Brevet FR2148200A1 — publié le 19730311

La présente invention se rapporte aux transformateurs à noyau, et concerne plus particulièrement les bobines à l'usage des transformateurs à noyau dont la caractéristique dépasse environ 10 MVA. Bien que le procédé de l'invention concerne d'une façon générale les transformateurs à noyau, elle est également applicable aux transformateurs de forme cuirassée. Â cet égard, on remarquera que la différence entre un transformateur à noyau et un transformateur cuirassé réside simplement dans le fait que dans un transformateur à noyau, les bobines entourent les branches individuelles de la matière de noyau, alors que dans un transformateur cuirassé la matière de noyau entoure les bobines. La pratique actuelle de formation d'un transformatear à noyau d'une puissance nominale supérieure à environ 10 A consiste à utiliser une matière de noyau et à placer les enroulements de cuivre autour des branches individuelles du noyau. Ceci découle du fait que la construction du transformateur dépend de sa puissance nominale, et la quantité de cuivre utilisé pour les deux enroulements primaire et secondaire s' équili- bre avec le rendement de la matière de noyau. Le cuivre était utilisé pour deux raisons (1) sa conductivité électrique et (2) sa résistance mécanique. On remarquera que dans les gros transformateurs, les considérations d'espace sont essentielles lorsque les puissances nominales sont élevées. Par suite, on utilise une matière possédant une conductivité électrique élevée afin de permettre l'utilisation de bobines plus petites, ce qui permet d'obtenir un refroidissement plus efficace pour une puissance nominale de sortie donnée. Le cuivre possédant la forte conductivité électrique désirée, il satisfait éminemment à ces critères. Deuxièmement, le cuivre possède les propriétés mécaniques désirées, de telle sorte que, en fonctionnement de court-circuit du transformateur, les forces de crêtes impliquées dans les spires ou enroulements individuels des bobines sont telles que la limite de résistance de la matière n'est pas dépassée dans les limites de service normal de fonctionnement du transformateur, notamment aux températures impliquées en cours de fonctionnement de court-circuit. Récemment, le prix du cuivre a monté à tel point que les fabricants de gros transformateurs à noyau ont tourné leur at Invention sur d'autres matières pour les substituer au cuivre. Parmi les fabricants d'aujourd'hui, la considération principale porte sur l'usage de l'aluminium de qualité à bonne conductivité électrique. Cette qualité d'aluminium présente entre 60 et 62 % de la conductivité électrique du cuivre de coupe transversale égale, et a une ductilité suffisante pour permettre le cintrage sur champ aux points de croisement des bobines en cours de bobinage.En outre, l'aluminium de qualité de conductivité électrique a une faible élasticité associée au bobinage d'où s'ensuit un meilleur maintien de la forme de la bobine à son état bobiné, Toutefois, malheureusement, en cas d'utilisation de l'aluminium de qualité à bonne conductivité électrique dans les transformateurs à noyau dépassant environ 10 rWÂ, il offre une résistance insuffisante aux efforts de déformation présents durant les augmentations de températures de court-circuit en cours de fonctionnement de ces transformateurs, de sorte que les bobines se déforment sérieusement, d'où s'ensuit la détérioration de l'isolement, ainsi que l'entravement du refroidissement, ce qui conduit à un raccourcissement appréciable de la durée du transformateur.Des tentatives d'amélioration par écrouissage de la résistance de l'aluminium du type à bonne conductivité électrique à l'usage sous forme de bobines, n'a donné qu'une élévation insuffisante de la limite de résistance associée à la matière écrouie, de sorte que la déformation se produit encore en cours de fonctionnement en court-circuit. En outre, si l'on tente d'écrouir la matière suffisamment afin d'obtenir la résistance supplémentaire nécessaire pour résister à cette déformation, la ductibilité se trouve suffisamment amoindrie pour que le cintrage sur champ aux points de croisement des bobines devienne très difficile, et de plus, l'élasticité associée à l'aluminium à bonne conductivité électrique sérieusement écroui le rend impropre au bobinage du fil sous forme de bobine avec l'espacement correct entre les spires adjacentes de la bobine et la cuve. Typiquement, le cuivre que l'on a utilisé jusqu'à présent avec des trempes de dureté d'un huitième à un quart, présente une limite de résistance d'environ 1970 à 2 110 kg/cm2, mesurée à température ambiante. Toutefois, puisque la température de la bobine en cours de fonctionnement en court-circuit du transformateur peut s'élever jusqu'à environ 250 C, la résistance à température élevée d'enviro kg/cm2 à cette température durant le fonctionnement en court-circuit semble suffisante pour cette résistance à la déformation associée aux transformateurs à noyau actuels.Pour supprimer les difficultés rencontrées dans la fabrication antérieure des transformateurs à noyau, on a découvert qu'un alliage d'aluminium convenable, susceptible de trempe de vieillissement peut maintenant être utilisé avec des résultats satisfaisants. Le procédé de la présente invention envisage la formation d'une bobine pour transformateur à noyau par traitement thermique de solution d'un alliage à base d'aluminium susceptible de trempe de vieillissement sous forme de fil. Puis, l'alliage après traitement thermique de solution sous forme de fil est ensuite enroulé selon une configuration déterminée de bobine, après quoi la bobine est soumise à une trempe de vieillissement pour lui donner une limite de résistance à température ambiante d'au moins 1 755 kg/cm2. En alternative, l'alliage à base d'aluminium susceptible de trempe de vieillissement et après traitement thermique de solution sous la forme de fil, peut être préalablement vieilli jusqu'à l'équivalent d'une trempe de dureté d'environ un quart. Ensuite, le fil est enroulé en forme de bobine, et les bobines sont assemblées dans le transformateur à noyau, après quoi, elles sont soumises sur place à une saturation de vieillissement par chauffage avec l'huile du transformateur jusqu'à une température élevée convenable. Dans les transformateurs à noyau de puissance nominale d'environ 10 MVA et au-dessus, la qualité d'aluminium à conductivité élevée, c'est-à-dire une qualité d'aluminium qui présente une conductivité d'environ 62 % de celle du cuivre, n'a pas été utilisée dans ces gros transformateurs du fait que cette matière, indépendamment du traitement thermique ou de l'écrouis- sage préalable, n'offre pas une résistance suffisante aux efforts de déformation survenant au cours du fonctionnement en court-circuit, avec les augmentations de température associées al fonctionnement de ces transformateurs.Au cours de ce fonctionnement en court-circuit, un transformateur qui normalement atteint une température de 90 à 1100C environ, peut en moins d'une seconde atteindre brusquement une température d'une valeur comprise entre 150 et 2500C, selon la puissance nominale du transformateur durant ce fonctionnement en court-circuit, Bien qu'une élévation initiale de température puisse avoir lieu avant l'ouverture du disjoncteur, suivie d'une autre élévation après la fermeture du disjoncteur, le temps nécessaire à la dissipation de cet excès de chaleur, qui peut augmenter la température des bobines jusqu'à 2500C, peut s'étendre sur une période pouvant dépasser une heure.En outre, à ces fortes augmentations de température durant le fonctionnement en court-circuit, s'associe également une force qui dépend de la puissance nominale et de la quantité de courant transmis dans les bobines du transformateur. Lorsque la limiteLde résistance est dépassée par la force créée par ces fonctionnements en court-circuit, les bobines peuvent etre exagérément déformées, d'où s'ensuit la détérioration de l'isolement et éventuellement la défaillance totale de la bobine selon la sévérité du dommage On a déterminé empiriquement, qu'il est nécessaire que le fil constituant la bobine d'un transformateur à noyau présente une limite de résistance à température ambiante telle qu'après un fonctionnement total de 30 minutes cumulatives à une température moyenne d'environ 2250 O, cette limite ne soit pas inférieure à 700 kg/cm2 à cette température élevée. Certains alliages d'aluminium susceptibles de trempe de vieillissement satisfont à ces critères, au moins en ce qui concerne les propriétés mécaniques, sans sacrifice préjudiciable de la conductivité électrique manifestée par ces alliages .La présente invention envisage donc l'usage d'un alliage à base d'aluminium SUSceptible de trempe de vieillissement qui à son état après traitement thermique de vieillissement complet présente une conductivité électrique comprise entre 57 et 59 * de celle du fil de cuivre de qualité électrique. Plus particulièrement, on a constaté qu'un alliage ayant une composition comprise dans les limites d'environ 0,35 % à 0,8 % de magnésium, environ 0,3 à 0,7 % de silicium, jusqu'à 0,5 % de fer au maximum, et le complément essentiellement d'aluminium avec les impuretés éventuelles, présente dans son état après traitement thermique approprié, entre 57 et 59 % de la conductivité électrique du cuivre électrolytique. L'alliage à base d'aluminium susceptible de trempe de vieillissement selon la précédente description, présentant environ 57 à 59 % de la conductivité du cuivre électrolytique peut être utilisé dans le procédé de la présente invention. L'alliage à base d'aluminium susceptible de trempe de vieil plissement mis en forme est initialement soumis à un traitement thermique de solution à une température comprise dans la gamme de 425 à 5100C environ, pendant une durée variant d'environ 15 minutes à une heure, puis à un refroidissement rapide afin de maintenir les constituants de la trempe de vieillissement dans la solution solide, Idéalement, l'alliage à base d'aluminium susceptible de trempe de vieillissement est soumis à ce traitement thermique de solution sous forme de fil, ce traitement communiquant au fil d'alliage d'aluminium les caractéristiques de grande ductilité, de faible résistance et de faible élasticité. De fil peut avoir toute forme de coupe transversale, par exemple circulaire, carrée, ou rectangulaire, cette forme n'étant pas essentielle en ce qui concerne la présente invention. be fil après traitement thermique de solution est enroulé selon la configuration de bobine désirée, ce bobinage et ces configurations étant bien connus des techniciens. Le fil à son état après traitement thermique de solution, avec sa grande ductilité, sa faible résistance et sa faible élasticité, permet d'obtenir un avantage marqué notamment, par exemple, lorsque les enroulements continus en doubles disques sont utilisés dans les transformateurs à noyau. Les efforts de flexion rencontrés no tamment aux points de croisement des bobines, sont facilement supportés par la grande ductilité induite et la faible élasticité, pour permettre la formation effective de ces bobines.La faible résistance facilite la mise en forme désirée des bobines avec moins d'élasticité0 Après bobinage complet du fil à la configuration désirée, la bobine est ensuite soumise à un traitement thermique de trempe de vieillissement. La trempe de vieillissement de la matière sous forme de bobine assure une forte fixation de cette forme, de sorte que même durant le fonctionnement en court-circuit, la configuration est maintenue. Ensuite, les bobines ayant subi la trempe de vieillissement sont assemblées dans le transformateur à noyau de la manière bien connue. Le traitement thermique de trempe de vieillissement de la bobine est exécuté à une température comprise dans la gamme d'environ 1i3 à 1900C, pendant une durée allant d'environ 8 heures à environ 12 heures, préalablement au montage de la bobine dans le transformateur. La trempe de vieillissement appliquée à la matière modifie les propriétés de résistance de l'alliage à base d'aluminium de telle sorte que cet alliage possède une limite de résistance dépassant celle requise durant le fonctionnement en court-circuit Selon une autre forme de réalisation de la présente invention, on peut trouver désirable de soumettre l'alliage à base d'aluminium à un byper-vieillissement pour réaliser l'équiva- lent d'une trempe de dureté d'un quart afin d'obtenir la répartition optimale entre les propriétés mécaniques et électriques. Puisque l'alliage, c'est-à-dire l'alliage à base d'aluminium susceptible de trempe de vieillissement, peut être vieilli à des températures plus élevées, ou pendant de plus longues durées pour en réaliser l'hyper-vieillissement, on doit veiller à ne pas produire de sous-vieillissement car la conductibilité électrique s'en trouverait exagérément amoindrie. Dans cette forme particulière de réalisation, la même composition d'alliage que celle citée ci-dessus est utilisée, est soumise à un traitement thermique de solution de préférence à une température comprise dans-la gamme d'environ 425 à environ 51000, après quoi elle est rapidement refroidie à la température ambiante afin de conserver les constituants de trempe de vieillissement en solution dans l'alliage à base d'aluminium susceptible de trempe de vieillissement. Après traitement thermique de solution, l'alliage à base d'aluminium est soumis à la trempe de vieillissement pour en effectuer une trempe déterminée, trempe que l'on peut décrire comme ne dépassant pas 11 équivalent d'une dureté d'environ un quart, la trempe préalable d'hyper-vieillissement de l'alliage à base d'aluminium permet de réaliser un équilibre optimal entre la limite de résistance, la ductilité et l'élasticité d'une part, et la conductivité électrique d'autre part, Bien que la grande ductilité normalement associée à la matière ayant subi un traitement thermique de solution s'en trouve quelque peu réduite, néammoins, le fil d'alliage avec une trempe équivalant à une dureté d'un quart conserve une ductilité suffisante pour effectuer les cintrages de croisement même les plus difficiles aux points de croisement dans les bobines actuellement utilisées dans les transformateurs à noyau. Bien que l'élasticité soit un peu plus forte, néammoins, les forces appliquées seront suffisantes pour qu'une élasticité exagérée ne pose pas de problèmes. L'alliage à base d'aluminium trempé à une dureté d'un quart sous forme de fil, est ensuite enroulé en bobines, lesquelles, assemblées dans un transformateur à noyau, présentent une résistance suffisante pour rester relativement inaffectées par les forces qui leur sont imposées en cours de fonctionnement en court-cicuit. Cet alliage d'aluminium trempé à une dureté d'un quart permet de fabriquer d'excellentes bobines. REVENDICATIONS lo Procédé de formation d'une bobine pour transformateur à noyau, caractérisé par les opérations suivantes : on soumet à un traitement thermique de solution un alliage à base d'aluminium susceptible de trempe de vieilissement,sous forme de fil pour lui communiquer une grande ductilité, une faible résistance et un faible ressort; après traitement de solution, on bobine le fil à une configuration déterminée de bobine, puis on soumet le fil sous forme de bobine à une tempe de vieillissement pour assurer un niveau de limite de résistance d'au moins 700 kg/em2 aux conditions de fonctionnement en court-circuit du transformateur. 2. Procédé de formation d'une bobine à l'usage d'un transformateur à noyau, caractérisé par les opérations suivantes : on soumet à un traitement thermique de solution, un alliage à base d'aluminium susceptible de trempe de vieillissement, sous forme de fil, on soumet le fil à un hyper vieillissement pour effectuer une trempe équivalant à une dureté d'environ un quart, on bobine le fil en une configuration de bobine, puis on assemble la bobine dans un transformateur d noyau. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'alliage à base d'aluminium a une composition comprise dans les limites de 0,35 9 0,8% de magnésium, 0,3 b 0,7% de silicium, 0,5% de fer au maxiuun, et le complément d'aluminium avec les impuretés éventuelles, et par le fait que l'alliage a été soumis à un traitement thermique de solution à une température comprise dans les limites de 425 à 510ce. 4. Procédé selon la revendioation l, caractérisé par le fait que la bobine est vieillie à une température comprise dans les limites de 163 à 19toc pendant une durée allant de 8 à 12 heures environ. 50 Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'après traitement thermique de solution, alliage est soumis à un hyper vieillissement pour effectuer une trempe équivalente ne dépassant pas une dureté d'un quart. 6. Bobine composée d'enroulements en alliage d'aluminium susceptille de trempe de vieilissement convenant à l'usage dans un transformateur à noyau, selon l'une quelconque des revendications là 5. 7. Transformateur comportant une bobine mise en forme selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.