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Appareils électriques
La présente invention concerne d'une manière générale un appareil électrique à induction et plus particulièrement un appareil comportant des enroulements encapsulés formés de con- ducteurs en bandes ou en feuilles minces émaillés.
On essaie depuis longtemps de diminuer le poids et l'en- combrement des appareils électriques à induction,tels que des trans. formateurs, tout en augmentant leur longévité. La demande crois- sante de transformateurs secs à puissance électrique accrue a parti- culièrement attiré Inattention sur le poids et l'encombrement des transformateurs. A des tensions de 15 KV ou même de 7 KV , le transformateur sec qui utilise comme isolant principal de l'air et des organes Isolants solides discontinus
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devient extrêmement volumineux comparé à un transformateur de même puissance refroidi par du fluide. Cela étant, il est souhaita ble de réaliser un transformateur sec qui soit notablement plus léger et moins encombrant que les transformateurs secs connus.
L'utilisation d'un isolant solide coulé'qui possède des qualités isolantes électriques environ 100 fois meilleures que l'air permet déjà de diminuer l'encombrement des appareils. L'iso- lant solide peut se rompre et l'une ou l'autre de deux façons différentes, par exemple par "perforation" à travers la masse de matière solide ou par "cheminement" autour des bords de l'isolant solide. La résistance de la plupart des isolants solides à une rupture per perforation est bien supérieure à la résistance à une rupture par cheminement en particulier si le trajet dé cheminement peut être contaminé par de l'humidité ou des particules conduc- trices.
Il est par conséquent souhaitable de précontraindre l'iso-
EMI2.1
lant solide de façon qu'il résiste uniquenmt à la perforation et d'éviter toute su@face précontrainte susceptible de se rompre par chemine- ment. L'isolation solide coulée,, au contraire de l'isolant solide appliqué sur des organes séparés, est continue autour des enroule- ments et ne comporte aucun bord ou aucune surface soumise à une rupture par cheminement. On isolant solide coulé améliore donc notablement le facteur encombrement d'un enroulement.
Les enrou- lements du transformateur peuvent être noyés ou encapsulés dans l'isolant solide coulé ce qui élimine les larges aisances de che- minement nécessaires dans des transformateurs isolés par de l'air et des organes solides discontinus. -
Mais on rencontre immédiatement des problèmes lorsqu'il s'agit d'encapsuler des enroulements dans un isolant solide ri- gide. Afin de donner satisfaction, l'isolant rigide doit posséder des propriétés physiques supérieures aux températures élevées, une conductibilité thermique élevée un coefficient de dilatation thermique très faible et d'excellentes caractéristiques de ré- sistance au fissurage.
Les compositions isolantes très rigides sont ,
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habituellement cassantes, présentent un degré de retrait ou de contraction élevé et une mauvaise résistance au fissurage. Si ces compositions isolantes rigides sont remplies d'une charge inerte pour diminuer leur fragilité et leur retrait et pour améliorer leur résistance au fissurage, l'isolant devient si visqueux qu'on ne peut plus le couler et le manipuler comme une résine de coulée.
Des résines flexibles peuvent offrir une excellente résistance au fissurage mais elles ont un coefficient de dilatation thermique extrêmement élevé et manquent de résistance aux températures éle- vées. Cela étant, il est souhaitable de réaliser un transforma- teur comportant un isolant solide rigide qui possède de bonnes propriétés physiques aux températures élevées, un faible coeffi- cient de dilatation thermique et d'excellentes caractéristiques de résistance au fissurage..
Un autre problème se pose lorsqu'on essaie d'encapsuler des enroulements électriques comportant des conducteurs classi- ques comprenant des fils métalliques. Il est difficile c'imprégner uniformément l'enroulement de la matière d'encapsulement visqueuse. ; Tous les vides produisent des barrières qui arrêtent la chaleur et forment des endroits où l'air est susceptible de s'ioniser sous l'effet des tensions intercouches élevées, provoquant un effet couronne et par conséquent des parasites et affectant les qualités de l'isolant. Des conducteurs tels que des fils mé- talliques ronds ou semi-ronds, outre qu'ils exigent une isola- tion entre les différentes couches de spires ainsi qu'une isolation entre les spires proprement dites, o n t un facteur d'encombre- ment déficient et augmente les dimensions de l'enroulement.
De plus, il est impossible d'utiliser de simples conduits métalliques à des fins de refroidissement pour former des trajets de circula- tion pour un fluide de refroidissement parce que la tension de l'enroulement varie continuellement dans la partie de l'enroule- ment qui contient les conduits.
Les conduits de refroidissement doivent donc être en une matière non conductrice ou doivent
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être formés par des noyaux amovibles qui sont moulés dans l'isolant solide et retirés après durcissement de l'isolant . Il est'par conséquent souhaitable de réaliser un enroulement comportant des conducteurs présentant un meilleur facteur d'encombrement et qui élimine les contraintes électriqntercouches que l'on trouve dans des enroulements classiques ainsi que l'isolation intercouche, diminuant ainsi 'les dimensions des enroulements tout en permettant que l'isolant solide n'imprègne pas complètement l'enroulement. ' Sans les contraintes électriques intercouches, l'effet couronne ne pose pas de problème.
On a constaté qu'on peut éviter cespro- blèmes en construisant les enroulements au moyen de conducteurs comprenant des bandes ou des feuilles métalliques minces qui présen- tent un excellent facteur d'encombrement et éliminent les contraintes. électriques et l'isolation intercouche. De plus,en utilisant comme conducteurs des feuilles minces ou des bandes métalliques,
on peut également utiliser des conduits de refroidissement métalliques parce que l'enroulement est à la même tension sur toute sa lar- geur aux endroits contenant les conduits de refroidissement et l'isolation intercalée entre les spires peut être éliminée en utilisant des bandes ou des feuilles minces revêtues d'une couche de matière isolante.-
Il est également souhaitable d'utiliser un isolant solide qui assure toute l'isolation électrique requise par l'enroulement et qui élimine toutes les matières cellulosiques absorbant de l'humidité.
Si on utilise cette construction, le transformateur. peut fonctionner comme un transformateur sec et ,sa puissance peut être considérablement accrue,lorsqu'on le désire,en refroidissant le transformateur au moyen d'un agent de refroidissement fluide. /1 On autre avantage lorsqu'on atteint toutes les qualités isolantes' requises par le transformateur au moyen d'un isolant solide est le fait que l'agent de refroidissement fluide peut être chois@ strictement pour ses propriétés de refroidissement. Il ne doit alors pas également servir d'isolant électrique. Quoiqu'on puissi
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utiliser de l'askarel, de l'huile ou du SF6, on peut également utiliser des agents de refroidissement peu coûteux tels que, l'eau.
Un transformateur comportant des enroulements coulés dans un isolant solide qui est imperméable à l'humidité peut être immergé directement dans une cuve d'eau qui augmente notablement sa puissance par rapport à sa puissance à sec. Si on utilise de l'huile ou de lskarel, il n'est pas nécessaire de rendre la cuve aussi étanche qu'avec des transformateurs connus parce qu'il n'est pas nécessaire de maintenir le fluide de refroidissement dans un bon état d'isolation électrique. Les isolateurs électriques de traversée peuvent donc être construits avec moins de soin et sont moinf coûteux.
La présente invention a pour but de procurer un appareil à induction électrique nouveau @t perfectionné utilisant une iso- lation solide pour encapsuler ses enroulements électriques.
Suivant l'invention, il est prévu un appareil à in- duction électrique comprenant un premier et un second enroulements placés dans une position d'induction avec un noyau magnétique et formés de conducteurs comprenant des bandes métalliques, la bande dans au moins un des enroulements étant revêtue d'un isolant électrique, et un isolant solide Coulé encapsulant au moins l'en- roulement formé de la bande de matière isolée et ayant en sub- stance le même coefficient de dilatation thermique que l'enroule- ment encapsulé.
L'invention atteint donc les buts précités en utilisant des conducteurs électriques tels que des bandes ou des feuilles minces en cuivre ou en aluminium pour former les.enroulements. La feuille mince est revêtue des deux côtés d'une couche d'émail isolant qui isole les spires les unes des autres, ce qui permet d'éliminer la nécessité d'interfolier les spires de l'enroulement au moyen d'une feuille isolante séparée. Les enroulements électri- ques sont encapsulés dans une résine époxyde spécialement pré- parée pour former un isolant rigide solide comportant de bonnes
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propriétés physiques à la température de travail maximum du transformateur, un faible coefficient de dilatatior. thermique, une conductibilité thermique élevée et d'excellentes qualités de résistance au fissurage.
Les qualités de résistance au fissurage de la résine permettent même de bobiner et de couler avec succès les sections à basse et à haute tension d'un enroulement si on le désire sans devoir placer un organe élastique entre'ces deux sec- tions.
La construction de l'enroulement élimine toutes les ma- tières absorbant de l'humidité et permet au transformateur d'être utilisé comme un transformateur sec, refroidi par un fluide, ou directement enterré. La résine époxyde utilisée assure une pro- tection électrique et mécanique complète des enroulements et éli- mine la nécessité de fritter les sections de l'enroulement.
L'isolant protège l'enroulement complètement contre des courts- circuits en raison de sa résistance mécanique accrue. Comme l'iso- lant solide procure l'isolation électrique nécessaire pour les enroulements, si le transformateur est refroidi par des moyens au- xiliaires, le fluide de refroidissement peut être choisi en ne tenant compte-que de ses propriétés de refroidissement parce qu'il ne doit pas servir d'isolant électrique.
Comme les enroulements sont formés de bandes ou de feuil- les minces conductrices, la bande ou la feuille mince est à la même tension sur toute sa largeur ce qui permet d'insérer des conduits métalliques peu coûteux dans les enroulements ou entre ceux-ci, transversalement aux spires.
Pour mieux faire comprendre l'invention, on en donne- ra une description détaillée ci-après, avec référence aux des- sins annexés dans lesquels : la Fig. 1 est une vue en élévation de face d'un transfor- mateur suivant l'invention; la Fig...2 est une vue en élévation de côté du transfor- mateur représenté sur la Fig. 1;
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la Fige) est une vue en plan du transformateur repré- sente sur les Fig. 1 et 2, représenté sans son boîtier et ses .cadres d'extrémité; la Fig. 4 est une vue en perspective de l'enroulement représenté sur les Fig. 1, 2 et 3 montrant les sections d'enrou- lement à haute et basse tension et la façon dont elles sont assem- blées;
la Fig. 5 est une vue en perspective d'un conduit de refroidissement qui peut être utilisé avec la construction d'enrou lement coulé suivant l'invention; la Fig. 6 est une coupe de l'enroulement suivant la li- gne VI-VI de la Fig. 3; la Fig. 7 est une vue en élévation de face d'un trans- formateur suivant une autre forme d'exécution de l'invention; lesfig. 8, 9 , 10 et 11 montrent plusieurs phases que l'on peut suivre pour construire le transformateur représenté sur la Fig. 7; la Fig. 12 montre une autre forme d'exécution de l'in- vention dans laquelle un transformateur construit suivant l'in vention peut être utilisé comme transformateur "draw-out"; et la Fig. 13 représente une autre forme d'exécution de l'invention dans laquelle un transformateur est directement en- terré.
Les dessins et plus particulièrement les Fig. 1, 2 et 3 sont respectivement des vues de face en élévation de c8té et en plan d'un transformateur 10 suivant l'invention. Le transforma- teur 10 comprend un enroulement 12 placé dans une position d'in- duction par rapport à des sections de noyau magnétique 14 et 16.
L'enroulement 12, dans cette forme d'exécution de l'invention, est en deux sections, une section haute tension 18 et une section basse tension 20. Les sections haute et basse tension 18 et 20 de l'enroulement peuvent être bobinées au cours d'opérations sé- parées et peuvent être assemblées concentriquement, la section
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basse tension 20 étant logée dans l'ouverture menagée dans la section haute tension 18. La Fig. 4 est une vue en perspective des deux sections 18 et 20 de l'enroulement et montre comment . une section est logée concentriquement ou coaxialement dans l'autre.
Les sections 14 et 16 du noyau magnétique sont construi- tes de n'importe quelle façon classique,par exemple en assemblant et en frettant des noyaux magnétiques bobinés du type C dans l'ou- verture formée dans la section basse tension 20 dé l'enroulement ou, comme le montrent les Fig. 1 et 2,,le noyau magnétique peut être obtenu en empilant des tôles 26 d'une matière magnétique les unes contre les autres et en les fixant entre des cadres d'extré- mité 22 et 24. Si les section' 14 et 16 du noyau magnétique sont faites d'un empilage de tôles 26 qui peuvent être en une matière magnétique telle que de l'acier au silicium à grains orientés dans un ou plusieurs sens, les tôles 26 sont disposées de manière à for- mer deux rectangles comportant chacun deux montants et deux tra- verses.
Un montant de chaque rectangle est placé'dans l'ouverture formée dans la section basse tension 20 de l'enroulement et les fenêtres des rectangles empilés permettent aux sections haute et basse tension 18 et 20 de l'enroulement d'être couplées par induction étroitement aux sections 14 et 16 du noyau magnétique.
La Fig. 6 est une coupe d'un enroulement 12 montrant les sections d'enroulement à haute et basse tension 18 et 20 respec- tivement en détail. Dans cette forme d'exécution de l'invention, la section haute tension 18 de l'enroulement comporte un conducteur en forme de bande ou de feuille mince 30 enroulé concentriquement sur un tube 32. L'enroulement est alors encapsulé dans un isolant solide rigide 34, les conducteurs de l'enroulement sortant à tra- vers l'isolant solide et étant connectés aux bornes 36 et 38,Fig.l et 2. Le tube 32 peut être fait d'une matière plastique ou d'une résine stratifiée ou de n'importe quelle autre structure isolante . électrique exempte de matières cellulosiques.
La bande ou la feuille mince conductrice 32 qui est en
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un métal conducteur tel que du cuivre ou de 1'aluminium est revé- tued'une couche d'émail isolant 40. L'émail isolant 40 peut com- prendre une résine telle qu'une résine époxyde et assure l'isola-' ! tion nécessaire entre les spires.
En utilisant un conducteur en bande au lieu d'un conducteur fil, on ne perd pas'de place et on obtient un enroulement présentant le meilleur facteur d'encom- brement possible; on élimine -également l'isolation inter- , couches qui est requise dans des enroulements utilisant des fils comme conducteurs.Comme la tension entre des spires adja- centes est toujours très faible dans un enroulement formé de ban- des ou de feuilles minces,l'isolant d'encapsulement 34 ne doit pas imprégner tous les vides dans l'enroulement lui-même. L'effet de couronne ne se produit pas aux tensions très basses qui existent entre les spires.
Un enroulement formé de feuille mince émaillée présente donc des dimensions ramenées à un minimum absolu, ne nécessite pas de feuillesisolantesséparéesentre les spires, éli- mine l'isolant intercouches ainsi que le problème consistant à im- prégner complètement l'enroulement.
Dans cette forme d'exécution particulière de l'inven- tion, le transformateur 10 doit être refroidi à l'air. Comme le transformateur n'est pas immergé dans un fluide de refroidissement, la section basse tension 20 ne doit pas être encapsulée dans l'iso- lant solide ce qui a pour effet de diminuer encore davantage les dimensions et le poids du transformateur 10.
La section basse tension 20 de l'enroulement est faite d'une bande ou d'une feuille mince conductrice 42 éventuellement en cuivre ou en aluminium ou en n'importe quelle matière appro- priée conduisant l'électricité, un isolant électrique 44 étant placé entre les spires. L'isolant électrique 44 peut être un émail isolant appliqué sur la bande elle-môme ou, comme le montre la Fig. 6,une feuille de matière non cellulosique séparée telle que du Mylar qui est interfoliée avec la bande conductrice 42 au mo- ment du bobinage de la section basse tension 20 de l'enroulement.
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L'isolant peut dépasser au-delà des bords extérieurs de la bande 42, comme indiqué au 46. Un ruban isolant tel qu'un ruban en ver- re 48 peut être 'enroulé autour des surfaces extérieures de la sec- tion basse tension 20 de l'enroulement. La section basse tension de l'enroulement comporte des conducteurs électriques 50 et 52. attachés au conducteur en bande 42.
Le transformateur 10 peut être mente dans un boîtier approprié 54, Fig. 1 et 2, ces conducteurs haute et basse tension étant connectés à des conducteurs électriques extérieurs (non're- présentés) à travers le fond du boîtier 54 où par l'intermédiaire de bornes appropriées montées sur le bottier 54 lui-même.
Comme le transformateur 10 doit être refroidi par une circulation d'air, le boîtier 54 doit contenir des ouvertures ou, des persistes permettant à l'air de pénétrer librement dans le bottier 54 et de sortir de ce dernier. Le boîtier 54 peut être éliminé si le transformateur 10 doit être placé dans un local spé- cial.
Pour contribuer davantage à refroidir le transformateur 10 à l'air, des conduits de refroidissement 60 peuvent être prévus dans les sections haute et basse tension 18 et 20 de l'enroulement respectivement pour permettre à l'air de s'écouler tout près des spires de l'enroulement. L'utilisation d'enroulements formés de bande ou de feuillesconductricessimplifie fortement le problème posé par la présence des conduits de refroidissement. Avec des conducteurs du type fil, la tension varie transversalement dans l'enroulement et les conduits doivent donc être moulés dans l'iso- lant solide lui-même par des noyaux amovibles que l'on enlève après durcissement de l'isolant solide, ou en utilisant des con- duits en une matière isolante.
Les conducteurs ep bande ou en feuille mince permettent d'utiliser un conduit métallique peu coû- teux, par exemple un conduit extrudé en aluminium représenté sur la Fig. 5,qui facilite fortement la transmission de la chaleur des enroulements à l'agent de refroidissement contenu dans les
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conduits. Les ailes saillantes 62-du conduit 60 peuvent être placées près de la feuille conductrice et de son isolant lorsque l'enroule- ment est bobiné,sans risquer descourts-circuits et de courants en cir- culation. L'air contenu dans les conduits de refroidissement est chauffé par les enroulements, qui obligent l'air à monter et à circuler naturellement, l'air chauffé sortant des conduits à leur extrémité supérieure et -l'air froid pénétrant dans les conduits à leur extrémité extérieure.
Le fond 66 du bottier 64 représenté sur.la Fig. 2 peut être ondulé et légèrement surélevé du plancher par un organe 68 pour permettre une circulation libre de l'air froid.
Afin.de diminuer ou d'éliminer en substance les con- traintes électriques appliquées à l'air entre les sections haute et basse tension 18 et 20 de l'enroulement, tout en permettant aux sections haute et basse tension 18 et 20 de l'en- roulement d'être étroitement couplées d'une manière concentrique avec un minimum d'espace entre elles, la section d'enroulement haute tension 18 peut être revêtue d'un vernis ou d'uns peinture conductrice indiquée en 70 sur la Fig. 4. Le vernis conducteur
70 peut être du type comportant un liant approprié dans lequel des particules de carbone sont mélangées, le vernis conducteur ayant une résistivité de l'ordre de 25.000 ohms/carré.
Afin de terminer le vernis conducteur avec un minimum de contrainte, une peinture anticontrainte 72 peut être appliquée sur le bord du vernis conducteur 70, surplombant le vernis conducteur 70 en 74 sur une courte distance par exemple de 1,27 cm .La peinture anticon- trainte 72 a une résistivité qui dépend de la tension, la résisti- vité du revêtement acquérant automatiquement la valeur la plus intéressante sur toute sa surface. Des peintures anticontraintes contenant des particules de carbure de silicium à raison d'envi- ron 25% en volume mélangées avec un liant résineux approprié ont donné d'excellentsrésultats.
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L'isolant coulé, solide, thermodurcissable, rigide 34 représenté sur la Fig. 6 doit avoir un coefficient de dilatation thermique compatible avec celui du conducteur en bande 30 qu'il doit encapsuler. De plus, l'isolant 34 doit avoir d'excellentes caracté- ristiques aux températures élevées auxquelles le transformateur doit fonctionner, une conductibilité thermique élevée, et'd'excel- lentes caractéristiques de résistance au fissurage.
Un isolant thermodurcissable rigide susceptible d'être coulé comportant un coefficient de dilatation thermique peu élevé et présentant de bonnes propriétés de résistance au fissurage est difficile à réaliser Des compositions isolantes rigides,à moins d'être fortement chargées . sont habituellement cassantes, ont un coefficient de retrait ou de contractionélevée et une mauvaise résistance au fissurage. Si ces isolants rigides sont fortement chargés pour diminuer leur fra- gilité et leur pouvoir de retrait et améliorer leur résistance au fissurage, l'isolant résultant est habituellement trop visqueux pour pouvoir être coulé et ne peut pas être manipulé comme une matière susceptible d'être coulée.
Des résines flexibles peuvent acquérir une excellente résistance au fissurage mais elles ont un coefficient de dilatation thermique extrêmement élevé, et sont mé- caniquementt@ès faibles aux températures élevées.
Une résine thermodurcissable, rigide qui s'adapte avec succès au coefficient de dilatation de l'aluminium (23,6 microcen- timètres par centimètre par o C)qui a d'excellentes caractéristiques de résistance auxtempératuresélevéeset au fissurage et une conducti- bilité thermique élevée et qui peut être coulée,'a présenté la compositions suivante:
,
EMI12.1
<tb> Matière <SEP> Parties <SEP> en <SEP> poids
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<tb> Résine <SEP> époxyde <SEP> , <SEP> 100 <SEP>
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<tb>
<tb>
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<tb> Equivalent <SEP> d'époxyde' <SEP> 180-210 <SEP>
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<tb>
<tb>
<tb> (Jones- <SEP> Dabney <SEP> "Epi-Rex <SEP> 510")
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<tb> Anhydride <SEP> hexahydrophthalique <SEP> 80
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<tb> Diméthyl <SEP> propylamine
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<tb> (Rohm <SEP> & <SEP> Haas <SEP> DMP-10) <SEP> 0,18
<tb>
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EMI13.1
<tb> Matière <SEP> Pârties <SEP> en.poids
<tb>
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<tb> Pigment <SEP> CR2O3 <SEP> 5,4
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<tb>
<tb> Silicate <SEP> d'aluminium
<tb>
<tb>
<tb> et <SEP> de <SEP> béryllium <SEP> en <SEP> particules <SEP> 506,
0
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Silice <SEP> colloïdale <SEP> anhydre
<tb>
<tb>
<tb> (John <SEP> L. <SEP> Cabot <SEP> "CAB-0-SIL") <SEP> 28,0
<tb>
L'anhydride hexahydrophtalique; est l'agent de vulcani- sation, la diméthyl propylamine est l'accélérateur qui régit le tem de vulcanisation, le silicate de béryllium et d'aluminium est le filtre qui réduit le retrait au minimum,abaisse le coefficient de dilatation thermique de la résine, assure une excellente çonducti- bilité thermique et produit la résistance au fissurage, et la silice colloïdale anhydre est un agent thixotropique qui empêche la char- ge de se déposer.
Une variante de cette composition de résine qui permet d'utiliser la résine dans des techniques de fabrication en grande série en Remettant aux constituants résineux et auxconsti- tuants de vulcanisation d'être mélangés à la température de coulée( 100 C lorsque le mélange de coulée est requis,est la suivante :
EMI13.2
<tb> Matière <SEP> Parties <SEP> en <SEP> -poids
<tb>
<tb> Résine <SEP> époxyde <SEP> 100
<tb> Equivalent <SEP> d'époxyde <SEP> 180-210
<tb>
<tb> Un <SEP> mélange <SEP> de <SEP> 85% <SEP> d'anhydride <SEP> hexahydrophtalique <SEP> et <SEP> de <SEP> 15% <SEP> d'anhydride
<tb> tétrahydrophtalique <SEP> 72
<tb>
EMI13.3
Anhydride hexahydrophta7aque 8
EMI13.4
<tb> Silicate <SEP> d'aluminium <SEP> et <SEP> de <SEP> béryllium
<tb>
<tb>
<tb> en <SEP> particules <SEP> 503
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb> Silice <SEP> colloïdale <SEP> anhydre <SEP> 18,
0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Un <SEP> produit <SEP> d'un <SEP> mélange <SEP> équimolaire <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb> titanate <SEP> de <SEP> triéthanolamine <SEP> et <SEP> de <SEP> bibo-
<tb>
<tb>
<tb> rate <SEP> de <SEP> trihexylène <SEP> glycol <SEP> (voir <SEP> bre-
<tb>
<tb>
<tb> vet <SEP> américain <SEP> n <SEP> 2.941.981 <SEP> cédé <SEP> à <SEP> la
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<tb>
<tb> Demanderesse) <SEP> 0,50
<tb>
La composition, de résine modifiée donne les mêmes résultats que la première composition et permet demmagasiner la matière à des températures de coulée pendant de longues pério- des tout en produisant encore une composition de résine suscepti-
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ble d'être coulée.
En résumé, le transformateur sec représenté sur les Fig. 1 à 6 utilise un conducteur en feuille mince ou en bande isoléeun isolant thermodurcissable solide coulé, et .une peinture anticontrainte, d'une manière produisant une structure exempte d'effet '. couronne et à haute tension qui soit notablement plus légère et plus compacte que les transformateurs connus de ten- sion et de puissance équivalentes. Par exemple, un transformateur. de 167 KVA équipé d'une isolation de la classe 15.KV construit suivant l'invention pèse 772 kg. Le transformateur sec classique isolé par de l'air et des organes solides discontinus pèse environ 1.453 kg.
Le transformateur sèc qui utilise de l'isolant solide mais des conducteurs du type fil classiques pèse environ 999 kg. On obtimt donc un allégement substantiel des trans- formateurs secs et l'encombrement diminue approximativement dans la même -proportion. ,
Le type de construction représenté sur les Fig. 1 à 6 comme décrit plus haut peut être modifié pour.procurer des trans- formateurs susceptibles d'être enterrés pour des installations de distribution souterraines et pour des transformateurs refroi- dis par un fluide. La modification consiste simplement à encapsu- ler l'enroulement basse tension au moyen de la composition isolante solide coulée utilisée pour encapsuler l'enroulement haute tension du transformateur représenté sur les Fig. 1 à 6.
La Fig. 7 est une vue en élévation de face d'un trans- formateur 80 qui comporte un enroulement 82 placé dans une position d'induction par rapport à des sections de noyaux magnétique 84 et
86, tous ces éléments étant logés dans un bottier ou une enceinte métallique appropriée 88 (représenté en coupe). Un fluide 90 est contenu dansl'enceinte 88 pour entourer et refrodir l'enroulement
82 et les sections de noyaux magnétique. 84 et 86. Le fluide 90 peut être un gaz tel que du SF6 ou un liquide tel que de l'askarel de l'huile ou de l'eau. Comme la composition isolante solide isole
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complètement l'enroulement 82, on peut choisir le fluide isolant en ne tenant compte que de ses propriétés isolantes.
Par consé- quent, comme on ne choisit le fluide que pour ses qualités de re- froidissement, il ne faut faire aucun compromis et on peut uti- liser d'excellents agents de refroidissement comme l'eau en toute liberté. Le transformateur 80 peut fonctionner sans refroi- dissement auxiliaire si on le désire,étant uniquement refroidi par l'air à une certaine puissance, puis, s'il le faut, on peut augmenter notablement sa puissance en le plaçant dans une enceinte ou un boîtier et en remplissant le bottier d'un agent de refroi- dissement fluide.
Si les enroulements haute et basse tension d'un transformateur sont tous; deux encapsulés, dans un isolant solide coulé et si sa puissance comme transformateur sec est supposée être de 100%, sa capacité est accrue de 40% s'il est refroidi à l'huile et de 125% s'il est refroidi à l'eau.
Un procédé approprié pour construire un transformateur 80 dans lequel les enroulements haute et basse tension sont com- plètement encapsulés dans un isolant solide coulé est représen- té sur les Fig. 8 à 11. Sur la Fig. 8, un enroulement basse ten- sion 90 d'un conducteur en bande ou en feuille mince revêtu d'une couche d'émail isolant est enroulé sur un tube isolant 92, fait de la même matière isolante coulée que celle utilisée pour encap- suler les enroulements ou d'une autre matière isolante électrique appropriée.
Lorsque l'enroulement basse tension 90 a été bobiné, , et comporte le nombre désiré de spires 94 séparées par la couche d'émail, et que des conducteurs électriques 96 et 98 Y ont été attachés, on place l'enroulement 90 et le tube 92 dans un moule et on coule de l'isolant rigide solide 100 autour de l'enroulement basse tension comme le montre la Fig. 9. Cet isolant peut être de la même composition isolente solide que celle décrite plus haut avec référence aux Fig. 1 à 6. Comme le montre la Fig. 10, une section d'enroulement haute tension 102 est alors bobinée directe- ment sur l'isolant solide, coulé 100 et des conducteurs haute
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tension 104 et 106 y sont attachés.
On place ensuite ce montage dans un moule et on coule de l'isolant solide 110 autour de l'en- roulement haute tension 102. On peut noyer un écran conducteur (non représenté) dans l'isolant coulé 100 entre l'enrpulement bas- se tension 90 et l'enroulement haute tension 102 au moment de la coulée,si on le désire,afin de diminuer les contraintes électri- ques entre les sections d'enroulement.
On peut appliquer une couche imperméable à l'eau exté- ' rieure 111 sur l'enroulement après avoir coulé l'isolant 110,si le transformateur 80 doit être directement immergé dans l'eau. Lors- que les résinés chargées sont immergées dans l'éau, elles peuvent absorber de petites quantités d'eau en une période de temps pro- longée. Afin d'empêcher cette absorption progressive, on peut uti- liser une résine non chargée telle qu'une résine époxyde ou des compositions contenant, par exemple, du caoutchouc de butadiène- styrène-ou du caoutchouc de silicone pour revêtir le montage.
La composition isolante décrite plus haut rend les dif- férentes techniques de coulée successives représentées sur les
Fig. 8 à 11,possibles. Avec d'autres compositions de résine, afin d'empêcher l'isolant de se fissurer entre les sections d'enroule- ment à haute et basse tension pendant le cyclage thermique, il est nécessaire de couler les enroulements haute et basse tension séparément et de les réunir au moyen d'une matière flexible qui absorbe les contraintes. Mais la composition isolante décrite pos- sède d'excellentes qualités à la température à laquelle le trans- formateur doit travailler, un coefficient de dilatation thermi- que qui s'adapte au coefficient de dilatation thermique des con- ducteurs encapsulés, une conductibilité thermique élevée et une excellente résistance au fissurage.
Ces qualités permettent les différentes techniques de coulée représentées sur les Fig: 8 à 11 sans fissurage ultérieur entre les enroulements haute et basse tension.
Des conduits métalliques comme décrit plus haut et re- présentés sur la Fig. 5 peuvent être logés dans la structure des
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enroulements si on le désire.
Comme le montre la Fig. 7, comme le fluide 90 ne doit pas posséder de qualités isolantes, les isolateurs de traversée à haute tension 112 et'114 connectés aux connecteurs électriques 104 et 106,respectivement,et l'isolateur basse tension (non représen- té) ne nécessitent pas de joint d'étanchéité compliqué.
La construc tion des isolateurs peut donc être fortement simplifiée, ce qui diminue leur prix de revient. ,
Si on utilise le transformateur 80 en le refroidissant au moyen d'un liquide tel que de l'eau, on peut ajouter un inhibi- teur de rouille à l'eau pour empêcher le noyau magnétique de.rouil-'. ler@ou on peut revêtir le noyau magnétique d'une matière imper- méable à l'eau telle qu'une couche fluidisée de résine époxyde. ; D'autres parties telles que les cadres d'extrémité peuvent être' construites en aluminium.
Pour augmenter l'efficacité de la transmission de la chaleur de la surface de l'enroulement 82 du transformateur 80, s'il est refroidi par un liquide, la surface 120 de l'enroulement
82 représenté sur la Fig. 7 peut être rendue rugueuse par sabla- ge, polissage au moyen d'un abrasif ou par d'autres moyens appro- priés pour produire une surface qui crée une ébullition naissante.
L'ébullition naissante se produit dans de petites cavités.ou creux de la surface 120'de l'enroulement 82 lorsque la surface de l'en- roulement atteint le point d'ébullition de l'agent de refroidisse- ment liquide et que l'agent de refroidissement liquide est en des- sous de son point d'ébullition. Pendant l'ébullition naissante,de minuscules bulles sont produites dans la plupart des cavités oucreux et s'en détachent ce qui augmente fortement la transmission de la chaleur de la surface à refroidir. Les cavités superficielles doivent être très petites afin de former de bons logements pour les bulles, les diamètres des logements des bulles étant compris entre 0,00013 et 0,013 mm.
Comme décrit plus haut, les transformateurs comportant
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des sections d'enroulement haute et basse tension encapsulées peuvent être utilisés à sec ainsi qu'avec un fluide de refroidis- semant.. La Fig. 12 représente una forme d'exécution de l'inven- tion dans laquelle le transformateur fonctionne à sec. Plus par- ticulièrement, la Fig. 12 représente un transformateur 130 monté sur un chariot 136 comportant des roues 138 qui roulent sur 'des rails 140 et sont guidées par ceux-ci. Le transformateur 130 est un transformateur sec comportant un enroulement ensapculé 132 comprenant des sections d'enroulement haute et basse tension com- portant des conducteurs 148 et 142 respectivement.
Les conducteurs 148 et 142 sont isolés et traversent un organe de renforcement 154 pour se terminer dans des connecteurs du type à baïonnette 155 et 157, respectivement. Les conducteurs haute tension 148 se terminent dans la partie mêle d'un connecteur à baïonnette 155, cette partie mâle 150 faisant contact avec un conducteur intérieur dan3 la partie femelle 152 du connecteur 155. Les conducteurs basse tension 142 se terminent dans une partie femelle du connecteur à baïonnette . $7, dont la partie mâle 144 qui part de la partie 146 fait contact avec un conducteur intérieur dans le connecteur à 'baïonnette 157.
Le transformateur 130 est donc complètement "isolé" puisque les enroulements sont encapsulés, les conducteurs électri- ques sont isolés et les connexions situées à l'extérieur des con- ducteurs sont complètement enfermées. Aucune borne sous tension n'est donc exposée. Il n'est pas nécessaire de prévoir un boitier ni des isolateurs de traversée électriques classiques.
Le transfor- mateur 130 peut être utilisé comme un transformateur "à tiroir" ce qui permet d'ouvrir ou fermer les circuits primaire et secondaire, lorsqu'on le désire, simplement en déplaçant le transformateur horizontalement. Le personnel d'entretien ne doit donc pas tra- vailler sur le transformateur prés de parties sous tension non isolées et peut facilement déconnecter le transformateur de la source de courant électrique ou l'y connecter en toute sécurité.
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La construction de transformateur décrite, dans laquelle les enroulements du transformateur sont complètement encapsulés dans un isolant solide résistant à l'humidité et à la corrosion,' est idéale pour être directement enterra par exemple dans des installations de distribution souterraines.Mais la disposition du transformateur dans la terre modifie considérablement la puis- sance du transformateur parce qu'il est alors difficile d'évacuer la chaleur rapidement du transformateur,en particulier dans un sol , sec.
On a parfois recouru à des chambres blindée et des refroidis- seurs de surface auxiliaires compliqués mis ils sont coûteux et .l'aspect des refroidisseurs de surface diminue l'avantage d'en- terrer le transformateur. une forme d'exécution de Invention qui résout ce pro- bléme est représentée sur la Fig. 13.Plus particulièrement, la
Fig. 13 représente un transformateur sec 160 construit suivant l'invention,dans lequel l'enroulement 162, placé dans une posi- tion d'induction par rapport au noyau magnétique 164, est complè- tement encapsulé dans une isolation solide coulée, comme décrit plus haut.
Les conducteurs haute tension 166 et 168 sont isolés et forment des connexions étanches à l'eau 202 avec les conduc- teurs de courant 204 et 206 venant de la source primaire. Les conducteurs basse tension 170 et 172 sont également isolés et forment des connexions étanches à l'eau 200 avec des conducteurs secondaires ou conducteurs de service 171 et 173.
Le transformateur 160 est logé dans une fosse 179 creusée dans la terre 180 et une grande vessie en caoutchouc ou'en matière plastique épaisse 182 est placée dans la fosse 179 pour couvrir le dessus et au moins une partie des côtés du transfor- mateur 160. Comme le montre la Fig. 13, .la vessie en matière plastique épouse le profil du transformateur 160 et est en liaison thermique étroite avec lui. La vessie 182, qui peut être en polyéthylène linéaire de haute densité et qui a une épais-
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seur de paroi d'environ 0,25 mm est alors garnie d'une matière de support mécanique ou charge 180,telle que du sable et du gravier,puis est remplie d'eau.
Le poids de la charge 184 et en particulier de l'eau, oblige la vessie 182 a épouser étroite- ment l'enroulement 162 et le noyau magnétique 164.La vessie est alors fermée et l'ouverture 179 de la fosse est remplie de terre 186. La masse de l'eau dans la vessie 182 combinée avec la transmission de la chaleur relativement bonne à travers les parois de l'interface en matière plastique de la vessie 182 donne une température à la 'surface du transformateur qui n'est que de quelques degrés su- périeure à celle de l'eau qui l'enteure.
La vessie 182 est suf- fisamment grande pour empêcher l'eau d'atteindre son point d'ébul- lition et procure donc une installation de transformateur qui péut fonctionner sans variation de puissance et qui a une grande capacité de surcharge. Le prix de revient de l'évacuateur de chaleur (la vessie remplie 182) est faible bien qu'il constitue un évacua- teur de chaleur permanent et efficace.
L'eau peut rester dans la vessie pendant de nombreuses années. Mais un tuyau 190 comportant un bouchon approprié peut être placé de manière à communiquer avec la vessie 182 par une ouverture étanche à l'eau étroitement ajustée de sorte que de l'eau peut être ajoutée à des intervalles périodiques, si on le désire.
On a donc décrit une construction de transformateur nouvelle et perfectionnée qui peut fonctionner à sec, être refroidie ' par un fluide ou être enterré . Si le transformateur est utilisé comme , transformateur sec, il possède de nombreux avantages par rapport au transformateur sec classique parce qu'il est nota- blement plus petit et plus léger et qu'il est plus sûr. A des ni-. veaux de tension situé.: dans la gamme de 15KV, un transformateur sec construit suivant l'invention peut être jusqu'à 50% plus lé- ger que les transformateurs secs classiques.
Si le transformateur est utilisé comme , transformateur
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refroidi par un fluide, il est capable d'utiliser l'agent de re- froidissement le plus efficace, même de l'eau, indépendamment de ses qualités isolantes électriques. La composition isolante thermo- durcissable rigide coulée utilisée dans l'invention procure une protection électrique et mécanique complète pour les enroulements.
L'agent de refroidissement ne doit pas ajouter des qualités iso- lantes électriques supplémentaires à la.composition.
La construction d'un transformateur suivant l'invention, ; permet d'enterrer ce transformateur directement dans le sol sans chambres. blindées o@ refroidisseurs de surface coûteux, et le trans- formateur peut alors être utilisé dans des installations de distri- bution souterraines. En utilisant un évacuateur thermique, simple et peu coûteux comme décrit, on peut faire fonctionner le trans- formateur sous terre sans variation de puissance et avec une ca- pacité de surcharge substantielle.
L'invention possède de nombreux autres avantages, par exemple le fait qu'avec les enroulements formés de conducteurs en bande ou en feuille mince, il n'est pas nécessaire d'imprégner complètement la structure de l'enroulement.Il n'y a aucune ten- slon entre les couches d'enroulement en feuille ou bande mince et l'isolation des conducteurs ne doit donc résister qu'aux faibles tensions ihterspires. L'effet couronne ne pose par conséquent pas de problème et l'élimination de l'isolant intercouche diminue encore la dimension et le prix des enroulements. De plus, les enroulements en bande ou feuille mince résistent sans dommage a des forces magnétiques élevées telles que celles exercées sur des enroulements électriques pendant des conditions de court-circuit.
Il est également inutile de fretter les enroulements parce que la - composition isolante solide rigide assure le support mécanique né- cessaire. L'isolant émaillé appliqué sur la bande élimine la né- cessité d'interfolier une feuille d'isolant appropriée entre la bande au moment du bobinage et procure donc un bobinage peu coûteux présentant un facteur d'encombrement excellent.
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Quoiqu'un transformateur monophasé ait été représenté et décrit, il est clair qu'un transformateur polyphasé peut être construit suivant les principes de l'invention tout en conservant tous les avantages cités plus haut.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux détails d'exécution décrits auxquels des changements et des modifications peuvent être apportés sans sortir de son cadre.
REVENDICATIONS.
EMI22.1
¯¯¯¯--¯¯¯¯--¯-¯¯¯-¯....¯¯..--¯¯ l.- Appareil électrique à induction, caractérisé en.ce qu'il comprend un premier et un second enroulement disposés dans une position d'inductionpar rapport à un noyau magnétique et formés de conducteurs électriques en bande, les conducteurs en bande dans au moins un des enroulements étant revêtus d'une couche de matière isolante et un isolant solide coulé encapsulant au moins l'enrou- lement formé du conducteur en bande isolé et ayant en substance le même coefficient de dilatation thermique que l'enroulement en- capsulé.