Brevet FR2375703A1 — publié le 19780721

L'invention concerne un condensateur électrique comportant, en enroulement ou empilage, des bandes de matière isolante, par exemple en papier ou en matière plastique, métallisees des deux côtés. De tels condensateurs formés par couches de papier métallisé des deux côtés avec des revêtements à des potentiels différents de chaque côté sont connus, le papier métallisé constituant alors le diélectrique. On connaît en outre des condensateurs électriques comportant des revêtements au même potentiel sur les deux côtés du papier, une autre bande de papier ou de matière plastique non métallisée constituant le diélectrique. Dans les condensateurs comportant une couche de papier métallisé des deux côtés avec des revêtements à des potentiels différents de chaque côté, on constate, lors de la fabrication en série, après 19imprégnation, des dispersions des caractéristiques électriques inexplicables de prime abord; il y a lieu de s'attendre par suite à des différences de durée de vie correspondantes.Lors de l'utilisation de condensateurs comportant des revêtements au même potentiel sur les deux côtés du papier, on a pu observer des mises hors service prématurées dues à un manque d'huile entre les couches du condensateur, ce manque d'huile n'existant pas encore immédiatement après l'imprégnation. D'autres essais ont permis de constater que dans les deux cas, avec une résistance appropriée, c'est-à-dire pas trop élevée, de l'enroulement, l'huile d'imprégnation avait bien pénétré dans le temps prévu entre les diverses couches de papier ou de papier et de matière plastique, mais que l'imprégnation des bandes de papier ellesmêmes n'ôtait pas encore terminée. En effet, la pénétration de l'huile dans les cavités entre les fibres de papier était gênée par la couche métallique métallisée de chaque côté.On a en outre pu prouver que déjà la sortie de l'humidité par les couches métalliques disposées de chaque côté était retardée, même si ces couches ôtaient minces. Pour obtenir des temps deimprégnation acceptables des condensateurs, c'est-à-dire des temps les plus courts possibles, il est nécessaire de-raccourcir le temps d9imprégnation de la bande de papier elle-meme. Cela est important, notamment lorsque, pour des condensateurs à revêtements au même potentiel sur les deux cotés du papier, on utilise une feuille de polypropylène en tant que diélectrique. En effet, cette feuille absorbe également de l'huile lors de l'imprégnation du condensateur, elle gonfle et remplit les intervalles entre les bandes, ce qui empêche une amenée d'huile ultérieure dans l'enroulement à partir de l'extérieur pour poursuivre l'imprégnation du papier. En outre, dans le cas de papier métallisé d'un coté et destiné à des condensateurs à tension continue, il est connu de prévoir des coupures en forme de peigne dans le revêtement métallique pour limiter le courant. Dans un exemple de réalisation, on a prévu à cet égard des pistes transversales exemptes de métal de 0,5 mm de large et 50 mm de long, ces pistes étant reliées au bord isolant exempt de métal et se succédant avec un intervalle de 20 mm environ dans la direction de la bande. Ces coupures dans le revêtement métallique limitent l'amenée d'énergie aux divers champs métallisés, à partir du bord de connexion, ce qui accroit la qualité de régénération en cas de claquage autorégénérateur à des tensions continues élevées.Ces pistes toujours transversales exemptes de métal augmentent la longueur des bords du revêtement, suivant le facteur 5 dans le cas indiqué, par rapport à une métallisation normale avec bord isolant simple; le rapport de la surface au périmètre d'une piste transversale exempte de métal de 0,25 mm et le rapport du côté étroit au côté long d'une piste exempte de métal sont alors égaux à 100. Les condensateurs pour tension alternative munis des zones exemptes de métal en forme de peigne mentionnées ne sont pratiquement pas réalisables avec des bandes en matière isolante métallisées des deux côtés. En effet, avec des revêtements à potentiel électrique différent de chaque côté, on ne peut pas obtenir le recouvrement exact des zones exemptes de métal lors de la fabrication. Pour des condensateurs avec des revêtements au même potentiel des deux côtés de la bande de matière isolante, qui en raison de leur construction pourraient présenter un faible facteur de pertes, ce facteur serait accru d'un multiple par suite de la longueur environ cinq fois plus grande du bord métallique. La raison de cela réside dans le fait connu que la transition de la couche métallique au bord isolant exempt de métal comporte une zone à forte valeur ohmique plus ou moins accusée. La partie de capacité se trouvant sous cette zone est ainsi fortement affectée par des pertes et cela d'autant plus fortement que le bord de la couche métallique est plus long. En outre, un condensateur muni des zones exemptes de métal en forme de peignes décrites serait davantage mis en danger par des décharges d'effluve proportionnellement à la longueur du bord, car l'intensité du champ est maximale sur le bord du revêtement. Leinvention a pour but d'éviter les inconvénients mentionnés et concerne à cet effet un condensateur du type cidessus, - formé par enroulement ou empilage de bandes en matière isolante métallisées des deux côtés - caractérisé en ce que des zones exemptes de métal sont prévues sur au moins une face de la bande en matière isolante. Par rapport aux réalisations connues, ce condensateur a pour avantage que l'imprégnation des bandes en matière isolante, notamment des bandes de papier, est accélérée - ou parfois même seulement rendue possible - dans le condensateur, sans que se présentent les inconvénients mentionnés ci-dessus. Des dispositions indiquées dans la suite permettent des réalisations avantageuses et des perfectionnements de l'invention. Les procédés de fabrications indiqués se sont révélées particulièrement avantageux pour obtenir les caractéristiques de l'invention. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels - La figure 1 représente schématiquement la constitution dgun condensateur électrique formé de couches de papier métallisé des deux"côtés avec desrevêtements à des potentiels différents de chaque côté, le papier métallisé servant en même temps de diélectriqueg - La figure 2 représente schématiquement la constitution dsun condensateur comportant des revêtements au même potentiel sur les deux côtés du papier, une autre bande en matière isolante non métallisée formant le diélectrique; ; - La figure 3 représente schématiquement diverses possibilités de formation de zones exemptes de métal sur la surface métallisée deune bande en matière isolante; - La figure 4 est une représentation explicative-des processus électriques qui se produisent dans le condensateur. La figure 1 représente un condensateur pour tension alternative présentant de bonnes propriétés dgauto-regénération, Ce condensateur est formé par empilage ou enroulement de bandes de papier 10 et 11 métallisées des deux côtés et qui doivent ensuite être imprégnées. Les revêtements métallisés sont désignés par 12, 13 et 14, 15. Les bords de connexion des revêtements 12, 13 et 14, 15 sont disposés en des extrémités opposées des bandes 10 et 11. Il en résulte que les revêtements d'une bande 10 ou 11 présentent un potentiel opposé, deux revêtements superposés de bandes différentes étant par contre au même potentiel. Ainsi, les intervalles remplis d'huile d'imprégnation entre les bandes de papier 10 et 11 se trouvent dans un volume dépourvu de champ. Le condensateur présente des caractéristiques électriques très stables et constantes dans le temps ainsi qu'une tension d'effluve très élevée. La figure 2 représente le montage également connu d'un condensateur imprégné formé de deux bandes de papier 16 et 17 sur lesquelles sont déposés par métallisation, de chaque côté, des revêtements métalliques 18, 19 et 20, 21. Les bords isolants et les bords de connexion des revêtements métalliques d'une bande 16 ou 17 sont situés du même côté; les revêtements métalliques d'une bande sont mis en court-circuit par les ponts de contact, non représentés sur les figures, disposés ultérieurement sur ltenrou- lement ou l'empilage du condensateur. Deux revêtements 18, 19 et 20, 21 sont au même potentiel. Le diélectrique entre les deux bandes 16 et 17 agissant comme un support de revêtement double est constitué par deux autres bandes en matière isolante non métallisée 22 et 23; ces bandes sont en matière plastique.Les condensateurs constitués comme représenté sur la figure 2 sont capables de conduire des courants de charge et de décharge élevés et n'entrainent que des pertes particulièrement faibles lorsqu'on utilise une matière plastique appropriée. Pour faciliter le séchage et l'imprégnation des bandes de papier, on prévoit, conformément à l'invention, de laisser au moins d'un côté, mais de préférence des deux côtés, des zones exemptes de métal sur la surface de la matière isolante, ces zones facilitant le passage de l'humidité et de l'huile à travers la couche métallique. Ces zones exemptes de métal doivent avoir une forme et une grandeur déterminées pour ne pas nuire de façon non admissible au fonctionnement et à la qualité du condensateur. Les figures 3a à 3d représentent diverses conformations des zones exemptes de métal, celles-ci présentant des dimensions relativement grandes et étant situées à des distances minimales déterminées les unes des autres. Les formes que montrent les figures 3a à 3d ne représentent que quelques-unes des nombreuses formes possibles.Sur ces figures 3a a 3d on a prévu avec un intervalle transversal de 10 mm et un intervalle longitudinal de 5 mm, des carrés (a), des cercles (b), des rectangles (c) ou des triangles (d) avec les dimensions indiquées ci-après Dans l'ordre a, b, c, d, la fraction de surface non métallisée est égale à 7,3 ,; 5,6 %; 14,7 % eut.3,7 R; le rapport du coté long 1 au coté étroit d, en prenant pour longueur unitaire d = 2 mm, est de 1,1,2,1; le rapport de la surface au périmètre a pour valeur 0,25 d = 0,5 mm; 0,25 d = 0,5 min;; 0,33 d = 0,66 mm et 0,14 d = 0,25 mmg le décalage dans la direction longitudinale de la bande est égal à 2,5 1 = 5 'mm; 2,5 1 = 5 mm; 1,25 1 = 5 mm et 2,89 1 = 5 mm. Les évidements de la couche métallique suivant les figures 3a à 3d peuvent être prévus sur une face ou sur les deux faces de la bande en matière isolante. Les zones exemptes de métal ne doivent pas être reliées entre elles, ni avec le bord isolant, afin de ne pas augmenter le facteur pertes par des résistances série supplémentaires dues au revêtement et qui se présenteraient lorsqu'il y aurait une limitation de courant notable en direction longitudinale ou transversale.Le rapport du côté long au côté étroit dgune zone exempte de métal doit être compris entre un, et trois au maximum; le rapport de la surface au périmètre doit être compris entre 0,125 d et 0,375 d, d désignant la dimension du côté étroit. On obtientainsi que le facteur de pertes ne soit pas augmenté inutilement par des bords imprécis et allongés. Dans le cas où, dans les limites indiquées, les surfaces élémentaires sont plus longues que larges, il est avantageux pour leur réalisation que les bords les plus longs soient parallèles à la direction de la bande. Dans le cas de plusieurs surfaces éléw mentaires se succédant dans la direction transversales de la bande, deux zones voisines exemptes de métal sont, pour tenir compte du comportement électrique, décalées chaque fois lune de l'autre dans la direction longitudinale de la bande, d'au moins leur dimension longitudinale.En outre, d7une part pour obtenir une action suffisante pour favoriser l'imprégnation et, d'autre part, pour limiter la perte de capacité à des valeurs encore admissibles, il ne doit rester sans métal qu'au maximum 15 S de la surface revêtue qui serait obtenue dans le cas d'une metallisation complète. Il faut qu'il y ait au moins une zone exempte de métal par cm2 de la surface de la bande. Les dimensions et les formes des zones exemptes de métal représentées sur la figure 3 conviennent particulièrement bien pour une constitution de condensateur suivant la figure 2. Pour un agencement suivant la figure 1, les conformations des zones exemptes de métal visibles sur la figure 3 peuvent provoquer des difficultés dans certaines conditions de service, ainsi qu'il va être expliqué en se référant aux figures 4a à 4c. Sur la figure 4a, on a indiqué la répartition du champ dans le condensateur par le tracé des lignes de champ dans le cas où il n'y a pas de zones exemptes de métal Comme cela est usuel pour représenter la construction des condensateurs, le dessin n'est pas à l'échelle. Les lignes de champ s'étendent transversalement aux bandes de papier d'un revêtement à l'autre pour chaque bande; les intervalles remplis d'huile entre les bandes sont dépourvus de champ. Sur la figure 4b, on a indiqué le tracé des lignes de champ au voisinage d'une surface élémentaire dépourvue de métal, avec les dimensions mentionnées pour la description relative à la figure 3. Les lignes de champ traversent la zone exempte de métal et la couche d'huile qui suit jusqu'au revêtement métallique de la couche de papier suivante. L'intensité du champ dans l'huile est environ deux fois plus grande que dans le papier, étant donné par exemple qu'avec le type de papier utilisé, le pouvoir inducteur spécifique de l'huile est environ la moitié de celui du papier. I1 est facile de voir qu'a' partir d'une intensité déterminée du champ électrique maintenu par le papier, il se produit dans la couche d'huile des décharges partielles qui peuvent détruire prématurément le condensateur. Dans ce cas, il est judicieux de donner aux zones exemptes de métal des dimensions de l'ordre de grandeur de microns, c'est-à-dire de l'ordre de grandeur de l'épaisseur du papier qui est de quelques microns. L'action du champ sur le revêtement de la bande voisine est ainsi fortement limitée, ainsi qu'il est indiqué sur la figure 4c. Un revêtement métallique constitué conformément à la figure 4c, qui convient aussi bien pour des condensateurs suivant la figure 1 que pour des condensateurs suivant -la figure 2, doit comporter au maximum 5 000 zones exemptes de métal par cm2 de surface, afin de ne pas accroître de façon non admissible le facteur de pertes par un effet de bordure supplémentaire. Malgré ce nombre apparemment grand de zones exemptes de métal, il n9y a cependant, par suite du faible diamètre mentionné de l'ordre de grandeur de microns, qu'unie proportion de surface non métallisée relativement faible.Dans le cas dgun revêtement présentant des lacunes circulaires de 0,01 mm de diamètre distantes de O,I. mm en direction longitudinale et en direction transversale, le nombre des lacunes s'élève à 10 000 par cm2, mais la fraction de surface non métallisée est cependant inférieure à 1 53. Pour avoir aussi la plus faible diminution de capacité possible, de telles zones exemptes de métal ayant des dimensions de l'ordre de grandeur de microns sont ainsi préférables, en général, aux zones exemptes de métal dont les dimensions et dispositions sont représentées sur la figure 3. Pour réaliser les zones exemptes de métal, notamment de telles zones de dimensions relativement grandes, les procédés indiqués ci-après, connus en soi, sont particulièrement appropriés On peut réserver les zones voulues, lors de la métallisation, en y déposant au préalable des germes a action négative; on peut maintenir libres les zones intéressées par des bandes de recouvrement ou gabarits de recouvrement continus; on peut éliminer après coup par brûlage électrique le revêtement des zones exemptes de métal en disposant des électrodes; on peut aussi opérer par corrosion partielle de la couche métallique d'abord complète, par dépôt local, par vaporisation, de matières provoquant la corrosion, par exemple de bismuth, dans les zones que l'on désire dépourvues de métal. Un procédé particulièrement adapté pour la réalisation de microstructures exemptes de métal, également connu en soi, consiste à sensibiliser localement- la couche métallique d'abord complète, au moyen d'une pression spécifique accrue localement et à faire agir ensuite une atmosphère contenant un halogène. La pression spécifique élevée localement peut, par exemple, être exercée au moyen dgun pinceau fin ou d'un rouleau agencé en conséquence; la vapeur diode convient, par exemple, en tant qu'atmosphère conte- nant un halogène. Ainsi, les zones surélevées dues à la structure superficielle du papier sont de préférence exemptes de métal, parce que ces zones constituent les parties-en contact lors de la sensibilisation qui précède. Un procédé conforme à l'invention pour réaliser mécaniquement la microstructure exempte de métal consiste à déplacer ou à enrouler la bande en matière isolante métallisée sur le pourtour dgau moins un cylindre métallique fixe et/ou tournant à une vitesse périphérique plus faible que la vitesse de la bande. En outre, il peut aussi être judicieux, pour réaliser des microstructures exemptes de métal, de provoquer une corrosion partielle des couches métalliques dans l'élément de condensateur terminé, en utilisant l'humidité résiduelle contenue dans le papier par un réglage approprié de la température et du vide lors du séchage, précédant l'imprégnation, de l'enroulement ou de l'empilage du condensateur. Par exemple, des enroulements sont formés de manière connue par du papier métallisé des deux cotés avec du zinc et enroulé avec l'humidité résiduelle encore présente après la métallisation, et ces enroulements sont munis de ponts de connexion. En faisant séjourner assez longtemps l'enroulement à une température accrue, au-dessous de 1000C, à une pression d'air normale, on peut obtenir par corrosion partielle les zones exemptes de métal conformes à l'invention en nombre voulu dans les couches de revêtement métallique. Par le séchage qui suit à des températures supérieures à 1000C sous vide, la corrosion partielle des couches métalliques est stoppée et la structure obtenue se trouve fixée. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres formes et d'autres modes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R EVENDI C A T IONS 10) Condensateur comportant, en enroulement ou empilage, des bandes due matière isolante métallisées-des deux côtés, condensateur caractérisé en ce que des zones exemptes de métal sont prévues sur au moins une face de la bande en matière isolante. 20) Condensateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les dimensions des zones exemptes de métal sont de l'ordre de grandeur de microns. 30) Condensateur suivant l'une ou l'autre des revendi- cations 1 et 2, caractérisé en ce que la longueur et la largeur des zones exemptes de métal sont du même ordre de grandeur. 40) Condensateur suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que la fraction de surface des zones exemptes de métal est inférieure à 15 53 de la surface du revêtement qui serait produit par une métallisation complète. 50) Condensateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les zones exemptes de métal ne sont reliées ni entre elles, ni avec le bord isolant de la bande. 60) Condensateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il y a au moins une zone exempte de métal par cm2 de surface de la bande. 70) Procédé pour fabriquer un condensateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise les zones exemptes de métal en y disposant au préalable des germes à action négative. 80) Procédé pour fabriquer un condensateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise les zones exemptes de métal au moyen de gabarits de recouvrement continus. 90) Procédé pour fabriquer un condensateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise les zones exemptes de métal par brûlage électrique ultérieur. 100) Procédé pour fabriquer un condensateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise les zones exemptes de métal par dépôt localisé, par vaporisation, d'une matière provoquant la corrosion. 110) Procédé pour fabriquer un condensateur suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on réalise les zones exemptes de métal en sensibilisant localement la couche métallique d'abord complète au moyen d'une pression spécifique accrue localement, et en faisant agir ensuite une atmosphère contenant un halogène 120) Procédé pour fabriquer un condensateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on réalise les zones exemptes de métal en déplaçant ou en enroulant la bande de matière isolante métallisée sur le pourtour d'au moins un cylindre métallique fixe ou tournant à une vitesse périphérique plus faible que la vitesse de la bande. 130) Procédé pour fabriquer un condensateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on réalise les zones exemptes de métal à la pression atmosphérique par corrosion partielle des couches métalliques dans l'élément de condensateur avant son imprégnation, en utilisant l'humidité résiduelle présente dans la matière isolante et à une température augmentée comprise entre 209C et 1000C.