<B>Procédé de refroidissement</B> d'un <B>appareil électrique</B> et installation pour la mise en aeuvre de ce procédé La présente invention comprend un procédé de refroidissement d'un appareil électrique tel que, par exemple, un transformateur, un mo teur, comportant un élément duquel on doit évacuer de la chaleur, cet élément étant en contact avec un fluide diélectrique.
Suivant l'invention, ce procédé est caracté risé en ce qu'on soumet ledit fluide pendant qu'il est en contact avec ledit élément à l'ac tion d'un champ électrique produit par une source d'énergie électrique unidirectionnelle à haute tension.
L'invention comprend aussi une installation pour la mise en aeuvre de ce procédé, cette ins tallation étant caractérisée en ce qu'elle com porte un dispositif comprenant une source d'énergie électrique unidirectionnelle à haute tension pour soumettre ledit fluide à un champ électrique.
Il est aisé d'observer les phénomènes qui se produisent lors de la mise en aeuvre du pro cédé conforme à l'invention: on place, par exemple, une électrode métallique dans un bain d'huile de transformateur à une petite dis tance de la paroi métallique du réservoir qui le contient et on applique un champ électrique entre cette paroi et l'électrode immergée. On constate immédiatement un mouvement de l'huile et d'ailleurs, en immergeant des élé ments métalliques convenablement isolés dans l'huile, on constate que ces éléments accumule ront des charges électriques provenant de l'hui le en mouvement, ce que l'on peut démontrer en faisant jaillir des étincelles à partir de ces éléments.
De même, on peut mesurer les char ges portées par ces éléments au moyen de volt mètres ou de milliampèremètres. C'est cette électrisation qui produit un mouvement géné ral de la masse d'huile et son refroidissement qui est un fait d'expérience.
Sur le dessin annexé, on a représenté, à ti tre d'exemple, plusieurs installations pour la mise en aeuvre du procédé selon l'invention, uti lisées pour le refroidissement de transforma teurs.
La fig. 1 est une vue schématique repré sentant une installation pour refroidir un trans-, formateur ordinaire à noyau du type à auto- refroidissement et dans laquelle on n'utilise au cune électrode spéciale, le carter du transfor mateur et les enroulements en tenant lieu ; la fig. 2 est une vue schématique d'une ins tallation pour refroidir un transformateur or dinaire à noyau du type à auto-refroidissement et comportant des électrodes spéciales à cet effet ;
la fig. 3 est une vue similaire à la fig. 2 à cette exception près que l'on a représenté des connexions différentes ; la fig. 4 est une vue schématique représen tant une installation pour refroidir un trans formateur pourvu de serpentins internes de re froidissement, sans électrodes spéciales ; la fig. 5 est une vue schématique représen tant une installation pour refroidir un transfor mateur comportant des serpentins internes de refroidissement, à l'aide d'électrodes distinctes ;
la fi-. 6 est une vue schématique représen tant une installation pour refroidir un trans formateur, comportant des électrodes spéciales et un dispositif de refroidissement externe ; la fig. 7 est une vue schématique repré sentant une installation pour refroidir un trans formateur pourvu d'échangeurs de chaleur ex ternes et dans lequel on force l'huile à circu ler à travers un échangeur de chaleur d'où l'on dissipe la chaleur au moyen d'eau, des élec trodes spéciales étant utilisées à l'intérieur du transformateur et dans l'échangeur de chaleur pour permettre l'application du .champ électri que ;
la fig. 8 est une vue schématique représen tant- une installation pour refroidir à la fois des transformateurs élévateur et abaisseur de tension ; la fig. 9 est une vue schématique représen tant une installation pour refroidir un transfor mateur spécial du type cuirassé ; la fig. 10 est une vue schématique repré-. sentant une installation pour refroidir un câble rempli d'huile. Ainsi qu'on le voit d'après le dessin, on peut procéder de diverses façons pour refroi dir des transformateurs.
On peut appliquer la haute tension unidirectionnelle entre l'un des enroulements et un bac, ou bien entre l'un des enroulements et les serpentins de refroidisse ment, ou bien entre l'un des enroulements ou les deux et des électrodes spéciales, ou bien entre des électrodes spéciales d'une part et le bac, le noyau ou les serpentins de refroidisse ment d'autre part. Dans tous ces cas, le re froidissement obtenu et la capacité du trans- formateur sont sensiblement augmentés, et ceci est vrai même si les éléments chauffés ne cons tituent pas l'une des électrodes.
Dans le cas où l'on applique une haute ten sion continue entre l'un des enroulements du transformateur et des électrodes isolées conve nablement placées dans l'huile, l'huile prend un mouvement de va-et-vient entre les surfaces des enroulements engendrant la chaleur et les électrodes et ceci sert à dissiper la chaleur plus rapidement qu'il n'est possible de le faire par convection naturelle ou forcée de l'huile.
Ce phénomène, appelé électro-convection peut s'expliquer de la manière suivante Le champ électrique créé dans le fluide entre les deux électrodes assure la charge des particules de ce fluide et ces particules sont par suite attirées et repoussées par les électro des suivant que celles-ci sont positives et né gatives. On peut utiliser aussi bien un champ uniforme qu'un champ non uniforme, bien qu'un champ non uniforme soit plus efficace. L'électrisation des particules du fluide peut avoir lieu, dans une certaine mesure, par in duction au voisinage d'une surface chargée.
La partie de la particule, qui est la plus proche de l'électrode positive, aura une charge néga tive et la partie plus éloignée de l'électrode une charge positive. La charge négative qui est plus proche de l'électrode donnera lieu à une force d'attraction, qui est plus grande que la force de répulsion créée par la charge opposée, qui se trouve du côté plus éloigné de la particule du fluide. Dans ces conditions, si de l'huile est em ployée, comme dans le cas présent, les parti cules d'huile seront attirées par l'électrode en raison des charges inégales et, lorsque les par ticules viendront en contact avec l'électrode, le signe des charges changera et les particules se ront repoussées par l'électrode.
Dans un trans formateur ordinaire, l'huile plus froide, située près du fond vient en contact avec les enroule ments et se déplace verticalement vers le haut le long des enroulements. Etant donné que l'huile recueille de la chaleur au fur et à me sure qu'elle circule vers le haut, elle s'échauffe dans une telle mesure, avant d'atteindre la partie supérieure, que l'effet de refroidissement dans la partie supérieure est relativement fai ble.
En appliquant un champ électrique comme décrit et en disposant les électrodes d'une ma nière appropriée, il est possible d'obtenir un déplacement plus voisin de l'horizontale que de la verticale entre les enroulements chauds du transformateur et les électrodes chargées, et également entre les électrodes chargées et la surface de refroidissement. Une action analo gue se produit entre les éléments entre lesquels est appliquée la haute tension dans le cas où l'on n'utilise aucune électrode distincte.
Il est désirable de réduire à des distances relativement courtes l'écartement entre les sur faces entre lesquelles est appliquée la haute ten sion, de manière que l'huile n'ait à se dépla cer horizontalement que sur une courte dis tance pour passer des enroulements échauffés aux surfaces de refroidissement. De cette fa çon, l'échauffement excessif des sections supé rieures se trouve diminué parce que la chaleur se transmet à peu près horizontalement et avec une grande rapidité vers les surfaces de re froidissement.
S'il se présente une différence de potentiel alternative entre les enroulements et le bas du transformateur, ce qui est en général le cas, celle-ci se superpose à la haute tension unidi rectionnelle utilisée pour accélérer le refroidis sement.
Dans des essais que l'on a conduits sur un transformateur de type commercial courant de 10 kva (l'écartement séparant les électrodes de la section la plus proche de l'enroulement, étant approximativement de 12,7 mm et l'écar tement séparant les électrodes des serpentins refroidis par l'eau avait environ la même va leur), un potentiel continu de 20 kilovolts fut appliqué de la manière indiquée ci-après en se référant à la fig. 1 des dessins annexés pour produire l'électro-convection désirée et il en est résulté le maintien de la température de l'huile à une valeur relativement basse sous une charge de 25 kva, tandis que ces transfor mateurs,
dans des conditions de fonctionne ment normales avaient une puissance ne dépas sant pas 12,5 kva avec une température d'huile quelque peu plus élevée. Ainsi, la puissance de ce transformateur se trouvait accrue de 100 % et la température de l'huile était maintenue, sensiblement au-dessous de la température ad missible. Cet essai a duré assez longtemps pour que l'on atteigne des conditions de tempéra ture parfaitement stabilisées.
L'importance du déplacement de l'huile dé pend du champ électrique, de l'écartement des électrodes, de la forme des électrodes et de la viscosité de l'huile. L'un des facteurs de limi tation en ce qui concerne la tension appliquée entre les électrodes est la disparition du pou voir isolant de l'huile. Bien entendu, très peu d'énergie est nécessaire pour créer ce champ électrique étant donné que l'on peut obtenir un déplacement de l'huile avec des valeurs de courant extrêmement faibles.
On a obtenu de bons résultats avec des potentiels de lyordre de un dixième ou de la moitié du potentiel de rup ture, ce qui assure ainsi un facteur de sécu rité suffisant contre la formation d'arc. La consommation de courant est, par exemple, de l'ordre de 50 microampères pour le trans formateur de 25 kva mentionné ci-dessus. En règle générale, si les écartements entre les élec trodes et les surfaces échauffées et froides sont faibles, des tensions relativement basses don neront des résultats satisfaisants. Pour des écartements plus grands, des tensions plus éle vées sont nécessaires pour obtenir une trâns- mission de chaleur plus efficace.
On a consta té qu'une tension unidirectionnelle de 15.000 volts produit un déplacement rapide dans une masse d'huile et une transmission efficace de la chaleur si des électrodes pointues, de fai ble courbure ou plates, sont écartées respecti vement d'environ 25,4 mm, ou moins, d'avec des surfaces courbes ou plates opposées plus grandes.
Dans des transformateurs de très grandes dimensions où la chaleur pose un problème extrêmement sérieux et où il est difficile d'ob tenir un contact entre l'huile et une. surface suffisamment grande des enroulements et du noyau on peut avoir recours à divers artifices dans le but d'amener une quantité d'huile plus grande en contact avec le noyau et les enrou- lements. Par exemple, on peut utiliser des con duits horizontaux pour l'huile placés entre les enroulements constitués en plusieurs pièces.
De même, on peut utiliser des conduits verticaux d'intercommunication à l'intérieur, entre le noyau et les serpentins et entre les serpen tins et le bas ou les surfaces de refroidissement. En outre on peut disposer des électrodes sup plémentaires avec ou sans arêtes vives dans des conduits d'huile alternés dans le but d'ac célérer la transmission de chaléur.
Dans toute installation, il est désirable que la plus grande partie possible de la surface des enroulements soit exposée à l'huile ou autre fluide, car ceci donne de plus grandes surfa ces sur lesquelles le champ électrique peut agir pour permettre d'obtenir une plus grande circulation du fluide.
La fig. 1 montre un transformâteur ordi naire à noyau du type à auto-refroidissement et dans lequel on n'utilise aucune électrode spéciale. Dans cet exemple, les enroulements 2 à haute tension sont reliés à une source 3 de courant continu à haute tension. Les enroule ments 2 à haute tension et les enroulements 4 à basse tension sont bien entendu tous deux disposés autour du noyau 5 et sont écartés l'un de l'autre par plusieurs bandes 21 en bois ou matière analogue, espacées autour des bobines. L'un des pôles de la source .est relié au bac 6 qui est écarté des enroulements. et qui constitue l'espace contenant l'huile 7.
Le bas est mis à la terre, comme indiqué en G. En cours de fonctionnement, une tension élevée est appli quée de la manière que l'on vient de décrire et un champ électrique se crée entre les pa rois du bac et les enroulements à haute tension.
Ce champ provoque un mouvement de va-et- vient des particules d'huile entre les surfaces engendrant la chaleur (c'est-à-dire les enrou lements) et la surface plus froide (c'est-à-dire le bac), d'où il s'ensuit que la chaleur est éva cuée des enroulements du noyau beaucoup plus rapidement qu'il est possible de le faire par convection naturelle ou forcée de l'huile.
Les particules d'huile se déplacent suivant un court trajet direct plus proche de l'horizontale que de la verticale, entre les enroulements échauf- fés et le bac, de manière à provoquer ce re froidissement.
Il est désirable que l'écartement entre les surfaces chaudes et froides, c'est-à-dire entre les enroulements et le bac respectivement, soit aussi faible que possible, de manière que le déplacement des particules chargées se trouve maintenu au minimum. On a constaté qu'un écartement de 25,4 mm ou moins est désira ble dans le but de permettre l'utilisation de ten sions plus basses. On a constaté que, dans le cas où l'écartement est approximativement de 12,7 mm, une tension continue de 20.000 volts donne de bons résultats.
\ Sur la fig. -2 on a représenté schématique ment un transformateur à noyau du type à auto-refroidissement dont le refroidissement est assuré par des électrodes spéciales. Dans cet exemple, comme dans celui représenté sur la fig. 1, l'un des pôles de la source 3 de cou rant continu à haute tension est relié à l'en roulement à haute tension du transformateur. L'autre pôle de la source de courant continu à haute tension est relié à chacune de plusieurs électrodes 8 disposées autour du noyau et des enroulements, entre les enroulements et le bac. On peut utiliser n'importe quel nombre de ces électrodes 8.
Comme représenté sur la fig. 2, elles sont supportées sur des blocs isolants 9 qui, à leur tour, sont fixés aux enroulements. Ces électrodes 8 sont, de préférence, écartées des enroulements et du bac d'une distance ap proximativement égale.
L'installation représentée sur la fig. 3 est sensiblement la même que celle représentée sur la fig. 2, avec cette différence que l'enroule ment haute tension est relié à l'autre pôle de la source 3 de courant continu à haute tension. Le bac est également relié à la même borne de cette dernière. Les électrodes 8 sont reliées à l'autre pôle de la source de courant continu à haute tension.
Sur la fig. 4, on a représenté un transfor mateur ordinaire à noyau muni de serpentins internes de refroidissement. L'enroulement 2 haute tension est relié à l'un des pôles de la source 3 de courant continu à haute tension. Les serpentins de refroidissement 10, à travers lesquels on fait circuler de l'eau ou un autre fluide pour absorber la chaleur de l'huile, sont reliés à l'autre pôle de la source de courant continu à haute tension. Les serpentins sont reliés à un conduit d'entrée 11 et à un conduit de sortie 12.
Le champ électrique créé par la source de courant continu à haute tension amé liore la vitesse de refroidissement dans une mesure telle que le transformateur peut être chargé pendant les essais jusqu'à 200 ou 300 de sa puissance nominale. L'application de la surcharge sur le transformateur peut subsister pendant les essais assez longtemps pour que l'ensemble des températures soit stabilisé.
Bien que l'enroulement haute tension soit relié au pôle positif de la source de courant continu à haute tension, on obtient des résultats entièrement satisfaisants en reliant les serpen tins de refroidissement 10 au pôle positif de la source de courant continu à haute tension et le pôle négatif aux enroulements.
Sur la fig. 5, on a représenté un transfor mateur du type à noyau pourvu de serpentins internes de refroidissement, dans lequel le re froidissement est effectué à l'aide d'électrodes distinctes. Dans cet exemple, les serpentins de refroidissement 10 s'étendent complètement autour de la surface intérieure du bac, entre le bac et les enroulements et le noyau. Les électrodes 8 sont disposées approximativement à mi-distance entre les serpentins de refroi dissement et les enroulements du transforma teur. Comme représenté, les électrodes sont reliées à l'un des pôles de la source 3 de cou rant continu à haute tension et les serpentins de. refroidissement 10 et les enroulements 2 du transformateur sont reliés à l'autre pôle de cette source.
On peut également relier le bac 4 à la masse. L'écartement entre les électrodes 8 d'une part et les serpentins 10 de refroidisse ment et les enroulements dont on doit prélever la chaleur, d'autre part, est maintenu au mi nimum. On a obtenu d'excellents résultats avec des tensions relativement basses et avec un écartement de 9,52 mm entre les électrodes et les enroulements, et entre les électrodes et les serpentins de refroidissement. Sur la fig. 6, on a représenté une vue sché matique d'un transformateur pourvu d'un échangeur de chaleur externe. Dans cet exem ple, les électrodes 8 sont reliées à l'un des pôles de la source 3 de courant continu à haute ten sion. Les enroulements haute tension 2 sont re liés à l'autre pôle de la source 3 de courant continu à haute tension.
L'huile 7 recueille la chaleur provenant des enroulements ét du noyau ; elle circule dans un conduit de sortie 13 pour se rendre à un échangeur de chaleur 14 et, par un conduit d'entrée 15, revient dans le transformateur. En raison du fait qu'une certaine convection naturelle a lieu et que l'huile plus chaude se déplace vers la partie supérieure du transformateur, cette huile quitte la partie supérieure du réservoir et, après avoir traversé les échangeurs de chaleur, revient près du fond de ce dernier. A cet effet, on peut utiliser une pompe 16.
Dans l'exemple représenté sur la fig. 7, l'huile contenue dans le transformateur tra verse un échangeur de chaleur. Elle quitte le transformateur par un conduit de sortie 13, qui est disposé de manière à prélever l'huile de la partie supérieure du transformateur, et est ramenée à la partie inférieure du transforma teur par le conduit d'admission 15. On utilise une pompe 16 pour établir la circulation néces saire. L'huile circule à travers l'échangeur de chaleur 14 où elle passe sur un réfrigérateur 17 à travers lequel on fait passer de l'eau de refroidissement. L'eau entre dans le réfrigé rateur 17 par un conduit d'admission 18 et en sort par un conduit de sortie 19.
Des électro des 20 sont disposées entre le réfrigérateur 17 et la paroi extérieure de l'échangeur de cha leur et ces électrodes sont reliées ensemble et sont reliées à l'un des pôles de la source de courant continu à haute tension. Le bas de l'échangeur de chaleur et également le bas du réfrigérateur sont reliés à la terre et à l'autre pôle de la source de courant continu à haute tension et, par conséquent, l'huile, au cours de son passage @ à travers l'échangeur de chaleur, est soumise à l'action du champ électrique.
La source de .courant continu à haute ten sion est reliée de façon similaire aux électrodes 8 du transformateur et également au bac du transformateur. Les électrodes individuelles sont reliées ensemble à l'intérieur de l'échan geur de chaleur et du transformateur, et un conducteur unique est branché et relié à la source de courant. Ceci est également vrai en ce qui concerne les autres exemples décrits jusqu'ici, dans lesquels on utilise des électro des spéciales.
Sur la fig. 8, on a représenté de quelle fa çon on peut refroidir à la fois des transforma teurs élévateur et abaisseur de tension. Ainsi qu'on l'a représenté, la source de courant con tinu à haute tension est reliée d'une part à l'en roulement haute 'tension de l'un des transfor mateurs et d'autre part au bac du transfor mateur, qui est également mis à la terre, et cette source unique suffira alors à appliquer la haute tension aux deux transformateurs.
Sur la fig. 9, on a représenté une installa tion de refroidissement d'un transformateur cuirassé. Dans ce transformateur l'enroule ment haute tension 2 est formé de rubans 22 de fil de cuivre plat, les spires étant espacées les unes des autres par un isolant 23. Comme représenté, deux de ces bobines de fil métalli que plat sont reliées ensemble par un cavalier 24. Ces enroulements s'étendent autour de la colonne centrale du noyau 5.
L'enroulement 4 basse tension se compose d'un tube enroulé situé au voisinage de l'enroulement primaire mais isolé de ce dernier. On peut faire circuler de l'eau ou autre fluide approprié pour per mettre le refroidissement, dans l'enroulement basse tension, ce fluide pénétrant dans l'extré mité 25 d'un conduit d'admission et sortant par un conduit de sortie 26. L'enroulement haute tension est relié à l'un des pôles de la source de courant unidirectionnel à haute ten sion et l'autre pôle de la source est relié à la terre et au bac, l'enroulement basse tension étant également mis à la terre.
Le champ élec trique est ainsi créé d'une part entre l'enroule ment haute tension et d'autre part, entre le bac et l'enroulement basse tension. Grâce au fait qu'un bord de chaque spire de l'enroule ment haute tension n'est pas recouvert par l'iso lant, on obtient un rapide refroidissement. Si on le désire, l'enroulement haute tension et l'en roulement basse tension peuvent tous deux être du type à fil métallique plat et un serpentin de refroidissement peut être disposé entre eux; dans ce cas, on applique le champ électrique entre les enroulements et le serpentin.
Il est évident que, si on le désire, on peut refroidir le noyau du transformateur et le relier à l'un des pôles de la source de courant unidirectionnel à haute tension, l'autre pôle étant relié au bac, ou aux électrodes, ou aux serpentins de refroidissement ou encore aux enroulements.
Dans n'importe lequel des exemples décrits ci-dessus, on peut placer les électrodes ou les serpentins de refroidissement près du fond du bac, au voisinage du noyau et des enroulements. Dans ce cas, la circulation des particules d'huile chauffée se fait verticalement. De même, si on le désire, on peut placer les électrodes ou les serpentins de refroidissement au voisinage de la partie supérieure du bac ; dans ce cas, la convection naturelle est sensiblement accélérée d'où il s'ensuit que le transformateur est no tablement refroidi.
On a constaté qu'il est possible d'accroître notablement la vitesse de dissipation de la cha leur dans les transformateurs et que, par suite, la capacité d'un transformateur peut s'accroî tre d'au moins 150 0/0. On a fait fonctionner des transformateurs sous une charge de 250 % pendant des périodes de temps prolongées sans que les températures régnant dans le transfor mateur soient aussi élevées qu'elles le seraient normalement avec une <RTI
ID="0006.0035"> charge de 100 % seu- lement.
Sur la fig. 10, on a représenté un câble rempli d'huile et comportant plusieurs conduc teurs 31. Le conduit 30 est relié à l'un des pô les de la source 3 de courant unidirectionnel à haute tension. L'autre pôle de cette source est relié à l'un des conducteurs et il se crée un champ électrique entre le conducteur et l'en veloppe. Le mouvement engendré par ce champ réduit notablement la température des conduc teurs et a pour conséquence un accroissement de la charge que peuvent transporter les con ducteurs sans échauffement anormal.