Brevet FR2511207A1 — publié le 19830211

La présente invention concerne la construction électro- mécanique et se rapporte en particulier à une bobine d'en- roulement statorique pour alternateur à haute tension. L'invention peut tre appliquée pour la construction des alternateurs de forte puissance y compris les turbo- alternateurs pour les centrales thermiques et nucléaires, et en particulier, des cryoturbo-alternateurs. Il existe aujourd'hui en électro-énergétique une ten- dance à accroître de plus en plus la tension de service des installations électrotechniques à savoir des lignes de trans- port d'énergie, des transformateurs et des alternateurs, ceci dans le but d'améliorer leur rendement. Cependant l'accroissement du niveau de la tension de service des machines électriques soulève le problème de la réalisation d'enroulements capables de fonctionner à des ten- sions élevées En particulier, pour un turbo-alternateur à tension de service accrue, il faut mettre au point un enrou- lement statorique à haute tension, constitué, par exemple, de bobines à haute tension. La solution technique la plus proche de celle faisant l'objet de la présente demande est la bobine d'enroulement statorique pour alternateur à haute tension décrite dans l'ouvrage de G N Alexandrov, V L Ivanov, K P Kadomskaya, N.A Kozyrev, M B Kostenko, G S Kuchinsky, I F Polovoi, B M Ryabov, V A Khoberg "La technique de hautes tensions", éd "Vyshaya Shkola" Moscou 1973, p p 456-457. Une bobine d'enroulement statorique pour alternateur à haute tension comporte une borne électrique en matériau électroconducteur, reliée électriquement à l'origine de la première spire de la bobine Les spires de la bobine en ma- tériau électroconducteur sont recouvertes de plusieurs cou- ches d'isolement entre spires pardessus lesquelles est dispo- sée une couche de blindage, l'isolement entre spires et la couche de blindage de chaque spire consécutive, à partir de la première spire, entourant toutes les spires précédentes. 11207 Dans la bobine connue d'enroulement statorique pour alternateur à haute tension des c 8 nes isolants formés par les couches d'isolement adjacentes à la borne sont caractérisés par de fortes dimensions Cette bobine connue n'est pas assez fiable, ce qui rend délicate la construction des alternateurs à enroulement statorique à très haute tension ( 110 k V, 220 k V et plus) Cette bobine connue ne permet pas de réaliser le refroidissement direct de l'enroulement statorique. Son encombrement important s'explique par le fait, que dans une zone de discontinuité de l'isolement, comme par exemple la zone de la connexion électrique et des cènes iso- lants adjacentes à celle-ci, le champ électrique est réparti d'une façon irrégulière, ce qui peut entra ner le percement électrique de l'isolement Pour obvier à ce danger les cou- ches d'isolement et les couches de blindage, qui les recou- vrent, forment des c 8 nes isolants, dont la longueur est choi- sie de manière à réduire la valeur de l'intensité du champ électrique jusqu'à une valeur assignée, et pour atteindre ce but chaque c 8 ne isolant doit posséder une longueur importan- te, qui crott d'autant plus que la tension nominale augmente. L'invention a pour but de créer une bobine d'enroule- ment statorique pour alternateur à haute tension dont la réa- lisation des éléments permette d'améliorer la fiabilité en service et de réduire son encombrement. Elle a donc pour objet une bobine d'enroulement stato- rique pour alternateur à haute tension, comportant une borne en matériau conducteur connectée électriquement à l'origine de la première spire de la bobine, les spires de la bobine en matériau conducteur étant recouvertes de plusieurs couches dtisolement entre spires sur lesquelles est disposée une couche de blindage, l'isolement entre spires avec la couche de blindage de chaque spire consécutive entourant toutes les spires précédentes caractérisée en ce que ladite borne est réalisée sous la forme d'un tube, et la bobine d'enroulement statorique comporte des tubes de refroidissement adhérant aux spires correspondantes fermés à leurs extrémités et pos- sédanlt des ouvertures latérales pour l'entrée et ltévacuation d'un agent réfrigérant, des éléments isolants disposes con- centriquement par rapport au tube de la borne, réalisés en deux parties formant un tout, une première partie orientée vers les spires représentant la moitié d'un cylindre creux, divisé par son plan diamétral passant par l'taxe du cylindre, son tronçon dirigé vers les spires de la bobine comportat deux saillies sur le c 8 té intérieur de chacune desquelles sont aménagées des ouvertures communiquant avec les ouvertures la- térales prévues dans les tubes de refroidissement, une secon- de partie se présentant sous forme d'une moitié de c 8 ne creux tronqué, divisé par un plan diamétral, passant par l'axe lon- gitudinal du c 8 ne tronqué qui coincide avec l'axe longitudi- nal du cylindre, la plus grande base de la seconde partie coïncidant avec la base de la première partie la plus éloi- gnée des spires de la bobine; chaque élément isolant compor- tant également le long de son axe des canaux qui communiquent avec les cavités aménagées dans les saillies, les tubes iso- lants pour l'amenée de l'agent réfrigérant, formés chacun par une paire d'éléments isolants, étant réalisés comme un bout en deux parties, une partie formant un cylindre creux avec des saillies orientées vers les spires de la bobine, l'autre partie étant constituée par un cône tronqué, dont la plus grande base coincide avec la base du cylindre la plus éloi- gnée des spires de la bobine, les ouvertures des saillies de l'un des éléments isolants communiquant avec les ouvertures latérales correspondantes du tube de refroidissement pour l'a- menée de l'agent réfrigérant, tandis que les ouvertures des saillies de l'autre élément isolant communiquent avec les ou- vertures latérales correspondantes de ce même tube de refroi dissement prévues pour l'évacuation de l'agent reéfrigérant, chaque tube isolant pour l'amenée de l'agent réfrigér %t ôtant séparé du tube suivant par plusieurs couches d'isolement, con- tinuant les couches correspondantes de l'isolement entre spi- 251 1207 res avec une couche de blindage disposée par-dessus, qui pro- longe sans discontinuité la couche de blindage correspondan- te des couches de l'isolement entre spires, le c 8 ne tronqué du tube isolant pour l'amenée de l'agent réfrigérant adhé- rant au tube de la borne électrique étant le plus éloignée de la première spire de la bobine, tandis que le cône tron- qué de chaque tube isolant suivant pour l'amenée de l'agent réfrigérant adhérant étroitement aux couches précédentes de l'isolement est moins éloignée de la première spire de la bobine, les plus grandes bases des c 8 nes tronqués des tubes isolants pour l'amenée de l'agent réfrigérant étant disposées à une distance assignée les unes des autres. L'invention permet d'assurer le refroidissement direct des spires d'une bobine d'enroulement statorique d'un alter- nateur à haute tension et de réduire l'encombrement de la bobine, tout en améliorant sa fiabilité en service Ceci per- met de résoudre le problème de la création des bobines des enroulements statoriques des alternateurs à haute tension de forte puissance, dont la tension des enroulements atteint jusqu'à 500 k V L'utilisation de ces alternateurs à haute tension permet céfconomiser du matériel électrotechnique grft- ce à la suppression des transformateurs élévateurs. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins donnés en an- nexe, et sur lesquels la Fig 1 est une coupe longitudinale d'une bobine d'enroulement statorique pour alternateur à haute tension, selon l'invention; la Fig 2 est une vue en plan d'un élément isolant; selon l'invention; la Fig 3 est une coupe longitudinale selon la ligne III-III de la figure 2; la Fig 4 est une coupe longitudinale selon la ligne IV-IV de la figure 2 la Fig 5 représente une coupe transversale selon la ligne V-V sur la figure 1; la Fig 6 est une coupe transversale selon la ligne VI-VI sur la figure 1. La bobine d'enroulement statorique pour alternateur A haute tension comporte une borne 1 (Fig l), réalisée sous la forme d'un tube en matériau conducteur, connectée électrique- ment à l'origine de la première spire 2 de la bobine La bo- bine de l'enroulement statorique est réalisée avec trois spi- res 2 exécutées sous la forme de barres en matériau conduc- teur enroulées sans discontinuité A chaque spire 2 adhère un tube de refroidissement, bouché à ses deux extrémités, avec deux ouvertures latérales 4 pour l'entrée d'un agent ré- frigérant et deux ouvertures latérales 5 pour l'évacuation de l'agent réfrigérant Les spires 2 sont recouvertes de plu- sieurs couches 6 d'isolement entre spires par-dessus lesquel- les est disposée une couche de blindage 7, l'isolement entre spires 6 et la couche de blindage 7 de chaque spire consécu- tive 2, à partir de la première spire 2, entourant toutes les spires 2 précédentes. La bobine d'enroulement statorique comporte des tubes isolants 8 pour l'amenée d'un agent réfrigérant réalisés à partir de deux éléments isolants 9 Chaque élément isolant 9 traversé par l'agent réfrigérant allant aux tubes de refroi- dissement 3 est réalisé en deux parties 10, 11 formant un tout. La première partie 10 orientée vers les spires 2 de la bobine se présente sous la forme d'un demi-cylindre creux coupé par un plan diamétral passant par l'axe longitudinal du cylindre. Chaque tube isolant 8 est séparé du tube isolant sui- vant 8 par plusieurs couches d'isolement 12, prolongeant sans discontinuité l'isolement entre spires 6 correspondant et par-dessus lequel est disposée une couche de blindage 13 pro- longeant sans discontinuité la couche de blindage correspon- dante 7. Dans chaque élément isolant 9 (Fig 2) le long de son axe, il y a deux canaux 14 La première partie 10 (Fig 3) de cha- que élément 9 orientée vers les spires 2 (Fig l) de la bobi- ne possède deux saillies 15 (Fig 3) du côté intérieur de cha- cune desquelles sont pratiquées des ouvertures 16. Les canaux 14 (Fig 4) communiquent avec des cavités correspondantes 17 ménagées dans les saillies 15 (Fig 3), et les cavités 17 (Fig 4) communiquent avec les ouvertures 16. La seconde partie 11 (Fig l) est constituée par la moitié d'un c 8 ne tronqué creux, coupé par un plan diamétral passant par l'axe du cône tronqué coïncidant avec l'axe du cylindre La plus grande base de la seconde partie coïncide avec la base de la première partie 10 la plus éloignée des spires 2 de la bobine. Les tubes d'isolement 8 sont disposés concentriquement par rapport au tube de la borne 1 Chaque paire d'éléments isolants 9 forme un tube isolant 8 pour l'amenée de l'agent réfrigérant réalisé comme un tout en deux parties Une partie qui représente un cylindre creux avec des saillies 15 (Fig 3), dirigées vers les spires 2 (Fig l) de la bobine, est formée par les deux parties 10 de la paire correspondante &'éléments isolants 9 qui forment le tube isolant correspondant L'autre partie représente un c 8 ne tronqué creux, dont la plus grande base coïncide avec la base du cylindre la plus éloignée des spires 2 de la bobine, formée par les deux parties 11 de la paire correspondante d'éléments isolants 9, qui forment le tube isolant 8 correspondant. Le c 8 ne tronqué du tube isolant 8 adhérant étroitement au tube de la borne 1 est le plus éloigné de la première spire 2 de la bobine, tandis que le c 8 ne tronqué de chaque tube iso- lant 8 suivant, adhérant étroitement aux couches 12 isolantes précédentes, est moins éloigné de la première spire 2 de la bo- bine et les plus grandes bases des c 8 nes tronqués des tubes isolants 8 sont disposées à une distance assignée les unes des autres. 2511207- Deux ouvertures 16 des saillies 15 (Fig 3) de chaque tube isolant 8 pour l'amenée de l'agent réfrigérant com Dtuni- quent avec les ouvertures latérales 4 correspondantes (Fig l) du tube de refroidissement pour l'entrée de l'agent réfrigé- rant, tandis que deux autres ouvertures 16 des saillies 15 (Fig 3) communiquent avec les ouvertures latérales correspon- dantes 5 (Fig l) du même tube 3 de refroidissement pour 1 l'- vacuation de l'agent réfrigérant. La figure 5 permet de se faire mune idée de la configu- ration de la bobine en coupe transversale. L'espace entre les surfaces latérales des spires de la bobine des tubes de refroidissement 3 et les couches isolantes correspondantes 6 contient un matériau de remplissage (par exemple une composition à base de résine époxy). La figure 6 représente une coupe selon la ligne VI-VI sur la Fig 1 qui met en évidence la disposition relative de chaque paire d'éléments isolants 9 formant un tube isolant 8 donné pour l'amenée de l'agent réfrigérant. La construction proposée de bobine dtenroulem ent stato= rique pour alternateur à haute tension possède de faibles di- mensions grace à l'utilisation de tubes isolants 8 (Fig l) pour l'amenée de l'agent réfrigérant, séparés par plusieurs couches 12 d'isolement prolongeant l'isolement correspondaent 6 entre spires et sur lesquelles est disposée une couche de blindage 13 prolongeant sans discontinuité la couche de blin- dage 7 correspondante La continuité des couches 6, 12 d'iso- lement et des couches de blindage 7, 12 assure le maintien dans le domaine de la borne 1 dtun champ électrique faible- ment hétérogène, le même que dans n'importe quelle section transversale de la bobine d'enroulement statorique. Ceci assure le fonctionnement fiable de l'isolement. Vu que la tension sur les couches de blindage voisines 13 est assignée et de ce fait la différence de potentiel entre couches a une valeur constante et assignée, clest-cadire qu'elle ne dépend pas des capacités réciproques entre les cous ches de blindage voisines 13, le tube de la borne 1 et le corps de l'alternateur (non représenté sur le dessin) la dis- tance assignée entre les plus grandes bases des c 8 nes tron- qués des tubes isolants 8 pour l'amenée de l'agent réfrigé- rant et la hauteur totale de la borne électrique l-sont fai- bles. La construction de la bobine d'enroulement statorique pour alternateur à haute tension, y compris le nombre de spi- res 2, dépend des puissance et tension nominales pour les- quelles elle est calculée. Dans l'exemple donné on représente une bobine à trois spires 2. La distance assignée entre deux canes isolants voisins est déterminée par la tension nominale de ltalternateur, le nombre de bobines par phase de l'enroulement statorique et le nombre de spires 2 de la bobine Ceci détermine la diffèren- ce de potentiel assignée entre les couches de blindage 13 voisines et la distance correspondante entre les c 8 nes tron- qués. La différence de potentiel entre deux couches de blin- dage voisines est également déterminée par la valeur de la f.é m induite dans une spire de la bobine de l'enroulement statorique La réalisation de la borne 1 sous forme d'un tube métallique et de tubes isolants creux 8 pour l'amenée de l'a- gent réfrigérant, comportant deux parties, dont l'une diri- gée vers les spires 2 de la bobine, forme un cylindre et l'au- tre un c 8 ne creux tronqué qui adhère à la première par une base, permet de former la borne 1 et les tubes isolants 8 pour l'amenée de l'agent réfrigérant, qui adhèrent à celle-ci de la même façon qu'une botte d'extrémité de câble à haute tension, et de former d'une façon optimale le champ électri- que dans la région de la borne 1 et des tubes isolants 8 pour l'amenée de l'agent réfrigérant qui adhèrent à celle-ci. Afin de permettre le montage de la borne 1 et des tu- bes isolants 8 pour l'amenée de l'agent réfrigérant, ces der- niers sont réalisés chacun à partir d'une paire d'éléments isolants correspondants 9, qui sont consécutivement mis en place: la première paire d'éléments isolants 9 est disposée sur le tube de la borne 1, une seconde paire est disposée sur la couche d'isolement 12 recouvrant le premier élément isolant 9, etc. L'agent réfrigérant arrive par les canaux 14 (Fig 2) de l'une des paires d'éléments isolants 9 (Fig l) formant le tube isolant donné pour l'amenée de l'agent réfrigérant Puis l'agent réfrigérant arrive dans les cavités 17 (Fig 4) des saillies 15 (Fig 3) de l'élément isolant donné 9 et va à par- tir de celles-ci vers les ouvertures 16 des saillies 15 Puis l'agent réfrigérant parvient au tube 3 de refroidissement par les ouvertures latérales 4 (Fig l) pour l'entrée de l'agent réfrigérant Après avoir traversé ce tube 3 l'agent réfrigé- rant sort par les ouvertures latérales 5 d'évacuation du m 9 me tube de refroidissement 3. Par les ouvertures 5 l'agent réfrigérant arrive dans les cavités 17 (Fig 4) à travers les ouvertures 16 des sail- lies 15 (Fig 3) de l'autre paire d'éléments isolants 9, for- mant le tube isolant 8 donné d'amenée de l'agent réfrigérant (Fig l) A partir des cavités 17 (Fig 4), par les canaux 14 de cet élément isolant 9 (Fig 1), l'agent réfrigérant sort à l'extérieur (Fig l). Chaque paire d'éléments isolants 9 assure de façon ana- logue le passage de l'agent réfrigérant à travers son tube 3 de refroidissement. Chaque tube de refroidissement 3 adhère à la spire 2 correspondante de la bobine et assure l'évacuation de la cha- leur de cette spire 2. En dehors de la borne électrique 1 les zones d'amenée et d'évacuation de l'agent réfrigérant sont séparées par une cloison isolante spéciale (non représentée sur le dessin). Ainsi, l'invention permet de créer une bobine dtenroule- ment statorique pour alternateurs de forte puissance à haute tension, avec des tensions de l'enroulement statorique attei- gnant 500 XV et possédant un faible encombrement et avec un refroidissement direct des spires de la bobine d'enroulement de l'alternateur. L'utilisation de tels alternateurs à haute tension per- met de réaliser une économie substantielle de matériaux élec- trotechniques. 11207 REVENDICATION R E V E N D I C A T I O N Bobine d'enroulement statorique pour alternateur à haute tension comportant une borne en matériau conducteur connectée électriquement à l'origine de la première spire de la bobine, les spires de la bobine en matériau conducteur étant recouvertes de plusieurs couches d'isolement entre spi- res par-dessus lesquelles est disposée une couche de blindage, l'isolement entre spires et la couche de blindage de chaque spire consécutive, en commençant par la première, entourant toutes les spires précédentes, caractérisée en ce que la borne ( 1) est réalisée sous la forme d'un tube, et la bobine d'en- roulement statorique comporte des tubes de refroidissement ( 3) adhèrant aux spires ( 2) correspondantes, bouchés a leurs ex- trémités et possédant des ouvertures latérales ( 4, 5) pour l'entrée et l'évacuation d'un agent réfrigérant, des îléments isolants ( 9) disposés concentriquement par rapport au tube de la borne ( 1) et réalisés en deux parties formant un tout, une première partie ( 10) orientée vers les spires ( 2) de la bobine, se présentant sous la forme de la moitié d'an cylin= dre creux coupé par un plan diamétral passant par l'axe lon- gitudinal du cylindre, son tronçon dirigé vers les spires de la bobine comportant deux saillies ( 15) du cbtê interne de chacune desquelles sont aménagées des ouvertures ( 16) qui com- muniquent avec les ouvertures latérales aménagées dans les tus bes de refroidissement, et une deuxième partie ( 11) se pré- sentant sous la forme de la moitié d'un cône creux tronqué coupé par un plan diamétral passant par 1 'axe longitudinal de ce cane tronqué et coïncidant avec l'axe longitudinal du cylindre, par ailleurs, la plus grande base de la seconde par- tie ( 11) coincidant avec la base de la première partie ( 10) la plus éloignée des spires ( 2) de la bobine, chlque éléjient isolant comportant le long de son axe, des cantas ( 14) com- muniquant avec des cavités ( 17) desdites saillies ( 15) des tubes isolants ( 8) pour 11 menée de l'agent réfrigérant, chan cun desquels est formé par une paire d'éléments isolants ( 9) en deux parties ( 10, 11) formant un tout, dont une partie re- présente un cylindre creux avec des saillies orientées vers les spires de la bobine, et dont l'autre partie représente un c 8 ne creux tronqué, dont la plus grande base coïncide avec la base du cylindre la plus éloignée des spires ( 2) de la bobine, les ouvertures des saillies de l'un des éléments ( 9) d'une paire communiquent avec les ouvertures latérales ( 4) correspondantes du tube de refroidissement ( 2) pour l'a- menée de l'agent réfrigérant, tandis que les ouvertures des saillies de l'autre élément isolant ( 9) communiquent avec les ouvertures latérales correspondantes ( 5) de ce même tube de refroidissement pour l'évacuation de l'agent réfrigérant, chaque tube isolant ( 8) pour l'amenée de l'agent réfrigérant étant séparé du tube ( 8) suivant par plusieurs couches d'i- solement prolongeant les couches correspondantes ( 12) d'iso- lement entre spires avec une couche de blindage ( 13) disposée, qui prolonge sans discontinuité la couche de blindage ( 7) cor- respondante des couches de l'isolement ( 6) entre spires, le c 8 ne tronqué du tube isolant ( 8) pour l'amenée de l'agent ré- frigérant adhérant au tube de la borne ( 1) étant le plus é- loigné de la première spire de la bobine, tandis que le c 8 ne tronqué ( 8) de chaque tube isolant suivant adhérant étroite- ment aux couches isolantes précédentes ( 12) est moins éloi- gnée de la première spire ( 2) de la bobine et les plus gran- des bases des c 8 nes tronqués des tubes isolants ( 8) pour l'a- menée de l'agent réfrigérant sont disposées à une distance prédéterminée les unes des autres.