Brevet FR2345727A1 — publié le 19771021

Dans les transformateurs, dans l'huile, de grande puissance, ainsi que dans les bobines de sclf de compensation, il est usuel de dimensionner les isolations électriques en fonction d'une intensité moyenne admissible de champ électrique dans l'huile, (voir par cxem- ple 'Probleme of Coordination of flielectric Strengtls of Extra High Voltage Power Transformer Major Isolation", CIGRE 12-06, Paris, 248-29 1970).Cette méthode est basée sur des résultats d'expériences tirés de mesures et d'essais sur des modèles et sur des transforma- teurs exécutés. De tels résultats d1expériences sont donc très fortement dépendants de certaines géométries et dispositions des conducteurs électriques, et de 11 isolation, et ne peuvent Stre utilisés que pour des dispositions analogues. Pour l'estimation de la rigidité électrique des transforma- teurs et des bobines de self de grande puissance et A haute tension, ce n'est pas seulement la sollicitation axiale, mais aussi la sollicitation radiale qui a une grande importance. fies mesures connues pour élever la rigidité diXlectrique le long d'un bobinage sont celles qui linéarisent la répartition de tension le long du bobinage dans le cas de sollicitations par chocs. La mesure la plus simple, pour la rigidité longitudinale d'un bobinage au choc, est le rapport de la capacité à la terre à la capacité an série. Toutefois, dans de nombreux cas, ce rapport seul ne suffit pas pour estimer la rigidité longitudinale des bobinages.Les tensions transmises aux bobinages situées en face, ainsi que les oscillations de tension de l'enroulo- ment régulateur lors des chocs sur l'enroulement principal, doivent aussi Strie prises en considération. Le but de l'invention est, en particulier, de créer un pro- cédé pour le dimensionnement d'un transformateur de puissance ou d'une bobine de self de compensation, qui permette de répartir les points critiques de l'isolation, de de façon à obtenir avec un dimension- nement minimal la plus grande sécurité de l'isolation électrique, avec une dépense de matière aussi petite que possible De plus, le procédé de dimensionnement et les critères correspondante de dimen- sionnement doivent être largement indépendants de la disposition géométrique des conducteurs et de l'isolation. Le précédent problème sera résolu suivant l'invention, n ce que l'isolation électrique sera dimensionnée pour les points où la sollicitation est la plus élevée, compte-tenu de la force du champ électrique. L'avantage de l'invention consiste en particulier, en ce que ce procédé permet un dimensionnement à la fois économique et sur, de l'isolation du transformateur de puissance ou de la bobine de self de compensation. Le procédé présuppose que les tensions décisives et les champs électriques à en déterminer aux endroits les plus fortement sollicités, peuvent Stre déterminés commodément et avec suffisamment de précision. I1 est judicieux de déterminer dans le système voisin de bobinage, la répartition de tension, à partir de laquelle sera déterminée la répartition électrique du champ dans les zones des points les plus fortement sollicités de l'isolation. I1 faut alors y introduire les réactions des phénomènes de courant et de tension transitoires dans les bobinages voisins.Ce procédé permet par exemple de déterminer la répartition la plus défavorable de potentiel et d'intensité de champ qui, pendant un processus de compensation de choc, soit intervient à l'intérieur de ladite répartition capacitive de tension initiale, soit est conditionné par les oscillations de tension faisant suite dans le temps. Pour le calcul des répartitions transitoires de tensions et des champs électriques, on dispose, aujourd'hui d'efficaces programmes d'ordinateurs. I1 est recommandé, pour une sollicitation avec choc normal, de déterminer la force du champ électrique dans la zone des points les plus hautement sollicités de l'huile dans un domaine compris entre 250 et 380 KV/c.. L'avantage se trouve an particulier an ce que la rigidité diélectrique du transformateur de puissance ou de la bobine de self de compensation peut, devant la sollicitation par choc, être saisie numériquement, de sorte qu'un dimensionnement économique et an même temps sOr, est rendu possible pendant l'étude du projet. Ceci est particulièrement valable pour de nouvelles constructions an ce qui concerne la géométrie et la disposition des conducteurs, ainsi que la disposition et les caractéristiques de matière du matériel isolant. Le procédé suivant l'invention ne pose pas comme condition que la répartition décisive de potentiel et l'image de champ élec- trique qui en découle, soient numériquement calculés. Des mesures sur des modèles et une détermination de champ sur des couches conductrices ou dans des cuves électrolytiques peuvent remplacer le calcul numérique, mais an général eux dépens de la précision pouvant être obtenue. Le dessin montre un exemple de réalisation du procédé suivant l'invention. On voit Figure 1, un montage d'un transformateur monophasé pour un essai de choc. Figure 2, les rapports calculés tension-choc le long d'un enroulement haute tension de la figure 1. Figure 3, la sollicitation électrique radiale calculée de la spire de la bobine d'entrée représentée dans la figure 4. Figure 4, une partie du transformateur monophasé de la figure 1 avec représentés les potentiels et les lignes de champ aux angles les plus fortement sollicitée de bobine. Suivent la figure 1, un enroulement basse tension est repéré par le chiffre 1, un enroulement moyenne tension par le chiffre 2, un enroulement haute tension, constitué par deux moitiés d'enroulement 3a et 3b, par le chiffre 3, et les endroits pour lesquels les tensions transitoires calculées sont données dans la figure 2 par les chiffres 3-1 à 3-5 Le repère 4 désigne les enroulements de réglage, le repère 5 une prise haute tension et les repères 6-1 et 6-2 des résistances de charge.L'enroulement basse tension 1 et l'enrou- lament moyenne tension 2 sont mis à la terre par les résistances 6-1 et 6-2. L' enroulement haute tension 3 est essayé avec un choc normal de 1,2/50 s (durée du front 1,2 s, temps de demi-valeur de retour 50 s) appliqué au raccordement haute tension 5. Avec cette forme de choc, ainsi qu'avec la géométrie connue et les constantes de matià- ras, on calcule la répartition du potentiel an fonction du temps pour les points 3-1 à 3-5 le long de l'enroulement haute tension 3a. Pour cala, on dispose d'efficaces programmes d'ordinateurs Le résultat de calcul se trouve dans les figures 2 et 3. Dans la figure 2 est représentée l'allure en fonction du temps de la tension rapportée à la tension d'essai Up pour les points précités 3-1 à 3-5. La rFpar- tition de tension sur la moitié supérieure 3b de l'enroulement haute tension 3 est à peu près la même que celle le long de la moitié inférieure d'enroulement. Le repérage des courbes dans la figure 2 correspond à celui des points concernés dans la figure 1. Il ressort de la figure 2 que, par suite de l'oscillation transitoire, la sollicitation longitudinale de l'ensemble de la moitié inférieure 3e de ltenroulement haute tension 3 est, à 20 s, plus grande de 20 % snviron qu'au début du choc. Jusqutà environ l2s, la sollicitation axiale de la bobine d'entrée est pratiquement aussi élevée qu'au début de la tension de choc. La Figure 3 montre la sollicitation radiale électrique fonction du temps, calculée, de la spire représentée dans la figure 4 de la bobine d'entrée. La valeur maximale apparaît à environ 16/a. Par suite, le temps critique pour la rigidité électrique se situe entre 10 et 20,,as à partir du débout du choc. Il est décisif pour le calcul des intensités de champ électriques dans la zone des points soumis à des sollicitations maximales. La Figure 4 montre une partie du transformateur monophasé de la figure 1. Les conducteurs supérieurs an cuivre de la moitié inférieure 3a de l'enroulement haute tension 3 de la figure 1 sont repéré 7-1 et 7-2, les isolations papier par 8-1 et 8-2, les lignes de champ à l'angle les plus sollicités de la bobine par 9-1 à 9-5. Cet endroit avec les lignes de champ représentées -9-1 à 9-5, correspond à l'endroit 3-1 de la figure 1. Les canaux d'huile radieux sont repérée dans la figure 4 par le chiffre 10, les canaux d'huile axiaux par le chiffre 11 et une gaine isolante par le chiffre 12. Les équipoten- tielles sont repérées an % de la tension d'essai. La Figure 4 montre le champ électrique aux angles de la bobine, soumis à la sollicitation la plus élevée à l'instant où la sollicitation radiale maximale est pratiquement atteinte, et où la sollicitation axiale est encore à peu près aussi élevée que celle au début de la tension de choc. Le champ électrique est prédominant dans le sens radial. Pour calculer de tels champs électriques, on dispose d'efficaces programmes d'ordinateurs Dans la figure 4, sont portes outre les lignes équipotentielles pour 86 % à 74 % de la tension Up, les lignes de champ déterminantes 9-1 à 9-5 entre l'iso- lation papier 8-1 du conducteur en cuivre 7-1 et la gaine isolante 12, dans la zone des arêtes de bobine soumises aux sollicitations les plus élevées.L'intensité maximale de champ à l'arête du conducteur en cuivre dans l'isolation papier 8-1 y est 0,235 Up/cm. Les intensités locales de champ eux estes de la bobine dans l'huile pour les lignes de champ 9-1 à 9-5 se situent dans la zone entre 0,202 Up/cm et 0,19 Up/cm, c'est-à-dire presqu'aussi haut que la valeur maximale dans le papier, bien plus favorable au point de vue électrique. Les intensités moyennes de champ le long des lignes de champ 9-1 à 9-5 représentées s'élisent à environ 40 % des intensités locales de champ précitées et n'ont, par suite, pas d'importance. A la base de l'estimation de la résistance électrique d'un enroulement est par suite l'hypothèse que lors du dépassement d'une certaine intensité maximale admissible de champ aux arêtes de la bobine dans l'huile, il se produit une décharge qui, dans le canal d'huile adjacent, déforme le champ électrique de telle sorte que lton ne peut empSchar un amorçage le long d'une partie de l'enroulement. Cette intensité critique de champ est décisive pour le dimensionnement de l'isolation électrique. Le transformateur utilisé dans l'exemple précité a un niveau de choc de 1425 KVsw(valeur de crête). Les intensités locales de champ aux arêtes de bobines dans lthuile soumises aux sollicitations las plus élevées sont ainsi 270 à 290 KVsw/cm (correspondant à 0,19 à 0,202 Up/cm.) - R E V E N 11 I C A T I O N - li- Procédé pour le dimensionnement d'une isolation électrique d'un transformateur ou d'une bobine de self de compensation, caractérisé an ce que l'isolation électrique est dimensionnée d'après l'intensité du champ électrique aux endroits soumis aux sollicitations les plus élevées 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détermine la répartition de tension dans le système voisin d'enroulement, d'aprds laquelle on détermine alors la répartition électrique de champ dans les zones des endroits soumis aux sollicitations les plus élevées. 3.- Procédé suivant l'ensemble des revendications 1 et 2, caractérisé an ce que, pour une sollicitation avec choc normal, l'intensité du champ électrique dans la zone des endroits de l'huile soumis aux sollicitations les plus élevées, est fixée dans une fourchatte entre 250 et 380 KV/cm.