<Desc/Clms Page number 1>
APPAREIL ELECTRIQUE.
La présente invention concerne;, de fagon générale, les appareils électriques, et plus spécialement les appareils isolés par une atmosphère diélectrique fluide et utilisant un dispositif de réfrigération pour évacuer la chaleur produite par l'appareil en fonctionnement.
Il est connu dans l'industrie électrique, d'isoler au moyen d'un liquide diélectrique des appareils électriques enfermésen plongeant les par- tiers électriques actives dans ce liquide, à la fois pour refroidir les par- ties électriques et pour isoler électriquement ces parties entre elles et par rapport à la cuve dans laquelle elles sont placéeso Cependant la fabrica- tion et l'emploi d'appareils isolés par un diélectrique liquide présentent certains inconvénients. Un inconvénient est la nécessité d'utiliser de gran- des quantités de diélectrique liquide, comme l'huile ou un diphényl chloré ou l'équivalent.
Les diélectriques liquides exigent de la surveillance et de l'en- tretien, parce qu'ils peuvent déposer de la boue ou sa détériorer en réagis- sant avec l'humidité et l'oxygène ou d'autres gaz réactifs pouvant pénétrer dans l'appareil électrique, et subir ainsi une diminution de leurs caracté- ristiques isolantes. Si un arc électrique se produit à l'intérieur d'un ap- pareil rempli de diélectrique liquide, il peut provoquer une explosion du un incendie, si le diélectrique est une huile'minérale, ou sinon produire des fumées halogènes corrosives et nocives dans le cas d'un diélectrique liquide chloré qui corrodent, au moins, l'intérieur de l'appareil. D'autres- inconvé- nients encore sont bien connus.
Le :nouveau transformateur du type "sec rempli de gaz ou refroi- di par l'air évite certains inconvénients de l'appareil rempli d'un diélec- trique liquide, mais il en présente d'autres qui lui sont propres. Un incon- vénient est dû à la faible rigidité diélectrique de l'air ou d'un gaz perma- nent analogue dans lequel les enroulements du transformateur peuvent être plongés, la tension de claquage ou de rupture entre enroulements et masse
<Desc/Clms Page number 2>
limitant les potentiels pouvant être utilisés. Le noyau et la bobine d'un transformateur à remplissage gazeux sont plus grands que ceux d'un trans- formateur à refroidissement par liquide de la même puissance nominale.
La construction de transformateurs du type sec constitue un problème plus dif- ficile que la construction de transformateurs à réfrigérant liquide, et leur calcul est un problème compliqué. En pratique, le transformateur à remplissage gazeux a une faible capacité de surcharge ce qui limite sa marche au-dessus de sa puissance nominale dans des conditions de charge anormales.
L'invention a pour but de procurer, dans'un appareil électri- que hermétique isolé au moyen de gaz ininflammables et inexplosifs et dont la chaleur produite en fonctionnement est dissipée par un mélange de gaz non condensables et condensables, le moyen de régler le refroidissement des gaz et la proportion ou rapport des gaz dans la cuve en fonction des conditions atmosphériques à l'intérieur de la cuve.
L'invention a aussi pour but de procurer un appareil électri- que enfermé contenant un gaz non condensable et un réfrigérant liquide vaporisable répandu sur l'appareil, dont la vapeur se mélange avec le gaz non condensable, et le moyen de régler la proportion vapeur-gaz du mélan- ge en fonction des conditions atmosphériques à l'intérieur de la cuve, de manière à maintenir une concentration minimum déterminée de vapeur dans la cuve pour avoir une tension de vapeur et une rigidité diélectrique va- peur-gaz minimum et une température minimum de fonctionnement de l'appa- reil.
D'autres buts ressortiront de la description donnée ci-dessous avec référence au dessin annexé.
La Fig. 1 est une vue schématique d'un transformateur construit suivant l'invention.
La Fig. 2 est une vue schématique partielle d'une autre forme d'exécution de l'invention, et
La Fig. 3 est une vue schématique partielle d'une troisième forme d'exécution de l'invention.
La Fig. 1 représente l'invention appliquée à un transformatéur 10 comprenant une cuve hermétique 12 contenant un noyau magnétique 14 avec des enroulements électriques associés 16 placés sur le fond de la cuve. Pour simplifier les dessins, les connexions vers les enroulements 16 et les iso- lateurs de passage normalement montés sur le dessus ou le couvercle de la cuve 12 ne sont pas représentés. Comme cela sera expliqué plus en détail par après, une couche 15 de matière calorifiquement isolante, comme de la fibre de verre ou analogue, peut entourer la cuve 12, étant maintenue par un man- teau métallique extérieur 17.
Comme la figure le montre, le fond de la cuve 12 est pourvu d'un puisard 18 dans lequel se trouve une quantité 20 de réfrigérant liquide va- porisable. La quantité 20 de réfrigérant liquide est relativement faible, comparée au volume de la cuve 12, puisqu'elle ne remplit normalement que le puisard 18, sans être en contact avec le noyau 14, ni avec les enroule- ments électriques 16.
Différents réfrigérants liquides vaporisables sont connus et peu- vent être employés. On peut citer, comme exemple de réfrigérant liquide va- porisable convenable, les perhalocarbures composés d'atomes halogènes à au moins 50% de fluor, le reste étant du chlore, avec un point d'ébullition compris entre 50 G et 225 Co Le choix du réfrigérant liquide vaporisable dé- pend évidemment un peu de la température supportée par l'isolant des enrou- lements électriques 16, sans dommage, et il peut même se porter sur des per- halocarbures ayant des points d'ébullition de 190 C et plus.
Comme exemples de perhalocarbures, on peut citer les monochloropentadécafluorodiméthylcyclo- hexane (C8 F15 CI) et (trifluorométhyl) monochlorotétrafluorobenzène, ce der- nier ayant un point d'ébullition de 137 C et un -point de congélation de -88 C, ainsi que le perfluorofluorane ayant un point d'ébullition de 190 G et un
<Desc/Clms Page number 3>
point de congélation de -60 C.
D'autres réfrigérants liquides vaporisables faisant partie de la classe des perhalocarbures précités et pouvant être utilisés, sont les composés fluorocarburés ne comprenant que du fluor et du carbone et bouil- lant entre 50 C et 150 C à la pression atmosphérique. On peut citer, comme exemples de composés fluorocarburés convenables, les perfluorométhylcyclo-
EMI3.1
hexane, perfluorodlméthyleyclohexane, 9 perfluoroheptane 9 perfluorohexane perfluorotoluèneg perfluoropropylcyclohexaneg perfluoroéthyleyclohexaneg et perfluorodiéthylcyclohexaneo Le point de congélation de ces fluorocar- bures liquides est considérablement en-dessous de zéro degré centigrade, de sorte qu'ils peuvent être utilisés dans presque toutes les conditions am- biantes pouvant exister en service.
D'autres perhalocarbures qui peuvent être utilisés dans l'appli-
EMI3.2
cation de l'invention sont le perfluoro-1-méthyl-naphtalène ayant un point d'ébullition de 161 C et un point de congélation de -75 C, le perfluoro-2- méthylnaphtalène ayant un point d'ébullition de 161 C et un point de con:
gélation en-dessous de -60 C, le perfluoroéthylcyclohexane ayant un point d'ébullition de 101 C et un point de congélation de -90 C, le perfluoro-m- diéthylcyclohexane ayant un point d'ébullition de 145 C et un point de con- gélation de -76 C, le perfluoropropylcyclohexane ayant un point d'ébulli- tion de 125 C et un point de congélation de -56 G et (trifluorométhyl) pen- tafluorobenzène ayant un point d'ébullition de 105 C et un point de congé- lation de -86 Co
Le perfluorométhylcyclohexane peut être utilisé avantageusement puisqu'il a un point d'ébullition de 76,3 C, une chaleur latente de vapori- sation de 22 calories par gramme au point d'ébullition, une chaleur spéci- fique de 0,
2 calorie par gramme, une densité de 1,8 et un point de congéla- tion en-dessous de -50 C. IL est entendu évidemment qu'on peut utiliser des mélanges de perhalocarbures, si chaque perhalocarbure a un point d'ébulli-
EMI3.3
tion compris entre 50 C et 225 C.
Le réfrigérant liquide 20 est appliqué aux enroulements électri- ques 16 par une pompe 24 disposée de façon à tirer le réfrigérant liquide 20 du puisard 18 et à l'envoyer par une canalisation 26 à un dispositif d'aspersion convenable 28 d'où le réfrigérant liquide .tombe en une fine pluie (non représentée) sur le noyau 14 et les enroulements 160 On peut u- tiliser d'autres procédés pour appliquer le liquide sur le noyau et les enroulements, à condition qu'ils conviennent à la disposition physique de l'appareil et principalement que le revêtement liquide soit réparti d'une fagon raisonnablement uniforme sur les parties qui doivent être refroidies.
En tombant ainsi, le réfrigérant liquide se répartit de lui-même en une mince couche (non représentée) autour des pièces électriques à l'intérieur de la cuve 12 et s'évapore librement sous l'effet de la chaleur des pièces électriques, refroidissant ainsi le noyau 14 et les- enroulements électri- ques 16.Quand le réfrigérant liquide s'évapore, ses vapeurs se mélangent avec le gaz non condensable présent dans la cuveg pour augmenter la rigidité diélectrique du gaz isolant remplissant la cuve 12.
Comme la cuve 12 est de préférence calorifiquement isolée par le revêtement 15, un réfrigérateur.,, comme le radiateur 30, communique avec la cuve 129 pour dissiper la chaleur du mélange vapeur-gaz à l'intérieur de la cuve 12 dans certaines conditions déterminées qui seront exposées en dé- tail par après. A cet effet, le collecteur supérieur 32 du radiateur 30 est relié9 par une canalisation 34 et un mécanisme à clapet 36, à la partie su- périeure de la cuve 12, et le collecteur inférieur 38 est relié, par une canalisation 409 à la partie inférieure de la cuve 12.
En vue de sa commande9 le clapet 36 est relié, par un levier à pivot 42, à l'extrémité d'un soufflet Sylphon 44, dont une ouverture commu- nique avec la canalisation 34, côté cuve du clapet 36, et qui est donc ac- tionné par la pression de vapeur à l'intérieur de la cuve 12.
<Desc/Clms Page number 4>
En pratique., une fois le transformateur monté et tous les joints rendus hermétiques de façon que la cuve 12 soit relativement hermétique aux gaz, dans le cas où on ne désire pas utiliser l'air comme gaz non condensa- ble, l'air emplissant la cuve et l'ensemble radiateur est évacué'suivant tout procédé classique et remplacé par un gaz inerte;, non condensable, isolant comme l'azote, sous une pression égale ou légèrement inférieure à la pres- sion atmosphérique.
Ensuite;, on introduit, dans le puisard 18 du transforma- teurg la quantité voulue de fluorocarbure liquideo La quantité de fluorocar- bure liquide doit être suffisante pour que ses vapeurs emplissent entière- ment la cuve et le radiateur associé à la température maximum du mélange gaz-vapeur pouvant être atteinte en fonctionnement, avec un excès suffisant sous forme liquide pour remplir la pompe et les tuyauteries de distribution.
En fonctionnement;, quand les enroulements 16 s'échauffent et que le fluorocarbure liquide est répandu sur ceux-ci., les vapeurs produites par la chaleur de l'appareil se mélangent avec le gaz non condensable et augmentent la rigidité diélectrique de l'atmosphère gazeuse dans la cuve 12.
Il est évident que, si la température des enroulements 16 augmente, suite à l'augmentation de la charge, il en est de même de la température et de la pression du mélange vapeur-gaz. Si le clapet 36 ne se trouvait pas dans la canalisation 34, le mélange vapeur et gaz non condensable pénétrerait dans le collecteur inférieur 38 du radiateur 30 et monterait dans celui-ci. Cet écoulement se fera, quel que soit le poids moléculaire, de cette manière, d'autant plus que la densité de la vapeur du réfrigérant liquide est net- tement supérieure à la densité du gaz non condensable. Dans le radiateur 30, la chaleur est extraite du mélange et la vapeur condensable se condense, re- venant sous forme liquide, par la canalisation inférieure 40, dans le pui- sard 18 de la cuve 12.
Le gaz non condensable refroidi, en retournant dans la cuve 12, diminue, la température et la tension de vapeur du mélange va- peur-gaz, ainsi que la rigidité diélectrique du mélange vapeur-gaz. Quand le transformateur est peu chargé, la rigidité diélectrique du mélange va- peur-gaz est donc faible.
Avee le clapet 36 dans la tuyauterie 34, au contraire, la ten- sion de vapeur du mélange gaz-vapeur dans la cuve 12 est réglée de façon à éviter ces grandes variations de pression de la vapeur et de la température, et à maintenir une température de fonctionnement minima et donc une rigi- dité diélectrique minimum du mélange gaz-vapeur.
En supposant que le trans- formateur fonctionne sous la charge maximum admissible avec, comme résultat, que le réfrigérant liquide répandu s'évapore au degré maximum et produit, en se mélangeant au gaz non condensable, une pression de vapeur maximum, la pression à l'intérieur de la cuve hermétique 12 actionne le soufflet 44 qui ouvre le clapet 36 de manière à laisser le mélange gaz-vapeur circuler librement dans le radiateur 30, comme décrit, dont la capacité de dissipa- tion de chaleur est utilisée à fond, le réfrigérant liquide condensé re- tournant du radiateur 30 dans le puisard 18 et le gaz non condensable re- froidi revenant dans la cuve 12. L'atmosphère refroidie peut contenir cer- taines vapeurs du réfrigérant liquide suivant la capacité de dissipation du radiateur et la vitesse de circulation du mélange vapeur-gaz, dans celui-ci.
Quand la charge du transformateur diminue et revient à la valeur minimum de la gamme des charges normales, la pression exercée sur le soufflet 44 dimi- nue et le clapet 36 se ferme progressivement jusqu'à la fermeture complète qui correspond à la charge minimum et qui empêche le mélange gazeux diélec- trique de passer par le radiateur 30.
Quand le clapet 36 est fermé, le mélange gaz-vapeur admis dans le radiateur 30 s'y refroidit,le réfrigérant liquide condensé retourne au puisard 18, mais le gaz non condensable est retenu dans le radiateur 30 qui, dans ces conditions, sert de réservoir d'accumulation du gaz non condensa- ble. En évitant ainsi le retour du gaz bloqué, il est évident que ce gaz refroidi n'a pas d'influence sur la température du mélange vapeur-gaz à l'intérieur de la cuve 12. Comme le réfrigérant liquide est appliqué sans interruption aux enroulements 16, la vapeur produite et mélangée au gaz non condensable restant dans la cuve 12, produit une plus forte concentration
<Desc/Clms Page number 5>
de vapeur dans la cuve 12, quand le clapet 36 est fermé.
En s'accumulant dans le radiateur 30, le gaz non condensable blo- que effectivement la circulation du gaz condensable vers le radiateur, de sorte que, même sans charge9 il y a une rigidité diélectrique élevée dans l'atmosphère de vapeur de la cuve 12. Le revêtement isolant 15 entourant la cuve 12 empêche aussi les pertes de chaleur à travers les parois de la cuve 12 et maintient ainsi la pression de vapeur et la rigidité diélectrique dans la cuve. Dans ces conditions de charge nulle ou minimum avec le clapet 36 fermé, une augmentation de la concentration de vapeur tend à compenser la diminution de pression et de température de la vapeur, et maintient une ri- gidité diélectrique à peu près constante dans l'atmosphère de vapeur.
Au lieu d'être commandé par la pression dans la cuve 12, le clapet 36 peut être actionné en fonction de la température à l'intérieur de la cuve 12, puisqu'il est clair que la pression et la température à l'inté- rieur de la cuve 12 sont interdépendantes. Dans la forme d'exécution repré- sentée à la Figo 2, le clapet 36 est actionné par un solénoïde 46 dont les enroulements dexcitation 48 sont en circuit avec une résistance à plots 50 dont les connexions peuvent être réglées par un curseur 52 commandé par un dispositif thermique convenable, comme le bimétal 54.
Ce dernier est placé à l'intérieur de la cuve 12 et choisi de façon que, pour une charge minimum et par conséquent une température minimum déterminée à, l'intérieur de la cuve 12, le bimétal 54 maintienne le curseur 52 de façon que le circuit soit ouvert et l'enroulement d'excitation 48 du solénoïde 46 déconnecté, le clapet 36 étant fermé dans ces conditions. Quand la charge et, par conséquent, la température dans la cuve 12 augmentent, le bimétal 54 fléchit et amène le curseur 52 à connecter le solénoïde 48 à sa source d'alimentation et à augmenter progressivement son excitation.
Quand le solénoïde 46 est excité, il ouvre le clapet 36 pour permettre au radia- teur 30 de refroidir efficacement le mélange vapeur-gaz admis et de régler la température de travail, la pression de vapeur et la rigidité diélectri- que du mélange vapeur-gaz de la manière décrite à propos de la forme d'exé- cution de la Figo 1.
On peut, au lieu d'utiliser une commande électrique fonctionnant en fonction de la température, comme dans la forme d'exécution de la Fige 29 employer une commande thermique simplifiée, comme représenté à la Figo 3.
Dans cette forme d'exécution, une ampoule 58, remplie d'un des liquides va- porisables bien connus (non représenté), est reliée à un soufflet Sylphon 64, par exemple par un tube 60 attaché à un support 62 monté sur la paroi de la cuve 12. Le soufflet 64 est connecté par la tige 66 au clapet 36.
Quand la température à l'intérieur de la cuve 12 augmente, le liquide à l'in- térieur de l'ampoule 58 s'évapore et applique une pression à l'intérieur du soufflet 64 lequel ouvre le clapet 360
Il est entendu que, dans les formes d'exécution décrites, l'ef- ficacité de l'appareillage dépend de la quantité relative de chaleur dissi- pée par le radiateur et la cuve 12 seulement, quand le transformateur est à charge maximum.
Le radiateur utilisé aura donc de préférence une capacité de dissipation de chaleur beaucoup plus considérable que la cuve seule, car si le radiateur a une plus grande capacité de dissipation de chaleur, l'ex- périence montre que l'appareil maintient mieux une pression, une températu- re et une rigidité diélectrique du mélange vapeur-gaz constantes dans la cuveg pour une gamme plus étendue de variations de chargée C'est pourquoi, il est préférable d'isoler calorifiquement la cuve 12, comme décrit dans la forme d'exécution de la Fige 1.
Quand on utilise, dans l'appareil décrit, des composés perhalo- carburés comme réfrigérant liquide 20, on a constaté que ces composés pro- duisent des vapeurs ayant des propriétés d'isolement électrique excellentes et coopérant avec le gaz non condensable dans la cuve pour donner une rigi- dité diélectrique excellente. Les vapeurs des composés perhalocarburés sont supérieures à pratiquement tous. les autres gaz, au. point- de vue rigidité
<Desc/Clms Page number 6>
diélectrique, facteur de puissance et résistance à l'effet couronneo Ces perhalocarbures ont une stabilité chimique et thermique excellente;, surpas- sée uniquement par celle des gaz permanents.
Leur effet de détérioration sur les matières et vernis ordinaires utilisés dans la fabrication de piè- ces électriques classiques, comme les enroulements et les bobines, est né- gligeable sinon nul. Le choix d'un réfrigérant liquide vaporisable détermi- né dépend évidemment un peu des matières et vernis utilisés dans la fabrica- tion de l'appareil électrique contenu dans la cuve 12, de façon à coopérer avec le gaz non condensable pour maintenir dans l'appareil électrique une température à laquelle la matière isolante ne subit pas de dommagesoAvec l'appareil décrit et en utilisant le mélange gaz-vapeur et la commande de réfrigération décrits, l'expérience a montré qu'il est possible d'augmenter les KVA nominaux de l'appareil électrique comparé aux transformateurs à li- quide diélectrique et à refroidissement par air connus.
Quoique l'invention ait été décrite dans son application aux transformateurs, il est entendu qu'elle peut aussi être appliquée à d'au- tres genres d'appareils électriques hermétiques comme, par exemple, les commutateurs, condensateurs, générateurs, selfs et analogues. Le réfrigé- rant liquide appliqué à l'appareil électrique pour le refroidir et pour produire le mélange vapeurs-gaz, peut être distribué de nombreuses maniè- res différentes pour obtenir un bon mélange qui extrait et dissipe effica- cement la chaleur de l'appareil électrique et l'isole bien. On obtient, dans tous les cas, un excellent transfert de chaleur et un bon réglage de la pression, de la température et de la rigidité diélectrique du mélange vapeurs-gaz,
REVENDICATIONS.
1.- Appareil électrique comprenant une cuve hermétique conte- nant un conducteur électrique, un gaz non condensable et un réfrigérant li- quide vaporisable à l'intérieur de la cuve, le réfrigérant liquide étant un fluorocarbure liquide bouillant à une température comprise entre 50 C et 225 C, un moyen d'appliquer en mince couche le réfrigérant liquide sur le conducteur électrique de manière à refroidir ce dernier principalement par la vaporisation du réfrigérant liquide, les vapeurs du réfrigérant et le gaz non condensable se mélangeant à l'intérieur de la cuve quand-les vapeurs se produisent de manière à constituer un milieu diélectrique iso- lant le conducteur de la cuve, un réfrigérateur communiquant directement, par son extrémité inférieure,
avec la partie inférieure de la cuve pour en recevoir le mélange de vapeurs et de gaz, une canalisation pour relier l'ex- trémité supérieure du réfrigérateur à la cuve, pour le retour du gaz non condensable et d'un peu des vapeurs mélangées vers la cuve, un clapet pla- cé dans la canalisation et normalement fermé pour empêcher le passage du gaz et des vapeurs dans cette canalisation, et un moyen d'ouvrir entière- ment le clapet en réponse à des changements déterminés dans l'atmosphère de la cuve, ce dernier moyen étant inopérant aussi longtemps que la tempé- rature du conducteur électrique n'atteint pas une- valeur déterminée,
et le gaz du mélange circulant dans le réfrigérateur y reste prisonnier alors que les vapeurs du mélange se condensent et retournent à la cuve de manière à séparer le gaz non condensable de la cuve et à remplir avec ce dernier le réfrigérateur, les vapeurs qui se produisent ensuite pendant que le dit der- nier moyen est inopérant, restant dans la cuve pour y établir une rigidité diélectrique donnée, le dit dernier moyen se mettant à fonctionner quand la température déterminée précitée est atteinte et actionnant le clapet de manière à laisser passer le gaz et la vapeur non condensée dans le réfrigé- rateur et la canalisation vers la cuve afin de maintenir le conducteur é- lectrique à la température donnée.
<Desc / Clms Page number 1>
ELECTRICAL APPLIANCE.
The present invention relates generally to electrical appliances, and more especially to appliances isolated by a fluid dielectric atmosphere and using a refrigeration device to remove the heat produced by the appliance in operation.
It is known in the electrical industry to insulate enclosed electrical devices by means of a dielectric liquid by immersing the active electrical parts in this liquid, both to cool the electrical parts and to electrically insulate these parts. between them and with respect to the tank in which they are placed. However, the manufacture and use of devices insulated by a liquid dielectric have certain drawbacks. One drawback is the need to use large amounts of liquid dielectric, such as oil or chlorinated diphenyl or the like.
Liquid dielectrics require monitoring and maintenance, because they can deposit sludge or deteriorate it by reacting with moisture and oxygen or other reactive gases that may enter the slurry. electrical appliance, and thus suffer a reduction in their insulating characteristics. If an electric arc occurs inside a device filled with liquid dielectric, it may cause an explosion or fire, if the dielectric is mineral oil, or otherwise produce corrosive and harmful halogen fumes in the case of a liquid chlorinated dielectric which corrode, at least, the interior of the device. Still other drawbacks are well known.
The new transformer of the "dry gas-filled or air-cooled" type avoids certain drawbacks of the apparatus filled with liquid dielectric, but has others of its own. This is due to the low dielectric strength of air or a similar permanent gas in which the transformer windings can be immersed, the breakdown or breakdown voltage between the windings and ground
<Desc / Clms Page number 2>
limiting the potentials that can be used. The core and coil of a gas-filled transformer are larger than those of a liquid-cooled transformer of the same rated power.
The construction of dry type transformers is a more difficult problem than the construction of liquid refrigerant transformers, and their calculation is a complicated problem. In practice, the gas-filled transformer has a low overload capacity which limits its operation above its rated power under abnormal load conditions.
The object of the invention is to provide, in a hermetic electrical apparatus isolated by means of non-flammable and inexplosive gases and of which the heat produced in operation is dissipated by a mixture of non-condensable and condensable gases, the means of regulating the cooling. gases and the proportion or ratio of gases in the tank as a function of the atmospheric conditions inside the tank.
It is also an object of the invention to provide an enclosed electrical apparatus containing a non-condensable gas and a vaporizable liquid refrigerant spread over the apparatus, the vapor of which mixes with the non-condensable gas, and the means of adjusting the vapor proportion. -gas of the mixture as a function of the atmospheric conditions inside the tank, so as to maintain a determined minimum vapor concentration in the tank in order to have a vapor pressure and a minimum vapor-gas dielectric strength and a minimum operating temperature of the appliance.
Other objects will emerge from the description given below with reference to the accompanying drawing.
Fig. 1 is a schematic view of a transformer constructed according to the invention.
Fig. 2 is a partial schematic view of another embodiment of the invention, and
Fig. 3 is a partial schematic view of a third embodiment of the invention.
Fig. 1 shows the invention applied to a transformer 10 comprising a hermetic tank 12 containing a magnetic core 14 with associated electrical windings 16 placed on the bottom of the tank. For simplicity of the drawings, connections to windings 16 and passage insulators normally mounted on the top or cover of vessel 12 are not shown. As will be explained in more detail later, a layer 15 of heat insulating material, such as fiberglass or the like, may surround the vessel 12, being held by an outer metal jacket 17.
As the figure shows, the bottom of the tank 12 is provided with a sump 18 in which there is a quantity 20 of vaporizable liquid refrigerant. The amount of liquid refrigerant is relatively small compared to the volume of the vessel 12, since it normally only fills the sump 18, without being in contact with the core 14, nor with the electrical windings 16.
Various vaporizable liquid refrigerants are known and can be employed. Mention may be made, as an example of a suitable vaporisable liquid refrigerant, perhalocarbons composed of halogen atoms containing at least 50% fluorine, the remainder being chlorine, with a boiling point between 50 G and 225 Co. vaporizable liquid refrigerant obviously depends a little on the temperature withstood by the insulator of the electrical windings 16, without damage, and it can even relate to perhalocarbons having boiling points of 190 C and more .
Examples of perhalocarbons that may be mentioned are monochloropentadecafluorodimethylcyclohexane (C8 F15 CI) and (trifluoromethyl) monochlorotetrafluorobenzene, the latter having a boiling point of 137 C and a freezing point of -88 C, as well as perfluorofluorane having a boiling point of 190 G and a
<Desc / Clms Page number 3>
freezing point of -60 C.
Other vaporizable liquid refrigerants belonging to the class of the aforementioned perhalocarbons and which can be used are the fluorocarbon compounds comprising only fluorine and carbon and boiling between 50 C and 150 C at atmospheric pressure. As examples of suitable fluorocarbon compounds, mention may be made of perfluoromethylcyclo-
EMI3.1
hexane, perfluorodlmethylyclohexane, 9 perfluoroheptane 9 perfluorohexane perfluorotolueneg perfluoropropylcyclohexaneg perfluoroethylyclohexaneg and perfluorodiethylcyclohexaneo The freezing point of these liquid fluorocarbons being able to be substantially zero centrade below zero centrade conditions is considerably below zero centrade conditions, which can be substantially below zero centrade conditions, in almost any centrade degree below exist in service.
Other perhalocarbons which can be used in the appli-
EMI3.2
cation of the invention are perfluoro-1-methyl-naphthalene having a boiling point of 161 C and a freezing point of -75 C, perfluoro-2-methylnaphthalene having a boiling point of 161 C and a con point:
freezing below -60 C, perfluoroethylcyclohexane having a boiling point of 101 C and a freezing point of -90 C, perfluoro-m-diethylcyclohexane having a boiling point of 145 C and a con - freezing of -76 C, perfluoropropylcyclohexane having a boiling point of 125 C and a freezing point of -56 G and (trifluoromethyl) pentafluorobenzene having a boiling point of 105 C and a freezing point - lation of -86 Co
Perfluoromethylcyclohexane can be used advantageously since it has a boiling point of 76.3 C, a latent heat of vaporization of 22 calories per gram at the boiling point, a specific heat of 0.
2 calories per gram, a specific gravity of 1.8 and a freezing point below -50 C. It is obviously understood that mixtures of perhalocarbons can be used, if each perhalocarbon has a boiling point.
EMI3.3
tion between 50 C and 225 C.
Liquid refrigerant 20 is applied to the electric windings 16 by a pump 24 arranged to draw liquid refrigerant 20 from sump 18 and send it through line 26 to a suitable sprinkler 28 from where the refrigerant. liquid falls in a fine rain (not shown) on the core 14 and the windings 160 Other methods can be used to apply the liquid to the core and the windings, provided they are suitable for the physical arrangement of the liquid. the apparatus and mainly that the liquid coating is distributed in a reasonably uniform way over the parts which are to be cooled.
By falling in this way, the liquid refrigerant distributes itself in a thin layer (not shown) around the electrical parts inside the vessel 12 and evaporates freely under the effect of the heat of the electrical parts, cooling thus the core 14 and the electric windings 16. When the liquid refrigerant evaporates, its vapors mix with the non-condensable gas present in the tank to increase the dielectric strength of the insulating gas filling the tank 12.
As the vessel 12 is preferably heat insulated by the liner 15, a refrigerator, such as the radiator 30, communicates with the vessel 129 to dissipate heat from the vapor-gas mixture within the vessel 12 under certain specified conditions. which will be discussed in detail later. To this end, the upper manifold 32 of the radiator 30 is connected9 by a pipe 34 and a valve mechanism 36, to the upper part of the tank 12, and the lower manifold 38 is connected, by a pipe 409 to the part. lower tank 12.
In view of its control9, the valve 36 is connected, by a pivot lever 42, to the end of a Sylphon bellows 44, an opening of which communicates with the pipe 34, on the tank side of the valve 36, and which is therefore actuated by the vapor pressure inside the tank 12.
<Desc / Clms Page number 4>
In practice, once the transformer has been mounted and all the joints made hermetic so that the vessel 12 is relatively gas-tight, in the event that it is not desired to use air as a non-condensing gas, the air filling the tank and the radiator assembly is evacuated following any conventional process and replaced by an inert gas, non-condensable, insulating like nitrogen, under a pressure equal to or slightly lower than atmospheric pressure.
Then, the required quantity of liquid fluorocarbon is introduced into the sump 18 of the transformer g The quantity of liquid fluorocarbon must be sufficient for its vapors to completely fill the tank and the associated radiator at the maximum temperature of the mixture gas-vapor attainable in operation, with sufficient excess in liquid form to fill the pump and distribution piping.
In operation ;, when the windings 16 heat up and liquid fluorocarbon is spread over them., The vapors produced by the heat of the apparatus mix with the non-condensable gas and increase the dielectric strength of the atmosphere carbonated in the tank 12.
It is obvious that, if the temperature of the windings 16 increases, following the increase in the load, so does the temperature and the pressure of the vapor-gas mixture. If the valve 36 was not in the pipe 34, the vapor and non-condensable gas mixture would enter the lower manifold 38 of the radiator 30 and rise therein. This flow will take place, whatever the molecular weight, in this way, especially as the density of the vapor of the liquid refrigerant is markedly greater than the density of the non-condensable gas. In the radiator 30, the heat is extracted from the mixture and the condensable vapor condenses, returning in liquid form, through the lower line 40, in the sump 18 of the tank 12.
The cooled non-condensable gas, on returning to the tank 12, decreases the temperature and the vapor pressure of the vapor-gas mixture, as well as the dielectric strength of the vapor-gas mixture. When the transformer is lightly loaded, the dielectric strength of the vapor-gas mixture is therefore low.
With the valve 36 in the pipe 34, on the contrary, the vapor pressure of the gas-vapor mixture in the tank 12 is adjusted so as to avoid these large variations in vapor pressure and temperature, and to maintain a minimum operating temperature and therefore minimum dielectric strength of the gas-vapor mixture.
Assuming that the transformer operates under the maximum allowable load with the result that the liquid refrigerant spilled evaporates to the maximum degree and produces, when mixed with the non-condensable gas, a maximum vapor pressure, the pressure at l The interior of the sealed vessel 12 actuates the bellows 44 which opens the valve 36 so as to allow the gas-vapor mixture to circulate freely in the radiator 30, as described, whose heat dissipating capacity is fully utilized, the condensed liquid refrigerant returning from radiator 30 to sump 18 and cooled non-condensable gas returning to vessel 12. The cooled atmosphere may contain some vapors of the liquid refrigerant depending on the dissipation capacity of the radiator and the speed. circulation of the vapor-gas mixture therein.
When the transformer load decreases and returns to the minimum value of the range of normal loads, the pressure exerted on the bellows 44 decreases and the valve 36 closes progressively until the complete closure which corresponds to the minimum load and which prevents the dielectric gas mixture from passing through the radiator 30.
When the valve 36 is closed, the gas-vapor mixture admitted to the radiator 30 cools there, the condensed liquid refrigerant returns to the sump 18, but the non-condensable gas is retained in the radiator 30 which, under these conditions, serves as a storage tank for non-condensing gas. By thus avoiding the return of the blocked gas, it is obvious that this cooled gas has no influence on the temperature of the vapor-gas mixture inside the tank 12. As the liquid refrigerant is applied continuously to the windings 16, the vapor produced and mixed with the non-condensable gas remaining in the tank 12, produces a higher concentration
<Desc / Clms Page number 5>
of steam in the tank 12, when the valve 36 is closed.
By accumulating in the radiator 30, the non-condensable gas effectively blocks the flow of condensable gas to the radiator, so that even without load9 there is a high dielectric strength in the vapor atmosphere of the vessel 12. The insulating liner 15 surrounding the vessel 12 also prevents heat loss through the walls of the vessel 12 and thus maintains vapor pressure and dielectric strength within the vessel. Under these zero or minimum load conditions with the valve 36 closed, an increase in the vapor concentration tends to compensate for the decrease in vapor pressure and temperature, and maintains a roughly constant dielectric strength in the atmosphere. of steam.
Instead of being controlled by the pressure in the vessel 12, the valve 36 can be actuated depending on the temperature inside the vessel 12, since it is clear that the pressure and the temperature inside. laughter of the tank 12 are interdependent. In the embodiment shown in Fig. 2, the valve 36 is actuated by a solenoid 46, the excitation windings 48 of which are in circuit with a resistor with pads 50, the connections of which can be adjusted by a slider 52 controlled by a suitable thermal device, such as bimetal 54.
The latter is placed inside the tank 12 and chosen so that, for a minimum load and consequently a determined minimum temperature inside the tank 12, the bimetal 54 maintains the cursor 52 so that the circuit is open and the excitation winding 48 of the solenoid 46 disconnected, the valve 36 being closed under these conditions. As the load and hence the temperature in vessel 12 increases, bimetal 54 flexes and causes slider 52 to connect solenoid 48 to its power source and gradually increase its excitation.
When the solenoid 46 is energized, it opens the valve 36 to allow the radiator 30 to effectively cool the admitted vapor-gas mixture and to regulate the working temperature, vapor pressure and dielectric strength of the vapor mixture. gas as described in connection with the embodiment of Fig. 1.
It is possible, instead of using an electrical control operating as a function of the temperature, as in the embodiment of Fig. 29, to employ a simplified thermal control, as shown in Fig. 3.
In this embodiment, an ampoule 58, filled with one of the well-known vaporizable liquids (not shown), is connected to a Sylphon bellows 64, for example by a tube 60 attached to a support 62 mounted on the wall. of the tank 12. The bellows 64 is connected by the rod 66 to the valve 36.
When the temperature inside the tank 12 increases, the liquid inside the bulb 58 evaporates and applies pressure inside the bellows 64 which opens the valve 360.
It is understood that, in the embodiments described, the efficiency of the apparatus depends on the relative quantity of heat dissipated by the radiator and the tank 12 only, when the transformer is at maximum load.
The radiator used will therefore preferably have a much greater heat dissipation capacity than the tank alone, because if the radiator has a greater heat dissipation capacity, experience shows that the device maintains pressure better, constant temperature and dielectric strength of the vapor-gas mixture in the tank for a wider range of load variations. Therefore, it is preferable to heat insulate the tank 12, as described in the embodiment from Fig 1.
When perhalocarbon compounds are used in the apparatus described as the liquid refrigerant, it has been found that these compounds produce vapors having excellent electrical insulating properties and co-operating with the non-condensable gas in the vessel to. give excellent dielectric strength. The vapors of perhalocarbon compounds are greater than virtually all. the other gases, at. rigidity point of view
<Desc / Clms Page number 6>
dielectric, power factor and resistance to corona effect. These perhalocarbons have excellent chemical and thermal stability, surpassed only by that of permanent gases.
Their deterioration effect on ordinary materials and varnishes used in the manufacture of conventional electrical parts, such as windings and coils, is negligible if not nil. The choice of a specific vaporizable liquid refrigerant obviously depends somewhat on the materials and varnishes used in the manufacture of the electrical apparatus contained in the tank 12, so as to cooperate with the non-condensable gas to maintain in the tank. electrical appliance a temperature at which the insulating material is not damaged o With the appliance described and using the gas-vapor mixture and refrigeration control described, experience has shown that it is possible to increase the nominal KVA of the electrical apparatus compared to known dielectric liquid dielectric and air-cooled transformers.
Although the invention has been described in its application to transformers, it is understood that it can also be applied to other kinds of hermetic electrical apparatus such as, for example, switches, capacitors, generators, chokes and the like. . The liquid refrigerant applied to the electrical appliance to cool it and to produce the vapor-gas mixture can be distributed in many different ways to obtain a good mixture which effectively extracts and dissipates heat from the appliance. electric and insulates it well. In all cases, excellent heat transfer and good pressure, temperature and dielectric strength of the vapor-gas mixture are obtained,
CLAIMS.
1.- Electrical apparatus comprising a hermetic tank containing an electrical conductor, a non-condensable gas and a liquid refrigerant vaporizable inside the tank, the liquid refrigerant being a liquid fluorocarbon boiling at a temperature between 50 C and 225 C, a means of applying in a thin layer the liquid refrigerant on the electrical conductor so as to cool the latter mainly by the vaporization of the liquid refrigerant, the vapors of the refrigerant and the non-condensable gas mixing inside the tank when the vapors are produced so as to constitute a dielectric medium insulating the conductor of the tank, a refrigerator communicating directly, by its lower end,
with the lower part of the tank to receive the mixture of vapors and gas, a pipe to connect the upper end of the refrigerator to the tank, for the return of the non-condensable gas and a little of the mixed vapors towards the vessel, a valve placed in the line and normally closed to prevent the passage of gas and vapors through that line, and a means of fully opening the valve in response to determined changes in the atmosphere of the line. tank, the latter means being inoperative as long as the temperature of the electrical conductor does not reach a determined value,
and the gas of the mixture circulating in the refrigerator remains trapped there while the vapors of the mixture condense and return to the tank so as to separate the non-condensable gas from the tank and to fill the refrigerator with the latter, the vapors which occur then while the said last means is inoperative, remaining in the tank to establish therein a given dielectric strength, the said last means starting to operate when the aforementioned determined temperature is reached and actuating the valve so as to allow the gas to pass. and non-condensed vapor in the refrigerator and piping to the vessel in order to maintain the electrical conductor at the given temperature.