Brevet FR2623934A1 — publié le 19890602

L'invention concerne le domaine de l'électrotechnique et a notamment pour objet les barreaux pour appareils à induction. Le barreau est utilisé comme élément isolant dans l'isolation barrière-huile des appareils à induction. L'isolation barrière-huile est constituée par des cylin- dres isolants ou des toles isolantes ou barrières, qui sont fabriqués en tôles d'un matériau isolant électrique et qui sont séparés les uns des autres par un barreau. La fiabi- lité et la haute qualité de l'isolation barrière-huile sont fonction de la valeur des espaces entre les barrières. La dimension précise de ces espaces ne peut être assurée qu'à la condition de respecter rigoureusement l'épaisseur des barreaux isolants. Suivant le mode de réalisation de l'iso- lation barrière-huile, on distingue trois types: isolation par des barrières disposées d'une manière plate, isolation par des barrières disposées concentriquement et isolation par des barrières disposées suivant une forme arbitraire quelconque. Dans la majorité des cas, l'isolation barrière- huile donnée se trouve entre l'enroulement basse tension et l'enroulement haute tension ainsi qu'à l'extérieur de l'en- roulement haute tension. Etant donné qu'aux régimes de con- traintes électrodynamiques, l'enroulement basse tension se comprime et l'enroulement haute tension s'étire, l'isolation barrière-huile n'est pas soumise, dans la plupart des cas, à l'action d'efforts mécaniques considérables. L'élimination de l'influence d'importantes contraintes électrodynamiques sur la structure de l'isolation barrière-huile et, par con- séquent, sur la structure du barreau isolant, est due au fait que les enroulementsde l'appareil à induction doivent eux-mêmes être protégés contre l'action des contraintes électrodynamiques. Cette condition suivant laquelle la forme et les dimensions géométriques (cotes d'encombrement) des enroulements doivent rester sans changement, est assurée au stade de l'élaboration du projet de l'appareil à induction. De petites contraintes mécaniques s'exercent également sur l'isolation barrière-huile disposée généralement à l'exté- rieur de l'enroulement haute tension, sur la paroi de la cuve et aux autres endroits. La contrainte mécanique éventuelle agissant sur les barreaux isolants de l'isolation barrière-huile est le resserrement plat et parallèle par les cylindres isolants, qui est dû à la masse propre de l'isolation barrièrehuile qui, en règle générale, est d'une faible valeur, et aux efforts technologiques qui sont faciles à supprimer. L'appareil à induction, par exemple un transformateur de puissance ou une réactance, comporte des prises conduc- trices qui sont généralement faites des barres de cuivre ou de câbles. Ces prises sont fixées sur la partie active de l'appareil à induction par l'intermédiaire des barreaux isolants. Ces barreaux doivent posséder, en plus de la tenue diélectrique requise, une rigidité mécanique suffisante. Ils sont fabriqués en plaques de bois durs, par exemple du bois de hêtre, ou bien en un stratifié de bois. Ces matériaux pré- sentent des propriétés diélectriques et mécaniques suffi- santes. Toutefois, le hêtre est un matériau difficile à se procurer, dont la reproduction naturelle est un processus de longue durée et le stratifié est un matériau coûteux. En règle générale, le barreau de l'isolation barrière- huile est réalisé sous la forme d'une bande multicouche dont les couches sont réunies par collage. Le processus de fabrication de ces barreaux isolants est un processus qui demande une grande main-d'oeuvre vu le grand nombre d'opérations à réaliser. Ce processus comporte des opérations telles que le découpage d'une tôle isolante, la formation d'une bande multicouche, l'application d'une matière adhésive sur le matériau isolant, le séchage sous pression, l'élimination des bavures et des coulures de la matière adhésive, le nettoyage, etc.... La technique de fabrication de ces barreaux isolants nécessite, pour sa réalisation, une grande quantité d'énergie, du fait que son application prévoit la création de températures élevées et de fortes pressions. Parmi les inconvénients de ce mode de réalisation du barreau, il faut encore noter la distorsion et l'exfoliation des bandes pendant le séchage et le traite- ment thermique sous vide et, par conséquent, la mise au rebut d'un certain nombre de ces barreaux. La fabrication du barreau isolant décrit nécessite une grande quantité de matériau isolant car la section transver- sale du barreau est entièrement remplie de ce matériau iso- lant. On connaît un barreau isolant plus perfectionné et demandant moins de matériau pour sa réalisation, qui est constitué par une bande enroulée, dont les arêtes longitudi- nales sont rabattues l'une vers l'autre. L'inconvénient de ce mode de réalisation du barreau consiste en ce que le barreau a un contour ouvert,ce qui nuit,d'une part, à sa robustesse mécanique et, d'autre part, aboutit à la variation de l'épaisseur du barreau par suite du retrait au séchage et de la distorsion du matériau iso- lant utilisé pour fabriquer le barreau. La variation de l'épaisseur du barreau est intolérable si le barreau est utilisé comme entretoise servant à maintenir un écartement des barrières de l'isolation barrière-huile, ce qui s'expli- que par le fait que cela aboutit à la diminution de la rigi- dité diélectrique de l'isolation et, par conséquent, nuit à la fiabilité de l'appareil à induction. On connait un barreau isolant servant de support aux conducteurs (prises) d'un appareil à induction (GB, A, 2109639). Ce support se présente sous la forme d'une poutre en béton armé, réalisée avec l'emploi de carton isolant. Cependant, la section transversale du barreau a un contour ouvert, ce qui diminue sa robustesse mécanqiue. L'emploi de dispositifs afin du conférer une robustesse mécanique sup- plémentaire au barreau, constitue une solution technique demandent une main d'oeuvre importante. On s'est donc proposé de mettre au point un barreau creux pour appareils à induction, possédant une robustesse mécanique élevée, grâce à la configuration de la section transversale de la bande enroulée pour constituer ce bar- reau. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'un bar- reau réalisé sous forme d'une bande enroulée, en un matériau isolant, qui comporte, selon l'invention, au moins une cou- che et dont la section transversale est en forme de poly- gone. Cela permet d'élever grandement la robustesse mécanique du barreau, tout en diminuant la quantité de matériau néces- saire à sa fabrication. Il est avantageux que la section transversale de la bande enroulée soit en forme de trapèze et, au cas o la bande est enroulée plusieurs fois sur elle même, que chaque trapèze suivant de la section transversale enveloppe le tra- pèze précédent et que la petite base de chaque trapèze en- veloppé s'applique à la grande base du trapèze enveloppant en formant ainsi une suite de spires. Ce mode de réalisation permet d'élever la robustesse mécanique du barreau. Il est utile qu'au moins une couche présente une rangée d'encoches. Cela permet de réduire grandement la quantité de maté- riau nécessaire à la fabrication du barreau. Chacune des encoches mentionnées peut reproduire la forme de la pièce de l'appareil à induction fabriquée à par- tir du matériau isolant électrique. Ceci permet d'améliorer sensiblement le coefficient d'utilisation du matériau isolant électrique. Quand on enroule la banque, les encoches de parties adjacentes de la couche peuvent se recouvrir de façon à don- ner un trou débouchant. Ceci permet de réaliser l'assemblage mécanique de l'iso- lation barrière-huile sans ménager, à cette fin, des trous débouchants suivant la longueur du barreau. 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 la section transversale du barreau selon l'invention,pour un appareil à induction, com- prenant au moins une couche, selon l'invention; - les figures 2 et 3 représentent la section transver- sales du barreau selon l'invention, en forme de trapèze; - les figures 4 et 5 représentent la section transver- sale du barreau pour appareils-à induction, dont la bande forme une suite de spires, selon l'invention; - la figure 6 représente la section transversale du barreau réalisé à partir d'une bande multicouche, selon l'invention; - la figure 7 représente la section transversale du barreau isolant, dont la couche possède une rangée d'enco- ches, selon l'invention; - la figure 8 représente un développement de la bande du barreau isolant représenté sur la figure 7, selon l'in- vention; - la figure 9 est une vue du barreau isolant, à l'en- roulement de la bande duquel les encoches des couches voi- sines se recouvrent mutuellement de façon à former un trou débouchant, selon l'invention; et - les figures 10, 11, 12, 13 et 14 illustrent les dif- férentes réalisations des encoches qui reproduisent les for- mes de certaines pièces de l'appareil à induction, selon l'invention. Le barreau isolant revendiqué (figure 1), et destiné à - être monté dans un appareil à induction, est réalisé sous la forme d'une bande enroulée à partir d'un matériau isolant électrique. Cette bande comporte au moins une couche 1 et, dans le cas général, sa section transversale est un poly- gone. Le barreau représente un polyèdre constitué par la bande enroulée. La réalisation de faces planes, dans la couche de la bande, permet d'élever la robustesse mécanique du barreau isolant et la structure creuse du barreau permet de réduire la quantité de matériau nécessaire à sa fabrica- tion. Dans le cas le plus simple, cela peut être un polyè- dre, dont la section transversale est un polygone, dans le cas le plus simple, un tringle. Ce barreau possède la plus grande robustesse mécanique et nécessite le minimum du maté- riau isolant électrique, tout en assurant la valeur requise de l'espace isolant entre les barrières de l'isolation barrière-huile. Il est avantageux de réaliser un barreau, dont la section transversale représente un trapèze fermé (figure 2). En règle générale, c'est un trapèze isocèle, dont les bases 2 et 3 sont des surfaces d'appui et les côtés 4 et 5 disposés sous un angle/3 par rapport aux sur- faces d'appui (2, 3) font office de nervures de rigidité. Lorsque l'on enroule la bande formant le barreau, sa partie intérieure constitue une cavité longitudinale débou- chante limitée par les surfaces d'appui (2, 3) et les ner- vures de rigidité (4, 5) mentionnées. La structure plus perfectionnée du barreau isolant, dont la section transversale est un polygone et, notamment, un trapèze, est constituée par une structure dans laquelle chaque trapèze suivant enveloppe le trapèze précédent et la petite base 3 de chaque trapèze enveloppé s'applique à la grande base 2 du trapèze enveloppant en formant de la sorte une suite de spires. La solution technique donnée permet d'élever la robustesse mécanique du barreau isolant grâce à l'augmentation du nombre des côtés latéraux du trapèze.. Le barreau ainsi réalisé est caractérisé par une robustesse mécanique élevée et peut servir d'élément de fixation des prises conductrices d'un appareil à induction. Il ressort, de l'exposé fait ci-dessus, que le barreau isolant peut comporter deux spires (figure 4) et plus (figure 5) ayant, par exemple, la forme d'un trapèze. Les spires trapézoïdales sont disposées l'une dans l'autre de façon que la petite base 3 de chaque trapèze enveloppé s'applique à la grande base 2' du trapèze enveloppant et que la grande base 2 du trapèze enveloppé s'applique à la petite base 3' du trapèze enveloppant, c'est-à-dire que les bases de même nom des trapèzes sont disposées d'une façon alternée (figure 4 et figure 5). Ainsi, la cavité intérieure du barreau est divisée en plusieurs canaux lon- gitudinaux par l'intermédiaire des côtés 4 et 5 des spires trapézoïdales. La bande formant le barreau peut comprendre plusieurs couches 1, 1', 1"... (figure 6). Le barreau, utilisé dans un appareil à induction, est soumis à l'action des charges mécaniques qui diffèrent par leur nature et leur valeur, en fonction du rôle que le barreau doit jouer dans l'appareil. Il peut être utilisé comme entretoise de l'isolation barrière-huile ou plaque de fixation des prises conductrices. En partant de la nature etde la valeur de la charge mécanique, on détermine le nombre de spires trapézoïdales constituant le barreau isolant et le nombre de couches 1, 1', l"... de la bande. Le barreau, représenté sur la figure 1, peut être uti- lisé pour entretoiser la barrière isolante et le barreau de la figure 2, pour ménager les cloisons de l'isolantion barrière-huile. Le barreau isolant représenté sur la figure 3 peut être intercalé entre les barrières (cylindres) de l'isola- tion barrière-huile (isolation principale) d'un appareil à induction. Les barreaux isolants représentés sur les figu- res 4, 5 et 6 peuvent être utilisés comme plaques de fixa- tion des dérivations conductrices. Pour éviter le fléchisse- ment des prises flexibles, on peut les loger à l'intérieur du barreau, c'est-à-dire dans les cavités de ce dernier. Le barreau isolant constitué par une bande enroulée d'un matériau isolant et ayant, en section transversale, la forme d'un polygone, par exemple d'un trapèze, conserve une forme stable à son resserrement parallèle sous l'action des barrières de l'isolation barrière-huile de l'appareil à induction. En cas d'action spontanée d'efforts mécaniques appliqués localement et pouvant s'exercer, par exemple, au cours des travaux d'assemblage de l'isolation barrière- huile, il convient d'augmenter l'épaisseur S de la bande (figure 7) afin d'assurer la robustesse suffisante du bar- reau isolant. Cela conduit à une augmentation de la quan- tité nécessaire de matériaux isolants. Cette augmentation n'est point justifiable dans le cas des bases 2, 2'..., 3, 3'... du trapèze, qui ne sont pratiquement pas soumises à l'action des charges mécaniques. La diminution de la masse du barreau est également assurée du fait que la couche comporte une rangée d'encoches 6 (figures 7, 8). Plus efficace est la structure du barreau isolant dans lequel, à l'enroulement de la bande, formée de plusieurs couches 1, 1', 1"... ou une seule couche 1 pré- sentant plus d'une spire, les encoches 6 de couches voisi- nes ou de parties adjacentes de la couche (faces adjacentes du polyèdre) se recouvrent les unes les autres de façon à former un trou 7 débouchant (voir figure 9). Ce trou 7 débouchant est utilisé, par exemple, pour la mise en place des pièces de fixation: goujons et boulons d'isolation etc.. . Le fait d'augmenter le nombre d'encoches 6, surtout aux tronçons du barreau qui ne sont pas soumis à d'importantes charges mécaniques, lesquels tronçons sont les bases 2 et 3 du trapèze, permet de diminuer considérablement la masse de la bande (du barreau). Les encoches 6 pratiquées dans les bases 2, 2'.... 3, 3'... peuvent être séparées les unes des autres par une distance t qui est plus petite que la distance T séparant les encoches 6 pratiquées dans les côtés 4, 4'..., 5, 5'... du trapèze. En partant de la condition d'équirigidité de la structure, le rapport entre ces distances t et T peut s'ex- primer à l'aide de la formule: t = T sin o t est la distance entre les encoches pratiquées dans les bases 2, 2'..., 3, 3'... du trapèze, T est la distance entre les encoches pratiquées dans les côtés 4, 4'..., 5, 5'.. . du trapèze, 3 est l'angle d'inclinaison du côté du trapèze (voir figure 2). Une structure plus efficace du barreau, o la couche possède une rangée d'encoches 6, est obtenue si ces encoches 6 reproduisent la forme de pièces isolantes fabriquées en grande série, par exemple, de disques isolants pour la fixa- tion mécanique (voir figure 11), de cales d'espacement des enroulements de l'appareil à induction (voir figures 10, 12, 13), de pièces de canaux de refroidissement ménagés dans les enroulements (voir figure 14) etc... L'invention permet d'élever la robustesse mécanique, de réduire la main d'oeuvre nécessaire à la fabrication, de faire des économies de matériau à la fabrication du bar- reau et de remplacer les barreaux isolants collés que l'on utilise largement à l'heure actuelle dans la fabrication de transformateurs. Les barreaux isolants, présentant une robustesse mécanique plus grande (voir figures 4, 5, 6), peuvent être substitués aux plaques en hêtre servant à la fixation des prises conductrices de la partie active des ap- pareils à induction. Cela permet de réduire la consommation des matériaux coûteux et difficiles à obtenir. Le barreau isolant a été soumis, en grande quantité, à une vérification expérimentale dans un transformateur uni- que et son modèle à grande échelle ainsi que dans d'autres transformateurs. Le résultat positif de l'essai du trans- formateur et de son modèle, qui ont subi des essais dans le volume complet, au cours desquels les barreaux isolants ont été soumis aux plus grandes charges électriques et méca- niques enregistrées actuellement, atteste la fiabilité-suf- fisante de la structure du barreau isolant. Il est très avantageux d'utiliser le barreau décrit dans des transformateurs de puissance et des réactances de grande puissance et de hautes classes de tension comme élément isolant, et pour toutes les puissances et classes de tension, comme élément mécanique permettant la fixation, par exemple, de prises conductrices constituées par des bar- res de cuivre ou des câbles, etc... REVE NDICATION S 1. Barreau pour appareils à induction, réalisé sous la forme d'une bande enroulée en un matériau électriquement isolant, caractérisé en ce que la bande comporte au moins une couche (1) et sa section transversale enroulée est en forme de polygone. 2. Barreau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section transversale de la bande enroulée est en for- me de trapèze. 3. Barreau selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans le cas o la bande est enroulée plusieurs fois, chaque trapèze suivant de la section transversale enveloppe le trapèze précédent et la petite base (3) du trapèze enve- loppé s'applique à la grande base (2) du trapèze enveloppant en formant de la sorte une suite de spires. 4. Barreau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une couche (1) est réalisée avec une rangée d'encoches (6). 5. Barreau selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque encoche (6) reproduit la forme de la pièce de l'appareil à inductance réalisée à partir du matériau iso- lant électrique. 6. Barreau selon la revendication 4, caractérisé en ce que, dans la bande enroulée, les encoches (6) de parties adjacentes de la couche (1) se recouvrent les unes les au- tres en formant un trou débouchant.