Brevet FR2497599A1 — publié le 19820709

La présente invention concerne les sources d'alimentation haute tension et a notamment pour objet un redresseur à haute tension. L'invention peut être utilisée dans des installations de laboratoire et industrielles qui doivent être alimentées en haute tension continue. La présente invention peut être utilisée avec le plus de succès en tant que source de tension accéléra- trice pour accélérateurs de particules à action directe. Le redresseur à haute tension est un dispositif conçu pour transformer un courant alternatif basse tension en un courant continu haute tension. Les dispositifs pour transformer une tension alternative en tension continue sont bien connus et largement utilisés dans divers domaines de la technique pour l'alimentation d'appareils électriques et radio, de moteurs et d'autres appareils similaires. Leurs éléments principaux sont un transformateur et un élément redresseur. Suivant la destination et les paramètres des redresseurs à haute tension, on utilise dans ceux-ci des transformateurs de différente puissance et de divers types, et comme éléments redresseurs, des appareils à vide. et à semi-conducteurs, qui ne laissent passer le courant que dans un seul sens. Dans certains redresseurs à haute tension, il est fait usage de plusieurs éléments redres- seurs qui sont montés soit en série, soit en parallèle, en formant un ensemble unique ou bloc redresseur. Le principe de fonctionnement d'un redresseur à haute tension est le suivant. On applique au primaire du transformateur la tension alternative que l'on désire transformer en tension continue de valeur requise, la tension alternative prélevée sur le secondaire du transformateur étant appliquée aux éléments ou blocs redresseurs reliés entre eux et au secondaire du transformateur. En série avec la sortie des blocs redresseurs est connectée une charge, de sorte que celle-ci, tout comme le bloc redresseur, n'est parcourue par le courant que dans un seul sens (courant unidirectionnel). La valeur de la tension redressée dépend du type de transformateur et de la tension appliquée. Cette valeur peut Otre réglée en faisant varier la valeur de la tension appliquée au primaire du transformateur. Les pulsations inévitables de la tension redressée peuvent être réduites ou annulées à l'aide de filtres électriques spéciaux, ainsi que par le choix du type de montage redresseur. Les plus grandes difficultés se présentent lors de la création de redresseurs pour l'obtention de hautes et très hautes tensions. Dans ces cas, on doit prendre des mesures appropriées pour assurer la rigidité diélectrique nécessaire du redresseur en augmentant les espaces isolants. Il s'ensuit que les dimensions du redresseur s'accroissent outre mesure, ce qui, dans nombre de cas, rend impossible son emploi en exécution ouverte. Particulièrement difficile est la création de redresseurs à haute tension atteignant des dizaines et des centaines de kilovolts. Dans ce cas, on dispose les éléments essentiels du redresseur à haute tension, c'est-à-dire le transformateur et les blocs redresseurs, dans un récipient étanche rempli d'un fluide isolant, par exemple d'huile pour transformateurs ou de gaz isolant. Pour augmenter la rigidité diélectrique du gaz, on l'utilise ordinairement sous une pression de plusieurs atmosphères. On prélève la haute tension redressée à travers les parois du récipient à l'aide d'une borne à haute tension vers une charge disposée à l'extérieur. On connatt un redresseur à haute tension (voir le certificat d'auteur URSS NO 546128 de 1976), qui contient, disposés dans un récipient rempli de fluide isolant, un transformateur triphasé, des blocs redresseurs montés sur des isolateurs de support, une électrode haute tension et une borne haute tension. Cependant, les particularités de la construction dudit redresseur à haute tension sont telles qu'elles accroissent son encombrement et son poids, du fait de l'augmentation de la dimension axiale du redresseur causée par la présence de trois espaces isolants vis-à-vis de la haute tension, ce qui est dé aux particularités du fonctionnement du montage électrique de redressement. Pour le fonctionnement normal du redresseur, il est indispensable d'assurer l'isolement, vis-à-vis de la haute tension, des composants du montage qui se trouvent sous des potentiels différents. Dans le redresseur à haute tension mentionné, monté en pont triphasé, les extrémités initiales des enroulements secondaires du transformateur qui sont connectées aux blocs redresseurs doivent être isolées des parties mises à la terre de la carcasse magnétique du transformateur, ce qui est assuré par la présence d'un espace isolant approprié. Les extrémités terminales des enroulements secondaires, réunies en un point commun, doivent être isolées de l'électrode haute tension située au-dessus des secondaires. Ceci est assuré par la présence d'un autre espace isolant. A son tour, l'électrode haute tension doit être isolée des parties mises à la terre de la carcasse magnétique du transformateur, ce qui est également assuré par la présence d'un espace isolant approprié. La présence de ces trois espaces isolants vis-à- vis de la haute tension accroit non seulement l'encombrement et le poids du récipient, mais aussi la longueur de la carcasse magnétique, de sorte que les dépenses d'acier électrotechnique augmentent, ce qui conduit finalement à un accroissement des pertes électriques et à un abaissement des caractéristiques techniques et économiques du redresseur à haute tension. Par ailleurs, le grand nombre d'espaces isolants vis-à-vis de la haute tension nuit à la fiabilité du fonctionnement du redresseur à haute tension, vu la proba- bilité accrue de claquages électriques qui peuvent s'y produire. Dans un tel redresseur à haute tension, il est fait usage de blocs redresseurs qui fonctionnent avec une valeur de tension inverse plus élevée que la valeur de la haute tension redressée. A l'heure actuelle, l'industrie ne fournit pas de blocs redresseurs pour des tensions aussi élevées. En conséquence, la réalisation d'un tel redresseur impose la mise au point d'un bloc redresseur de construction spéciale, composé d'un grand nombre d'éléments redresseurs standardisés reliés entre eux en série, ce qui abaisse davantage la fiabilité du fonctionnement du redresseur à haute tension par suite de la répartition inégale de la tension entre les éléments du bloc redresseur. Ceci est dé principalement à la circulation de courants capacitifs entre les éléments du bloc redresseur et les éléments de construction du redresseur à haute tension. Dans un tel bloc redresseur,une répartition particulièrement défavorable de la tension entre les éléments a lieu en régime transitoire provoqué, preomp1e,prrin court-circuit dans la chargeoannpercement électrique des espaces isolants. La tension sur certains éléments redresseurs peut alors atteindre une valeur inadmissible pouvant entra ner leur mise hors service. Un défaut simi- laire peut également avoir lieu dans le secondaire du transformateur, lorsque ce secondaire est réalisé sous forme d'une seule bobine cylindrique avec un très grand nombre de spires. En régime transitoire, une telle bobine peut devenir le siège de surtensions entre les spires voisines, susceptibles de dégrader l'isolation entre spires et de nécessiter le remplacement de toute la bobine de l'enroulement secondaire. La fiabilité du fonctionnement du redresseur à haute tension est réduite encore plus par la présence, dans sa construction, d'isolateurs de support servant à fixer les enroulements secondaires et les blocs redresseurs et conçus pour supporter la tension redressée maximale. On sait qu'avec l'accroissement de la tension, la longueur de l'isolateur augmente de façon non propor- tionnelle, étant donné que, dans ces conditions, la valeur de la tension de claquage diminue. Avec les hautes tensions s'accroit la probabilité de claquage à la surface des isolateurs de support de grande longueur, par suite de l'apparition, sur l'isolateur, d'intensités locales dues à la répartition inégale de la charge électrique sur sa surface. On connalt également un redresseur à haute tension (voir la revue NO 74-11 de 1974, éditée par l'Institut de physique nucléaire de l'Académie des Sciences de l'U.R.S.S.), contenant, disposés dans un récipient rempli d'un fluide isolant, un transformateur à secondaire sectionné dont chaque section est munie d'un écran métal- lique et constituée de deux bobines connectées entre elles en série à l'aide de l'écran, chacune de ces bobines étant munie de bornes intérieure et extérieure, une électrode haute tension, une borne haute tension et des blocs redresseurs montés sur des isolateurs de support, chaque section du secondaire du transformateur étant reliée, à l'aide de l'une des bornes extérieures, à l'un des blocs redresseurs en formant des étages de redressement. Les étages de redressement en tension continue sont reliés entre eux en série, de sorte que les tensions des étages s'additionnent et qu'à la sortie du dernier étage,relié à l'électrode haute tension,apparatt la haute tension nécessaire. Cette tension est appliquée à une charge, montée extérieurement au récipient, par l'intermédiaire d'une sortie haute tension réalisée sous forme d'un. isolateur de traversée haute tension monté sur le récipient. Dans un tel redresseur à haute tension, il n'y a qu'un seul espace isolant vis-à-vis de la haute tension, situé entre l'électrode haute tension et les parties mises à la terre de la carcasse magnétique du transformateur et du récipient. Grâce à la structure sectionnée du secondaire, les espaces isolants entre l'extrémité initiale des enroule- ments des bobines du premier étage et les parties mises à laterre de la carcasse magnétique du transformateur et du - récipient, ainsi qu'entre les extrémités terminales des enroulements des bobines du dernier étage de l'électrode haute tension, sont réduits à un minimum en étant calculés pour la tension d'un seul étage. Dans ces conditions, la dimension axiale du redresseur à haute tension est réduite par rapport à celle des redresseurs connus, et en même temps, la longueur de la carcasse magnétique du transforma- teur diminue. De cette façon, l'encombrement et le poids du redresseur à haute tension sont réduits. En même temps, la fiabilité du fonctionnement du redresseur augmente grâce à la réduction du nombre d'espaces isolants vis-à- vis de la haute tension, calculés pour la tension redressée maximale. Grâce à la réduction de la longueur de la carcasse magnétique du transformateur, sa construction nécessite moins de métal, donc les pertes électriques y sont moins importantes, ce qui améliore les caractéristiques techniques et économiques du redresseur. Le sectionnement de l'enroulement secondaire permet d'utiliser des blocs redresseurs produits par l'industrie, c'est-à-dire dans lesquels la tension qui est redressée dans chaque étage est moins élevée que la haute tension de sortie et dépend du nombre d'étages. Il est donc possible de choisir le nombre d'étages en fonction de la valeur de la haute tension nécessaire et de la tension admissible du bloc redresseur. De ce fait, le nombre d'éléments connectés en série dans le bloc redresseur d'un étage est réduit à un minimum, ce qui augmente la fiabilité du fonctionnement du redresseur à haute tension. De plus, grâce au sectionnement du secondaire, le nombre de spires des bobines de chaque section est réduit et, par suite, la probabilité de mise hors service d'une bobine de la section en régime transitoire diminue, ce qui augmente encore la fiabilité du fonctionnement du redresseur à haute tension. D'autre part, en cas d'endommagement du secon- daire, on n'a qu'à remplacer les sections endommagées et non l'ensemble du secondaire. Dans le redresseur à haute tension considéré, au lieu d'isolateurs de support conçus pour la haute tension maximale, sont utilisés des isolateurs de support calculés chacun pour la tension d'un seul étage. On sait qu'un isolateur sectionné,à répartition forcée uniforme du potentiel suivant sa hauteur, possède une plus grande rigidité diélectrique. Ceci rend encore plus fiable le fonctionnement du redresseur à haute tension. Cependant, le redresseur à haute tension qui vient d'être décrit est un appareil compliqué, étant donné, avant tout, qu'il comporte un grand nombre d'éléments servant à la connexion de ses différentes parties entre elles, mais aussi parce qu'il comprend un grand nombre d'éléments d'isolement. En effet, pour monter les blocs redresseurs dans ce redresseur à haute tension connu, il est fait usage, dans chaque étage, de trois plaques isolantes qui, à leur tour, sont montées sur trois isola- teurs de support. Chaque section de l'enroulement secondaire est fixée sur des plaques isolantes respectives. De cette façon, tout l'assemblage de sections et de blocs redresseurs se présente sous forme d'une étagère avec un grand nombre d'éléments isolants. La fixation rigide des sections aux plaques isolantes d'une telle étagère ne peut assurer la coaxialité des enroulements secondaire et primaire du transformateur, et ce, à cause du grand nombre d'éléments à assembler, ce qui peut donner naissance à des hétérogénéités locales du champ électrique dans l'espace entre le primaire et le secondaire, ces hétérogénéités ayant pour conséquence un abaissement de la rigidité diélectrique de cet espace isolant, donc, de la fiabilité. Par ailleurs, avec l'accroissement du nombre d'éléments isolants, la fiabilité du fonctionnement du redresseur à haute tension diminue. Une telle réalisation du redresseur à haute tension exige un démontage complet des étages de redresse- ment pour le remplacement d'un élément redresseur endommagé. Outre cela, la fixation rigide des sections sur les plaques isolantes peut conduire à une détérioration des bobines, ce qui abaisse encore plus la fiabilité de la construction du redresseur. Il s'ensuit que le redresseur à haute tension qui vient d'être décrit est de construction compliquée et présente une fiabilité de fonctionnement relativement basse. La présente invention vise par conséquent un redresseur à haute tension dans lequel l'enroulement secondaire sectionné serait réalisé de façon à comporter un nombre minimal d'éléments d'isolement et de liaison. Ce but est atteint du fait que le redresseur à haute tension du type comportant, disposés dans un bottier ou récipient rempli d'un fluide isolant, un transformateur à secondaire sectionné dont chaque section est munie d'un écran métallique et constituée de deux bobines reliées entre elles en série à l'aide dudit écran et dont chacune est munie de bornes intérieure et extérieure, une électrode haute tension, une borne à haute tension, et des blocs redresseurs montés sur des isolateurs de support, chaque sectioedisecondaire du transformateur étant reliée, à l'aide de l'une des bornes extérieures, à l'un des blocs redres- seurs en formant ainsi des étages de redressement, est caractérisé, suivant l'invention, en ce que les écrans métalliques de chaque section du secondaire du transforma- teur sont réalisés sous forme de bagues métalliques fendues entre lesquelles se trouvent placées des bagues isolantes, en ce que sur la surface extérieure de chacune desdites bagues métalliques, sont fixées les bobines de l'une des sections du secondaire, ces bobines étant reliées à la bague métallique par les bornes intérieures de chacune des bobines de la section du secondaire et toutes les bagues étant réunies entre elles en un ensemble rigide unique. Une telle réalisation du secondaire sectionné du redresseur à haute tension, dans lequel les écrans métalliques de chaque section du secondaire du transforma- teur sont réalisés sous forme de bagues métalliques fendues entre lesquelles sont placées des bagues isolantes, et sur la surface extérieure desquelles sont fixées les bobines appartenant à l'une des sections du secondaire et reliées à la bague métallique par les bornes intérieures de chacune des bobines de la section du secondaire, permet d'augmenter la fiabilité et de simplifier la construction du redresseur. L'assemblage des bagues métalliques et isolantes entre elles dans le redresseur à haute tension proposé peut être avantageusement réalisé à l'aide de rainures et de saillies correspondantes. Un tel assemblage des bagues métalliques et isolantes permet d'assurer une haute précision de l'assem- blage et une fiabilité accrue de la jonction des sections de l'enroulement secondaire. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts,- détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une vue en plan du redresseur à haute tension selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe suivant IIII de la figure 1. Il est à remarquer que les dessins annexés ne sont que des représentations schématiques servant seulement à illustrer l'idée essentielle à la base de la présente invention et les modes possibles de réalisation de celle-ci, sans aucun caractère limitatif en ce qui concerne les dimensions absolues ou relatives des éléments faisant partie du redresseur à haute tension, le nombre d'étages de redressement ou leurs circuits électriques. Le redresseur à haute tension proposé selon la présente invention peut être réalisé de la meilleure façon de la manière décrite ci-après. Le redresseur à haute tension comprend un bottier ou récipient 1 (figure 1) rempli d'un fluide isolant, en l'occurrence de gaz SF6 comprimé, et dans lequel se trouve disposé un transformateur triphasé 2. Celui-ci comporte un circuit magnétique fermé 3 à trois colonnes 4. Sur les colonnes 4 sont montés des enroulements primaires 5 et secondaires 6. Les enroulements secondaires 6 sont exécutés sous forme de sections individuelles 7 (figure 2). Les primaires 5 (figure 1) sont renfermés dans des écrans métalliques fendus 8. Chaque section 7 (figure 2) du secondaire 6 se compose de deux bobines 9 et d'un écran métallique réalisé sous forme d'une bague métallique ouverte ou fendue 10 sur laquelle sont fixées les bobines 9. Les bornes ou éléments de connexion intérieure 11 de chacune des bobines 9 sont connectées à la bague métallique 10 de sorte que les bobines 9 de chaque section 7 soient reliées entre elles en série. Les extrémités initiales des bobines 9 (figure 1) sont connectées par leurs bornes ou éléments de connexion extérieure 12, à l'aide de contacts à ressort 13, aux bornes 14 correspondantes des blocs redresseurs 15. Les extrémités terminales des bobines 9 sont reliées par leurs bornes extérieures 12, également à l'aide des contacts à ressort 13, aux extrémités analogues des bobines 9 des deux autres sections 7 (figure 2). De cette façon, chaque groupe de trois sections 7 du secondaire 6 du transforma- teur 2 (figure 1) et les blocs redresseurs 15 correspondants forment un étage de redressement. Ces étages sont par exemple au nombre de trente. Les sections 7 (figure 2) de chaque phase du secondaire 6 sont réunies en un ensemble rigide unique coaxial au primaire 5 (figure 1), à l'aide d'une saillie annulaire 16 (figure 2) prévue sur la bague métallique 10 de la section 7 et d'une rainure correspon- dante 17 exécutée dans la bague isolante 18. Pour assurer la précision de l'assemblage et la rigidité de la structure de l'ensemble du secondaire 6, les bagues métalliques 10 et les bagues isolantes 18 sont comprimées par une bride 19 sous l'action d'un ressort fort 20. L'effort de compression est réglable à l'aide d'une vis 21 vissée dans une plaque 22. Pour éviter le court-cUvX tEe d'une spire, les écrans métalliques sont réalisés sous forme de bagues métalliques 10 à fente radiale 23 (figure 1) remplie d'une composition époxy. Les blocs redresseurs 15 sont réalisés en montage à deux bras et sont fixés en leur point milieu à des bagues métalliques 24 (figure 2) montées sur des isolateurs de support 25. Les bagues métalliques 24 des isolateurs de support 25 de chaque étage de redressement sont reliées entre elles par une bague extérieure 26. De cette façon, le nombre de bagues 24 et 26 correspond au nombre d'étages de redressement. Outre les fonctions indiquées ci-dessus, les bagues 24 assurent la répartition du potentiel suivant la surface de l'isolateur de support 25, tandis que les bagues 26 égalisent le champ électrique entre la structure à haute tension et les parois du bottier 1 (figure 1), ce qui augmente la fiabilité de fonctionnement du redresseur à haute tension. Les blocs redresseurs 15 sont montés sur les isolateurs de support 25 de façon qu'une borne 14 du bloc redresseur 15 se trouve dans un plan équipotentiel commun avec la borne 12 de la section 7 (figure 2) situé sur l'une des phases, tandis que l'autre borne 14 (figure 1) du bloc redresseur 15 se trouve dans un plan équipotentiel commun avec la borne 12 de la section 7 (figure 2) de l'étage de redressement voisin, mais qui est situé sur une autre phase. Ce mode de connexion particulier des blocs redresseurs 15 (figure 1) aux sections 7 (figure 2) s'explique par le fait que l'un des bras du bloc redresseur sert d'élément redresseur pour l'un des étages de redressement, et que son autre bras remplit la même fonction pour l'étage voisin, situé au-dessus du premier. A l'intérieur de l'un des isolateurs de support 25 sont disposés des moyens de connexion haute tension 27 compre- nant un câble haute tension 28 sur lequel sont fixées des bagues métalliques 29. Des broches 30 assurent la connexion électrique entre la bague 29 du câble haute tension 28 et la bague 24 correspondante de l'isolateur de support 25. La longueur de l'épissure du câble faisant partie de l'ensemble de connexion haute tension 27 correspond à la longueur de l'isolateur de support 25, ce qui permet de ne pas augmenter les-cotes d'encombrement du redresseur à haute tension. Le câble haute tension 28 est connecté à la plaque 22 sur laquelle est montée une électrode haute tension 31. Le câble haute tension 28 se prolonge à l'extérieur du bottier1(figure 1) pour être connecté à la charge. Le fonctionnement du redresseur à haute tension selon la présente invention est analogue à celui d'un redresseur réalisé selon le montage connu en pont triphasé avec un transformateur triphasé. C'est selon ce même montage que sont conçus les 30 étages de redressement qui, par l'intermédiaire des blocs redresseurs, sont reliés entre eux en série en tension continue. De cette manière, à la sortie du dernier étage de redressement, la tension redressée est égale à la somme des tensions redressées de tous les étages. La valeur de la haute tension redressée obtenue est réglée en variant la valeur de la tension alternative appliquée au primaire du transformateur. Le redresseur conforme à la présente invention peut être utilisé avantageusement notamment dans la technique des accélérateurs comme source de tension accélératrice pour les accélérateurs de grande puissance à haute tension et à action directe, destinés à être employés dans différents types d'installations chimiques de rayonnement utilisant des électrons accélérés pour le traitement de différents matériaux afin de leur donner de nouvelles propriétés utiles ou d'obtenir des produits nouveaux. L'invention peut également être utilisée pour l'alimentation en haute tension continue de divers appa- reils, là o cela est nécessaire, comme par exemple pour les essais de différents appareils à haute tension. La réalisation d'un redresseur à haute tension selon la présente invention réduit le temps nécessaire aux travaux préventifs et de réparation, permet d'économiser des matériaux (acier, isolants) et offre un équipement simple et sar en fonctionnement. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS 1.- Redresseur à haute tension, du type compre- nant, disposés dans un bottier rempli d'un fluide isolant, un transformateur à secondaire sectionné dont chaque section est munie d'un écran métallique et comporte deux bobines connectées l'une à l'autre en série à l'aide dudit écran métallique et dont chacune est munie de bornes intérieure et extérieure, une électrode haute tension, une borne haute tension et des blocs redresseurs montés sur des isolateurs de support, chacune desdites sections du secondaire du transformateur étant reliée, à l'aide de l'une desdites bobines extérieures, à l'un des blocs redresseurs, en formant ainsi des étages de redressement, caractérisé en ce que les écrans métalliques(10) de chaque section(7) di condaire (6) dutransformateur (2) sont réalisés sous forme de bagues métalliques ouvertes ou fendues entre lesquelles sont disposées des bagues isolantes (18),etence qe, sur la surface extérieure de chacune desdites bagues métalliques, sont fixées les birns (9) appartenant à l'une des sections (7d secondaire (6)et reliées à la bague métallique (10) par les bornes intérieures (11)de c1aeudes bobines de la sec- tin (7) du secondaire(; toutes les bagues mentionnées étant réunies en un ensemble rigide unique. 2.- Redresseur à haute tension suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les bagues métalli- ques (10) et les bagues isolantes (18) sont accouplées entre elles à l'aide de rainures (17) et de saillies (16) correspondantes.