Brevet FR2658356A1 — publié le 19910816

I La présente invention concerne le domaine des condensateurs électriques. Elle concerne plus précisément les condensateurs électriques de puissance. Les condensateurs électriques destinés à des applications en tension inférieure à 600 V en courant alternatif et inférieure à 1000 V en courant continu sont le plus souvent réalisés par enroulement ou empilement de films polypropylène métallisés secs autocicatrisants. Pour les tensions supérieures, on utilise des technologies imprégnées d'huile diélectrique ou d'un semi-solide (par exemple cire) En courant continu le papier constitue le plus souvent la meilleure solution En courant alternatif on utilise généralement la technologie dite "tout film". Cette technologique dite "tout film" emploie du film polypropylène dont la surface est rugueuse, des armatures en feuilles d'aluminium enroulées avec les films et une imprégnation par une huile aromatique La rugosité du film et le mode d'embobinage du condensateur donnent un foisonnement qui permet à l'huile de pénétrer totalement entre les films L'imprégnation est complète et optimum lorsqu'après un traitement thermique l'huile a fait gonfler le film et dissout une partie de celui- ci Le gonflement et le mélange huile/film dissout permettent de minimiser les couches d'huile entre les armatures, ce qui améliore la rigidité du complexe diélectrique L'huile possède en effet une rigidité très inférieure à celle du film initial et du film gonflé La technologie tout film est devenue performante Le champ nominal d'utilisation atteint 65 V/pm en courant alternatif. Pour aller plus loin, les spécialistes ont cependant envisagé l'utilisation du polypropylène rugueux métallisé imprégné et autocicatri- sant. On a représenté schématiquement, en coupe transversale, sur la figure 1, deux films polypropylène rugueux 10, 12, métallisés en 20, 22, conformes à cette proposition de l'art antérieur. Cependant, en l'état actuel de la technique, les spécialistes butent sur le problème de la dissolution partielle du film dans l'huile. Cette dissolution partielle en effet détruit ou affaiblit l'accrochage de la métallisation sur le film Les condensateurs se détruisent après quelques dizaines ou centaines d'heures de fonctionnement. Parallèlement, dans le domaine du courant continu, le papier ne peut plus guère évoluer et les progrès (réduction, coût, volume, poids) passent également par l'emploi du polypropylène métallisé imprégnable. Il existe il est vrai des huiles qui réagissent peu avec le polypropylène (par exemple des huiles silicones, ou certaines huiles végétales) Mais le comportement diélectrique de ces huiles est médiocre, vu les champs électriques élevés nécessaires. Les spécialistes se trouvent donc devant le dilemme suivant soit ils utilisent une huile qui réagit avec le polypropylène pour avoir de bonnes caractéristiques diélectriques, mais les métallisations se détruisent fréquemment; soit ils utilisent une huile qui réagit peu avec le polypropylène; les métallisations sont alors préservées mais on n'obtient pas les qualités diélectriques souhaitées pour réduire les dimensions des condensateurs. Le but principal de la présente invention est d'éliminer les inconvénients de la technique antérieure en proposant une nouvelle structure de condensateurs électriques de puissance. Ce but est atteint selon la présente invention grâce à un condensateur électrique imprégné formé par empilement ou enroulement de différents films métallisés, caractérisé par le fait qu'il comprend une alternance de films plastiques métallisés de type très cristallin et de films plastiques intercalaires non métallisés de type plus amorphe. Selon une première caractéristique avantageuse de l'invention, les films plastiques utilisés sont formés de polypropylène. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le film plastique métallisé de type très cristallin est métallisé bi-face. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels: la figure 1 représente une vue schématique en coupe transversale d'un condensateur classique conforme à l'état de la technique, la figure 2 représente selon une vue schématique en coupe transversale un premier mode de réalisation d'un condensateur électrique conforme à l'invention, et la figure 3 représente selon une vue schématique en coupe transversale un autre mode de réalisation d'un condensateur électrique conforme à l'invention. On aperçoit sur la figure 2 un mode de réalisation préférentiel du condensateur conforme à la présente invention comprenant un empilement ou enroulement en alternance de films plastiques 100 métallisés de type très cristallin et de films plastiques intercalaires 130 non métallisés et de type plus amorphe. Plus précisément encore, selon le mode de réalisation préférentiel représenté sur la figure 2, le film plastique métallisé 100 de type très cristallin est métallisé bi-face, comme représenté schématique- ment en 102, 104. Par ailleurs, le film 100 est un film lisse. En revanche, le film 130 non métallisé et plus amorphe est un film rugueux. Les revêtements métalliques 102, 104, peuvent être réalisés par toutes techniques classiques connues de l'homme de l'art. Le cas échéant, les revêtements 102, 104, peuvent être formés par dépôts successifs de différents composants comme enseigné par exemple dans le document EP-A-73555. Comme cela est connu de l'homme de l'art, chaque revêtement peut être divisé en une pluralité de plages reliées à une piste commune servant à l'amenée de courant, par l'intermédiaire de zones de faible section, qui tiennent lieu de fusible Dans le cas de défaut sur une plage, la zone de liaison de faible section associée peut s'évaporer pour isoler la plage déficiente La géométrie de la division des revêtements en différentes plages peut être, par exemple mais non limitativement, conforme aux dispositions décrites et représentées dans les documents FR-A-1051435, FR-A-1058368, FR-A-1087756, FR-A 2453482, FR-A- 2579366, FR-A-2589620, FR-A-2598025, FR-A-2605140, EP-A-32738, US-A-2216558, US-A-2683792, US-A-4433359, US-A-4494168 et DE-A- 1464398. On notera que comme représenté sur la figure 2 annexée, de préférence, les revêtements 102, 104, ne s'étendent pas sur toute la largeur du substrat 100 Les revêtements sont interrompus à distance de l'un des bords du substrat 100 Il est ainsi prévu une bande longitudinale marginale 101, 103 du substrat 100 dépourvue de revêtement conducteur, sur chacune des faces Cette bande 101, 103 est généralement dénommée "marge" par les spécialistes. Par ailleurs, on notera que les marges 101, 103 sont prévues au voisinage des bords respectivement opposés 108, 109 du film substrat 100. Ces marges 101, 103 ont pour but d'éviter tout risque de liaison électrique directe entre les deux électrodes du condensateur, lorsqu'après enroulement de deux films ou empilement d'une pluralité de feuilles découpées dans les films, des contacts sont établis, par exemple par shoopage, sur les tranches du bobinage ou empilement, entre les deux électrodes du condensateur et les connexions de sortie respectives. Après enroulement ou empilement de la structure précédem- ment décrite représentée schématiquement sur la figure 2, on procède à une imprégnation de cette structure avec un liquide de caractère aromatique Au cours de cette imprégnation, du fait de la différence de cristallinité, le film 130 non métallisé et plus amorphe réagit plus vite avec l'huile que le film métallisé 100 Une fois gonflé et partiellement dissout, le film 130 retient l'huile Il n'y a alors plus l'espace nécessaire pour du liquide libre qui pourrait dissoudre et gonfler le film 100 Le film 100 ayant peu réagi avec l'huile, ces métallisations 102, 104 ne se détruisent pas. De plus, les métallisations 102, 104 du film 100 freinent la pénétration de l'huile dans ce dernier et renforcent encore le phénomène de protection décrit ci-dessus. Le cas échéant, des dépôts complémentaires d'isolant ou de semiconducteur, par exemple à base de Si O, Si O 2 ou composé fluoré ou un traitement de surface approprié, peuvent être prévus sur les métallisations 102, 104, pour améliorer l'imperméabilisation du film 100. Selon une caractéristique très importante de la présente invention, de préférence, les deux films 100 et 130 sont formés de polypropylène. Grâce à la structure proposée par la présente invention, la contribution des forces électrostatiques résultantes appliquées sur les métallisations 102, 104, est favorable à l'adhérence de celles-ci sur le film En effet, si l'on choisit les épaisseurs des films 100, et 130 de telle sorte que le champ électrique E 2 dans le film non métallisé 130 soit inférieur au champ électrique El dans le film métallisé 100 (pour cela l'épaisseur du film 130 est supérieure à celle du film 100), la pression électrostatique des électrodes sur le film 100 est p úo ( EJ (El) ú 2 (E 2)) o ú o représente la permittivité du vide, ú 1 représente la permittivité relative du film 100, ú 2 représente la permittivité relative du film 130. Dans les zones de débord, le film 100 peut rester exposé à l'huile libre ce qui peut entraîner un risque de détérioration de la métallisation Dans ce cas, il est possible de renforcer la métallisation dans cette zone sans remettre en cause les qualités d'autocicatrisation puisque cette partie est hors champ électrique Pour améliorer la tenue des connexions, on peut utiliser la configuration représentée sur la figure 3 o l'on conserve une métallisation sur les deux faces Dans ce cas, le shoopage se "soude" sur chaque côté du film 100 et empêche tout gonflement On aperçoit ainsi sur la figure 3 un film 100 qui comprend sur une première de ses faces 112, un revêtement métallisé 102 s'étendant à partir d'un premier bord 108, et une bande métallisée 110 adjacente au second bord 109 Le revêtement métallisé 102 et la bande métallisée 110 sont séparés par une bande non métallisée 101 formant marge De préférence, la zone 105 du revêtement métallisé 102 adjacente au bord 108 et la bande métallisée 110 adjacente au bord 109 sont épaissies. Par ailleurs, le film substrat 100 est pourvu sur sa seconde face 113 d'un revêtement métallisé 104 s'étendant à partir du bord 109, et d'une bande métallisée séparée 111 adjacente au bord opposé 108 Le revêtement métallisé 104 et la bande métallisée 111 sont séparés par une piste non métallisée 103 formant marge. Là encore la zone 106 du revêtement métallisé 104 adjacente au bord 109 et la zone métallisée 111 isolée sont de préférence épaissies. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, l'étape d'imprégnation de la structure proposée peut être réalisée en deux temps. Dans un premier temps, on réalise l'imprégnation de l'enroulement ou empilement de films avec un liquide aromatique adapté pour réagir fortement avec le film non métallisé amorphe 130 (il peut s'agir par exemple d'un mélange de mono et dibenzyl toluène) puis on vidange le condensateur et dans un second temps on effectue un remplissage avec une huile inerte pour le fim métallisé 100 (il peut s'agir par exemple d'huile silicone, ou d'huile végétale telle que de l'huile de colza). Le cas échéant, l'huile utilisée pour assurer le remplissage du condensateur dans le second temps, c'est-à-dire après vidange, peut être formée d'un mélange d'huile inerte et aromatique. La technique de double imprégnation ci-dessus décrite permet de bloquer toutes dégradations à très long terme du film métallisé 100. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention la différence de cristallinité entre le film plastique métallisé 100 de type très cristallin (isotactique) et le film plastique intercalaire non métallisé 130 de type plus amorphe (atactique) correspond à la différence de solubilité ci-dessous, mesurée dans un liquide aromatique M-DBT, mono et dibenzyl toluène, plus précisément le produit commercialisé par la Société ATOCHEM sous la marque JARYLEC C 101 ( 75 % de monobenzyl toluène et % de dibenzyl toluène) Film 100 solubilité dans le M-DBT dû 1 % variation sens machine -1 à -3 % variation sens travers + 1 % Film 130 solubilité dans le M-DBT 1,0 à 5 % variation sens machine -1 à -3 % variation sens travers + 1 % Les variations du film à sec sont mesurées à 1000 C selon la norme ASTM D= 1204-78. On notera que pour les deux films, la configuration métallisée avec schoopage nécessite une bonne stabilité dimensionnelle en sens machine et sens travers. Comme liquide aromatique, on peut utiliser les produits suivants: M-DBT: Mono et dibenzyl toluène DOP Dioctylphtalate DINP Diisononylphtalate PXE Phényl xylyl éthane. Comme huile inerte, on peut utiliser les huiles végétales suivantes colza tournesol mais coton. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. On notera par exemple que le cas échéant, le film métallisé peut être légèrement rugueux sur ses deux faces Une légère rugosité permet d'améliorer l'adhérence des revêtements métalliques 102, 104. Par ailleurs, le film amorphe non métallisé 130 peut être lisse. La configuration de condensateur proposée dans le cadre de la présente invention offre entre autres les avantages suivants. La structure de condensateur proposé par la présente invention accepte les huiles de type aromatiques, ce qui n'est généralement pas le cas des structures classiques Par ailleurs, la structure conforme à la présente invention tolère une réaction avec le liquide, et conduit par conséquent à un bon diélectrique. L'étanchéification à l'huile par un dépôt isolant (au traitement de surface), telle que de la silice, lorsqu'elle est utilisée, est limitée aux deux faces du film cristallin 100 et n'a pas à être étendue au film amorphe 130. Enfin, on citera l'action bénéfique des forces électrostatiques dans le cadre de l'invention A titre d'exemples, si l'épaisseur du film métallisé cristallin 100 est de l Opm tandis que l'épaisseur du film non métallisé amorphe 130 est de Ilpm, une tension de 1500 V conduit à une force de maintien du métal sur le film 100 de 600 g par cm 2 En revanche, selon l'état de la technique représenté sur la figure 1, une différence de 1 % entre les épaisseurs conduit à une force d'arrachement du métal de 60 g par cm 2 pour 12 pm sous 1500 V. R E V E N D I C A T I O N S 1 Condensateur électrique imprégné formé par empilement ou enroulement de différents films métallisés caractérisé par le fait qu'il comprend une alternance de films plastiques métallisés de type très cristallin ( 100) et de films plastiques intercalaires non métallisés de type plus amorphe ( 130). 2 Condensateur électrique imprégné selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le film plastique métallisé de type très cristallin ( 100) est en polypropylène. 3 Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendi- cations 1 ou 2, caractérisé par le fait que le film plastique intercalaire non métallisé de type plus amorphe ( 130) est en polypropylène. 4 Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendi- cations 1 à 3, caractérisé par le fait que le film plastique métallisé de type très cristallin ( 100) est métallisé bi-face ( 102, 104). Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendi- cations I à 4, caractérisé par le fait qu'il est prévu une couche d'imperméabilisation à base de matériau isolant ou semi-conducteur sur le film plastique métallisé de type très cristallin ( 100). 6 Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendi- cations 1 à 5, caractérisé par le fait que le film plastique métallisé de type très cristallin ( 100) est lisse. 7 Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendi- cations 1 à 5, caractérisé par le fait que le film plastique métallisé de type très cristallin ( 100) est rugueux. 8 Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendi- cations 1 à 7, caractérisé par le fait que le film plastique intercalaire non métallisé de type plus amorphe ( 130) est lisse. 9 Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendi- cations 1 à 7, caractérisé par le fait que le film plastique intercalaire non métallisé de type plus amorphe ( 130) est rugueux. Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les bords ( 105, 106) des revêtements métallisés ( 102, 104) prévus sur le film plastique de type très cristallin ( 100) sont épaissis. 11 Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que l'épaisseur du film non métallisé ( 130) est supérieure à l'épaisseur du film métallisé ( 100). 12 Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que le liquide d'imprégnation est un liquide à caractère aromatique. 13 Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que le condensateur après avoir été imprégné par un liquide aromatique, est vidangé puis rempli à l'aide d'un seconde liquide inerte. 14 Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que le condensateur après avoir été imprégné par un liquide aromatique, est vidangé puis rempli à l'aide d'un mélange de liquide inerte et aromatique. Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que le film plastique métallisé de type très cristallin ( 100) présente une solubilité M-D BT. 16 Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé par le fait que le liquide aromatique est choisi dans le groupe comprenant M-DBT: Mono et dibenzyl toluène DOP Dioctylphtalate DINP Di-isononylphtalate PXE Phényl xylyl éthane. 2658; 356 17 Condensateur électrique imprégné selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé par le fait que le liquide inerte est formé d'une huile végétale choisie dans le groupe comprenant colza tournesol maîs coton.