Brevet FR2307355A1 — publié le 19761105

L'invention due aux travaux de Monsieur Fernand Viale de la Societe Alsthom- Savoisienne, et de Monsieur François Abgrall, des Laboratoires de !arcoussis, Centre de Recherches de la Compagnie Générale d'Electricité, concerne une truc. ture isolante pour transformateur a haute tension à bain d'huile. On sait que les enroulements des transformateurs à haute tension, par exemple d'une tension de 220 kV, et au-dessus, sont generalement contenus dans une cuve remplie d'huile minérale provenant de la separation des diverses fractions du petrole. Ceci permet, en raison de la forte rigidité dielectrique de l'huile, de supporter des champs électriques d'une valeur superieure à celle qui provoquerait un claquage dans l'air. De plus, la mise en circulation de l'huile facilite l'évacuation de la chaleur qui se dégage dans le transformateur par effet Joule. Il est également connu de separer mecaniquement et electriquement ces enroulements par des couches isolantes solides d'un materiau perméable imprégné par l'huile et présentant alors une #igidité diélectrique supérieure à celle dc cette dernière. La permeabilite à l'huile est indispensable car il ne doit pas subsister de bulles d'air qui provoqueraient des claquages électriques. Par ailleurs le remplacement de l'air par l'huile accrott aussi la conductibilite thermique et favorise l'évacuation de la chaleur. Enfin le matériau doit exister en feuilles de faible epaisseur pour pouvoir être enroule facilement autour des conducteurs electriques. Il est classiquement constitue de papier, c'est-à-dire d'un non tissé de fibres de cellulose.Le t non tissé signifie que les fibres sont solidarisees les unes des autres en se croisant sans tissage et en désordre. Outre ses avantages de forte rigidité diélectrique et de perméabilité à l'huile, le non tissé de cellulose présente une bonne résistance mécanique et des pertes diélectriques acceptables et il ne s'altère que lentement dans les conditions d'usage c'est-à-dire dans l'huile à une tenperature de l'ordre de 1000C. Il présente cependant certains inconvénients : il est hygroscopique. Il faut donc le sécher avec soin avant son imprégnation par l'huile, pour éviter que des traces d'eau n'augmentent les pertes et ne diminue la rigidité dirlectrique. Il est peu élastique, ce qui provoque parfois des ruptures lors de l'opération de "guipage", c'est-à-dire lorsqu'on enroule un ruban isolant tendu avec une force importante autour d'un conducteur électrique. On connaît d'autres matériaux d'isolation électrique, solides et souples, qui sont utilisés dans des domaines techniques différents de celui des transformateurs de haute tension. Tres souvent, ces matériaux se présentent sous la forme de films, par exemple d'un polyester tel que le polyteréphtalate d'éthylène- glycol connu sous les noms commerciaux de "Mylar" et de "Terphane" et également de polypropylene. Sous cette forme ils ne peuvent être utilisés dans kas transformateurs haute tension à huile en raison de leur imperméabilité. On connaît par contre des non tiss@siso qui se présentent sous la forne de feuilles d'épaisseur comparable à celle que l'on obtient avec la fibre de cellulose et imprégnables par l'huile. Ce sont des non tissés de polyéthyl@ue et de polypropylène imprégnés d'huiles synthétiques telles que les polp@utènes. Cas matériaux sont utilisé ou peuvent être utilisés pour 11 isolation (7es conducteurs des câbles tra@sportant des grandes puissancas él@ctriques. Ces matériaux présentent l'avantage de donner avec l'huile un complexe dont les pertes sont faibles, ce qui est indispersable dans l'isolation des co@ductours des câbles.Toutefois, ils ne peuvent être utilisés pour l'isolation des transformateurs car ils s'alternent en présente d'huile minérale aux températures de service dans les transformateurs (Iof:0C) et d'autre part parce que les huiles synthétiques utilises dans les câbles sont facilement inflammables lorsque leur viscosité est suffisamment faible pour que l'imprégnation du non tissé surisse se faire correctement. La présente invention a pour but la réalisation d'une structure isolante pour transformateur à haute tension à bain d'huile, permettant d'augmenter la tension electrique entre les enroulements ou fractions d'un même enroulement du transformateur à épaisseur d'isolant solide constante et/ou diminuer l'épaisseur d'isolant à tension constante. Elle a pour objet une structure isolante pour transformateur à haute tension comportant un canal dans lequel l'huile circule pour assurer le refroidissement des enroulements, ce canal étant limité par des couches isolantes solides constitués par des nappes non tissées, caractétisée par le fait que le matériau non tissé constituant ces nappes est formé de fibres de polytéréphta- late d'éthylene glycol et/ou de propane diol. La rigidité diélectrique de cette matiere est supérieure à celle de l'huile minérale et sa nermittivitn diélectrique est beaucoup plus proche de cette dernière que ne l'est la permittivité de la fibre de cellulose (6 contre 3,3). Cette matière sera appelée ci-après PT. Elle est bien connue non seulement sous la forne des feuilles précédemment mentionnées mais également sous celle de fibres ou fils utilises pour la fabrication de tissus, tricots et non tissés. L'augmentation de tension électrique autorisee par l'invention est surprenatte car la rigidite diélectrique d'un non tissé de PT imprégné est inférieure a celle d'un bon papier imprégné d'huile. Ces rigidités sont nesures selon les normes habituelles. Les inventeurs pensent que cette augmentation de la tension électrique admissible que l'on peut appliquer entre deur enroulements ou fractions d'un mêne enroulement 7 épaisseur d'isolation gale est liée au fait que la permittivité relative du non tissé de PT imprégné d'huile est proche de celle de l'huile. Cette permittivité relative, désignée généralement par la lettre grecque epsilon, a une valeur comprise entre 2,7 et 3 environ pour le feutre de PT imprégné d'huile, voisine de 2,2 pour l'huile minérale, et de 3,1 à 4 pour le papier de cellulose imprégné. I1 est bien connu que dans le cas de deux matériaux diélec- triques en sérine les champs électriques dans ces matériaux sont dans le rapport inverse de leurs permittivités. Dans le cas de la structure isolante envisagée constituée d'une couche d'isolant solide en série avec un canal dthuile, le champ electrique sera plus élevé dans l'huile dont la rigidité est par ailleurs la plus faible.Lorsque l'on fait croître la tension, le claquage se produira dans l'huile ou à l'interface huile papier. Si on remplace le non tissé de cellulose par un non tissé de PT sans rien changer aux épaisseurs du canal d'huile et de l'isolant solide, le champ dans l'huile sera plus faible pour une même tension entre conducteurs ; le claquage se produira donc à une tension plus élevée. Les rubans faits de non tissé de PT présentent en outre l'avantage d'éviter les ruptures au cours des opérations de guipage bien que la résistance à la traction du matériau soit un peu inférieure à celle du feutre de cellulose. Cet avantage tient au fait que le PT peut subir sans rupture un allongement tres superieur à celui de la cellulose. La structure selon l'invention présente encore les avantages suivants - elle est hydrophobe, ce qui évite d'avoir à la sécher soigneusement avant de l'introduire dans le bain d'huile. - elle conserve ses qualités mécaniques dans l'huile chaude pendant des temps supérieurs à ceux de la cellulose. - le refroidissement est accru, d'une part parce que la conductibilité thermique du PT est supérieure à celle de la cellulose et d'autre part parce qu'une mese tension entre conducteurs nécessite une épaisseur d'isolant solide plus faible. Cette structure présente cependant 11 inconvénient d'avoir des pertes diélectriques un peu plus élevées que celles du papier de cellulose, tout au moine autour de IQO'C mais l'énergie dissipée par ces pertes ne représente qu'une fraction négligeable de celles dissipées par effet Joule dans les conducteurs. A l'aide de la figure unique ci-jointe, on va decrire ci-après à titre non limitatif, un mode de mise en oeuvre de l'invention. Cette figure représente une vue en coupe partielle d'un transformateur à haute tension. Dans ce mode de mise en oeuvre, le PT est un polytéréphtalate d'éthylène glycol et comporte une charge constituée par de l'oxyde de titane avec une proportion de 0,5 Z. Son poids moléculaire moyen est compris entre 20.000 et 25.000 environ. Son poids spécifique est compris entre 1,34 et 1,38 g/cm3 environ. Sa viscosité mesurée à l'appareil Davenport est d'environ 2.300 Poises à 2850C. Son point de ramollissement est voisin de 2630C. Son taux de cristal lignite est de l'ordre de 18 à 20%. La rupture dune fibre en traction se fait pour une contrainte de 32 grammes par tex. On sait que le tex est une unité de section utilisée pour des fibres textiles et qu'elle correspond à des fibres pesant 1 g/km. Le nombre de tex est appelé "titre". Le feutre utilisé dans l'exemple décrit est réalisé à partir de fibres continues dont le titre est compris entre í et 4 décitex, et vaut de préférence deux décitex environ, c'est-à-dire que les fibres pèsent deux décigrammes par kilomètre. Les fibres sont dispersées par un courant d'air sur un tamis pour former un feutre peu dense qui est ensuite calandré à chaud, c'est-à-dire serré entre des rouleaux à une température suffisante pour que la nappe acquière une cohésion suffisante. Le feutre ainsi produit est utilisé sous deux formes distinctes pour l'isolement des conducteurs d'un transformateur. Ces conducteurs sont bobinés sur un mandrin isolant 1 dans un bain d'huile fornant un "canal" 2. 10 : les conducteurs de cuivre à section rectangulaire de 2,5 x 11 mm, tels que les conducteurs 3, 4, 6, 12, 14 et 16, sont entourés par un ruban 8 enroulé en hélice avec recouvrement de manière à ce que le cuivre soit recouvert par 15 épaisseurs de ruban, environ. Ce ruban isolant a une largeur de 23 ms et une épaisseur de 0,09 irna au repos. Son grammage est de 70 g/m2. Lors de l'enroulement, il est soumis à une traction mécanique qui abaisse son épaisseur à 0,06 mm environ. 20 : les couches de conducteurs successives telles que la couche 3, 4, 6 et la couche 12, 14, 16 sont en outre isolées les unes des autres par 150 à 200 couches superposées d'un ruban 10 de quelques mètres de largeur et de 0,15 mm d'epaisseur. Le grammage de ce ruban est de t40 g/m2. Plus précisément, il semble que le non tissé utilisé selon l'invention ait de préférence un grammage compris entre 30 et 200 g/m2 pour chaque dixième de millimètre de son épaisseur, et que cette épaisseur soit avantageusement comprise entre 0,05 et 0,2 mm. REVENDICATIONS 1/ Structure isolante pour transformateur a haute tension confortant un canal dans lequel l'huile circule pour assurer le refroidissement des enroulements ce canal étant limite par des couches isolantes solides constituées par des nappes non tissées, caractérisée par le fait que le materiau non tissé constituant ces nappes est formé de fibres de polytéréphtalate d'éthylène glycol et/ou de propane diol. 2/ Structure selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdites fibres ont un titre compris entre 1 et 4 décitex. 31 Structure selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite nappe a la forme de feuilles de rubans avec un grainage compris entre 30 et 200 g/m2 pour chaque dixieme de millimètre d'épaisseur. 4/ Structure selon la revendication 3, caractérisée par le fait que lesdites feuilles ou rubans ont une épaisseur comprise entre 0,05 et 0,2 mm.