, qui sont disposés entre l'enroulement haute tension et l'enroulement basse tension. Avec ces cylindres isolants on combine encore des isolations frontales. en forme de brides, qui forment écran entre l'enroulement haute tension et la culasse. On a cherché en même temps à augmenter la rigidité diélectrique: au moyen de couches d'huila relativement épaisses et convenablement disposées. et que l'on utilisait d'une part entre l'enroulement
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basse tension et le cylindre isolant et entre ce cylindre et l'enroulement haute tension, mais d'autre part aussi dans les extrémités frontales de l'isolation.
Un mode de réalisation connu de ce genre utilise une pluralité de collerettes isolantes dont chacune est emboîtée sur l'extrémité d'un cylindre isolant spécial, disposé concentriquement aux cylindres isolants voisins et séparé d'eux par des couches d'huile de dimensions largement prévues. Les collerettes elles-mêmes, séparées entre elles par des couches d'huile de forte épais** seur, étaient fixées à des distances déterminées les unes des autres, de sorte que la dimension de l'isolation totale en direction axiale, y compris les couches d'huile à l'extrémité frontale, était supérieure à celle de l'isolation entre l'enroulement haute et l'enroulement basse tension en direction radiale.
Une forme de transformateurs dérivée de la précédente prévoit également plusieurs cylindres isolants concentriques s'étendant de part et d'autre jusqu'aux culasses, et qui sont séparés entre eux et de l'enroulement tant haute que basse tension par un faible nombre de couches d'huile de grande épaisseur, les collerettes de l'isolement frontal n'étant fixées que sur l'enroulement haute tension. une autre forme d'exécution qui permet de donner aux distances isolantes des valeurs un peu plus faibles, n'utilise qu'un cylindre isolant massif entre les enroulements haute et basse tension, cylindre séparé également de ces enroulements par des épaisseurs d'huile comparables ou même supérieures à l'épaisseur du cylindre isolant.
A son extrémité, le cylindre isolant s'affaiblit par gradins et porte des brides ajustées à frottement gras, qui débordent en direction radiale l'enroulement haute tension et sont séparées les unes des autres en direction axiale par des épaisseurs d'huila relativement fortea.
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Pour obtenir, à l'aide de ces moyens connus en euxmêmes, une rigidité diélectrique suffisante, il est nécessaire de dimensionner largement toutes les pièces ssolantes et en particulier-l'isolement frontal si l'on veut empêcher tout arc de contournement ou de rupture. On a essayé de choisir plus faibles les distances séparant les isolements pour une tension de service donnée et une rigidité diélectrique donnée sans que la sécurité da marche soit compromise. On a constaté qu'il importe avant tout d'éviter non seulement les trajets da fuites, mais en même temps aussi les dispositions qui favorisent la formation de décharges rampant de proche en proche.
Un ensemble.: de plusieurs cylindres isolants, séparés les uns des autres par d'épaisses couches d'huile est à cet égard complètement sans valeur. Si pour un motif quelconque, par exemple par suite de la formation d'un pont par des impuretés, il arrive qu'une décharge partielle traversa l'une des couches d'huile, la pointe de décharge qui va en progressant se transforme en une décharge de proche en proche le long des cylindres isolants et peut entraîner le percement complet de tout l'isolant.
Les choses se passent d'une manière analogue lorsqu'il n'est prévu qu'un cylindre isolant massif unique entre l'isolation haute tension et l'isolation basse tension, mais que ce cylindre est séparé d'au moins l'un des enroulements par une couche, d'huile qui, comme en le sait, absorbe en raison de la valeur plus faible de sa constante diélectrique une fraction plus considérable de la différence de potentiel que l'isolant solide-.
Lors d'une décharge partielle à travers une telle couche d'huile épaisse, l'intensité du champ électrique sur le cylindre isolant devient alors, à partir de la pointe de. décharge, tellement forte que la formation et la progression d'una décharge rampante ne. peuvent être
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étouffées, même par l'emploi d'un front isolant plus largement dimensionné. On court en outre le risque d'une décharge dis- ruptive directe à travers le cylindre isolant, si une décharge partielle s'est produite sur une distance d'huile qui avait absorbé une partie notable de la tension totale. L'utilisation de brides montées à frottement gras sur le cylindre isolant présente également de graves inconvénients.
En effet, c'est un fait d'expérience qu'il n'est pas possible de réaliser l'assemblage de la bride frontale sur le cylindre isolant avec une précision suffisante pour que, même lorsque le cylindre se termine en gradins, les chemins de fuite soient complètement évités le long des surfaces de contact entre bride et cylindre isolant, chemins de fuite qui constituent des points particulièrement exposés lors de décharges partielles intéressant d'épaisses couches d'huile adjacentes. A propos de la bride emboîtée uniquement sur l'enroulement haute tension, on peut citer les mêmes inconvénients, qui n'ont pu être évités jusqu'ici qu'en dimensionnant très largement les organes.
La présente invention permet d'obtenir une très grande rigidité diélectrique contre les décharges rampantes et les chemins de fuite sans que l'on soit obligé de donner aux parties isolantes des dimensions exagérées. Il en résulte, en particulier pour les grands transformateurs, une économie importante d'encombrement et de poids, car pour des distances plus faibles, le poids de la carcasse magnétique peut se trouver réduit. Le bac à huile du transformateur et le volume d'huile diminuent également de ce fait.
Dans les grands transformateurs, dans certaines conditions il peut se faire que ce soit l'économie d'ensombrement et de poids réalisée par la disposition des isolants suivant l'invention qui soit le facteur rendant seulement possible la transport du transforma-
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teur par voie ferrée, en le ramenant à des dimensions compatibles avec le gabarit des chemins de fer.
Suivant l'invention, on arrive à ce résultat, dans un transformateur à haute tension avec cylindre isolant disposé entre l'enroulement à haute et l'enroulement à basse tension, en faisant en sorte que le cylindre isolant touche pratiquement sans jeu les enroulements et aille, d'une seule longueur, se terminer au moins à l'une de ses extrémités, en s'y évasant de façon continuellement croissante, par un front en forme de bride servant d'écran à l'enroulement haute tension par rapport à la culasse, front dont la dimension en direction axiale soit un multiple de épaisseur radiale du fût du cylindre isolant situé entre les deux enroulements.
Aux dessins annexéssont représentés schématiquement et à titre d'exemples, plusieurs modes, de réalisation de l'objet de l'invention. Dans l'exemple suivant Fig. l, l'enroulement basse tension 1 est disposé directement sur le noyau magnétique 3 avec intercalation d'une couche isolante 2. Entre l'enroulement basse tension et l'enroulement haute tension 4, également représentés. en coupe, se trouve le cylindre isolant 5 qui se termine en forme de bride et sert d'écran à l'enroulement haute tension 4 par rapport à la culasse 6. La partie du cylindre isolant ,qui est repliée en forme de bride ne repose de préférence pas directement sur l'enroulement haute tension, mais sur un anneau de protection 7 en matière isolante avec surface métallisée, mais qui peut être aussi entièrement en métal.
Cet anneau est fendu, de manière connue, afin qu'il ne puisse agir comme une spire en court-circuit. Cet anneau sert d'une part à la répartition du potentiel, et d'autre part à assurer le portage parfait des brides terminant le cylindre, et par suite, un serrage uniforme de l'enroulement haute ten-
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sion 4. L'extrémité 8, en forme de bride, du cylindre isolant 5, est subdivisée en une pluralité de couches annulaire 9 que l'on maintient écartées les unes des autres. Cet évasement peut s'obtenir en pliant ces couches pour former des ondulations, c'est-à-dire par crêpage de ces couches. Mais il s'est avéré préférable d'intercaler entre les couches 9, pour les maintenir à distance, des organes intermédiaires 10 en forme de secteurs.
Ces pièces intermédiaires 10, qui sont de préférence faites de la même matière isolante que le cylindre 5, sont séparées les unes des autres en direction de la périphérie, comme le montre la vue en plan (Fig. 3). On fait en sorte que d'une couche à l'autre, les joints 11 de ces pièces 10 ne soient pas superposés, mais soient recouverts, c'est-à-dire que ces pièces alternent joint avec plein en direction axiale.
Les joints 11 sont prévus pour l'évacuation des gaz du cylindre isolant et pour faciliter l'entrée de l'isolant liquide dans l'extrémité 8 en forme de bride. Pour augmenter les trajets de fuite, les couches 9 du cylindre isolant débordent au-delà des pièces intermédiaires 10. En vue de réduire le danger de décharges rampantes, il s'est révélé suffisant de prendre l'épaisseur de l'extrémité 8 en forme de bride au moins égale au double de l'épaisseur du cylindre isolant entre les enroulements haute et basse tension. De plus, l'épaisseur des pièces intermédiaires 10 se choisit de préférence de façon telle que les extrémités 8 en forme de brides du cylindre isolant remplissent tout l'espace compris entre l'enroulement haute tension et la culasse 6 du transformateur, ou du moins l'espace entre l'anneau de protection 7 et la culasse.
Le mode de construction décrit du cylindre isolant permet une réduction considérable de la contrainte diélectrique du volume d'isolant contenu dans l'espace 12, réduction qui
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paraît désirable spécialement dans les transformateurs à huile.
Au moyen d'une armature conductrice 13, fendue dans le sens de l'axe, appliquée- sur celui des côtés de l'extrémité 8 en forme de bride qui est à l'opposé de l'enroulement haute tension, et qui est reliée à la culasse 6 par une liaison conductrice, toutes les lignes de force du champ aux extrémités du cylindre isolant se trouvent reportées dans les brides 8.
Grâce à la. répartition favorable du champ qui en résulte, ce champ décroissant de manière uniforme vers le front de la bride 8 pour un nombre suffisamment grand de pièces intermédiaires 10, on obtient une grande rigidité diélectrique, non seulement parce que sur le front il existe un chemin de fuite d'une longueur suffisante, mais parce qu'en même temps l'intensité du champ y est tombée au-dessous de la valeur critique correspondant aux décharges rampantes. Comme indiqué aux Figs. 2 et 3, on peut, au lieu de la couche conductrice 13, insérer dans l'espace 12, pour répartir convenablement le potentiel, des couronnes métalliques 15 fendues et isolées les unes par rapport aux autres, ou recouvertes d'une couche isolante 14, ce qui permet une économie d'isolant liquide dans l'espace 12 sans compromettre la. rigidité diélectrique.
Dans ce cas, on réalise aussi entre l'extrémité de l'enroulement basse tension 1 et la culasse 6 un isolement largement suffisant et bien réparti, ce qui peut être nécessaire lorsque cette basse tension est par elle-même déjà élevée.
Des canaux de refroidissement, non représentés au dessin, peuvent être prévus dans l'enroulement basse tension 1 ou entre cet enroulement et la couche isolante 2, de même qu'entre les couronnes 15 et cette coucha isolante 2. Les extrémités 8, en forme de brides, du cylindre isolant 5, peuvent se fabriquer par exemple de la manière suivante ; le cylindre
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de papier est tout d'abord bobiné uni' , puis on le fend à ses extrémités dans la direction de l'axe, couche par couche et en décalant les fentes entre elles, après quoi les bandes ainsi découpées sont repliées et collées ensemble aux extrémités.
Après un nombre déterminé de couches de papier, on colle chaque fois les pièces intercalaires 10. On reconnaît facilement qu'une isolation de ce genre répond bien aux conditions mentionnées en débutant, et possède une grande résistance aux décharges rampantes, parce que les étincelles de rupture partielle des faibles épaisseurs d'huile qui subsistent sont complètement sans danger, et que d'autre part il n'existe plus de trajets de fuite dangereux.
Toutefois, le transformateur qui vient d'être décrit présente encore quelques inconvénients, principalement au point de vue fabrication. Dans la grande majorité des transformateurs, les deux couches de l'enroulement haute tension qui se trouvent respectivement aux extrémités de cet enroulement en direction axiale doivent être pourvues d'isolements frontaux en forme de brides. Dans de tels cas, on peut ne commencer à évaser le cylindre isolant que lorsque l'enroulement haute tension est complètement monté sur ce cylindre.
De plus, l'évasement proprement dit, c'est-à-dire la confection de l'isolement frontal en forme de bride, est une opération qui demande un temps relativement long, parce qu'il faut prendre le cylindre de papier, bobiné d'abord tout uni, le fendre suivant l'axe aux deux extrémités, couche par couche et en décalant les fentes entre elles, puis, après avoir emboîté le bobinage, replier les bandes précédemment formées et les coller aux extrémités tant ensemble qu'avec les pièces intercalaires après leur insertion, pièces qui déterminent l'évasement du cylindre isolant. Une fois l'isolation terminée, il n'est dès lors. plus
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possible de.remplacer des. partias., par exemple des parties détériorées du bobinage,, sans détruire l'isolement frontal.
Sans nuire en aucune façon aux propriétés électri- qnas, on peut éviter ces inconvénients en remplaçant le cylindre isolant d'une pièce s'évasant pour donner l'isolement frontal en forme de brides par un cylindre isolant dans lequel cet isolement frontal est implanté dans des rainures prévues en direction périphérique dans le dit cylindre et se succédant en direction radiale, le nombre de ces rainures, leur profondeur axiale et leur largeur radiale étant tels et les trajets de fuite qui en résultent entre haute et basse tension étant tellement longs, en même temps que des couches tellement minces. d'huile sont formées à l'extrémité du cylindre isolant et dans l'isolement frontal, qu'au point de vue électrique, la disposition d'ensemble devient à peu près équivalente à celle qui a été précédemment décrite.
Dès lors, une telle construction repose en grande partie sur ce fait qua, d'une part, au point da vue des ruptures diélectriques partielles les épaisseurs d'huile ne sont plus nuisibles lorsqu'on en utilise un très grand nombre qui possèdent, en raison de leur épaisseur extrêmement faible, une rigidité diélectrique spécifique notablement plus élevée, et que d'autre part, des rainures suffisamment profondes et suffisamment nombreuses donnent naissance à des trajets de fuite tellement longs entre le cylindre isolant et l'isolement frontal, que pratiquement ils n'ont plus aucune importance.
Avec les cylindres isolants connus à épaisseur décroissant par échelons at les couches d'huile relativement épaisses et absorbant une forte partie de la tension, ces conditions ne peuvent pas être remplies sans augmenter largement les dimensions de toutes les parties de l'isolement.
Dans l'exemple représenté à la Fig. 4, l'enroulement
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haute tension 1 et l'enroulement basse tension 2 touchent directement le cylindre isolant 3. La dimension axiale 4 de l'isolement frontal qui sert d'écran à l'enroulement haute tension par rapport à la culasse 5, est un multiple de l'épaisseur radiale 6 du fût 3 du cylindre isolant. L'espace 7 entre la culasse 5 et l'enroulement basse tension 2 est rempli de préférence par une ou plusieurs couronnes métalliques 8 fendues et revêtues d'une substance isolante, couronnes qui, en combinaison avec 1'anneau 9 également fendu et isolé provoquent une décroissance uniforme de la contrainte électrique dans la partie coudée du front et empêchent par suite efficacement la progression de décharges rampantes.
Le cylindre isolant 3 possède à son extrémité un grand nombre de rainures 10 dans lesquelles l'isolement frontal tout entier est inséré depuis le haut. Le chemin de fuite quiexiste entre l'enroule- ment haute tension et l'enroulement basse tension, peut, grâce à la grande profondeur des rainures telle que représentée, et en faisant le nombre de ces rainures assez grand, être choisi en pratique aussigrand qu'on le désire, de sorte que l'on n'a plus du tout à craindre les décharges le long de ces che- mins de fuite. De plus, on peut prendre pour l'épaisseur radiale des rainures 10 une valeur assez faible pour que la charge spécifique de telles rainures remplies d'huile soit notablement supérieure à celle d'une couche épaisse d'huile.
On atteint pratiquement la capacité de charge demandée avec des rainures d'environ 1 mm. d'épaisseur ou même moins. Le mieux pour préparer des rainures étroites et profondes de ce genre à l'ex- trémité du cylindre isolant est de confectionner ce dernier en enroulant en spirale deux bandes isolantes 11 et 12 de largeur différente. Hais on peut prendre également deux bandes de même largeur et lorsqu'on les enroule ensemble, décaler la
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bande 12 d'une profondeur de rainure en arrière par rapport à la bande 11 en direction axiale.
De plus, afin d'obtenir pôur le cylindre isolant une section annulaire aussi régulière que possible, en enroulant les deux bandes on déplacera leurs bords initiaux l'un par rapport à l'autre dans la direction périphérique d'enroulement, de telle sorte qu'il ne se forme qu'un seul gradin de l'épaisseur de l'une des bandes, gradin que l'on peut encore atténuer la cas échéant, par un travail de finissage approprié. Ce mode de fabrication est possible, que le cylindre isolant doive être pourvu, à ses deux extrémités ou à une extrémité seulement, d'un isolement frontal. Pour les bandes, on emploie de préférence une substance isolante de premier ordre, telle que le carton lustré (presspan) ou analogues.
L'isolement frontal pourrait aussi se fabriquer .pour soi tout d'une pièce, et être emboîté après coup dans les rainures du cylindre isolant. Si l'on veut pouvoir déplacer légèrement l'isolement frontal en direction de. l'axe ou simplement le démonter, on utilisera, avec avantage le procédé suivant, qui est d'ailleurs à préférer au point de vue fabrication. L'isolement frontal est constitué de bandes ou de segments de couronne 13 repliés d'équerre et qui sont implan- tés côte à cote dans les rainures du cylindre isolant. La Fig. 5 est une section transversale du cylindre isolant par un plan 14 de la Fig. 4, et montre ce mode de construction.
Les parties repliées des bandes ou des segments de; couronne de chacune des rainures forment autant de brides servant d'écran à l'enroulement haute tension vis-à-vis de la culasse.
A la Fig. 4, on voit en coupe sept brides de ce genre. Entre ces brides, on rapporte en outra des pièces intermédiaires 15 isolantes et de préférence en forme de couronnes, demanière à respecter la dimension demandée 4 de l'isolement frontal dans
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la direction de l'axe. Mais on pourrait tout aussi bien mettre deux ou plusieurs brides provenant de rainures se succédant en direction radiale, et pourvues de joints radiaux décalés entre eux, l'une sur l'autre entre les divers segments de couronne et les maintenir écartées du groupe voisin de brides ainsi formées par des couronnes intermédiaires plus épaisses en conséquence, comme indiqué à la Fig. 6. Il est particulière- ment avantageux de donner à toutes les bandes 13 même largeur, même épaisseur et même longueur de branches.
Pour permettre un simple déplacement de l'isolement frontal dans la direction de l'axe, il suffit de veiller à ce que la longueur des bran- ches à enfoncer dans les rainures soit choisie, par rapport à. la profondeur de la rainure, de telle sorte que les bandes 13 qui se trouvent dans la rainure de plus grand diamètre laissent elles-mêmes en direction de l'axe un espace libre suffisant pour le mouvement. Il est alors facile de donner du serrage à l'enroulement haute tension ou d'en enlever au besoin des parties. L'épaisseur des bandes 13 se prend de préférence un deux peu plus faible que celle des/bandes 11 et 12 qui ont servi à confectionner le cylindre isolant 3.
Ainsi par exemple, les bandes 11 et 12 peuvent être formées chacune de, carton lustré de 0,5 mm. d'épaisseur, tandis que les bandes 13, qui peuvent être également en carton lustré, n'auront que 0,4 mm. d'épaisseur.
En outre, les enroulements haute et basse tension, ainsi que les moyens 8 et 9 qui leur sont associés pour répar- tir le potentiel aux extrémités des dits enroulements, sont disposés de telle sorte que dans la zone des rainures 10 du cylindre isolant, le champ électrique traverse ce cylindre autant que possible perpendiculairement.
En raison du grand nombre de, distances d'huile, des
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étincelles de rupture partielle traversant ces distances d'huile dans les rainures et entre les bandes repliées 13 de l'isolement frontal sont sans danger,, et la progression de têtes de décharges est impossible le long des parties de cet isolement frontal par suite de la décroissance continue du champ, et le long des rainures 10 par suite des bandes 13 intercalées.
Aussi le mode de constitution décrit de l'isolement est-il dans une large mesure équivalent à un cylindre isolant directement évasé dans sa masse pour former l'isolement frontal, sans en posséder cependant les inconvénients.