Brevet FR2541552A1 — publié le 19840824

Système de refroidissement d'un appareillage électrique. La présente invention concerne un procédé pour le refroidissement d'un appareillage électrique, plus particulierement d'un enroulement de transformateur disposé dans une cuve et plongeant dans un liquide, le refroidissement dudit appareillage étant assuré jusqu'aune certaine ouis- sance électrique naturellement, par un effet de thermosiphon, et au-deld de cette puissance électrique un refroidissement par circulation forcée étant mis en service, venant s'ajouter au refroidissement par thermosiphon et indépendant de celui-ci. Un tel système de refroidissement de transformateurs est décrit dans le prospectus Le refroidissement des grands transformateurs, de la Société Anonyme Brown, Boveri & Cie, Baden (Suisse), na 32190 D d'avril 1966, à la page 6. Le refroidissement naturel est le mode de refroidissement le plus simple pour les appareillages électriques. Il est fiable et il fonctionne sans surprises. La chaleur déve loppée dans l'enroulement, dans le circuit magnétiqueetdansles partie5 métalliques massives de la structure détermine une circulation automatique de l'huile du fat de la tendance a monter de l'huile qui s'échauffe (effet de thermosiphon). L'huile échauffée se dirige dans la partie supérieure de la cuve dans laquelle se trouve l'appareillage électrique, elle passe ensuite dans un refroidasseur ot elle se refroidit pour revenir enfin dans la cuve, è la partie inférieure de celleci et le cycle de circulation naturelle recommence. Le refroidisseur se compose normalement de radiateurs, qui peuvent de plus être équipés de ventilateurs pour renforcer l'effet de réfrIgération. Dans les systèmes de refroidissement habituellement utilisés a l'heure actuelle, pour les gros transformateurs d'une puissance supérieure par exemple a quelque 30 MVA, le refroidissement naturel par thermosiphon est associé en même temps a un refroidissement par circulation forcée du fluide réfrigérant afin de pouvoir augmenter la puissance de réfrigération en cas d'accroissement de la charge du transformateur.De ce fait, cependant, un circuit de circulation forcée se superpose à la circulation naturelle, il équilibre alors la répartition de la tem pérature à l'intérieur du transformateur à tel point, que la différence de température entre la partie inférieure et la partie supérieure de la cuve tombe en-dessous de la valeur minimale, de 200C par exemple, nécessaire pour assurer l'effet de thermosiphon. te refroidissement naturel ne joue plus et il faut le remplacer en intensifiant la circulation forcée. Ceci nécessite un renforcement de la puissance des pompes de circulation, des refroidisseurs, de la section des tuyauteries, tout ceci entraînant un accroissement des investissements.Il subsiste en outre une incertitude quant à la formation de points chauds à l'intérieur de ltenroule- ment, car la circulation forcée emprunte principalement les lignes d'écoulement de moindre résistance, sans tenir compte des conditions thermiques. Il y a aussi que dans de nombreux cas d'application, par exemple avec des puissances de transfcrmateurs jusqu'à quelque 500 MVA, le refroidissement avec circulation forcée du fluide réfrigérant ne s'impose que pendant des périodes de surcharge ou de charge de pointe, limitées dans le temps, et pour les surcontraintes thermiques qui en découlent pour l'enroulement du transformateur, tandis que pour le refro- dissement pendant un fonctionnement à puissance nominale, le refroidissement par thermosiphon, à lui tout seul, serait tout à fait suffisant. Pour la conception des systèmes de refroidissement habituels, il arrive donc souvent que d'emblée on ne tienne plus compte du tout du refroidissement naturel, et ceci parce que l'on ne connait pas encore dans tous les détails les conditions d'écoulement du fluide réfrigérant dans la cuve du transformateur ni les lois hydrodynamiques qui résultent des interactions entre le refroidissement naturel et le refroidissement avec circulation forcée. La conséquence en est cependant, que l'absence de refroidissement naturel doit être compensée avec des elements d'installation plus puissants et plus chers par conséquent, pour le refroidissement avec circulation forcée. Partant de liétat actuel de la technique, excusé ci-dessus, le but de la présente invention est de réaliser un système de refroidissement pour un ap#areillage électri- que disposé dans une cuve et immergé dans un liquide réfrigérant, plus particulièrement pour un enroulement de transformateur, qui englobe aussi bien un refroidissement naturel par thermosiphon qu'un refroidissement avec circulation forcée du liquide réfrigérant, les deux modes de refroidisse-- ment étant associes de manière que d'une part le refroidlssement avec circulation forcée contribue à l'efficacité du refroidissement naturel par effet de thermosiphon, ou tout au moins que l'influence négative du refroidissement avec circulation forcée sur le refroidissement naturel par effet de thermosiphon reste limitée à une valeur aussi faible que possible, et que d'autre part les deux modes de refroidissement puissent fonctionner, chacun avec un maximum d'effi cacité. Pour résoudre ce problème, il est prévu selon la présente invention que pour le refroidissement par circulation forcée le prélèvement du liquide r frigérant et son retour dans la cuve, se fassent au moyen d'orifices disposés dans un même plan horizontal de la cuve, tes avantages obtenus avec l'invention sont essen tellement les suivants - Comme le dimensionnement et la conception du système de refroidissement, -tant pour le domaine de la puissance no minage que pour celui des puissances de pointe d'un appa- treillage électrique, par exemple d'un transformateur, com porte deux modes de refroidissement tnddoendants l'un de l'autre, basés sur des principes différents et qui n'exer cent pas d'influence négative réciproque, par suite de la redondance ainsi obtenue dans le système de refroidissement on peut compter sur une sécurité de fonctionnement plus élevée et sur une durée de vie plus longue du transforma teur. - Comme le refroidisspment avec circulation force est conçu comme refroidissement supplémentaire, du transformateur par exemple, pour les périodes de surcontraintes afin de comolé- ter l'action du refroidissement naturel, il est possible de réduire comparativement le dimensionnement des éléments de l'installation de refroidissement avec circulation forcée, telsque la pompe de circulation, le refroidisseur, etc., ce qui réduit d'autant lè court des investissements corres pondants. Selon une réalisation de l'invention, les orifices de prélèvement et de retour du liquide dans la cuve, pour le refroidissement avec circulation forcée, sont disposés à la partie supérieure de la cuve. t'avantage ainsi obtenu consiste essentiellement en ce que le système de refroidissement avec circulation forcée travaille avec une efficacité élevée, de sorte qu'il est possible de rédimensionner les éléments de l'installation pour ce mode de refroidissement et abaisser ainsi les coatis des investissements. Selon une autre réalisation, les orifices de prélevé ment et de retour du liquide dans la cuve, pour le refroidissement avec circulation forcée, sont disposés à la partie inférieure de la cuve. On augmente ainsi l'efficacité du re froidissement naturel et on réduit celle du refroidisseur avec circulation forcée, par suite de l'abaissement du niveau de température du liquide à l'entrée dans le refroidissement. Selon une autre--réalisation, les orifices de prélè- vement et de retour du liquide dans la cuve, pour le refroidissement avec circulation forcée sont disposés à mi hauteur de la cuve. Avec cette disposition les deux modes de refroidissement travaillent avec une efficacité moyenne. t'invention prévoit que les orifices de Prélèvement et de retour du liquide dans la cuve, pour le refroidissement avec circulation forcée, peuvent avantageusement être disposés aussi loin que possible l'un de l'autre. L'avantage de cette disposition consiste essentiellement en ce qu'il est possible de maintenir un niveau de température approximativement constant du liquide réfrigérant, sur toute l'étendue de la section horizontale de la cuve, dans les plans horizontaux od sont situés les orifices de prélèvement et de retour pour le refroidissement avec circulation forcée. Le dispositif pour la mise en oeuvre de la méthode selon l'invention comprend des tuyauteries de prélèvement et de retour du liquide dans la cuve pour le refroidissement avec circulation forcée qui débouchent dans des orifices disposés dans un même plan horizontal de la cuve. On peut ainsi combiner les deux modes de refroidissement d'une manière optimale, l'un avec l'autre. Il est possible aussi, selon la présente invention, de faire déboucher les tuyauteries de prélèvement et de retour du liquide dans la cuve, pcur te refroidissement avec circulation forcée7#oit dans la partie supérieure, soit dans la partie inférieure, soit à mi-hauteur de la cuve. On peut ainsi obtenir une efficacité optimale de l'un ou de l'autre des deux modes de refroidissement ou bien pour les deux modes de refroidissement considérés comme un tout. On peut avantageusement, selon la présente invention, faire déboucher les tuyauteries de prélèvement et de retour du liquide dans la cuve, pour le refroidissement avec circulation forcée, en des points aussi éloignés que possible l'un de l'autre On peut obtenir ainsi un niveau de température approximativement constant pour le liquide de refroidissement sur toute l'étendue de la section horizontale de la cuve7 dans le plan horizontal où se trouvent les orifices de prélèvement et de retour du liquide dans la cuve, pour le refroidissement avec circulation forcée Nous allons expliquer ci-dessous l'lnvention plus en détail, en nous appuyant sur les exemples de réalisation re pr#sentés dans le dessin. Les différentes figures montrent respectivement Fig. 1 une vue de profil schématisée d'une forme de réalisa tion du système de refroidissement selon l'invention prise comme exemple, y compris un transformateur avec coupe partielle du réfrigérant du système de refroidis sement avec circulation forcée Fig. 2 une vue partielle horizontale; en coupe, de la partie supérieure du transformateur selon la Fig. 1 Fig. 3 une vue en coupe verticale du refroidisseur du cir cuit de refroidissement avec circulation forcée selon la Fig. 1 et Fig. 4 une vue en coupe horizontale d'une partie du radiateur selon la-Fig. 1. La Fig. 1 montre un gros transformateur 1 qui est équipé aussi bien d'un système de refroidissement naturel par thermosiphon 6, 7, 8, 10 que d'un système de refroidissement de circuit de circulation forcée 11, 12, 13, 14, 15, 16. Le transformateur 1, dont l'enroulement 20 est immergé dans un liquide réfrigérant, à l'intérieur de sa cuve 18, avec ses bornes isolées BT, 2 et ET, 3 est installé sur un massif de fondation 5 avec des galets de roulement 4. Le système de refroidissement naturel par thermosiphon 6, 7, 8, 10 se compose du tuyau de soutirage 6, des radiateurs 7 et du tuyau de retour 8.Les tuyaux 6, 8 et les radiateurs 7 prennent appui sur le massif de fondation 5 par l'intermédiaire d'une structure support 9 Un refroidissement supplémentaire des radiateurs 7 est aussi assuré au moyen de deux ventilateurs 10. Dans l'exemple représenté ici, les radiateurs 7 sont disposés ,séparément, à une certaine distance de la cuve 18 du transformateur. Ils peuvent aussi être fixés directement sur la cuve 18 du transformateur. Le système de refroidissement avec circulation forcée 11, 12, 13, 14 se compose d'un premier tuyau 11, de soutirage ou de retour, du refroidisseur 12, de la pompe de circulation 13 et du deuxième tuyau 14 de soutirage ou de retour. te réfrigérant 12 a été représenté en coupe partielle, ce qui permet de voir le ventilateur 15 qui est entraîné par le moteur électrique 16. Comme on peut le voir sur la Fig 2 aussi bien le tuyau de prélèvement il Cou 4) que le tuyau de retour (14 ou 11) du système de refroidissement avec circulation forcée 11, 12, 13, 14 débouchent dans les faces frontales 19, 19' de la cuve 18 du transformateur dans le même plan horizontal. Il est avantageux que les points où débouchent les tuyaux 11, 14 soient éloignés le plus possible l'un de l'autre,qu'ilssoient situés aux deux extrémités de la diagonale de la section horizontale rectangulaire de la cuve 18 du transformateur. Dans la Fig. 2, le repère 20 désigne la représentation schématique de l'enroulement du transformateur. Dans les Figures qui suivent, les éléments qui cor respondènt à des éléments visibles dans les Figures 1 et 2 ont été affectés des mêmes numéros repères. La Fig. 3 montre une vue en coupe verticale du refroidissement 12 selon la Fig. 1. Le refroidisseur 12 se compose essentiellement d'un carter 21, la chambre d'entrée (ou de sortie) supérieure 22' et de la chambre de sortie (ou d'entrée) inférieure 22, et des tubes 23 rassemblés en faisceau vertical. Dans la Fig. 3 on nwa représenté qu'une seule des couches de tubes 23, qui sont disposées en chicane.On peut voir également le débouché des tuyaux 11, 14 dans le refroidisseur 12 Enfin dans la Fig. 4, on voit une coupe horizontale d'une partie des radiateurs 7 et l'extrémité du tuyau de soutirage 6 Ci-dessous on va -expliquer plus en détail le fonctionnement du système de refrosdissement selon l'invention Dans le domaine de fonctionnement à la puissance nominale du transformateur 1, pris comme exemple, les parties à refroidir et avant tout l'enroulement 20, le paquet de tdles et lVarmature en acier sont refroidis au moyen du circuit de circulation naturelle du système de refroidissement par thermosiphon 6, 7, 8, 10 La chaleur engendrée dans l'armature en acier et dans les éléments massifs de la structure métallique est évacuée par l'huile de refroidissement circulant naturellement et, avec ce mode de rèfroidissement on évite également un échauffement inadmissible à la surface de l'enroulement. On sait que des températures superficièlles élevées des pièces massives en acier entraînent un vielîlisement rapide de l'huile de refroidissement et que des températures qui à l'in térieur de l'enroulement dépassent une certaine valeur limite critique, peuvent aboutir à une dégradation prématurée de l'isolation et par conséquent à une réduction de la durée de vie du transformateur. C'est pourquoi il est extrêmement important d'assurer en permanence un refroidissement suffisant de tous ces éléments. Si maintenant on augmente la charge du transformateur 1, avec un léger décalage dans le temps il va se produire également un accroissement de la chaleur des pertes, qu'il faut alors évacuer du transformateur 1 le plus rapidement possible, au moyen du liquide réfrigérant. Au moyen de capteurs de mesure qui n'ont pas été représentés dans les figures 1 à 4, et qui sont disposés par exemple dans l'enroulement 20 du transformateur, etlou par mesure de la température du liquide réfrigérant, de la puissance electrique, du courant électrique, on détecte l'échauf- fement croissant des parties à refroidir, et au moyen d'un circuit de régulation qui n'a pas non plus été représenté dans la Fig. 1, ou bien à la main, dans un premier stade de renforcement du refroidissement on enclenche les ventilateurs 10 du système de refroidissement naturel pour améliorer la circulation d'air dans les radiateurs 7. Si l'échauffement augmente encore, au moyen d'un circuit de régulation qui n'est pas représenté non plus dans les Figures 1 à 4, ou bien à la main, dans un deuxième stade de renforcement du refroidissement on met en service le refro- dissement avec circulation forcée 11, 12, 13, 14#, 15, 16. Le mode de fonctionnement conjugué des deux systèmes de refroidissement peut se présente alors selon trois variantes que l'on peut décrire comme suit, pour l'essentiel - Variante 1 : Les tuyaux de soutirage et de retour 11, 14 du refroidissement avec circulation forcée 11, 12, 13, 14, 15, 16 débouchent dans la partie supérieure des parois fron tales 19, 19' de la cuve 18 du transformateur, dans un même plan horizontal. de la dite cuve 18. Belon la puissance de la pompe 13 et du refroidisseur 12 qui sont utilises, on va obtenir un refroidissement supplé- mentaire plus ou moins intense seulement du liquide de refroidissement qui se trouve dans la partie supérieure de la cuve 18, ce refroidissement devra cependant être limité de manière que la différence de température entro la partie supérieure et la partie inférieure de la cuve 18 ne descente en-dessous de 20 C, par exemple, afin que le circuit de la circulation naturelle ne soit pas perturbé. - Variante 2 : Les tuyaux de soutirage et de retour 11, 14 du système de refroidissement avec circulation forcée 11, 12, 13, 14, 15, 16 débouchent dans la partie inférieure des parois frontales 19 19i de la cuve 18 du transforma teur, dans un même plan horizontal de la dite cuve 18. Selon la puissance de la pompe de circulation 13 et du ra diateur 12 qui sont utilisés, on va obtenir un refroidis sement supplémentaire plus ou moins intense, seulement du liquide de refroldissement qui se trouve dans la partie inférieure de la cuve 18. Variante~3 : tes tuyaux de soutirage et de retour 11, la du système de refroidissement avec circulation forcée 11, 12, 13, 14 débouchent à ml-hauteur des parois frontales 19, 19' de la cuve 18 du transformateur, dans un même plan horizon tal de la dite cuve 18. Selon la puissance de la pompe de circulation 13 et du ra dilater 12 qui sont utilisés, seul le liquide qui se trouve à miwhauteur dans la cuve 13 va subir un refroidissement supplémentaire plus ou moins intense. D'une manière générale, il faut noter que l'efficacité globale qui résulte de la combinaison selon l'invention des deux systèmes de refroidissement, compte tenu des moyens mis en oeuvre qui se composent essentiellement des radiateurs 7, 12, des tuyauteries 6, 8, 11, 14 et de la pompe de circulation 13, a augmenté comparativement à la combinaison habituelle des deux modes de refroidissement, et ceci est du au fait que pour tous les régimes de fonctionnement du transformateur 1, la circulation naturelle peut s'effectuer sans encombre, et que les influences perturbatrices engendrées par la circulation forcée du liquide de refroidissement sont éliminées. Dans la variante 1, l'efficacité du refroidissement avec la circulation forcée 11,12,13,14,15, 16 est à son maximum, et ceci du fait que le refroidissement est d'autant plus intense, que la température du liquide de refroidissement est plus élevée à l'entrée du refroidisseur 12. Dans la variante 2,'est l'efficacité du refroidissement à circulation naturelle qui est maximale, car c'est là que la différence de température entre la partie supérieure et la partie inférieure de la cuve 18 est la plus grande. On continue à refroidir l'huile déjà refroidie dans le circuit à circulation naturelle, qui revient dans la cuve 18 par le tuyau de retour 8. La variante 3 enfin présente une solution qui abaisse le niveau de température du liquide de refroidissement qui se trouve à l'intérieur de la cuve 18, mais pour commencer seulement dans la zone qui se trouve à ml-hauteur dans la cuve 18. A partir de cette zone le refroidissement va continuer à se poursuivre régulièrement, aussi bien dans la partie supérieure que dans la partie inférieure, avec une différence de température entre la partie supérieure et la partie inférieure restant maintenue à une valeur presque constante. On est assuré ainsi qu'on n'apporte aucune perturbation dans le circuit à circulation naturelle. Il va sans dire que le choix de la position où dé bouchent les tuyaux 11, 14 ne reste pas limité aux trois variantes qui ont été décrites, et il existe un nombre aussi grand que l'on veut de plans horizontaux possibles, où peuvent déboucher les tuyaux 11, 14, répartis sur toute la hauteur de la cuve 18, Jusqu'à présent on a admis que dans son domaine de fonctionnement à la puissance nominale le transformateur 1 était utilise avec seulement son système de refroidissement par thermosiphon 6, 7, 8, 10 et qu'au-dessus on travaillait avec un système combiné, associant le refroidissement par thermosiphon 6, 7, 8, 10 avec un refroidissement par circulation forcée 11, 12, 13, 15, 16. Il va sans dire qu'il ne s'aaissait là que d'un exemple de réalisation, on peut imaginer un nombre aussi grand que l'on veut de variantes possibles, quant du domaine de puissance d'utilisation du transformateur jusqu'auquel seul le refroidissement par thermosiphon est en service, et à partir de quelle charge limite on met aussi-en fonctionnement le refroidissement avec circulation forcée 11, 12, 13, 14, 15, 16.C'est ainsi, par exemple, que le système de refroidissement peut être conçu pour qu'on ne fasse appel qu'au refroidissement par thermosiphon 6, 7, 8, 10 tout seul jusqu'au fonctionnement a demi-puissance du transformateur, et qu'au-dessus on associe à celui-ci le refroidissement avec circulation forcée 11 12, 13, 14, 15, 16, les deux systèmes assurant ensemble le refroidissement du transformateur 1. Par ailleurs, l'utilisation de l'invention ne se limite évidemment pas au refroidissement de transformateurs 1, mais elle peut s'appliquer à tout appareillage immergé dans un liquide et qu'il s'agit de refroidir, tel que bobines d'inductance, appareils de coupure, réacteurs nucléaires, etc. t le liquide de refroidissement pouvant être ou ne pas être un isolant. Dans la plupart des cas c'est de l'huile, mais tout autre liquide, convenable pour assurer un refrol- dissement, peut également être utilisé. REVENDICATIONS 1. Méthode pour le refroidissement d'un appareillage électrique, plus particulièrement d'un enroulement de transformateur (20) immergé dans un liquide à l'intérieur d'une cuve (18), le dit appareillage étant refroidi jusqu'à une certaine puissance électrique d'une manière naturelle, par thermosiphon (6, 7, 8, 10) et au-delà de cette puissance un système de refroidissement supplémentaire, avec circulation forcée (11, 12, 13, 14, 15, 16) indépendant du système de refroidissement par thermosiphon étant mis en service en plus de celui-ci, caractérisé par le fait que le soutirage et le retour du liquide du refroidissement avec circulation forcée (11, 12, 13, 14, 15, 16) dans la cuve (18) s'effectuent par des orifices qui se trouvent dans un même plan horizontal de la dite cuve (18). 2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le soutirage et le retour dans la cuve (18) du liquide du système de refroidissement avec circulation forcée (11, 12, 13, 14, 15, 16) s'effectuent par des orifices qui sont situés dans la partie supérieure de la cuve (18). 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le soutirage et le retour dans la cuve (18) du liquide du système de refroidissement avec circulation forcée (11, 12, 13, 14, 15, 16) s'effectuent par des orifices qui sont situés à- la partie inférieure de la cuve tel8). 4. Méthode selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le soutirage et le retour dans la cuve C18) du liquide du système de refroidissement avec circulation forcée (11, 12, 13, 14 15, 16) s'effectuent par des orifices qui sont situés à mi-hauteur de la cuve (18). 5. Méthode selon l'une quelconque des revendications de 1 à 4, caractérisée par le fait que le soutirage et le retour dans la cuve (18) du liquide du système de refroidissement avec circulation forcée (11, 12, 13, 14, 15, 16) s'effectuent par des orifices qui sont disposés aussi loin que possible l'un de l'autre. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre de la méthode selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux tuyaux (11,14), pour le soutirage et le retour dans la cuve (18) du liquide du système de refroidissement avec circulation forcée (11, 12, 13, 14, 15, 16) sont disposés de manière à déboucher dans un même plan horizontal de la cuve (18). 7. Dispositif pour la mise en oeuvre de la méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les deux tuyaux (11, 14) pour le soutirage et le retour dans la cuve (18) du liquide pour le système de refroidissement avec circulation forcée (11, 12, 13, 14, 15, 16) sont disposés de manière à déboucher soit à la partie supérieure, soit à la partie inférieure, soit à mi-hauteur de la cuve (18). 8. Dispositif pour la mise en oeuvre de la méthode selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les deux tuyaux (11, 14) pour le soutirage et le retour dans la cuve (18) du liquide pour le refroidissement avec circulation forcée (11, 12, 13, lo, 15, 16) sont disposés de ma niere à déboucher en des points aussi éloignés que possible l'un par rapport à l'autre.