Brevet FR2681722A1 — publié le 19930326

TRANSFORMATEUR IMMERGE NON EXPLOSIF HAUTE/BASSE TENSION EN REGIME DE SURCHARGE PERMANENTE L' invention concerne un transformateur immergé haute tension basse tension pour réseau de distribution d'énergie électrique. Actuellement, les usagers du réseau de distribution d'énergie électrique sont dans la majorité des cas alimentés en cette énergie en basse tension, 220 V ou 380 V, à partir d'un transformateur haute tension 20 000 V / basse tension. Cette clientèle impose au réseau de distributionl une charge moyenne annuelle faible mais une charge crête importante. Les transformateurs haute/basse tension;- actuellement en opération sur le réseau de distribution' comprennent, de manière classique, une cuve métallique20 contenant les enroulements primaire et secondaire de transformation Ces enroulements, électromagnétiquement couplés, sont électriquement isolés, au moyen d'un isolant au papier et sont plongés dans une huile minérale, contenue dans la cuve et assurant le rôle25 d'isolant diélectrique. Les propriétés physicochimiques de cet isolant ne permettent pas d'exploiter de manière optimale ces transformateurs En effet, ce type d'isolation accepte mal un facteur de crête élevé, le facteur de crête étant30 défini comme le rapport entre la valeur crête de la charge à la charge moyenne Ainsi, à toute augmentation de 6 K de la température de point chaud du transfor- mateur, correspond une diminution d'un facteur deux de la durée de vie de l'isolant, et, en définitive, du35 transformateur. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients précités, et notamment de permettre la mise en oeuvre d'un transformateur immergé haute/basse tension autorisant une forte augmentation des possibili tés de fonctionnement en régime de surcharge permanente,5 et en particulier d'un transformateur non explosif. Un autre objet de la -présente invention est la mise en oeuvre d'un transformateur immergé haute/basse tension permettant une forte réduction d'encombrement par rapport aux transformateurs de l'art antérieur, à10 puissance égale. Un autre objet de la présente invention est en- fin la mise en oeuvre d'un transformateur immergé' haute/basse tension dans lequel la température de point chaud est plus élevée, ce qui permet également une,15 diminution de masse, à puissance égale. Le transformateur immergé haute/basse tension objet de la présente invention comprend une cuve; métallique contenant les enroulements isolés primaire et' secondaire de transformation immergés dans un fluide-20 isolant. Il est en premier lieu remarquable en ce qu'il utilise des isolants solides et liquides tels que l'ensemble présente une haute stabilité thermique, caractérisée par un indice thermique égal ou supérieur à 180 'C, et une loi de vieillissement telle que le dépassement de température par rapport à cet indice thermique doit être au moins de 19 K pour doubler la vitesse de consommation de vie du transformateur, ces caractéristiques rendant l'appareil plus adapté au type de charge propre à la distribution publique L'indice thermique est défini par la classe de température de l'isolant, elle-même définie par la publication 85 de la CEI: Recommandations relatives à la classification des matières destinées à l'isolement des machines et appareils électriques en fonction de leur stabilité thermique en service. Il est en outre remarquable en ce qu'il utilise des isolants solides et liquides tels que l'ensemble présente une stabilité élevée en cas d'arc électrique interne à l'appareil, et génère nettement moins de gaz5 de décomposition que les systèmes diélectriques habituellement utilsés. Il est également remarquable en ce que l'isolation des enroulements primaire et secondaire est réalisée par un couple de matériaux isolants10 synthétiques. L'invention trouve application aux transforma- teurs haute/basse tension des réseaux de distribution électrique aériens, notamment aux transformateurs de haut de poteau. Elle sera mieux comprise à la lecture de la description et à l'observation des dessins inclus à titre purement illustratif dans lesquels: la figure 1 représente une vue d'un trans- formateur haute/basse tension objet de l'invention, la figure 2 représente une vue d'un trans- formateur haute/basse tension objet de 1 ' invention, appliqué à un transformateur de haut de poteau, la figure 3 a représente une vue plus générale d'un mode de réalisation particulier d'un transformateur fixe objet de l'invention, la figure 3 b représente une vue en coupe lon- gitudinale de la figure 3 a selon le mode de réalisation précité, la figure 3 c représente un schéma électrique de câblage, côté haute tension, du transfor- mateur et des enroulements tels que représen- tés en figure 3 b. Le transformateur non explosif haute/basse tension, objet de la présente invention, utilisé en régime de surchage permanente sera maintenant décrit en liaison avec les figures 1 et 2. Conformément aux figures précitées, le transfor- mateur objet de l'invention comprend une cuve métallique notée 1 contenant les enroulements isolés primaire et secondaire de transformation notés 2 sur la figure 1. Ces enroulements sont, de manière classique, immergés dans un fluide isolant Les bornes haute-tension sont désignées par BHTA et les bornes basse-tension par BBT. Conformément à un aspect particulièrement avan- tageux de la présente invention, l'isolation des enrou- lements primaire et secondaire est réalisée par un cou- ple de matériaux isolants synthétiques noté ( 10,20). Selon un aspect particulièrement avantageux de la présente invention, l'isolation des enroulements primaire et secondaire peut être effectuée au moyen d'un papier aramide commercialisé par la Société du Pont de Nemours sous la marque commerciale NOMEX, ce papier ara- mide formant l'un des matériaux 10 du couple de maté- riaux isolants, ce papier aramide pouvant également être utilisé comme matériau de guipage des conducteurs d'enroulements. Selon une caractéristique avantageuse du trans- formateur objet de l'invention, l'autre des matériaux 20 du couple de matériaux isolants est formé par une huile silicone dans laquelle les enroulements primaires res- pectivement secondaires constituant la partie active du transformateur sont immergés Un vernis d'émaillage compatible avec l'huile silicone et d'indice thermique élevé, supérieur ou égal à 180 'C, peut également être utilisé au lieu et place du guipage précité. On notera en particulier que l'utilisation d'un papier aramide NOMEX et d'une huile silicone permet de diviser par au minimum un facteur 10, la quantité de gaz formée en cas d'arc électrique interne dans la cuve du transformateur, ce qui limite ainsi la montée en pre- sion de la cuve et le risque d'explosion. On notera également que le couple de matériaux isolants utilisé permet en outre la réalisation d'un transformateur à forte surchage admissible, grâce à un5 indice thermique élevé et à une classe de température de l'isolation résultante supérieure à celle acceptée dans les réalisations conventionnelles. En effet, les distributeurs d'électricité doivent alimenter une clientèle en basse tension dont la charge moyenne annuelle est faible et dont la charge crête est importante, en particulier en zone rurale o- sont implantées des résidences secondaires par exemple. Actuellement, les transformateurs haute tension/ basse tension utilisés sur le réseau de distribution' électrique, utilisent un couple d'isolants diélectriques tels que papiers cellulosiques/huiles minérales, lequel. en raison de ses propriétés physico-chimiques ne permet; pas d'exploiter au mieux les transformateurs haute, tension / basse tension En effet, ce type d'isolation.20 accepte mal un facteur de crête élevé, le facteur de crête étant défini comme le rapport entre la valeur crête de la charge et la charge moyenne appliquée au transformateur En effet, à toute augmentation de 6 K de la température de point chaud du transformateur par25 rapport à la température découlant du dimensionnement recommandé par les normes en vigueur pour une charge assignée, correspond en fait une diminution d'un facteur 2 de la durée de vie de ce transformateur. L'utilisation du couple de matériaux isolants conformément à l'objet de la présente invention, permet de remédier à l'inconvénient précité En conséquence, il est possible d'obtenir grâce à cette utilisation d'une part une température de point chaud plus élevée, ce qui perment de diminuer la dimension et la masse de l'appa- reil, et d'autre part une forte augmentation des possi- bilités de surchage des transformateurs conformes à l'objet de la présente invention L'utilisation du couple de matériaux isolants précitée permet d'obtenir des températures de fonctionnement élevées, et surtout, autorise les surchages permanentes de fortes amplitudes. 5 Ainsi, à titre de comparaison, pour une surchage de 20 * au-dessus du régime assigné, le transformateur de l'art antérieur vieillit 25 fois plus vite par rapport à son régime de fonctionnement assigné, alors que dans des conditions identiques, un transformateur réalisé10 conformément à 1 'objet de la présente invention vieillira seulement huit fois plus vite, une valeur moyenne ayant été retenue pour ce dernier. Selon un autre aspect particulièrement avanta- geux du transformateur haute tension / basse tension. objet de la présente invention, celui-ci autorise la possibilité d'un régime de fonctionnement à haute tem pérature, et permet par exemple d'utiliser la partie active d'un transformateur de 100 k VA pour réaliser un. transformateur de 160 k VA.20 Ainsi, pour réaliser un transformateur de puis- sance P k VA, le transformateur objet de la présente invention comporte comme partie active, la partie active d'un transformateur de puissance p k VA avec p Une conséquence particulièrement avantageuse de la caractéristique technique du transformateur objet del invention précédemment citée, apparaît immédiatement30 selon laquelle pour une puissance nominale égale à P, le transformateur selon la présente invention présente une réduction de volume de l'ordre de 50 % par rapport au transformateur de l'art antérieur. Afin d'améliorer la durée de vie des transfor- mateurs haute tension / basse tension objet de l'invention, et conformément à une caractéristique avantageuse non limitative de celui-ci, afin de diminuer les risques d'explosion de ces transformateurs, la cuve 1 du transformateur est constituée par un alliage d'aluminium en lieu et place des matériaux classiques tels que les tôles d'acier En effet, ces matériaux classiques ne permettent pas de dépasser une pression de 1 bar à l'intérieur des cuves actuelles, et bien que la quantité de gaz formée en cas d'existence d'un arc électrique à l'intérieur de la cuve soit diminuée par un facteur 10 du fait de l'utilisation du couple de matériaux isolants précédemment mentionnée, les- pressions atteintes pour un courant de défaut de 1000 ampères, dans le cas d'un défaut de durée 0,5 seconde, sont généralement comprises entre 2 et 5 bars.15 En conséquence, et conformément à un nouvel aspect avantageux du transformateur objet de la présente invention, la cuve de celui-ci peut être réalisée sous: la forme de deux demi coquilles en alliage d'aliminium. injecté sous pression L'alliage d' aliminium utilisé20 pourra par exemple être l'alliage d'aliminium portant la référence (A 57 G) De préférence, la cuve sera réalisée par deux demi-coquilles injectées, les coquilles étant assemblées par soudage à l'argon. En outre, et selon un aspect particulièrement avantageux de 1 'objet de la présente invention, la géométrie de la cuve épouse parfaitement les contours de la partie active du transformateur, en réduisant les distances entre parties sous haute tension et parties au potentiel de terre au minimum nécessaire Cette distance d est comprise entre 10 et 30 mm, 10 De ce fait, en cas de défaut diélectrique entre phase et terre, la longueur de l'arc et l'énergie que celui-ci développe sont réduites par rapport au cas d'un appareil conventionnel En outre, une importante réduction de la quantité de liquide diélectrique est obtenue. Les cuves ainsi réalisées permettent de résister à une pression interne de cuve d'au moins 5 bars Ceci permet à l'appareil de supporter un défaut interne, avec un courant de court-circuit pouvant atteindre 1000 A,5 de durée correspondant au délai de réaction des protections habituellement installées sur les réseaux haute-tension, HTA, de distribution, ceci sans manifestation extérieure. En outre, l'utilisation de l'aluminium permet de réaliser une cuve nécessitant un faible volume d' huile et, en conséquence, une réduction de la masse de- diélectrique liquide synthétique et une économie correspondante, une réduction de la quantité de liquide susceptible d'engendrer des gaz de décomposition, de se.15 répandre dans l'environnement naturel ou d'entretenir une combustion. Afin de compenser les dilatations de l'huile: silicone contenue dans la cuve lors de la création de défauts par arc électrique, conformément à un aspect avantageux du transformateur de la présente invention, la cuve elle-même est partiellement remplie en fluide diélectrique électriquement isolant, la partie supérieure à la surface libre du fluide précitée consituée par l'huile silicone étant remplie d'un gaz neutre tel que l'azote par exemple Sur la figure la on a représenté la surface libre du niveau d'huile noté NH la partie supérieure au-dessus de la surface libre précitée étant remplie du gaz précité Une telle huile est un produit nettement moins nocif pour l'environnement que les huiles minérales utilisées conventionnellement Cette qualité, associée au fait que le volume de liquide nécessaire pour une puissance donnée est réduit par un facteur 2, confère au transformateur selon l'invention l'avantage d'un appareil peu dangereux pour l'environnement en cas de fuite du diélectrique. Selon un mode de réalisation avantageux, l'huile silicone utilisée était une huile commercialisée par la Société RHONE-POULENC sous la dénomination Rhodorsil Huile 604 V 50, cette huile appartenant à la famille des5 diméthylpolysiloxanes. Parmi les matériaux isolants 10 susceptibles d'être utilisés pour la mise en oeuvre du transformateur objet de la présente invention, on peut citer outre le papier aramide NOMEX précédemment mentionné, le papier10 aramide au mica, et le matériau isolant commercialisé par la même Société du Pont de Nemours International SA sous la marque Kapton Ces matériaux sont des matériaux de haute qualité susceptibles de travailler à des tempé-. ratures comprises entre 200 à 2200 pendant 20 années:15 sans changement notable de leurs caractéristiques dié- lectriques ou isolantes. Sur la figure 3 a, on a représenté une vue de face, une vue de côté et une vue de dessus du transfor-m mateur objet de la présente invention, dans lequel la20 cuve 1 a été réalisée en alliage d'aluminium ainsi que mentionné précédemment. Bien que ce mode de réalisation donne entière satisfaction pour les courants de défauts inférieurs à 1000 ampères et de durée fréquemment rencontrée sur les réseaux aériens, compte tenu des temps de réponse des systèmes de protection actuels, les cuves précitées étant alors en mesure de résister à l'augmentation de pressions internes correspondante, afin de permettre une protection à l'explosion vis-à-vis des courants de défauts par arc électrique dont l'intensité est supérieure à 1000 ampères et pouvant atteindre 6000 ampères, le transformateur objet de l'invention comporte en outre sur chaque arrivée haute tension, ainsi que représenté en figure 3 b notamment, un fusible noté 30, ce fusible étant disposé à l'intérieur de la cuve et immergé ou non dans l'huile silicone. De préférence, les fusibles 30 pourront être constitués par des fusibles à limitation de courant, lesquels permettent d'assurer une extinction de l'arc électrique de défaut Selon un autre aspect particuliè- rement avantageux, on pourra utiliser des fusibles à expulsion Dans ces deux cas, ces fusibles pourront avoir un pouvoir de coupure supérieur à la centaine d'ampères. Selon une autre caractéristique avantageuse, et selon un mode de réalisation avantageux non limitatif; les fusibles 30 peuvent être disposés dans chacune des- bornes d'arrivée haute tension. On comprendra en fait que le transformateur objet de la présente invention réalise un effet de: synergie entre la protection contre l'éclatement ou explosion, due à l'utilisation d'une isolation entre enroulements primaire et secondaire réalisée par un' couple de matériaux isolants synthétiques, couvrant les, défauts d' intensité réduite, d'intensité inférieure à20 1000 ampères par exemple, et la protection due aux fusibles couvrant les défauts d'intensité élevée. Grâce à la combinaison ou synergie précitée, il est possible de réduire considérablement les exigences appliquées aux fusibles pour lesquels, ainsi qu'il est25 parfaitement connu de l'homme de métier, la principale difficulté posée est la coupure des courants de faible intensité, un tel pouvoir de coupure dans le cadre de l'objet de la présente invention n'étant plus nécessai- re, ce qui rend ainsi possible l'utilisation de fusibles économiques. En conséquence, le transformateur selon l'invention comprend trois fusibles haute-tension situés entre les phases d'alimentation et la partie active du transformateur, de conception simplifiée car ne devant protéger le transformateur que pour des courants de défaut situés au-delà de 1000 A, venant en complément il aux mesures évoquées précédemment pour former une combinaison de protections permettant de façon économique de couvrir toutes les intensités de court-circuit rencontrées sur un réseau HTA de distribution. Sur la figure 3 c on a représenté d'une part les bornes d'arrivée haute tension, et les fusibles 30 en leur schéma de cablâge électrique avec les enroulements haute tension, lesquels de manière classique sont10 connectés en triangle ou en étoile. On notera également que le transformateur selon l'invention peut être réalisé de façon telle que les enroulements basse-tension sont dimensionnés pour urn échauffement adiabatique à courant donné inférieur à- celui des enroulements haute-tension, cette mesuré garantissant en cas de court-circuit maintenu en aval du transformateur, l'apparition du défaut électrique côté. haute-tension, d'o un courant de défaut important car' non limité par l'inductance de fuite entre l'enroulement-20 HTA et l'enroulement BT, et de ce fait une fusion mieux assurée et plus rapide des fusibles haute-tension. On a ainsi décrit un transformateur haute / basse tension non explosif particulièrement avantageux dans la mesure o celui-ci permet en outre un fonction-25 nement en régime de surchage permanente. Outre les caractéristiques précédemment mention- nées, le transformateur objet de l'invention présente des avantages ci-après par rapport au transformateur de l'art antérieur:30 quasi absence de risque d'explosion, diminution des pertes fer et des courants magnétisants pour une puissance P, cette dimi- nution correspondant à celle d'un transforma- teur de puissance inférieure p, réduction de poids de 30 % environ par rapport au transformateur de l'art antérieur d'une part par utilisation d'une cuve en alliage d'aliminium de densité plus légère, et d'autre part par l'utilisation de la partie active de transformateur de puissance plus faible pour une puissance P supérieure, ce qui permet bien entendu, ainsi que représentée en figure lb, la réalisation de transformateurs de haut de poteau particulièrement avantageux, une très forte réduction de volume d'environ 50 % dans les conditions indiquées précédemment, diminution du risque de corrosion, diminution du risque de propagation d'incendie externe du fait de la limitation du risque d'explosion, suppression de la protection basse tension. diminution du risque de pollution froide en cas de fuite grâce au volume réduit de diélectrique et aux qualités intrinsèques de. ce dernier. En outre, le transformateur de la présente invention permet de prendre en compte de nouvelles exigences telle que la diminution des chutes de tension internes au transformateur, le raccordement des parafoudres ou le raccordement sous tension. Il permet, de plus, grâce à l'ensemble des qualités précitées, la mise en oeuvre de fusibles très simplifiés en vue d'une protection globale couvrant tous les types de défauts envisageables De même, l'utilisa- tion d'une cuve d'aluminium de fonderie apportant les avantages d'un contenant résistant à la pression, et d'un faible volume d'huile, assure ainsi au système une protection supplémentaire contre le risque d'explosion et améliore les performances technico-économiques de l'ensemble. On notera enfin que, bien qu'une augmentation des pertes électriques en charge puisse être mise en évidence, une telle augmentation a toutefois peu d'importance car d'une part la charge moyenne des transformateurs ruraux est très faible, environ 15 % de leur puissance nominale, et d'autre part ce surcoût est toutefois compensé par la diminution des pertes mentionnées. REVENDICATIONS 1) Transformateur immergé haute-basse tension comprenant une cuve métallique contenant un diélectrique liquide dans lequel sont immergés les enroulements5 primaire et secondaire, ces enroulements étant eux- mêmes isolés par un isolant solide, caractérisé en ce que: a) le diélectrique liquide et l'isolant solide présentent un indice thermique au moins égal à 180 OC et ne génèrent pas de gaz de décomposition à cette température, et pratiquement pas de gaz sous l'effet d'arcs électriques, b) la cuve supporte une pression interne d'au moins 5 bars, c) la distance entre les parties sous tension à l'intérieur de la cuve et la paroi de celle-ci est: sensiblement constante et comprise entre 10 et 30 mnq environ, 2) Transformateur conforme à la revendication 1,, caractérisé en ce que le diélectrique liquide est de l'huile silicone. 3) Transformateur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'isolant solide est du papier en fibres de polyaramide. 4) Transformateur conforme à la revendication 1, carctérisé en ce que l'isolant solide qui recouvre les conducteurs des enroulements haute tension est en émail. ) Transformateur conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la cuve est en alliage d'aluminium moulé.30 6) Transformateur conforme à l'une des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce que le volume situé au-dessus du niveau d'huile est constitué par un gaz neutre. 7) Transformateur conforme à l'une des revendi- cations 1 à 6, caractérisé en ce qu'entre les enroule- ments et les bornes d'arrivée de courant sont prévus des fusibles à expulsion ou à limitation de courant.