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Appareil d'induction à haute tension
Cotte invention concerne un appareillage d'in- duction à hauto tension et plus particulièrement des trans- formatours et dos bobinas do réactance qui emploient un noyau isolant..
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La demande toujours croissante pour plus d'énorgie , électrique et pour une énergie électrique moins chère se heurte à des prcblèmos techniques et esthétiques croissants concernant le désir do garder l'attrait des zones habi- tées. Pour faire face à co besoin permanent de plus d'éner- gie électrique sans implanter dans los cités et les zones suburbaines do nouveaux systèmes de transmission et de nouvelles centrales électriques, les compagnies productri- ces d'énergie électrique construisent actuellement dos centrales dans dos régions éloignées, situées près de. la source soit des grandes quantit6s de puissance hydraulique soit dos grands gisements de charbon.
On peut transmettre
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plus économiquement cotte énergie vers les centres chargés . on utilisant des lignes de transmission aériennes. Cepen- dant, du fait de l'accroissement do la densité de popula- tion et du désir de conserver les valeurs économiques et esthétiques de la région, il est do plus en plus difficile d'obtenir les droits de passage d'une voie. Ainsi, il est devenu nécessaire d'augmenter plusieurs fois la capacité do transmission d'énergie des lignes de transmission exis- tantes, et do prévoir encore d'autres accroissements de l'énergie dans le futur. Pour ces raisons et pour d'autres, l'industrie électrique so convertit rapidement aux très hautes tensions pour la transmission de l'énergie électri- que.
On considère comme étant de la très haute tension los tensions ligne à ligne dépassant 345 KV ; on a construit récemment des systèmes à 500 KV. et en a annoncé des projets pour construire des systèmes à 750 KV. Do telles hautes ten- sions permettent le transfert d'une plus grande énergie sur dos zones géographiques étendues. Cette évolution vers les hautes tensions est fondamentale pour faire face aux bosoinsr en énergie que l'on peut prévoir pour les doux prochaines décades. On utilisera également des intorconnexiens à très haute tension peur répondre aux demandes do pointe sur do grandes régions et pour améliorer la sécurité do fonctionne- ment de tout le système.
Bien qu'il y ait dos raisons économiques et tach- nologiques importantes pour l'utilisation de la très haute tension on a rencontré do sérieuses difficultés dans la con- ception de terminaux surs et d'équipement do ligne pour être utilisés à ces niveaux élevés de tensions. La simple extension des concepts do la technique antérieure à l'équi- pemont à très haute tension s'est montrée inadaptée et de nouveaux concopts dans l'équipement pour la traitement de l'énergie aux très hautes tensions sont clairement requis.
On a spécialement besoin de nouveaux transformateurs et do nouvelles bobines de réactance capables d'un comportement
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isolant sûr à cos très hautes tensions et caractérisés par une utilisation plus efficace do leurs matériaux ot de leur volume,
Sous sa forme la plus simple un transformateur consiste en doux bobines conductrices ayant une très fcrte inductance mutuelle. L'enroulement primaire est cette bo- bine qui reçoit l'énergie électrique et l'enroulement se- condaire est cette bobine qui fournit l'énergie induite à l'intérieur par les courants s'écoulant à travors l'enrou- lement primaire.
Dans la pratique courante les bobines sont enroulées sur un noyau de matériau magnétique. Dans les transformateurs à très haute tension la nécessité d'accroi- tre l'isolement entre los enroulements à haute tension et le ncyau mis à la masse affecte d'une façon défavorable les caractéristiques do fonctionnement, le cent et la sécurité de l'isolement de l'appareil.
De plus il est essentiel que les transformateurs construits pour fonctionner à très haute tension soient con- çus pour éviter ou supporter les forces grandement augmen- tées liées aux court-circuits, aux impulsions de tension, aux ccurants transitoires do commutation etc.
On a fait des essais peur résoudre ces problèmes avec des transformateurs conçus suivant les techniques existantes en accrcissant l'isolement requis et les dis- tancos do contournement. Cependant, il est devenu apparent que ces extensions classiques de la technique antérieure laissaient des problèmes sérieux ncn résolus dans le con- trtle do la distributicn du champ électrique et que l'ap- pareillage à très haute tcnsicn allait vers un volume exces- sif et vers des caractéristiques d'isolement incertaines.
Ce dilemme restait sans solution jusqu'à ce que la présente inventicn soit conçue. La présente inventicn ncn seulement r6scut ces problèmes mais fournit un nouveau transformateur à très haute tension d'une haute efficacité
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électrique et spatiale (vclumique), et capable d'offrir une conception sûre môme pour dos vcltages plus hauts que ceux envisages actuellement.
Les grands transformateurs à ncyau magnétique à courant alternatif, comme on les ccnnaissait dans la tech- nique existante sent des appareils pratiques et très effi- caces peur la transformation de la puissance dont la dispo- nibilité a rendu possible les systèmes modernes de puissan- ces à ccurant alternatif. Cependant, lorsqu'ils sont can- çus classiquement pour fonctionner aux très hautes tensions, envisagées par cette invention,le problème d'isolement de la tensicn que l'on peut résoudre aisément aux basses ten- sicns devient difficile et, à la limite, capable de culmi- ner en un claquage catastrophique.
L'invention a pour but de résoudre un tel prcblè- me d'isolement aux très hautes tensions mises en jeu ici.
Une bobine de réactance pour des systèmes élec- triques de puissance est essentiellement une bobine d'impé- dance à haute tension et à forte puissance utilisée comme un facteur do puissance élevée à charge inductivo, Ordinai- rement de tels appareils comprennent une bobine et un cir- cuit magnétique liés do façcn à dcnner une haute réactan- ce et une basse résistance. On utilise ordinairement los bcbines do réactance comme bcbines do réactance shunts sur les longues lignes peur fournir ou compenser le courant de charge de la ligne.
Avec l'avènement des très hautes ten- sions les bobines de réactance shunts prennent une impor- tance accrue, Par exemple dans les systèmes à très hautes tensicns les courants ddphas6s on avant peuvent provoquer dos tensicns excessives au bout d'une lcnguo ligne ldgèra- ment chargée. A moins do les prévenir, ces tensions exces- sives peuvent provoquer des instabilités et une défaillance dans l'appareillage d'extrémité de ligne. Des bobines de
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réactance shunts en bcut do ligne préviendraient de telles instabilités.
Los bobines do réactance connues de la technique antérieure étaient généralement soit du modèle blindé ain- si nommé cu du modèle à ncyau espacé. La bobine de réac- tanco du modèle blindé consiste on une bcbine à noyau à air entourée par un blindage magnétique alcrs que la mo- dèle à espacement ccmprenait une modification de colui-ci qui comprenait un noyau de fer dans la bobine qui était interrompue par dos sections d'un matériau rigide @ non- magnétique .
Dans le modèle à noyau blindé, les bobines do grand diamètre et à montage radial sont scumis à un fort flux de dispersion cc qui entraîne une fcrte porte par courant de Foucault. Dans le modèle à ncyau espacé la réluctance plus faible du circuit magnétique entraîna généralement des pertes d'enroulement plus faibles mais l'isolement de la tension entre l'enroulement et le noyau est rendu beaucoup plus difficile. On doit éviter la sa- turation du noyau do fer à la fois pour éviter les pertes et peur assurer une inductance constante sur tout l'inter- vallo de la tension de fonctionnement.
Avant la présente invention la conception dos bobines de réactance à très haute tension devenait pro- gressivement do plus en plus difficile quant à l'intensi- té d'isolement, la sécurité de fonctionnement, l'affran- chissement de l'effet couronne et du bruit radioélectri- que. On ne distinguait aucune solution nettement satis- faisante pour ces problèmes, spécialement pour l'inter- valle de la très haute tension.
Salon la présente invention on fournit un appa- rail d'induction à haute tension ayant au moins deux non- tants magnétiquement conducteurs et électriquement iso- lants dont les extrémités sont connectées magnétiquement
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l'une à'l'autre par des culasses magnétiques afin de former au moins un circuit magnétique complet, lesdits montants étant faits de sections à noyau magnétiques ayant des groupes de bobi- nes montées en série enroulées dessus et étant électriquement isolées l'une de l'autre au moyen de couches isolantes, carac- térisées par le fait que les surfaces des sections à noyau ma- gnétiques jouxtant aux couches isolantes (36, 106, 130,131) sont plates et essentiellement parallèles l'une à l'autre, et que la partie (38, 104A)
desdits montants est électriquement connec- t6e à l'extrémité haute tension de sortie desdites bobines mon- tées en série (38, 108) formant un groupe, alors que les dites culasses (31, 32, 100, 101) sont mises au potentiel de la masse.
La présente invention fournit non seulement un contrôle et une répartition excellente des potentiels de fonctionnement normaux en courant alternatif mais aussi une répartition excellente des impulsions de tension. L'invention conduit à des enroulements relativement compacts avec moins de spires et avec des pertes relativement basses grâce au flux de dispersion réduit. De plus, la présente invention tend à réduire à la fois le bruit acoustique et magnétostrictif.
L'invention,contribue aussi à éviter la saturation des éléments du noyau magnétique et rend ainsi possible une ré- sistance constante sur toute la gamme de tension et évite l'introduction d'harmoniques dans le courant réactif.
De plus, on peut obtenir des niveaux de bruit radio- fréquence faibles parce que la distrivution de la contrainte électrique est contrôlée convenablement par la présenta in- vention et parce qu'on peut maintenir toutes les pièces du système sous les seuils de formation de l'effot couronne.
De plus la présente invention fermât de maintenir au poten- tiel du sol la partis retour d circuit magnétique simplifiant ainsi le problème d'isolement et de support physique.
On obtient ces avantages et d'autres encore dans
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la prézente invention tout on réduisant simultanément los dimensions totales do l'unité requise et son prix. On réa- lise tous ces bénéfices à la fois dans les transformateurs et dans los bobines à réactance en utilisant, un concept do noyau isolant dans lequel los parties actives du circuit magnétique sont faites do sections isolées électriquement, chacun étant connecté électriquement à la bobine qui l'en- touro, afin de fournir une progression uniforme et systé- matique de la tension impcsée à la fois dans los parties actives du noyau magnétique et dans son circuit électrique associé.
Pour quo l'on puisse clairoment comprendre l'in- vention cn la décrira maintenant, au moyen d'un exemple, en se rappcrtant aux dessins d'accompagnement dans les- quels : ,
La fig. 1 représente une vue en coupe schématique d'un transformateur classique.
La fig. 2 représente une vue on coupe schématique d'un transformateur construit selon la présente invention.
La fig, 3 représente on détail une section du noyau isolé emplcyéedans la fig.2.
La fig. 4 représente on détail une tôle du noyau de la fig. 3.
La fig. 5 représente une vue on coupe de la dis- position dos bobines du transformateur et des noyaux on même temps quo les disques isolants.
La fig. 6A représente en coupe un disque isolant adapté peur être utilisé dans l'invention.
La fig. 6B représente une vue en coupe d'un dis- que isolant différent adapté pour être utilisé dans l'in- vention.
La fige 7 représenta l'invanticn utilisée comme un transformateur triphasé.
La fig. 8 représente uno vue en coupe d'un type
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de bobine do réactance fabriquée d'après les techniques antérieures.
La fig. 9 représente une vue on coupa d'un typo différent de bobine do réactance fabriquée d'après les techniques antérieures.
La fig. 10 représente une vue découpée d'une bobine de réactance construite selon la présente invention.
La fig, 11 représente une vue partiellement écla tée d'un élément do bobine do réactance de la fig. 10.
La fig. 12 est une vue do l'élément de la bobino do réactance do la fig, 10 prise le long des lignes 12-12,
La fig. 13 est un détail do la vue de l'élément de la bobine do réactance de la fig. 12 prise le long des lignes 13-13.
La fig, 14 représenta d'autres détails do l'élé- mont de la bobina de réactance de la fig. 10.
La fig, 15 représente une vue supplémentaire de l'élément do la fig. 10.
La fig. 16 représente scus forme schématique uno connexion d'enroulement adaptée peur être utilisée dans l'invention.
La fig. 17 représente on détails l'interconnexion do l'enroulement roprésent6 sur la fig. 16.
La fig, 18 représente sous ferme schématique uno connexion d'enroulement différente adaptée peur être utili- sée dans l'invention.
La fig, 19 représente en détail l'interconnexion de l'enroulement do la fig. 18,
La fig. 20 représente une modification possible des jantes équipotentielles utilisées dans l'invention.
La fig. 21 illustre une autre réalisation de la présente invention.
La tige 1 montre on coupe un transformateur clas- sique comprenant un circuit magnétique 20 et deux bobinas
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22 et 23 conductrices de courant centenues dans un boftier 24. Dans un tel transformatour classique le circuit magné- tique 20 consiste ordinairement en un ncyau feuilleté formé creux de forme rectangulaire dans lequel on évite soignou- semant les entrofors transversaux nen-magnétiques.
Do tels transformateurs fonctionnent comme suit.
Un ccurant magn6tisant variant avec le temps dans la bobine primaire 22, connectée à uno source de puissance altarnati- va, produit un flux magnétique changeant d'une façon syn- chrone dans la circuit magnétique 20 qui à son tour induit une forceélectremagnétique dans la bobine secondaire 23. La puissance et le courant de charge fournis par la bobine 23 sont équilibrés par injection dans la bobine primaire 22 du courant et do la puissance d'entrée correspondants plus los pertes asseciées. Afin do diminuor los pertes RI2 les bobi- nos doivent être enroulées près du circuit magnétique.
Ce- pendant, la ccnductivité électrique et la grande masse du ncyau demande quo le circuit magnétique scit à la massa : ainsi il faut qu'il y ait un isolement en tension approprié entre le noyau et los bobines. Comme les tensions do fonc- tionnement et los surtensions transitoires de ce typo d'ap- pareil sent augmentées, l'isolement requis doit aussi être sûrement augmente. Les bobines sent placées de plus on plus loin du noyau co qui s'accompagne par un accroissement des pertes d'enroulement.. On introduit dos barrières d'isolement pour contrôler la distribution du champ ot le transport des charges d'espace et des particules électrifiées. On doit accroître los distances d'isolement plus rapidement que la tension nominale.
Ces facteurs provoquent l'accroissement de la dimension à la fois des bobines et du noyau. et on plus de la dimension provoquont un accroissement du poids et des pertes do l'unité.
La présente invention rétablit l'harmonie entre le ncyau ot la bobine en les maintenant sensiblement au
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morne potentiel à tous moments indépendamment do la tension nominale de l'appareil. Cola ce fait on séparant la partie active ou partie qui porto l'enroulement du circuit magné- tique en éléments do noyau, en les montant on pila ou co- lcnno avec chaque élément du noyau électriquement isolé do son voisin par une ccucho adéquate mais relativement fine de diélectrique de très benne qualité, Chacun do cos élé- ments magnétiques isolés a très près do lui et auteur do lui une portion proportionnelle do l'enroulement total,
la point milieu ou quelqu*autre pcint pris sur cet enroule- ment local étant électriquement connecté à sa section de ncyau associée et établissant solidement son potentiel à tcus moments. De cette façon la pile do noyaux isolés suit do très près la distribution du potentiel de l'enroulement total associé et l'incompatibilité électrique de l'enrou- lement' et du noyau qui caractérise los modèles classiques de transformateur et de.bobine do réactance est presque totalement évitée.
On décrira maintenant une réalisation de la pré- sente invention on se reportant à la figure 2 qui ropré- sente un auto transformateur abaisseur monophasé consti- tuant une phase d'un système triphasé, capable de suppor- ter do très hautes tensions. Sur cette figure le circuit magnétique 30 comprend dux circuits do retour magnétiques 31 et 32 qui couplent deux montants segmentée 33 et 34 fermés d'une pilo de sections de noyau magnétiques 35 et 38 isolées électriquement l'une do l'autre par des disques isolants 36.
Entourant chaque montant il y a deux enroulements ccnduisant le ccurant. L'auto transformateur représenté consiste en quatre enroulements on série 41, 42, 43 et 44 et quatre enroulements communs 45, 46, 47 et-48. Les onrou- lamente en série 41 et 42 et les enroulements communs 45 et 46 sont montés sur le mcntant fragmenté 34 alors que les
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enroulements restant sent montés sur l'autre mo@@@@@ @@@@ monté 33, Chaque enroulement so compose de plusieurs bobi- nes 37 conduisant le courant qui entourent une section de noyau 35 et qui lui scnt électriquement connectées.
Un noyau central 38, sans bobine, est prévu dans chaque mcntant fragmenté peur séparer les enroulements on série et pour servir comme mcyon d'introduction do la haute tension aux enroulements en série. La haute tension alimen- ta les 4 enroulements séries-parallèles et les noyaux 38, par le câble à haute tension 39 qui ost connecté à une sour- ce de puissance alternative (non représentée).
La prise do sortie haute tension 40 est connectée à la jonction des enroulements séries et des enroulements communs. L'autre câble provenant do chaque enroulement com- mun est, à son tcur, connecté aa retcur magnétique la plus proche 31 ou 32,, et à la masse.
En se reportant aux figures 3 à 5 on décrira les détails de la forme préférentielle do construction. Chaque section de noyau est faite d'une multiplicité do feuillets magnétiques 50 rectangulaires et en acier au silicium com- prenant,plusieurs trous 51 par lesquels on peut assembler toutes les séries de feuillets fermant la section de ncyau.
Peur éviter la saturaticn magnétique sur los bords de la secticn de ncyau et peur améliorer la distribution du champ électrique los extrémités étroites 52 et 53 de chaque feuil- let peuvent avoir un profil taillé on biseau ou mis on fer- me. Après avoir assemblé las feuillets 50 on peut biseauter les ceins do chaque section de noyau et on peut profiler los bcrds 55 ot 56, par exemple on moulant peur obtenir un profil semblable aux extrémités 52 ot 53.
En varianto cn peut fermer les sections de ncyau 35 à partir d'une seule bande de matériau enroulé en spirale. Les dimensions réelles do chaque soction de ncyau dépendent de la.puissance utili- séc.
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Chaque bobine, comma la représenta la fig. 5, est enroulée près de sa section de noyau respective.
On pout former les bobines en doux parties 57 et 58 à partir de bandes isolées conductrices ot enroulées on spirale. Dans cotte réalisaticn la moitié de bobina 57 est enroulée dans un sons alors quo l'autre moitié de bobine 58 est enroulée dans l'autre sons, Los doux moitiés sont alors connectées électriquement l'une à l'autre et à la section de noyau adjacente par un conducteur apprcprié 59.
Les bcbines adjacentes sont jointes par un connecteur ap- propri6 60 peur former 1'enroulement total.
On prévoit un disque isolant 36 entre les paires bebine-neyau adjacentes de façon à isoler électriquement chaque paire bobina-noyau de la paire bobine-noyau qui lui est adjacent Un seccnd disque isolant 61 auquel est fixé un moyen 62 peur suppcrter un anneau 6quipotentiol 63 autcur des bobines est interposé entre les moitiés de bobines adjacentes Tcus les doux, la disque ot la moyen de support 62, peuvent être on n'importe quel matériau isolant adapté, Sur un tel matériau cn plaqua du papier imprégné de résine, cu dans le même genre, du pclyéthylène réticulé.
Pour empêcher que los irrégularités dos bobines no provcquont de fcrtos con- traintas électriques sur les disques 61 et une détériora- tien mécanique sur los disques 61, cn peut aménager autour do chaque paire do bobines 57 et 58 une barre d'espacement 65 de bcbino scmi-flexible.
La plupart dos difficultés roncontrées dans la technique antérieure on essayant de produira dos trans- formateurs à très haute tension sûrs gravitaient autour de la nécessité do séparer et d'isoler l'enroulement haute tensicn du noyau en fer mis à la masse à travers lequel passait le flux magnétique de travail.
La segmentation et l'isolement électrique de cha- que section de noyau des sections contigues résout le pro-
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blême d'isolement en tension parce que chaque sortion de noyau et sa bobine environnante sont au même potentiel et il n'exista pas entre eux de conflit dans la forced'iso- lement. Ainsi on évite le besoin d'avoir de grands espace- ments et un fort isolement entre les bobines et les ncyaux.
Cependant, l'introduction d'un isolement dans l'entrefer tend à augmenter la roluctanco du circuit magnétique qui tend à augmenter le bescin de puissance et de courant ma- . gnétisants élevés et simultanément permet un accroissement du flux magnétique de dispersion. L'acroissement du flux de dispersion entraîne,en charge,un accroissement de la chute de réactance.
On peut réduire la chute de réactance en four- nissant sur chaque mentant deux enroulements complets en parallèles de façon à ce qua pour une puissance totale de sortie donnée par montant le courant de charge par enroulement soit divisé en deux. Avec cet arrangement comme le représente la fig. 2 on obtient le plus haut niveau de tension au point milieu de chaque montant et une très petite partie seulement du circuit magnétique tctal est à ce haut pctentiel. Cet arrangement double approximative- ment la hauteur active du mentant du transformateur, ce- pendant on a trouvé que l'utilisation toube entière du noyau était réellement améliorée parce qu'une plus grande partie du noyau est effectivement utilisée peur l'enroulement.
De plus, chaque retour magnétique est maintenant à la masse et on peut le concevoir et le soutenir plus écono- miquement et plus effectivement. La construction de l'on- roulement et du noyau isolé déterminée par cette invention a d'autres avantages importants en cela qu'elle fournit un système de capacités en série qui assure une meilleure division de la tension de choc le long du noyau et dos colonnes d'enroulement. La meilleure division du choc se produit parce que la diposition bobine-noyau segmentée
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et isolée constitue une chaîne série de hautes capacités de valeur presque égale l'une par rapport à l'autre. Grâce à ce système de capacités en série les surtensions tran- sitoires seront réparties presque uniformément le long de toute la pile.
Donc, on a obtenu des caractéristiques d'i- solement améliorées.
En contrôlant avec une plus grande uniformité les contraintes électriques transitoires et normales on peut concevoir pour l'appareil un fonctionnement sous l'effet couronne grâce à cela on élimine le bruit radioélectrique et l'effet couronne. On notera que de préférence chaque bobine-noyau et isolant est identique mécaniquement et physiquement par la forme et la fonction à toute autre bobine-noyau et isolant. La fabrication en série de sous unités identiques réduit encore le coût et améliore la qualité.
L'isolant 36 sera moulé sous forme de disque avec de telles configurations sur sa surface extérieure qu'il réduise ou élimine le courant de fuite. Deux conceptions de ce genre sont représentées on coupe sur les fig. 6A et 6B.
Le disque de la fig, 6A comprend un disque plan de matériau isolant 70 qui est moulé de façon à ce qu'il ait un bord évasé 71 et est revêtu sur les deux faces par une couche conductrice d'un matériau 72 de résistivité moyenne. D'une façon typique ce revêtement 72 aura uno résistance R située entre 5000 et 50.000 ohms par quelconque unité de surface empêchant ainsi la formation do courants de Fou- cault excessifs sur ce revêtement. On moule alors un bourrelet 73 sur l'évasement 71 et sur les extrémités du revêtement 72. Le revêtement 72 avec entre ses deux faces le matériau isolant 70 fournit une capacité C, La constan- te de temps qui on résulte (RC) sera généralement do l'or- dro do 0,001 seconde.
La réalisation représentée sur la fia. 6B com-
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prend aussi un disque plan de matériau :Isolant. Sur cotte configuration cependant l'évasement 76 comprend tout autour do sa périphérie plusieurs cannelures 78 do façon à ce quo la surface augmente la longueur du trajet électrique entre les doux faces opposées du disque. Le disque cet aussi revêtu d'un matériau 72 à forte résistivité.
Le revêtement 72 régulièrement conducteur est intimement on contact avec le diélectrique solide ot éta- blit une limite du champ électrique et empêche ainsi les irrégularités dans les feuillets dos noyaux de créer dos points de forte contrainte électrique. Le revêtement con- ducteur est conçu peur répartir uniformément le potentiel électrostatique sur tcuto la surface de l'isolant 36 et réduit d'une façon contrôlée la contrainte électrique sur les bords.
Dans certaines circonstances il serait souhaita- ble que l'isolant 36 soit en deux éléments, ur élément se- rait un disque central ayant la configuration représentée sur la fig 6A cu 6B. Les sections de noyau abouteraient cet élément. L'autre élément comprendrait un anneau concentri- que au disque pour isoler les bobines l'une de l'autre.
Cet anneau aurait une configuration en coupe telle que celles représentées sur les fig. 6A ou 6B. En construisant l'isc- lant 36 en deux éléments on obtiendrait comme résultat utile le fait de permettre aux bobines et aux noyaux do bouger indépendamment l'un de l'autre.
La disposition présente n'adapte également aux circuits triphasés. Une telle structure triphasée est re- présentée sur la fig. 7 et possède trois montants 80, 81,82 à ncyaux segmentés. Chaque montant possède la nombre né- cessaire do bobines et est interconnecté magnétiquement aux deux autres montants par les chemins 83 inférieur et supérieur do retour magnétique de forme triangulaire.
La présente invention peut également être utiliséo
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avantageusement comme bobine de réactance.
Les besoins en bobines do réactance shunts sont déterminés d'après la longueur do la ligne de transmission, sa char go, et le problème général do contrôle de la puis- sance réactive. Elles sont aussi très efficaces pour aider à limiter les surtensions transitoires. Dans de nombreux systèmes à très haute tension, les conditions do réserve do générateur ou les conditions do réserve commune seront telles qu'elles obligeront les lignes à être prêtes à en- trer en service la plupart du temps, Dans de tala cas, les bobinas do réactance shunts seront essentielles pour con- trtler los tensions dos systèmes.
Le cycle do charge journalier aboutira dgalemat à l'utilisation de la compensation réactive. Morne pendant la pleine charge, do nombreuses lignes peuvent nécessiter d'être connectées d'une façon permanente aux bobines do réactance à très haute tension. A faible charge, on aura besoin d'une compensation réactive supplémentaire lorsque la tension aux bornes augmente.
Los bobines de réactance construites suivant les techniques antérieures utiliscnt un blindage ainsi nommé ou culasse on forma do cadre. Les éléments de basa do telles bobinas do réactance construites suivant les techni- ques antérieures sont représentées sur la fig. 8. Une bobine 86 ayant la forme d'un cylindro croux est entourée par une culasse laminée en forme do cadre 87. La bobine possède un cablo à haute tension 84 à une de ses extrémités et un câble à basse tension85 à l'autre extrémité. Puisqu'une bonne construction oblige la culasse 87 à être à la masse, il est nécessaire quo l'extrémité à haute tension de la bobine soit isolée d'une façon adéquate de la culasse 87 à la fois à l'extrémité et sur le coté.
Simultanément, cn doit maintenir étroit cet espacement si l'on veut mainto- nir les lignes do flux dans une orientation préférentielle @
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c'est à dire parallèle à l'axe de la bobine. De telles con- ditions empêchent généralement d'utiliser cet appareil pour les très fortes tensions. Do plus, en calculant los bobines de réactance, on a trouvé que les volt-ampères (SI) nominaux sont proportionnels au produit ss v2 où : est la densité du flux magnétique dans la bcbine.
V est la volume occupe par la bobine .
Le (EI) nominal croit proportionnellement au carré de la densité de flux magnétique mais seulement directement avec le volume du champ magnétique. Donc il est préférable pour un appareil compact d'utiliser de grandes valeurs do la densité de flux magnétique ss
Le type de bobine do réactance blindée à noyau à air do la fig. 8 empoche d'utiliser de fortes valeurs de la densité du flux magnétique du fait de la forte réluc- tance du noyau à air de l'enroulement. Par conséquent, le volume V est important et la densité de flux /? est relati- voment basse. Egalement, la bobina a de grandes dimensions et sur certaines zones elle est exposée à pratiquement tou- te la valeur du champ magnétique.
Ces facteurs aboutissent à une bobine de réactance qui a do fortes portes résistives et de fortes pertes par courant do Fcucault dans la bcbine.
Dans une tentative faite pour éviter ces problèmes, 'en a essayé les bobines de réactance du type blindé à noyau espacé et du type à noyau à noyau espacé. La variante du type blindé à ncyau espacé est représentée sur la figure 9 et comprend un noyau de fer * interrompu 88 inséré au centre de la bobine 86. Ce noyau 88 est couplé magnétiquement à la culasse 87. On insère dos morceaux do matériau 89 do remplissage ncn magnétique et très rigide dans les in- terruptions du ncyau afin do maintenir les sections du noyau 79 espacées et liées entre elles. Ce modèle permet d'utiliser dos valeurs de /3 proches do celles qui provcque- raient la saturation de l'acier.
De là vient que le volume
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V est plus petit, Ce.modelé ne résout pas le problème d'iso- lement do la haute tensicn entre la bcbino et la culasao et ne donna pas ncn plus une bonne répartition des surtensions transitoires. Il on résulte qua toute l'unité devient d'une longueur indésirable quand on la conçoit pour servir en très haute tension. Cet accroissement on longueur ajoute bien sur, un pcids et une tailla considérables à l'unité.
La présente invontion évite la problème d'iso- lement spécialement lorsque le dispositif ost utilisé pour servir on très haute tension ot lorsqu'il fonctionne à de hautes valeurs de ss ce qui réduit le poids et los dimon- siens do la bcbine do réactance. La réduction on dimensions qui on résulte réduit non seulement le coût mais réduit également les pertes électriques et le bruit magn6tostric- tif inhérent. Do telles portos électriques sont seulement égales à la mcitié do celles des bobines de réactance clas- siques.
La présente structure permet de plus l'application de fcrcos do compressicn puissantes on direction du champ magnétique induit peur assurer la stabilité mécanique do l'assemblage et pour réduire le bruit acoustique.
Do plus l'invention réduit le flux de dispersion magnétique tout on fournissant une répartition amélicrée et unifcrmo do la tension dos chocs indésirables cu dos impulsions, et par ce moyen élimine les zcnos locales d'effet élevé do tension.
Généralement parlant ces avantages,d'autres encore et cos caractéristiques sont obtenus dans une bobine do réactanco on fournissant deux enroulements parallèles autour d'un circuit magnétique comprenant doux retours ma- gnétiquos couplés par dos montante à noyau magnétique isolant et couplant électriquement et progressivement los enroule- ments aux mcntants à nc,yau isolés pour fournir uno réparti- tion systématique et contrôlée do la tension appliquée le lcng des mcntants.
Une bobine de réactance construite selon la
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présente invention cet représentée en vue découpée sur la fig. 10. Cette bobine do réactance comprend un boîtier 90 ayant la forme d'un réservoir de ferme généralement cylin- drique, mente sur dos pattes 94 sur un support 95. Passant à travers la sommet du boîtier 90 vers sen intérieur il y a une berne de traversée haute tension 91 et une borne de traversée basse tension 92. Ces bernes do traversée peuvent âtre du type condensateur classique et sont adaptées méca- niquament, thermiquement et électriquement à l'élément do fcncticnnement 97 contenu dans la bottier 90.
Fixes sur los bords du réservoir 90 et possédant dos trous qui les connectent avec scn intérieur en trouve plusieurs radiateurs
93 à noyau croux s'étendant radialement. On prévoit dans la réservoir 90 un fluide 96 isolant adapté on quantité suffisante pour couvrir l'élément 97 et peur circuler par convection à travers les radiateurs 93. Cas ccurants do convection s'établissent dans le fluide par la châlour provenant do l'élément 97 lorsque la puissance lui est appliquée ils peuvent de plus être aidés par un pompage forcé du fluide. De plus cn prévoit dans le réservoir 1'/qui- pement assccié usuel (ncn représenté) qu'on trcuve norma- lement dans les bobines de réactance.
Cet équipement com- prend des thermomètres, des circuits d'alarmes, des dis- pcsitifs détendeurs de pressicn, dos lucarnes d'entrée et d'inspection, des valves de vidange etc.
L'aspect nouveau de toute bobine do réactance construite selon la présente invention réside essentiel- lement dans l'élément de fonctionnement 97 qui ont repré- santé plus on détail sur les Fige. 11, 12, 13, 14 ot 15.
Fondamentalement cet élément 97 comprend un cir- cuit magnétique ccmmo représenté sur los fige. 11, 12,13, 14 qui est composé do doux rotcurs magnétiques feuilletés
100 et 101 couplés ensemble par doux montants à noyau isolée
102 et 103. Chaque mentant à ncyau isolé comprend plusieurs
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sections do ncyau 104 isolées électriquement l'unede l'au- tre par des disques 106 et dos barros d'espacement 107.
Chaque section do ncyau est construite avec des bandes comme on l'a traité on so rapportant aux figs. 3 ot 4.
Chaque section do noyau 104 utilisée dans cette bobine do réactanco peut avcir des profils biseautés ou fermés sur tous les bords peur empêcher la saturation dans les ncyaux et pour permettre le fonctionnement du dispositif à une densité do flux cptimalo.
Chaque ncyau 104 excepte la ncyau central 104A de chaque mcntant ost entouré par une bobine 108 transmet- tant le courant, Ces bobines sent connectées électrique- ment l'une à l'autro et à la sacticn do noyau qu'elles entourent. Chaque paire noyau-bobine est électriquement isolée do la paire noyau-bobine adjacente par les clci- sons 106 et les barras d'cspacement 107. Ces cloiscns et ces barras d'espacoment aident da plus à positionner les noyaux ot les bobines en situation relative dans l'espace, Ces cloisons et ces barres d'espacement peuvent être fai- tes do tout matériau isolant adapté tels que les produits de papier feuilleté imprégné d'epoxy cu carton pressé.
Chaque cloison 106 peut, à son tour, être ente-urée par une jante 110 équipotentielle qui lorsqu'elle est connectée électriquement ot convenablement aux bobines et noyaux sur son autre face servira dans la répartition du chcc ou impulsicns do tension dans l'élément 97.
L'assemblage tctal est maintenu comprimé dans son ensemble par plusieurs tirants tel quo la tirant 98 qui passe par los colliers de fixation 99 adaptés fixés sur chaque retour magnétique 100, 101. Afin d'égaliser les forcescompressives appliquées à l'assemblage par ces tirants 98, uno bobine fictive 111 faite d'un matériau isolant convenable peut être prévue autour du ncyau con- tral 104A. Dans la plupart des réalisations on peut avan-
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tageusement éliminer le noyau central 104A et la bobine fictive 111. De plus en peut cbtenir l'égalisation en fabri- quant les barras d'espacement 107 en matériau élastique capable de permettre un mouvement latéral entre chaque bo- bine et son ncyau respectif.
Lorsqu'on place l'assemblage 97 dans le bottier 90 de façon à ce que le circuit magnétique soit parallèle à la base du réservoir les barres d'espacement 107 lui sont perpendiculaires et on prévoit un chemin 118 libre vertical entre ces barres d'espacement 107. Co chemin permet au flui- de isolant 96 do couler librement. La passage du fluide le lcng de ces chemins 118 refroidit et isole les bobines et los noyaux. Du fait des pertes inévitables dans l'assembla- ge, il se produit un échauffement de l'assemblage, Cette chaleur est transférée par conduction au fluide 96.
Lorsque le fluide qui sa trouve dans les chemins 118 devient suf- fisamment chaud il se produit des courants do convection dans le fluide de façcn à ce qu'il mente le lcng des che- mins 118 jusqu'au scmmet des radiateurs 93, en se refroi- dissant descende dans les radiateurs et ropénètre par le fcnd dans le réserveir. Ces courants de convection rofrci- dissent l'assemblage et le maintiennent à une température prédéterminable.
On a découvert cependant qu'avec la champ élec- trique intense rencontré lorsque l'unité est utilisée sous do très hautes tensions il peut se créer dans le fluide de longues chaînes d'hydrocarbures ccnductricas. L'existence de telles chaînes est nuisible à l'équipement et peut pro- vcquer des claquages électriques entre les parties de l'as- semblago et la réservoir 90. Pour empêcher cela on prévoit, des écrans isolants 125 en cartcn pressé ou autre matériau qui entourent l'extérieur de l'assemblage ccmme le montre la fig. 15.
Chaque bcbine 108 est connectée électriquement ncn
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seulement chaque bobine adjacente mais aussi à scn noyau respectif 103. Puisque ces ccnnexions peuvent âtre faites en série, en série-parallèle ou en parallèle, cn discutera brièvement do cola en se repcrtant aux figs. 16, 17, 18, 19, 20, Les figs 16 et 17 représentent les bobines 108 sur chaque ciciscn couplées électriquement aux bobines adjacentes do façon à fcurnir deux enroulements parallèles sur chaque mcntant à ncyau isolant co qui dcnne comme ré- sultat quatre enroulements parallèles au total, Comme repré- sente, la haute tension est intrcduito au point central de la combinaison par le cablo 109.
En introduisant la haute tensicn au centre de l'assemblage, en interconnec- tant chaque bobina à scn noyau adjacent comme le représente la fig. 17 tout on isolant chaque section de noyau de la section suivante dans la pile, en peut éliminer la culasso qui et la forme d'un cadre puisque le flux magnétique est ccnfin6 dans les rotcurs magnétiques 100 et 101 et dans les mcntants à ncyaux isolants 102 et 103. En éliminant la culasse et en connectant les bobines aux ncyaux on élimine également le problème d'isolant de tension qui existe dans la technique ancienne entre l'enroulemant et la culasse. La puissance basse tonsicn sort par le ccnduc- teur 105.
La bcbino de réactance à haute tension construi- te selon la présente invention a un poids plus faible et a des dimensions considérablement plus petites que les bcbines de réactance classiques do même tension et do puissance ncminalo égale à la moitié. Même plus important, sa sécurité de fonctionnoment pour l'isolement est,par inhérence,plus élevée.
Les figs. 18 et 19 représentent les bobines 105 sur chaque cloison connectées on série los unes aux autres.
On évite les difficultés associées uux dispositifs cons- truits suivant les techniques antérieures lcrsqu'ils étaient utilisés en haute tension et cn obtient une répartition pro-
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gressive, systématique et do préférence uniforme des poten- tiels la long do chaque montant à ncyau isolant depuis son' jcint milieu jusqu'à chaque retour magnétique. On obtient aussi cette répartition systématique de la tension scus des conditions do chcc grâce à l'excellente division de la ten- sien qui résulte dos grandes capacités inter-ncyau.
Il devra être entendu quo dans chaque cas le sens d'enroulement des bobines sur chaque disque devra être tel qu'il oblige le champ magnétique à parcourir une boucle fermée ccmme l'indique les flèches 114.
La fig. 20 représente une modification des bobi- nes 108, leur interconnection et la cloison. Là, chaque bobine 108 qui entoure chaque section de noyau 104 est di- visée en doux moitiés. Une moitié 119 est enroulée! dans un sens et l'autre moitié 120 est enroulée dans le sens cppcsé, Le noyau 104 est alors connecté au point central entre les deux moitiés de bobine. Chaque moitié de bobine est isclée de l'autre moitié. Do plus, la cloison 106 peut être une-structure feuilletée faite do doux feuillets de matériau isolant approprié 130 et 131 ayant une grille cen- ductrice 116 intercalée entre eux.
On utilise cette grille 116 peur diminuer les courants de Foucault. On peut utili- ser un tel disque intercalé avec chacune des configurations décrites ci-dessus y compris le transformateur. L'insertion do cette grille conductrice 116 agit de façcn à coupler d'une façcn capacitive chaque section de ncyau à sa section de ncyau adjacente peur améliorer do plus la tension de chcc et la réponse d'impulsion de l'unité.
La fig. 20 illustre encore une autre modification que l'on peut utiliser dans tous les dispositifs décrits ci-dessus. Dans cotte mcdification la jante équipotentielle 110 cet remplacée par un anneau hémisphérique englobant formé d'un matériau isolant ayant, déposé sur lui un revê- tement conducteur,
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Les écrans 125 représentés sur la fig, 15 sont façonnés de façon à se conformer approximativement aux lignes équipetentielles du champ électrique existant entre los jantes équipotentielles de chaque mentant à ncyau iso- lant.
Pour être sûr que toutes les chaînes d'hydrccarbones conducteurs engendrées sont cassées les écrans 125 sent remplis d'un nombre approprié de fouilles placées au ha- sard. On fournit un flux adéquat par une multiplicité d'orifices 127 percés dans chaque écran. La combinaison des orifices, de feuilles et des écrans crée une turbulon- ce substancielle dans le fluide ce qui empêche la forma- tion do chaînes ccnductrices nuisibles,
On notera qu'il est prévu une seule ouverture large 124 peur le cablo à haute tension 109.
On pout utiliser des ressorts do compression 128 au bout de chaque tirant 98 pour s'assurer qu'une tension constante s'applique en tous temps sur les montants à noyau isolants. On peut couvrir les tirants 98 avec un isolement cylindrique.
L'invention non seulement fournit une bobina de réactance améliorée capable de servir sous très haute ten- sion mais la fait en réalisant des économies importantes sur le poids ot la coût. La présente invention permet aussi do concevoir uno bobino do réactance do dimensions bien plus petites puisque toute la tension do fonctionnement est appliquée alors que chaque partie do l'enroulement no sup- porte que sa part proportionnelle do la tension totalo à la fois en régime normal et transitoire. De plus on con- nectant chaque section du noyau isolé aux enroulements on élimine la besoin d'un isolement considérable entre los bobinas et le noyau.
Ce couplage d'une section de noyau avec les bobinas qui l'entourent fait varier la tons ion uniformément la long de chaque montant de façon à ce quo le gradient du potentiel soit constant la long do chaque
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montant donnant ainsi une utilisation maximale de la longueur du montant afin de servir à l'isolement.
Puisque la section do noyau, la structure do la cloison et les bobines sont identiques l'unité so prête aux méthodes do production en masse et à l'économie do fabri- que.
La matériau de la cloison fcurnit un isolement électrique aussi bien qu'un suppcrt mécanique et il existe une grando capacité intor-cloison ce qui contribue à l'uni- formité de la répartition de la tension le long do chaque mentant sous un régime d'impulsions. Cela diminue l'impact sur l'unité des contraintes transitoires à haute tons ion.
L'utilisation d'un noyau isolant fournit des avan- tages additionnels en ce sons qu'elle fournit un contrôle précis de l'inductance. De plus, ce concept on permettant une application uniforme do l'intensité magnétisante en- toure tout le noyau isolant et réduit le flux de dispersion magnétique.
La configuration mécanique décrite fournit des avantages en ce sens que lorsque l'unité est montée hori- zontalement on peut la refroidir par des courants do convec- tion naturels tout en appliquant simultanément de grandes forces compressives à l'unité et de ce fait réduit à la foj.s le bruit accoustique et le bruit magnétcstrictif.
On peut adapter la bobino de réactance a un fonc- tionnement en triphasé en utilisant 3 montants dont chacun possède on scn centre un câble d'entrée haute tension.
Do plus encore ccmme représenté sur la fig. 21 le noyau profilé 104 peut être encastré dans un diélectrique 117 solide meule et qui à la forme d'un corps do bobine.
Los bobines sont alors enroulées sur le corps de bobine et les ccrps do bobine sent empilés peur former un montant à noyau isolant de l'unité. Si on la désire cn peut insérer la grille conductrice 116 de la fig. 20 entre chaque corps
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do bobine et la connecter à une ante équipotentielle en- tourant la surface do séparation do la jante.
Lorsqu'on utilise le mot bobine dans cette des- cripticn do l'invention chaque bobine peut se composer de plusieurs petites bobines, par exemple des bobines plates, ayant ou n'ayant pas leurs conducteurs placé dans un or- dre prédéterminé peur réduire en plus los pertes causées par les courants de Foucault passant dans les conducteurs.