Brevet FR2629253A1 — publié le 19890929

L'invention concerne un transformateur de distribution publique haute tension/basse tension à isolement liquide, conçu pour offrir une grande résistance au feu en cas d'incendie du poste ou du bâtiment dans lequel il est implanté. En pratique un tel transformateur peut être utilisé dans la gamme des 1,1 à 36 kV en tension primaire. Les réalisations de transformateurs anti-incendie existantes et en service se limitent le plus souvent à l'utilisation d'un diélectrique liquide présentant une meilleure tenue au feu que l'huile minérale habituellement utilisée (point de feu plus élevé), sans faire intervenir d'autres dispositions constructives. Ce diélectrique, d'origine synthétique, est souvent un diélectrique halogéné, une huile siliconée, un ester carboxylique, etc. La mise au point récente de procédures d'évaluation du comportement au feu des transformateurs a démontré en fonction des essais effectués sur ce type d'appareils que la seule option d'un diélectrique liquide difficilement inflammable est insuffisante. En effet, le rayonnement et la convection d'une source de chaleur placée à proximité de l'appareil et simulant l'effet de l'incendie provoquent une dilatation rapide du diélectrique. Dans le cas d'un transformateur hermétique, il en résulte une augmentation de la pression interne, suivie d'une déformation puis d'une perte d'étanchéité de la cuve métallique, d'où un épanchement incontrôlé du diélectrique, voire un effet aérosol à travers les interstices de ia cuve, ce qui conduit inévitablement à une participation du diélectrique à l'incendie. Dans le cas d'un transformateur muni d'un vase d'expansion, l'élévation du niveau du diélectrique entraîne un débordement, d'où un résultat similaire. La présente invention ne vise pas à garantir le bon fonctionnement du transformateur pendant la durée critique qui sépare le début du sinistre de son extinction. Le but visé est de retarder le plus longtemps possible la participation du transformateur, tant de façon énergétique que par création de fumées opaques ou toxiques, provenant de l'inflammation du diélectrique, ce qui risque d'augmenter la gravité du sinistre et de gêner la lutte contre l'incendie. On admet actuellement que l'influence d'un incendie sur un appareil consiste principalement en un rayonnement dont le flux est évalué entre 40 et 50 kW/m2, et qui converge sur l'ensemble des faces verticales du transformateur. Par ailleurs, des flammes peuvent venir lécher la cuve de l'appareil. Leur effet énergétique n'est pas considéré comme prépondérant. Néanmoins, la présence de ces flammes peut favoriser l'inflammation des gaz émanant du transformateur, ou du diélectrique liquide lui-même. Dans ces conditions, aucune manifestation extérieure de la part du transformateur ne doit apparaitre durant un laps de temps suffisamment long pour qu'une lutte contre l'incendie puisse être organisée. On considère que ce délai est au moins égai à 40 minutes. Compte tenu des observations précédentes, la demanderesse a mis en évidence un ensemble de particularités techniques dont l'application industrielle au domaine des transformateurs constitue les moyens de l'invention, laquelle est caractérisée de façon générale en ce que le transformateur comprend des moyens associés à la cuve pour limiter la transmission d'énergie calorifique extérieure vers le diélectrique liquide. Ces moyens sont de préférence multiples et associés en combinaison en fonction des considérations suivantes faisant partie de l'invention - Le transformateur est d'autant plus insensible à la source de chaleur environnante que constitue l'incendie, qu'il présente une inertie thermique plus élevée. - Le rapport capacité thermique/surface d'échange thermique agit directement sur la constante de temps d'échauffement du transformateur. - La capacité thermique de l'appareil est conditionnée avant tout par la masse du diélectrique liquide, mais il n'est pas souhaitable de l'augmenter, parce que cela reviendrait à augmenter l'énergie de combustion susceptible de se libérer en cas d'inflammation. La surface de l'appareil participe de deux façons à l'échange thermique entre le transformateur et le milieu ambiant. En fonctionnement normal, le transformateur se refroidit principalement par convection. Les parois de la cuve présentent des ondulations destinées à augmenter cette surface d'échange, et sont dimensionnées en fonction du niveau de pertes et de la température admissible dans l'appareil. En cas d'incendie créant un rayonnement vers l'appareil, c'est la projection sur un plan perpendiculaire au rayonnement et non la développante de cette surface d'échange qui intervient avant tout. Il est donc possible d'augmenter l'inertie thermique du transformateur dans ce deuxième cas, en faisant évoluer sa géométrie vers un volume de moindre surface. Les dimensions des ondulations de la cuve intervenant peu dans la surface de rayonnement, elles peuvent être choisies selon le niveau de perte de l'appareil. Néanmoins, l'intervention sur les proportions du transformateur se trouve rapidement confrontée à des aspects technico-économiques découlant de l'optimisation à caractéristiques électriques données. Le rayonnement étant la principale origine de l'échauffement du transformateur sous l'effet de l'incendie, il est également possible de le défavoriser en influant sur le coefficient d'émission du revêtement de surface. A titre d'exemple, le coefficient d'émission d'une peinture gris-vert habituellement utilisée se situe vers 0,8 à 0,9. Ce coefficient est ramené entre 0,1 et 0,3 pour une surface métallisée par zingage ou recouverte d'une peinture métallique réfléchissante et à haute tenue à la température, ce qui revient à diviser l'effet du rayonnement par un nombre situé entre 3 et 8. Une manifestation vers l'extérieur au transformateur est d'autant plus tardive que la cuve métallique est plus apte à supporter une augmentation importante du volume du diélectrique due à sa dilatation sans perdre son étanchéité. L'élasticité de ia cuve est avant tout dépendante des proportions choisies pour les ondulations. Une onde de profondeur doublée accepte une augmentation de volume qui tend à être multipliée par seize par rapport à deux ondes normales à surpression donnée. L'invention prévoit ainsi une ondulation de profondeur maximale (limitée par les moyens d'obtention), en réduisant éventuellement le nombre des ondes selon le besoin en surface de dissipation nécessaire pour le fonctionnement de l'appareil. Les éléments d'étanchéité doivent pouvoir supporter avec fiabilité la surpression provenant de la dilatation du liquide, malgré la contrainte thermique qui leur est imposée. Les joints, les bouchons d'obturation et les éléments de raccordement électrique, doivent être choisis en conséquence, ou si ce choix est impossible, doivent être protégés de l'effet du rayonnement par des écrans réfléchissants. - Compte tenu néanmoins du fait que l'augmentation de volume admise par la cuve reste limitée, un organe situé sur le couvercle de l'appareil est prévu pour assurer les fonctions suivantes - éviter une surpression excessive pouvant être à l'origine d'une perte d'étanchéité, - canaliser l'excédent du diélectrique provenant de la dilatation ou éventuellement les gaz formés dans un système de rétention assurant leur refroidissement et les protégeant de l'effet des flammes - éviter la pénétration d'air dans la cuve pour empêcher toute inflammation interne au transformateur. Cet organe de sécurité est constitué par une soupape à ressort, tarée pour s' ouvrir à une pression définie, et par une tubulure de décharge dirigée vers le soubassement de l'appareil. L'extrémité de cette tubulure de décharge pénètre dans un lit de gravier dont la masse est contenue dans un bac métallique, faisant également office de bac de rétention. Le gravier assure une fonction réfrigérante des rejets émanant de la soupape. De même, il évite un contact possible entre ces rejets et les flammes. Le bac métallique est également protégé par un revêtement à faible coefficient d'émission. - Comme le système de rétention ne constitue pas une protection illimitée pour les rejets de la cuve, le diélectrique doit présenter certaines caractéristiques - offrir un point de feu le plus élevé possible pour retarder son inflammation, - en cas de combustion, ne libérer qu'une énergie limitée, - ne pas engendrer sous l'effet de la chaleur ou en cas de combustion d'émanations anormalement toxiques, ou de fumées d'une opacité excessive pouvant gêner la lutte contre l'incendie. Par ailleurs, ce diélectrique doit être tel qu'il présente - un coefficient de dilatation thermique aussi réduit que possible, - une toxicité à l'état froid limitée - des caractéristiques diélectriques et caloportrices en rapport avec sa fonction dans le transformateur. Selon une modalité de réalisation préférée de l'invention, chacun des moyens principaux précités de l'invention est déterminé en corrélation avec les autres moyens de façon à intervenir lorsque le moyen précédent a sensiblement cessé d'agir, afin de constituer un élément de protection et de sécurité de niveau supérieur au niveau du moyen précédent. Ainsi, le revêtement réfléchissant divise l'effet du rayonnement par un nombre compris entre 3 et 8, et diminue sensiblement dans la même proportion la vitesse d'échauffement du transformateur et de son diélectrique liquide. Si néanmoins, la température augmente sensiblement, le diélectrique se dilate ; la forme particulière de la cuve, munie d'ondes profondes, et le choix d'éléments d'étanchéitée appropriés, permettent d'accepter une augmentation de volume très supérieure à celle acceptée par la cuve d'un transformateur conventionnel. Lorsque la pression dans la cuve atteint une certaine valeur limite, la soupape s'ouvre et la conduite de décharge conduit à un réceptacle isolé les vapeurs et le liquide qui s'échappent, les empêchant de nourrir l'incendie. On obtient ainsi une résistance à la chaleur et à l'incendie par étages successifs tout à fait remarquable pour un transformateur immergé. D'autres particularités de l'invention résulteront encore de la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs - la figure 1 représente en vue de côté un transformateur à haute protection contre l'incendie conforme à l'invention, - la figure 2 est la vue de face correspondante, - la figure 3A est une vue en coupe à grande échelle des ailettes dans un transformateur classique, - la figure 3B est la vue analogue des ailettes du transformateur selon l'invention, - la figure 4 montre en coupe transversale une réalisation particulière de la liaison cuve/couvercle par soudage, - la figure 5 montre en coupe axiale la tubulure de décharge et la soupape de sécurité prévues pour l'expansion du diélectrique liquide, - la figure 6 est une vue analogue d'une variante, - la figure 7 est une vue analogue à la figure 4 montrant un autre mode de réalisation de la liaison cuvecouvercle, - la figure 8 est une vue en élévation avec arrachements d'un transformateur pourvu d'un chemisage réfléchissant anti-feu, - la figure 9 est ia vue de dessus de la réalisation de la figure 8. L'exemple de réalisation de l'invention représenté aux figures l et 2, concerne un transformateur de distribution haute tension/basse tension de caractéristiques électriques usuelles. Le diélectrique liquide 20 utilisé est un ester carboxylique purifié, stabilisé, sans chlore, dont les propriétés physiques et électriques sont très proches de celles de l'huile minérale. Le produit vendu sous la marque REOLEC 138 correspond à cette définition. Par contre, il présente une densité plus élevée (0,975 contre 0,88 pour l'huile minérale), un point de feu se situant au-delà de 3000C (contre 1700C pour l'huile minérale), un pouvoir calorifique inférieur de l'ordre de 35 MJ/kg. Sa toxicité quasi nulle, ses bonnes qualités diélectriques rendent ce produit tout particulièrement adapté pour cette application. Il ne pénalise pas thermiquement le transformateur en fonctionnement normal. Comme on le voit à la figure 3A, la paroi de la cuve 21 d'un transformateur classique cqmporte un certain nombre N d'ondulations 1 de profondeur L. A une surpression donnée p, la flèche f de chaque ondulation peut être approximativement calculée par la formule f = pu4/384 E.I dans laquelle E est le module d'élasticité du métal de l'ondulation et I est le moment d'inertie d'une portion élémentaire de cette ondulation. On sait également que l'augmentation de volume 4V par portion élémentaire d'ondulation est approximativement A V &num; 2/3 L.f.N. On voit par exemple qu'entre une cuve comportant N ondulations de profondeur L et une cuve comportant N/2 ondulations de profondeur 2L, l'augmentation de volume à surpression donnée est dans le second cas multipliée par seize.Ceci revient à dire qu'à dilatation identique du diélectrique,la cuve comportant N/2 ondulations de longueur 2L supportera une surpression seize fois inférieure. Comme on le voit figure 3B, la cuve 21 du transformateur est réalisée avec des ondulations 1' de profondeur L' supérieure à la profondeur L des ondulations 1 couramment utilisées (250 mm contre 170 mm pour un appareil standard). Cette cuve 21 est en mesure de supporter une surpression interne d'au moins 0,6 bar sans perdre son étanchéité. Sa surface est recouverte d'une peinture métallique réfléchissante à base de poudre d'aluminium, de résines époxyde et silicone. Les joints d'étanchéité sont réalisés en élastomère de silicone, et admettent facilement des températures supérieures à 3000C sur une courte durée. Comme montré à la figure 4, contrairement à l'usage, le couvercle 2 du transformateur est soudé en 23 sur la cuve 21, ce qui évite un joint d'étanchéité de grande longueur et particulièrement exposé au rayonnement. Il suffit donc d'un joint de protection ordinaire 24 inséré avant le soudage entre le couvercle. 2 et la cuve 21. Cet appareil étant prévu pour être alimenté par des câbles haute tension blindés, les bornes de raccordement sont du type embrochable, et moulées en une résine époxyde 3. Ces bornes sont protégées par un capot métallique 4 contre l'effet du rayonnement. Les bornes de raccordement basse tension 5 sont constituées par des isolateurs en porcelaine, et sont également protégées par un capot 4a. Comme montré figure 5, la soupape de limitation de surpression est constituée par un clapet 6 maintenu en application par un ressort 7 sur un joint 8 situé dans la gorge d'une platine 9. Le ressort 7 est taré pour autoriser un soulèvement du clapet au-delà d'une pression de 0,3 bar. L'élasticité de la cuve est telle que cette pression d'ouverture de la soupape correspond à un échauffement moyen du liquide diélectrique 20 utilisé de 2000K. La tubulure 10 recueillant les rejets de la soupape et constituée d'un tuyau métallique, plonge relativement profondément dans un bac de rétention 11 et débouche dans la masse de gravier 12 sur laquelle est posé le transformateur. Elie est fixée de façon étanche au couvercle 2, par exemple par soudure. Dans l'exemple représenté, le bac de rétention 11 est ouvert. La masse de gravier 12 constitue une masse ayant une inertie thermique importante capable de refroidir le diélectrique 20 s'échappant par la soupape 6. Toutes les surfaces de la cuve 21 et du couvercle 2 du transformateur, des capotages de raccordement, du bac de rétention, ainsi que la tubulure de soupape, sont revêtues d'un zingage ou d'une peinture métallique réfléchissante, par exemple une peinture époxyde silicone plus aluminium, destinés à protéger contre la corrosion, et à réduire l'effet du rayonnement. Pour illustrer l'effet technique obtenu en utilisant les moyens de l'invention, la demanderesse a réalisé des essais de résistance au feu dans les conditions suivantes Etant donné qu'en cas d'incendie un transformateur est essentiellement soumis à un rayonnement calorifique estimé de l'ordre de 40 à 50 kW/m2, la demanderesse a utilisé pour ces essais deux panneaux radiants électriques respectivement de puissance 70 kW et de surface 1,1 m2 disposés vis-à-vis des faces latérales du transformateur testé. La demanderesse a exposé à un tel rayonnement des éléments d'un transformateur de distribution haute tension/basse tension de 250 kVA ayant les caractéristiques suivantes - ondulations de la cuve constituées de 32 ondes de profondeur 250 mm, de hauteur 700 mm et de pas 40 mm, en tôle en acier d'épaisseur 10/10 mm - revêtement de la cuve au moyen d'une couche, d'une épaisseur de l'ordre de 100 um, de peinture aluminium/résines silicone + époxyde, capable de résister pendant une courte durée à une température de 4000C environ, et donnant à la surface de la cuve un coefficient d'émission de 0,1 à 0,2 environ - soupape de décharge de la cuve tarée à 0,3 bar maximum, cette surpression correspondant à un échauffement du diélectrique de l'ordre de 2000K par rapport à la température ambiante - pression de perte d'étanchéité de la cuve supérieure à 0,6 bar - diélectrique : ester carboxylique. Masse 230 kg (pour une masse globale de l'appareil de 980 kg). Ces éléments ont parfaitement résisté au rayonnement thermique pendant le délai minimal de 40 minutes que s'était fixé la demanderesse : la cuve est restée parfaitement étanche et la soupape de décharge n'a pas fonctionné. Du fait du bas coefficient d'émission de la cuve, l'échauffement du diélectrique ne pouvait être atteint qu'après un délai nettement supérieur à 40 minutes. L'essai - concluant - a été interrompu après ce délai de 40 minutes. On peut de plus déduire de ces données que si l'essai avait été poursuivi entre 40 et 60 minutes, la soupape de décharge se serait ouverte au bout d'un délai total de l'ordre de 60 minutes en laissant échapper du diélectrique porté à une température comprise entre 2000C et 2500C (donc inférieure au point d'éclair), ce diélectrique étant refroidi par la masse de gravier à une température nettement inférieure à 1000C, les vapeurs émises ne s'allumant pas au contact d'une flamme. Si l'essai avait été poursuivi au-delà de 60 minutes, la température du diélectrique aurait atteint le point d'éclair de celui-ci et les vapeurs s'échappant par la soupape de décharge et traversant le lit de gravier auraient été susceptibles de s'enflammer mais n'auraient représenté qu'un apport énergétique très faible et non susceptible d'affecter la résistance au feu de l'appareil, la soupape de décharge fonctionnant en clapet anti-retour et interdisant toute pénétration d'oxygène à l'intérieur de la cuve. Le transformateur aurait ainsi été encore capable de résister au rayonnement sans nourrir le feu d'une manière significative. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la réalisation décrite ci-dessus, et on peut y apporter des variantes. Ainsi, comme on le voit figure 6, la soupape de surpression à ressort, peut être remplacée par un disque de rupture en graphite 13, libérant instantanément une section de passage de grande surface,mais permettant éventuellement une pénétration d'air dans l'appareil. Pour répondre à certains cahiers des charges, qui exigent un couvercle boulonné sur'la cuve (figure 7), le joint 14 est réalisé en élastomère de silicone. Une cornière métallique 15 prise avec les boulons 16, protège la tranche du joint 14 contre le rayonnement. La cornière 15 empêche de plus une déformation du couvercle 2 entre les boulons 16, due à la pression, et pouvant conduire à des fuites de diélectrique 20. Le traitement de surface réfléchissant de la cuve de transformateur peut être supprimé et remplacé par une t61e réfléchissante 17 faisant ceinture autour du transformateur et protégeant l'ensemble contre le rayonnement, comme montré aux figures 8 et 9. L'invention est applicable à tous les transformateurs immergés dans un diélectrique, quelle que soit leur fonction (de distribution, d'injection de fréquence, de mesure, ...), et leur niveau d'isolement. REVENDICATIONS 1. Transformateur de distribution immergé présentant une sécurité accrue à l'égard d'un incendie extérieur, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens associés à la cuve pour limiter la transmision d'énergie calorifique extérieure vers le diélectrique liquide. 2. Transformateur conforme à la revendications 1, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par un revêtement réfléchissant sur la cuve, tel qu'une peinture métallique réfléchissante ou un dépôt de zinc. 3. Transformateur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par une paroi réfléchissante rapportée (i7), entourant la cuve du transformateur. 4. Transformateur conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la cuve présente des ondulations (1) en nombre réduit par rapport au nombre classiquement prévu mais de longueur comparativement accrue, cette double variation augmentant l'élasticité de la cuve, ce qui favorise l'expansion du diélectrique. 5. Transformateur conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la cuve comporte un couvercle (2) soudé. 6. Transformateur conforme à l'une des revendications 1 à 4, comprenant un couvercle (2) posé sur le bord de ia cuve avec interposition d'un joint et caractérisé en ce que ce joint est protégé sur sa tranche contre le rayonnement thermique par une cornière (15) formant un rebord périphérique. 7. Transformateur conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la cuve est munie d'un circuit d'expansion pour le diélectrique liquide. 8. Transformateur conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit d'expansion comprend une tubulure de décharge (10) reliant la cuve à un bac (11) de dispersion du diélectrique, rempli notamment de gravier (12), ladite tubulure communiquant avec la cuve par l'intermédiaire d'une soupape de sécurité (6) ou d'un disque de rupture (15) libérant le passage du diélectrique en cas de surpression. 9. Transformateur conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les bornes de connexion sont protégées par des capots réfléchissants.