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Appareil électrique isolé et réfrigéré.
L'invention se rapporte aux appareils électriques, par- ticulièrementceux nécessitant une atmosphère diélectrique fluide et un liquide réfrigérant servant à dissiper la chaleur développée pendant le fonctionnement des appareils.
Il est courant dans l'industrie électrique d'isoler un appareil électrique enfermé au moyen d'un diélectrique liquide dans lequel on plonge les éléments électriques en fonctionnement dans le double but de les refroidir et de les isoler électriquement entre eux et par rapport à l'enveloppe qui les entoure. La construction et l'emploi d'appareils de ce genre isolés au moyen d'un diélectrique liquide présentent certains inconvénients. 11 y a la nécessité d'employer de grandes quantités de diélectrique liquide, de l'huile, du diphényl chloré ou des matières semblables.
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Ainsi, pour les transformateurs, faut-il en moyenne environ 500 gallons (1900 litres) de diélectrique liquide par 1.000 kva en service. Les diélectriques liquides doivent être surveillés et entretenus parce qu'ils peuvent déposer ou se détériorer par réaction avec l'humidité et l'air pénétrant dans le transformateur, et perdre ainsi une partie de leurs qualités isolantes. Si un arc électrique se produit dans un appareil rempli de diélectrique liquide, il peut provoquer une explosion ou le feu dans le cas d'une huile minérale, ou bien des fumées halogènes corrosives ou nocives dans le cas du diélectrique liquide chloré, qui à tout le moins corrodent l'intérieur de l'appareil. D'autres inconvénients sont connus et ne doivent pas être répétés ici.
Une forme plus récente d'appareillage électrique est le type sec, le transformateur étant rempli de gaz ou refroidi à l'air, type qui supprime certains défauts du type à diélectrique liquide. Cependant le transformateur "à gaz" a certains défauts propres. Un de ceux-ci consiste en la nécessité de prévoir des dispositifs permettant la pénétration et l'écoulement de l'air ou d'un autre gaz de façon à assurer une réfrigération suffisante des parties électriques. Il n'est pas possible de placer des intercalaires isolants entre les enroulements et.la masse, parce qu'il faut prévoir des dégagements pour l'air derrière les enroulements, et en l'absence de ces intercalaires isolants solides, la tension de claquage ou de rupture entre les enroulements et la masse limite les potentiels utilisables.
Le noyau et les bobinages d'un transformateur à remplissage d'air sont plus grands que ceux d'un transformateur à réfrigérant liquide, pour une puissance donnée. Les transformateurs du type sec sont plus difficiles à fabriquer que ceux à réfrigérant liquide. Ils posent un sérieux problème d'étude. Ainsi, l'isolement solide des enroulements doit être plus important qu'avec un appareil à diélectrique liquide. Un transformateur à remplissage d'air a une très faible capacité de su-rcharge, ce qui diminue ses possibilité de
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travail au-dessus du régime normal et sa sûreté de fonctionnement, à l'opposé du transformateur à diélectrique liquide.
L'invention a pour but de créer un appareil électrique hermétique dont l'isolement est assuré par des gaz ininflammables et non explosifs, et dont la chaleur produite est dissipée par réfrigérant liquide, la quantité de liquide nécessaire n'étant qu'une petite fraction de la quantité nécessaire auparavant.
Conformément à l'invention, des appareils électriques placés dans un boîtier hermétique, tels que des enroulements de transformateur, sont refroidis par l'écoulement d'une mince couche ou pellicule d'un composé diélectrique liquide comprenant du fluor et du carbone, l'effet de réfrigération étant obtenu par évaporation du liquide, les vapeurs produites établissant une atmosphère gazeuse servant d'isolant aux éléments électriques.
Une forme d'exécution préférée est représentée, à titre d'exemple, au dessin annexé.
La fig. 1 est une coupe verticale d'un transformateur conforme à l'invention.
La fig. 2 est un graphique donnant la tension de rupture en kilovolts pour les pressions de gaz en centimètres de mercure.
La figure 3 est une graphique donnant en kilovolts la rigidité diélectrique aux pointes pour les pressions de gaz en centimètres de mercure.
Conformément à la présente invention, on produit un appareil électrique hermétique qui joint les avantages du type à diélectrique liquide aux avantages du type à remplissage à gaz, avec très peu ou aucun des défauts de ces deux types d'appareils, et avec plusieurs avantages qui lui sont absolument propres.
Plus précisément, les éléments électriques de travail ou enroulements de l'appareil sont refroidis par écoulement ou aspersion d'un fluorocarbure liquide ayant un point d'ébullition compris entre 50 C et 150 C à la pression atmosphérique. Le fluorocarbure refroidit les enroulements électriques principalement par
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son évaporation. Les vapeurs de fluorocarbure produites remplissent le boîtier qui contient les enroulements et se condensent au contact des parois relativement froides du boîtier, ou bien elles peuvent se condenser dans un radiateur ou par un autre moyen approprié. Le fluorocarbure liquide condensé et non évaporé au contact des enroulements est recueilli et remis en circuit ou pulvérisé.
L'expérience a montré qu'une quantité relativement faible de fluorocarbure liquide suffit pour refrddir efficacement un appareil électrique donné. Ainsi pour un transformateur de 1. 000 kva, environ 10 gallons (38 litres) de fluorocarbure suffisent. Si on le désire, on peut augmenter la quantité pour avoir un coefficient.
Les vapeurs de fluorocarbure ont des propriétés isolantes électriques excellentes. Elles sont supérieures à celles de tous les autres gaz, que ce soit la tension de rupture, la rigidité diélectrique, le facteur de puissance ou la résistance à l'effet corona. Leurs stabilités thermique et chimique sont excellen- tes aussi et ne sont dépassées que par celles des gaz permanents.
Les fluorocarbures liquides ont tout au plus une action dissolvante ou destructrice négligeable sur les matériaux isolants et vernis ordinaires utilisés dans la préparation d'éléments électriques courants, tels les enroulements et bobinages.
Les fluorocarbures convenant à la mise en pratique de l'invention sont les composés de fluor et de carbone seuls, à point d'ébullition compris entre 50 C et 150 C à la pression atmosphérique. Des exemples de fluorocarbures appropriés sont: perfluorométhylcyclohexane, perfluorodiméthylcyclohexane, perfluoroheptane, perfluorohexane, perfluorotoluène, perfluoropropylcyclohexane, perfluoroéthylcyclohexane, et perfluorodiéthylcyclohexane. Le point de congélation des fluorocarbures liquides cités est nettement en-dessous de 0 C, de sorte qu'ils peuvent aisément être utilisés dans presque toutes les conditions de service
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existantes.
La description ci-dessous se rapporte particulièrement au fluorométhylcycloexane donné comme exemple de fluorocarbure convenable, mais il est entendu qu'on peut le remplacer en tout ou en partie par d'autres fluorocarbures et par des mélanges de deux, trois ou plus de fluorocarbûres, ayant tous un point d'ébullition entre 50 C et 150 C. Les propriétés physiques du perfluorométhylcyclohexane sont: Point d'ébullition: 76 3 C.
Chaleur de vaporisation : calories par gramme au point d'-ébulli- tion.
Chaleur spécifique: 0,2 calorie par gramme.
Densité : 1,8 Point de congélation : dessous de -50 C.
La figure 1 du dessin représente un transformateur 10 qui comprend un boîtier hermétique 12 avec un couvercle 14. Le boîtier contient un cadre mis à la masse 22 sur lequel sont montés un noyau magnétique 20 et des bobinages ou enroulements électriques 18 coopérant entre eux et placés de façon que des couches de diélectriquesliquide puissent couler dessus facilement.
Des intercalaires isolants solides 24 sont disposés entre les enroulements et le cadre 22 mis à la masse. Les enroulements ont des connexions 28 qui traversent le couvercle 14 par des isolateurs 30. Le fond du boîtier forme un puisard 16 contenant une provision 32 de fluorocarbure, par exemple du perfluorométhylcyclohexane. On remarquera que la provision de fluorocarbure dans le puisard est si faible qu'elle n'atteint ni le noyau 20 ni les enroulements 18. Une tuyauterie 34 est reliée au fond du puisard 16 pour enlever le fluorocarbure par l'action d'une pompe 36 reliée à la tuyauterie 34. La pompe 36 est placée dans un boîtier de protection 38, de sorte qu'on peut l'atteindre ou la vérifier sans ouvrir l'enveloppe 12.
Le flucrocarbure passe de la pompe 36 à un conduit 40 et un pulvérisateur
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42 servant à faire couler une pluie 43 de fluorocarbure liquide sur les bobines 18 et le noyau 20. Le fluorocarbure liquide pulvérisé 43 s'étend lui-même en une mince pellicule sur les éléments électriques, et s'évapore librement si les bobines et le noyau sont chauds, ce qui refroidit ceux-ci. La réfrigération ainsi obtenue s'est avérée très efficace et capable de maintenir des températures uniformes. Les vapeurs de fluorocarbure ainsi produites s'étendent jusqu'aux parois du boîtier 12 contre lesquelles elles se condensent en partie, et le fluorocarbone liquide retourne au puisard 16 d'où il est remis en circuit. Les vapeurs de fluorocarbure atteignent aussi un radiateur 44 attaché au boîtier 12.
Les vapeurs entfent dans le radiateur 44 par une admission relativement grande 46 et le fluorocarbure condensé liquide s'écoule dans le transformateur par une sortie plus étroite 48. Dans certains cas, le radiateur ne sera pas nécessaire, les parois du boîtier 12 et le couvercle 14 suffisant à dissiper dans l'atmosphère la chaleur produite.
Le transformateur représenté à la fig. 1 est plus léger qu'un transformateur du type à immersion dans un diélectrique liquide d'une puissance donnée. Les éléments électriques sont plus compacts que dans un transformateur de même dimension refroidi par air. il est de construction plus simple que le transformateur refroidi par air grâce à un écran isolant solide 24 pour l'isolement de la masse, et du fait qu'il ne faut pas d'aération.
Un transformateur ordinaire de 1000 kva développe à pleine charge environ 15 kw de puissance calorifique. Un gallon (3,785 litres) de perfluorométhylcyclohexane liquide par minute absorbera cette quantité de chaleur par évaporation. La pompe 36 fournira donc au moins cette quantité de fluorocarbure au pulvérisateur 42. De préférence, la pompe aura une capacité de deux à quatre fois supérieure à ce volume de fluorocarbure liquide. L'excès de fluorocarbure liquide permettra à l'appareil de subir les surcharges sans danger.
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Les vapeurs de fluorocarbure/ont des propriétés isolantes excellentes et forment donc un excellent gaz isolant pour isoler les enroulements 18 entre eux et par rapport au boîtier et à d'autres parties de l'appareil, quand un potentiel existe entre les enroulements et le boîtier. D'habitude, le boîtier 12 est rempli d'un gaz inerte tel que l'azote, sous une pression d'environ une atmosphère, quoique celle-ci puisse être beaucoup plus faible ou plus élevée dans certains cas.
Quand l'appareil 10 n'est pas sur le courant, l'azote forme la majeure partie du gaz présent avec une pression partielle légère de vapeur de fluorocar bure. Quand la transformateur est mis en service et que la température dépasse la température ambiante, il se produit de plus en plus de vapeurs de fluorocarbure, et la pression augmente à l'intérieur du boîtier 12.
La figure 2 représente les caractéristiques de rupture, mesurées dans un intervalle de 0,2 pouce (environ 5 mm) entre sphères de 0,5 pouce (environ 13mm) de diamètre, des gaz présents dans le transformateur pris individuellement et collectivement, sous une gamme étendue de pressions. En présence d'azote seul, la tension de rupture ne dépasse pas environ 10 kilovolts sous une atmosphère. Si l'on ajoute du perfluorométhylcyclohexane à de lazote sous pression atmosphérique (76 cm de mercure), comme indiqué en A, il y a une rapide augmentation de la tension de rupture. quand on ajoute plus de perfluorométhylcyclohexane, la tension de rupture monte très rapidement de sorte que pour une pression totale d'environ! 85 cm de mercure, la tension de rupture du gaz combiné est d'environ 30 Kilovolts.
Sous une pression de deux atmosphères, due de façon équivalente à l'azote et aux vapeurs de perfluorométhylcyclohexane, la tension de rupture est d'environ 73 Kilovolts.
Une des caractéristiques critiques d'un transformateur est sa résistance aux fronts raides. Le champ d'application d'un transformateur est forcément très limité s'il ne résiste pas
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aux surtensions brusques ; de plus il court alors un grand danger dans le cas d'une décharge atmosphérique ou d'une autre surtension qui frappe le transformateur. Les gaz de fluorocarbure ont une très bonne résistance aux surtensions et un transformateur pour- vu d'un tel gaz résistera à toutes les surtensions normalement prévisibles.
La figure 3 représente la rigidité diélectrique aux surtensions brusques de l'azote et du gaz à l'azote et au perfluo- rométhylcyclohexane, mesurée au moyen de tiges carrées d'un demi- pouce (environ 13 mm) distantes entre elles de deux pouces (51 mm) placées dans le gaz et soumises à une tension d'impulsion. En moyenne, l'addition de perfluorométhylcyclchexane triple la rigidité aux surtensions positives de l'azote seul, tandis que la rigidité aux surtensions négatives est même meilleure.
L'emploi des fluorocarbures en liquide ou poussière liquide de réfrigération dans les appareils électriques augmente la capacité en kva des appareils ininflammables et non explosifs.
Il permet aussi de relever la limite de tension des transfor- mateurs refroidis par air de 13.000 volts environ à 30.000 volts et plus.
Si l'enveloppe 12 peut supporter les pressions nécessaires, l'atmosphère intérieure peut être constituée uniquement par des vapeurs d'un fluorocarbure, tel que le perfluorométhylcyclohexane.
Même à des températures ambiantes basses, le perfluorométhylcy- clohexane exerce une petite pression de gaz non négligeable. La courbe de la figure 2 se rapportant au perfluorométhylcyclohexane montre que celui-ci a des tensions de rupture très élevées même aux basses pressions ; à une pression absolue de 10 cm de mercure,les vapeurs de fluorométhylcyclohexane ont une tension de rupture d'environ 15 Kilovolts, tension supérieure à celle de l'azote à la pression atmosphérique, Même à 0 C, la pression de vapeur est d'environ 4 cm de mercure et la tension de rupture d'environ 10 Kilovolts.
La pression de vapeur et la tension de rupture du perfluorométhylcyclohexane montent rapidement avec
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la température du transformateur, de sorte que celui-ci sera bien isolé en tous temps. A une pression absolue d'environ 70cm. de mercure, la tension de rupture du perfluorométhylcyclohexane en vapeur est égale à celle de l'huile de transformateur, dans l'essai à intervalle de 0,2 pouce (5 mm). De plus, des mélanges de deux ou plusieurs fluorocarbures donneront une résistance d'isolement convenable même aux basses températures, pourvu que l'un d'eux ait une pression de vapeur élevée aux basses températures.
Le dispositif décrit jusqu'ici peut être perfectionné en prévoyant la séparation des gaz non condensables dans une partie du boîtier éloignée des éléments de travail pendant leur fondtionnement, de manière que les vapeurs de fluorocarbure puissent atteindre facilement les parois de l'enveloppe et se condenser plus rapidement. Il faut remarquer à ce sujet que l'on introduit de préférence initialement dans l'enveloppe de l'azote ou un. autre gaz relativement inerte et non condensable tel que l'hélium, l'argon, le néon, l'acide carbonique, l'hexafluorure de soufre, ou l'équivalent, ou des mélanges de ces gaz qui constituent à pression atmosphérique un gaz assez bon isolant ayant les caractéristiques électriques nécessaires. Ces gaz auront une densité inférieure à celle des gaz de fluorocarbure.
L'azote peut se trouver dans l'enveloppe à pression atmosphérique pratiquement, soit 76 cm de mercure, ou moins si l'enveloppe 12 doit résister à un vide partiel, ou parfois à pression légèrement supra-atmosphérique. On introduit ensuite une quantité de fluorocarbure liquide, du perfluorométhylcyclohexane par exemple, dans le boîtier, qui exerce, même à 0 C, une pression partielle de quelques centimètres. Quand le transformateur 10 est mis en service par d'application de la tension à ses bobines 18, la température des bobinages et du noyau augmente avec la charge appliquée. L'augmentation de la température des bobinages et noyau provoquera à elle
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seule une augmentation de la pression gazeuse de l'atmosphère gazeuse intérieure.
De plus par l'évaporation du fluorocarbure liquide, la pression partielle de celui-ci augmente considérablement avec de petites variations de température. Comme les vapeurs de fluorocarbure sont beaucoup plus denses que l'azote et que ces vapeurs se forment continuellement à la surface des bobinages et du noyau, l'azote est repoussé vers le haut de l'enveloppe.
L'azote est séparé et concentré d'autant plus dans le haut que la température des bobinages et la pression des gaz sont élevées.
Pour obtenir une séparation efficace du gaz non condensable tel que l'azote des vapeurs de fluorocarbure de manière que celleS-ci puissent atteindre facilement les parois 12 et le radiateur 44 et dissiper le mieux possible la chaleur des bobinages et du noyau, un espacement suffisant ou un réservoir à gaz approprié est préVu à la partie supérieure du boîtier pour y loger l'azote. Dans la partie inférieure du bottier, c'est-à-dire dans le voisinage du noyau et des bobines, il n'y a que des vapeurs de fluorocarbure pratiquement exemptes d'azote à séparer. Une chicane ou cloison perforée peut être placée à quelques pouces au-dessus du pulvérisateur 42, de façon à délimiter les volumes occupés, en dessous par les vapeurs de fluorocarbure et au-dessus par le gaz non condensable.
La cloison ou chicane empêche les vapeurs de fluorocarbure d'entraîner le gaz non condensable.
La figure 1 montre une forme de séparateur de gaz. Dans cette forme d'exécution, le boîtier porte à sa partie supérieure soit comme partie intégrante soit comme pièce rapportée à l'extérieur, un réservoir à gaz 50 communiquant avec l'enceinte 12 par des passages rétrécis 52. Le volume du réservoir à gaz 50 est de préférence égal à la moitié du volume restant, quoique dans certains cas il puisse être le même ou plus grand. En cours de fonctionnement du transformateur l'azote est refoulé du boîtier 12 par les passages 62 dans le réservoir 50 aussi bien par l'augmentation de la pression totale due à l'augmentation de tempéra-
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ture que par l'évaporation continuelle du fluorocarbure qui pro- duit des vapeurs de densité bien supérieure à celle de l'azote.
Le gaz dans le réservoir 50 contient beaucoup moins de fluorocar- bure que le gaz se trouvant dans la partie principale de l'en- veloppe 12, à cause de l'enrichissement continuel du gaz inférieur par les vapeurs de fluorocarbure. D'ordinaire, le réservoir à gaz 5U sera plus froid que le reste du transformateur et toute vapeur de fluorocarbure en excès de la pression partielle du fluo- rocarbure à cette température tendra à se condenser et à couler dans le puisard 16. Par conséquent, la pression partielle de vapeur de fluorocarbure dans le réservoir à gaz 50 sera différente de celle régnant dans l'enveloppe 12 à cause de la différence entre les conditions dynamiques dans les deux espaces définis par le réservoir à gaz 50 et le boîtier 12, respectivement.
Il est très souhaitable que cette séparation du gaz non condensable de l'atmosphère régant dans l'enveloppe 12 se fasse quand les bobinages électriques et le noyau sont alimentés et développent de la chaleur, en opposition avec l'état de mélange des gaz existant dans l'enveloppe quand l'appareil est froid et au repos. Non seulement cette ségrégation permet un meilleur o échange de chaleur, mais l'atmosphère dans l'enceinte 12 devient de plus en plus riche en vapeurs de fluorocarbure qui ont des propriétés diélectriques supérieures à celles de l'azote.
Quoique le dessin donné se rapporte à un transformateur, il est entendu que l'invention peut s'appliquer à d'autres types d'appareils électriques, tels que par exemple des interrupteurs, condensateurs, générateurs, câbles, selfs, etc. De plus diffé- rents moyens peuvent être utilisés de différentes manières pour pulvériser ou laisser couler les fluorocarbures liquides sur les enroulements électriques. Ainsi les fluorocarbures liquides peuvent venir de l'intérieur des enroulements et sortir par les interstices entre spires. L'emploi du pulvérisateur a été trouvé le plus intéressant, mais d'autres moyens peuvent être utilisés
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qui permettent la formation d'une mince pellicule ou couche de fluorocarbure sur les éléments électriques à réfrigérer.
REVENDICATIONS.
1.- Appareil électrique comprenant un conducteur électrique disposé dans une enceinte hermétique et isolé de celle-ci,. caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif pour distribuer une mince couche d'un composé diélectrique liquide comprenant du fluor et du carbone sur le conducteur électrique, de sorte que la réfrigération du conducteur soit obtenue principalement par l'évaporation du composé diélectrique liquide appliqué et que les vapeurs de ce composé servent d'isolant pour ce conducteur.