Brevet FR2198235A1 — publié le 19740329

La présente invention a pour objet un condensateur électrique régénérable comportant un diélectrique constitué d'une combinaison de couches de papier et de matière synthétique, la couche de papier étant métallisée sur ses deux faces et une imprégnation étant pratiquée au moyen d'un liquide diélectrique. L'invention concerne également un procédé pour la fabrication d'un tel condensateur électrique. Les condensateurs électriques bobinés sont fréquemment immergés dans une huile isolante aux fins d'imprégnation, ceci en particulier lorsque les condensateurs sont destinés à être employés sous tension alternative. L'imprégnation a pour but de combler les cavités présentes à la surface ainsi qu'à l'intérieur du diélectrique du condensateur, cavités qui, si elles restaient emplies d'air, pourraient sous l'intensité de champ électrique auquel est soumis le condensateur en service devenir le siège d'effluves au sein du diélectrique, et entrainer ainsi sa détérioration ou même sa destruction.On emploie à cette fin des agents d'imprégnation dont la constante diélectrique diffère aussi peu que possible de celle du diélectrique du condensateur, ceci afin d'obtenir dans l'ensemble du diélectrique du condensateur une répartition du champ aussi homogène que possible. Pour cette raison, on emploie pour l'imprégnation de condensateurs avec diélectrique papier (possédant un facteur de permittivité ou constante diélectrique égale à environ 6), un diphényle chloré ("Chlophen") dont la constante diélectrique présente la même valeur que le papier isolant utilisé comme diélectrique. Toutefois, les condensateurs imprégnés au Chlophen actuellement connus présentent, en raison de leur structure constituée de deux feuilles métalliques constituant les armatures du condensateur et enroulées ensemble avec la couche de papier, l'inconvénient de n 'être pas régénérables après un éventuel claquage électrique.Si l'on veut pallier cet inconvénient avec des moyens connus, il est nécessaire de réaliser les armatures du condensateur sous la forme de minces métallisations déposées sur la bande de papier formant le diélectrique du condensateur, et en outre d'employer un agent d'imprégnation qui ne risque pas de donner naissance par suite des contraintes liées au phénomène de la décharge électrique à des substances risquant de dégrader le pouvoir isolant du diélectrique au terme de la régénération. La meilleure solution jusqu'à présent connue consiste à prévoir comme liquide d'imprégnation pour de tels condensateurs une huile minérale ou un polyisobutylène, ces substances présentant des constantes diélectriques de l'ordre de 2,2 et ne risquant pas d'influencer le pouvoir de régénération du condensateur à l'issue d'un claquage. I1 n'en subsiste pas moins l'inconvénient d'une relativement grande différence entre les constantes diélectriques de la bande de papier isolant formant le diélectrique du condensateur (constante égale à ó) et de ces liquides d'imprégnation, si bien que de tels condensateurs présentent sans doute un pouvoir d'autorégénération mais au prix d'une relativement grande inhomogénéité de l'intensité du champ dans le diélectrique du condensateur. C'est ainsi par exemple que dans les intervalles emplis d'huile qui séparent des couches de papier adjacentes ou encore une couche de papier d'une métallisation, l'intensité du champ électrique peut être environ trois fois supérieure à celle qui existe à l'intérieur des diverses couches de papier. A ceci s'ajoute encore le fait que la résistance au claquage des agents d'imprégnation liquides est toujours sensiblement inférieure à celle des diélectriques solides usuels. Dans tous les condensateurs bobinés actuellement connus avec diélectrique papier et imprégnation par liquide, les intervalles emplis de liquide d'imprégnation se trouvent électriquement connectés en série avec le diélectrique solide du condensateur, lequel est constitué par les diverses couches de la bande de papier enroulée. La nature d'une telle structure apparaft ainsi que ses conséquences sur les figures 1 et 5 relatives à l'exemple du condensateur au papier habituel imprégné au Chlophen, ou encore sur les figures 2 et G relatives au cas d'un condensateur dans lequel les armatures sont réalisées sous la forme de métallisations sur les deux couches de papier constituant le diélectrique du condensateur.Les figures 3 et 7 illustrent encore, comme autre possibilité de comparaison, une structure de condensateur correspondant à la description du brevet allemand N" 1 013 793. Dans ces figures, les figures 1, 2 et 3 représentent schématiquement la succesion des diverses couches constitutives d'une couche unitaire de l'enroulement, tandis que les figures 5, 6 et 7 représentent la succession des capacités partielles correspondant à ces diverses couches. Dans les dessins ci-annexés, les régions désignées par le repère numérique 1 et couvertes de madrures représentent chacune une couche de papier, tandis que les régions désignées par le repère 2 et couvertes de hachures représentent chacune une couche d'une feuille d'aluminium, et que les étroites bandes hachurées désignées par les repères 3 représentent chacune une armature de condensateur constituée sous la forme d'une métallisation déposée par vaporisation. Les équivalents électriques des structures élémentaires de condensateur représentées aux figures 1, 2 et 3 et correspondant à l'illustration de l'état de la technique se composent, ainsi que représenté aux figures 5 à 7, d'une succession de condensateurs élémentaires connectés en série et en parallèle.Ceux-ci sont, dans le cas de l'exemple des figures 1 et 5 relatives à un condensateur au papier imprégné au Chlophen, repérés additionnellement par les repères littéraux a, b, c, d et e, ainsi que a', b', c', d' et e', tandis que dans les exemples de réalisation représentés aux autres figures la combinaison est suffisamment claire pour pouvoir se passer d'un tel repérage additionnel. On reconnaît à l'examen des figures 1 et 5 que les capacités partielles désignées par les repères littéraux a, c et e ainsi que a', c' et e' correspondent aux intervalles emplis de liquide d'imprégnation qui existent entre les diverses couches de papier ou entre une couche de papier et une couche métallique, tandis que les capacités partielles désignées par les repères littéraux b et d ainsi que b' et d' correspondent aux capacités des couches de papier proprement dites.On n'a à prendre en considération dans le cas de l'exemple des figures 2 et 6 que les capacités des intervalles existant entre une métallisation et une couche de papier appliquée contre celleci par suite de l'opération de bobinage, et dans le cas des figures 3 et 7, qu'une semblable capacité partielle ainsi qu'une capacité partielle supplémentaire représentée par les deux couches de papier appliquées l'une contre l'autre, capacités partielles auxquelles s'ajoutent dans ces deux derniers cas de figures les capacités partielles qui correspondent chacune à l'existence d'une couche de papier. Dans tous les schémas équivalents sont indiquées les valeurs de la constante diélectrique (ou facteur de permittivité), ces valeurs étant égales à 6 dans le cas du papier et du Chlophen et à 2,2 dans celui de l'huile d'imprégnation ou du polyisobutylène. On reconnait aussitôt que, dans le cas de tels diélec triques composites, les intervalles de séparation emplis de liquide d'imprégnation qui existent entre les diverses couches présentent en raison de leurs faibles épaisseurs des capacités particulièrement élevées, lesquelles se trouvent connectées en série avec des capacités inférieures qui correspondent au diélectrique solide proprement dit du condensateur considéré. Il est en outre à remarquer que l'intensité du champ peut atteindre déjà à l'intérieur des diverses couches de papier et en service permanent jusqu a 20 V/p, tout autre accroissement ne paraissant guère possible dans le cas des structures et des moyens actuellement connus. Un tel accroissement serait cependant particulièrement intéressant dans la perspective des tendances actuelles à réaliser des condensateurs de format toujours plus réduit. La présente invention se donne pour but d'y contribuer. Ce but est atteint, dans un condensateur du genre précité, et selon une caractéristique essentielle de l'invention, grâce au fait que la métallisation de la couche de papier comprend deux domaines isolés l'un de l'autre et destinés à constituer chacun une des armatures du condensateurs, et qu'entre deux couches successives de papier métallisées sur leurs deux faces est interposée chaque fois une couche de matière synthétique ou inversement. Bien que l'invention se donne essentiellement pour but de perfectionner les propriétés électriques de condensateurs papier-métal imprégnés, il n'est pas impossible de donner pour base à la présente invention, au moins du point de vue de la construction du condensateur, l'état de la technique tel qu'il résulte de la demande de brevet allemand publiée après examen sous le N" 1 564 792, ou encore de la demande de brevet allemand publiée après examen N" 1 614 502, ou encore de la demande de brevet allemand publiée avant examen N" 1 564 711, état de la technique auquel se rattache également le type de condensateur défini en tête du présent mémoire.Dans les condensateurs décrits dans ces divers documents, la couche de matière synthétique constitue toutefois à elle seule le diélectrique, ou bien est associée à une couche de papier pour former un diélectrique composite, tandis que les couches de papier, pour autant qu'elles soient métallisées, sont chaque fois prévues comme support d'une unique armature de condensateur. Dans la présente invention, au contraire, la structure du condensateur est conçue de telle sorte qu'entre deux couches diélectriques soit chaque fois insérée une couche de métal déposée par vaporisation sur une couche de papier, et que chaque couche de papier comporte deux métallisations distinctes qui sont électriquement raccordées respectivement aux deux connexions du condensateur. I1 est recommandé que, dans un condensateur selon l'invention, le rapport des épaisseurs respectives des couches de papier et de matière synthétique soit ajusté à une valeur comprise entre 3 : 1 et 4 : 1. I1 est prévu dans une forme de réalisation préférentielle que l'épaisseur des diverses couches de papier soit choisie égale à 12 , celle de la couche de matière synthétique à 3,5 , et celle de la métallisation constituée par exemple en aluminium à moins de 1 ,u. On veillera également, en outre, à ce que la couche de matière synthétique soit constituée d'une substance possédant au moins approximativement la même constante diélectrique que l'agent d'imprégnation. La structure de condensateur conforme à l'invention est illustrée par la figure 4, tandis que la figure 8 en reproduit le schéma électrique équivalent. La couche de matière synthétique 4 est représentée conventionnellement par une alternance de hachures obliques fortes et faibles, ceci aussi bien dans le schéma de la succession des diverses couches par couche d'enroulement de la figure 4 que dans le schéma équivalent de la figure 8, tandis que sont employées pour les autres constituants du condensateur selon l'invention les mêmes conventions de représentation déjà utilisées dans les figures précédentes.On obtient ainsi, dans le condensateur bobiné, et en parallèle sur la capacité partielle représentée par le diélectrique papier proprement dit désigné par le repère DZ 6, un montage série de trois capacités partielles, dont les deux capacités extrêmes correspondent aux intervalles de séparation emplis de liquide d'imprégnation qui existent entre chacune des métallisations 3 de la couche de papier 1 et la couche de matière synthétique 4, tandis que la capacité intermédiaire représente la capacité partielle propre de cette couche. La structure de condensateur selon l'invention prévoit entre les couches métalliques formées par vaporisation qui constituent les armatures du condensateur un unique diélectrique papier constitué par une bande homogène, laquelle est chargée de son c8té d'un agent d'imprégnation. La résistance sensiblement supérieure au claquage du diélectrique papier dans un condensateur selon l'invention peut s'expliquer par le fait qu'un claquage trouve son origine dans une décharge partielle à travers l'in- tervalle empli de liquide d'imprégnation qui s' étend entre les diverses couches diélectriques.Cet intervalle plein de liquide est relativement important en comparaison des petites cavités nécessairement contenues dans le diélectrique papier, lesquelles sont remplies de liquide d'imprégnation lors de l'opération d'imprégnation qui doit être effectuée sous vide. Du fait maintenant que l'intensité du champ de claquage dans un liquide diélectrique dépend très fortement des dimensions locales dans la direction du champ et qu'en outre cette intensité du champ de claquage croit fortement lorsque les dimensions décroissent (voir à ce sujet l'article paru dans la revue "ETZ" A 91 (1970), p. 118), on peut comprendre que se produisent des claquages dans les espaces intermédiaires emplis de liquide d'imprégnation pour des intensités de champ sensiblement plus faibles que dans les diverses cavités présentes à l'intérieur des diverses couches de papier en raison de la porosité propre du papier isolant et emplies elles aussi de liquide d'imprégnation. Du fait qu'il est fondamentalement impossible d'empêcher la création de tels espaces intermédiaires emplis de liquide d'imprégnation dans les condensateurs bobinés imprégnés à couches diélectriques adjacentes, un avantage supplémentaire est implicitement fourni par la structure de condensateur selon l'inven- tion : en parallèle sur la bande de papier servant de diélectrique au condensateur est connectée du point de vue électrique une bande isolante non métallisée dont la constante diélectrique est adaptée autant que faire se peut à la constante diélectrique de l'agent d'imprégnation, lequel est choisi sur la base d'autres considérations pour réaliser l'imprégnation des condensateurs métallisés. On peut citer par exemple, comme substance particulièrement appropriée pour la réalisation de la feuille de matière synthétique, un polycarbonate présentant une constante diélectrique de 2,8 ou encore un polypropylène présentant une constante diélectrique de 2,2. L'agent d'imprégnation liquide est constitué avantageusement par une huile minérale ou un sous-polymère de polyisobutylène, la préférence étant alors donnée à des variétés présentant une constante diélectrique de 2,2. Le diélec trique papier connecté en parallèle sur la matière synthétique et sur l'agent d'imprégnation contenu dans les intervalles de séparation est constitué, par contre, par une variété de papier isolant possédant une constante diélectrique de 6 ou davantage. Grâce à l'adaptation de la constante diélectrique de la matière synthétique disposée électriquement en série avec l'intervalle de liquide d'imprégnation, l'intensité du champ est sensiblement abaissée dans cet intervalle. Il est en outre avantageux que l'intervalle empli d'agent d'imprégnation qui subsiste entre la surface particulièrement lisse de la matière synthétique et la surface relativement rugueuse du papier soit extrêmement réduit. De ce fait, on obtient un accroissement de la résistance au claquage du diélectrique dans l'intervalle empli d'agent d'imprégnation qui s'étend entre des couches solides adjacentes, et donc de l'ensemble du diélectrique stratifié du condensateur bobiné selon l'invention. De ce point de vue, il est particulièrement avantageux d'employer comme matière synthétique une substance qui foisonne au contact de l'agent d'imprégnation. De ce fait, sont en effet particulièrement amincis ou même totalement supprimés les intervalles de séparation emplis d'agent d'imprégnation liquide. Un tel résultat est notamment obtenu si l'on emploie un p-olypropy- lène comne matière synthétique et une huile minérale comme agent d'imprégnation. Une structure de condensateur inversede celle qui fait l'objet de l'invention, dans laquelle par conséquent la couche de matière synthétique sert de support aux métallisations constituant les armatures du condensateur tandis que les couches de papier sont simultanément bobinées sans être elles-mêmes métallisées (demande de brevet allemand publiée avant examen N" 1 958 362) échappe au présent concept inventif, du fait qu'en un tel cas le diélectrique papier et l'agent d'imprégnation contenu dans les intervalles de séparation se trouvent connectés en série.A égalité de tension appliquée et de rapport d'épaisseurs (par exemple, 3 : 1) entre papier et couche de matière synthétique, l'intensité du champ dans les intervalles de liquide d'imprégnation et principalement au voisinage des bords des armatures, des bords libres et des arêtes qui peuvent prendre naissance par suite de dégradations mécaniques ou de formations de fissures ou encore de foisonnement des feuilles de matière synthétique métallisées, est sensiblement plus élevée dans le cas de la structure inverse précitée que dans le cas de la structure de condensateur selon l'invention. L'accroissement de l'intensité du champ électrique est donnée mathématiquement par la racine carrée du rapport des épaisseurs de la couche de papier à la couche de matière synthétique.Si l'on adopte pour ce rapport une valeur de 3 : 1, on obtient alors une intensité de champ sur les bords qui, dans le cas de la structure inverse précitée, est environ égale à 1,7 fois celle de la structure de condensateur selon l'invention. Le procédé connu de pré-attaque, grâce auquel les emplacements de défauts sont éliminés dès le stade de la fabrication du condensateur, prend en liaison avec la présente invention une signification toute particulière. Ainsi qu'il a déjà été exposé, la majorité des claquages est due dans les structures connues non pas à l'existence de défauts dans le diélectrique, mais principalement à l'apparition de décharges partielles dans l'intervalle contenant le liquide d'imprégnation, lesquelles conduisent alors à la formation d'effluves en couronne et finalement à des claquages au sein du diélectrique papier. Dans le cas de la structure de condensateur selon l'invention, des claquages ne peuvent se produirent qu'en des emplacements défectueux du papier.Du fait que de tels emplacements existent préalablement au dépôt de la métallisation sur les deux faces, ils peuvent être éliminés en cours de fabrication grâce au procédé connu d'attaque, et de préférence même avant de procéder à l'imprégnation du papier et éventuellement même sur la bande de papier non encore enroulée. Pour la fabrication d'un condensateur électrique selon l'invention, on peut recommander un procédé selon lequel une bande de papier isolant est tout d'abord revêtue sur chacune de ses deux faces d'une métallisation jouant le r61e d'armature de condensateur, ceci par une opération de vaporisation sous vide. La bande de papier est ensuite enroulée en une structure cylindrique ou pliée en accordéon en même temps qu'une bande de matière synthétique non métallisée.Du fait que la métallisation de la bande de papier est effectuée de telle sorte que l'un des domaines de cette métallisation n'atteigne la surface de la structure bobinée ou pliée et maintenue serrée que sur l'une de ses faces frontales tandis que l'autre domaine ne l'atteint que sur sa face frontale opposée, les connexions électriques des armatures du condensateur peuvent être réalisées de façon simple par une métallisation limitée sur les deux faces frontales de la structure, métallisation qui peut notamment être exécutée selon le procédé Schoop. La structure bobinée ou pliée ainsi obtenue est finalement immergée dans un liquide d'imprégnation, de préférence sous vide. Il est particulièrement recommandé à ce propos d'employer des températures basses, en particulier la température ambiante, de façon que même en présence d'un foisonnement des couches de matière synthétique le remplissage des intervalles de séparation par l'agent d'imprégnation soit total. I1 est encore à remarquer que la couronne peut être avantageusement munie avant son imprégnation d'une enveloppe, par exemple constituée par une cuvette métallique, dans laquelle la structure bobinée peut être introduite éventuellement après avoir pris les mesures nécessaires à l'isolation réciproque des connexions. Au terme de ces diverses opérations, le condensateur imprégné subit un revenu de quelques heures suivant la méthode habituelle. REVENDICAT IONS 1. Condensateur électrique régénérable comportant un diélectrique constitué d'une combinaison de couches de papier et de matière synthétique, la couche de papier étant métallisée sur ses deux faces et une imprégnation étant pratiquée au moyen d'un liquide diélectrique, caractérisé par le fait que la métallisation de la couche de papier comprend deux domaines isolés l'un de l'autre et destinés à constituer chacun une des armatures du condensateur, et qu'entre deux couches successives de papier métallisées sur leurs deux faces est interposée chaque fois une couche de matière synthétique ou inversement. 2. Condensateur électrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche de matière synthétique est susceptible de foisonner au contact de l'agent d'imprégnation. 3. Condensateur électrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la couche de matière synthétique est réalisée en une substance possédant au moins approximativement la même constante diélectrique que l'agent d'imprégnation. 4. Condensateur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le rapport des épaisseurs respectives des couches de papier et de matière synthétique est ajusté à une valeur comprise entre 3 : 1 et 4 : 1. 5. Condensateur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les épaisseurs respectives des couches de papier et de matière synthétique sont choisies égales à 12 p et à 35 p. 6. Condensateur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la couche de papier est réalisée en un papier isolant possédant une constante diélectrique égale à 6. 7. Condensateur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le liquide d'imprégnation est une huile minérale ou un sous-polymère de polyisobutylène, possédant en particulier une constante diélectrique égale à 2,2. 8. Condensateur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la couche de matière synthétique est réalisée en polypropylène, possédant en particulier une constante diélectrique égale à environ 2,2. 9. Condensateur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la couche de matière synthétique présente des surfaces lisses. 10. Procédé pour la fabrication d'un condensateur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'une bande de papier isolant est tout d'abord revêtue sur chacune de ses deux faces d'une métallisation jouant le rOle d'armature de condensateur, que cette bande de papier ainsi qu'une bande de matière synthétique non métallisée sont ensuite enroulées ensemble en une structure cylindrique ou pliées ensemble en accordéon, que par ailleurs la métallisation de la bande de papier est effectuée de telle sorte que l'un des domaines de cette métallisation n'atteigne la surface de la structure bobinée ou pliée et maintenue serrée que sur l'une de ses faces frontales tandis que l'autre domaine ne l'atteint que sur sa face frontale opposée, que l'on effectue ensuite une métallisation limitée sur les deux faces frontales notamment par application du procédé Schoop, et qu'enfin l'on procède à l'imprégnation de la structure obtenue au moyen du liquide d'imprégnation. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'imprégnation est effectuée à des températures suffisamment basses, telles par exemple que la température ambiante, pour que même en présence d'un foisonnement de la couche de matière synthétique le liquide d'imprégnation emplisse totalement l'intervalle subsistant entre les couches de matière synthétique et les métallisations de la couche de papier. 12. Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé par le fait que la structure bobinée ou pliée et imprégnée est soumise à un revenu durant quelques heures.