Brevet FR2784787A1 — publié le 20000421

TRANSFORMATEUR SEC de PUISSANCE ou de DISTRIBUTION de l'ENERGIE ELECTRIQUE. La présente invention a trait à la réalisation de transformateurs secs de puissance ou de distribution de l'énergie électrique, monophasés ou polyphasés, du type ayant leurs enroulements primaire et secondaire appariés concentriques, l'enroulement"haute (ou moyenne) tension"d'une phase donnée de l'alimentation électrique étant placé préférentiellement autour de l'enroulement "basse tension"de ladite phase. Il est bien connu que, dans les transformateurs classiques immergés en cuve dans un liquide diélectrique caloporteur, une huile minérale généralement, c'est ce dernier qui assure à la fois le refroidissement de l'appareil, ainsi que l'isolation électrique des enroulements de phase entre eux et avec les autres composants métalliques, notamment la paroi de cuve. On rappelle qu'il s'agit là d'un aspect essentiel de la construction des transformateurs, d'autant que, généralement, sur chaque phase, l'enroulement "haute ou moyenne tension", sur lequel s'effectuent les réglages des paramètres de fonctionnement des appareils, entoure l'enroulement"basse tension"qui lui est apparié, afin notamment de faciliter ces réglages. Dans les transformateurs secs, par contre, l'enroulement primaire de chaque phase et éventuellement l'enroulement secondaire qui lui est apparié sont noyés chacun dans des blocs de résine diélectrique de moulage, une résine époxydique généralement, placés l'un autour de l'autre. II se peut d'ailleurs que tous les enroulements primaires, ou secondaires, des appareils polyphasés (généralement triphasé), soient noyés dans un bloc de résine unique. En tous cas, c'est l'air qui doit assurer les deux fonctions d'isolation et de refroidissement. Aussi, est-il organisé en canaux à l'intérieur des enroulements et en espaces et couches de séparation adéquats des enroulements appariés entre eux et avec les autres différents composants au sein de l'appareil. Certes, on a avantage à choisir une résine d'enrobage ayant des propriétés d'isolant électrique les plus élevées possible, compatibles avec ses autres propriétés nécessaires (tenue mécanique, résistance au feu, etc...) afin de pouvoir réduire au maximum les couches d'air et gagner ainsi sur la taille, donc sur le coût de fabrication du transformateur. Mais, ce gain en taille reste limité. D'abord, parce que le bloc de résine est bien entendu inévitablement plus volumineux que l'enroulement électrique qu'il contient. Ensuite, parce que le refroidissement, qui se fait essentiellement par mode convectif solide-gaz (l'air s'échauffe en circulant au contact de la résine), impose des couches d'air à largeur minimale relativement importante. Pour fixer les idées, on notera par exemple que dans les transformateurs secs de 250 kVA de puissance électrique devant dissiper prés de 4000 watts de chaleur sous une température nominale de fonctionnement de l'appareil de 120 C, les enroulements concentriques sont habituellement maintenus éloignés l'un de l'autre de 4 cm et plus. Il apparaît ainsi que le facteur limitant la puissance des transformateurs secs est le facteur thermique. Les difficultés rencontrées à les refroidir énergiquement par l'air expliquent sans doute pourquoi ce sont toujours les transformateurs immergés qui sont produits et écoulés en bien plus grand nombre sur le marché, et ce malgré certains avantages majeurs des transformateurs secs, notamment pour la préservation de l'environnement. Le but de la présente invention est de proposer un système de refroidissement performant pour transformateurs secs, afin de pouvoir réduire l'épaisseur des couches d'air entre les enroulements de phase, et/ou de pouvoir augmenter la puissance nominale de ce type d'appareils. A cet effet, l'invention a pour objet un transformateur électrique sec de puissance ou de distribution de l'énergie électrique à enroulements de phase appariés concentriques, (les enroulements"haute ou moyenne tension"étant disposés extérieurement aux enroulements"basse tension",) ces enroulements étant noyés chacun dans un bloc de résine diélectrique, caractérisé en ce que la surface externe au moins du bloc de résine incorporant le ou les enroulements placés extérieurement (les enroulements"haute ou moyenne tension" généralement) est pourvue d'ailettes métalliques, et en ce que, interposée entre ladite surface et ces ailettes, un film en matériau semi-conducteur de l'électricité (c'est-à-dire ayant une capacité faible mais significative à véhiculer des charges électriques) et mis à un bas potentiel constant-notamment au potentiel zéro, par liaison à la terre-recouvre la surface du bloc de résine, la base des ailettes étant solidaire dudit film. De préférence, les ailettes sont parallèles entre elles et disposées longitudinalement sur le bloc de résine, selon la hauteur. Selon un mode de réalisation, le film semi-conducteur à potentiel constant est obtenu par application, sur la surface externe dudit bloc de résine, d'une couche adhérente et uniforme de matière semi-électroconductrice solide, tel qu'une résine ou une peinture conductrice, et les ailettes de refroidissement sont fixées une à une par leur base à la couche superficielle ainsi formée. Selon un autre mode de réalisation, les ailettes sont formées par un panneau-onde entourant le bloc de résine dont la surface extérieure a été préalablement revtue d'une couche de matière semi électroconductrice. Dans ce qui suit, on considérera pour simplifier que l'enroulement extérieur est l'enroulement"haute tension". Comme on l'aura compris, l'invention consiste, dans ses caractéristiques essentielles, à rendre possible l'utilisation d'ailettes métalliques de refroidissement pour obtenir à la fois une augmentation de la surface d'échange thermique et une amélioration de son pouvoir dissipatif de la chaleur, grâce à une mise de la surface du bloc de résine"haute tension"à un potentiel électrique constant et bas, sans danger pour l'homme, le potentiel zéro de la terre de préférence. Dès lors, les charges électriques des courants de fuite qui inévitablement traversent la résine pour rejoindre la surface depuis le conducteur interne, s'écouleront vers ce puits de potentiel, et les ailettes métalliques proéminentes sur le bloc de résine pourront jouer pleinement un rôle de refroidisseur, sans constituer pour autant un risque quelconque de décharges électriques, mme en cas de contact avec un objet, ou avec l'homme. On peut ainsi accroître artificiellement la surface externe du bloc de résine autant que l'on veut, par mise en place d'ailettes plus ou moins espacées les unes des autres. L'expérience montre par ailleurs que des ailettes métalliques ayant entre 2 et 20 cm de hauteur conviennent pour permettre de réaliser toute la gamme voulue en puissance électrique du transformateur. L'aluminium offrant une meilleure conduction thermique que l'acier, la hauteur d'ailettes en aluminium sera plus faible que celle d'ailettes en acier, toutes choses égales par ailleurs. L'obtention durable des résultats annoncés est cependant liée à la qualité de revtement du film semi électrique, lequel doit épouser la surface du bloc de résine de façon continue et sans creux ni bosses qui risqueraient de constituer des poches d'air préjudiciables à la tenue dans le temps de la résine. On a pu montrer en effet que, en raison des propriétés diélectriques élevées de l'air par rapport à celles de la résine d'enrobage, les couches d'air ménagées au sein du transformateur"absorbent"les 90% du gradient du champ électrique développé par l'enroulement"haute tension". Dés lors, la résine ne participant qu'à hauteur de 10%, on retrouve à sa surface externe nue une tension de courant de fuite voisine de 0.9 fois la tension aux bornes de l'enroulement à l'intérieur. Certes, vu la faible capacité de la résine à accumuler des charges électriques, cette tension parasite superficielle ne représente en principe pas de danger réel pour l'homme qui viendrait à son contact. Toutefois, dans le cas, par exemple, d'un transformateur de 20 kV, ce qui représente une tension, sinon habituelle pour les transformateurs secs actuels, du moins non exceptionnelle, le potentiel surfacique résiduel s'élève tout de mme à environ 10 kV. Les résines époxydiques habituelles, dont la tension disruptive se situe classiquement autour de 20 kV/mm, peuvent donc tenir sans difficultés les 2 kV d'écart grâce des épaisseurs de 4 à 5mm seulement. En revanche, il faut prévoir une épaisseur de couche d'air de 220 mm pour"absorber"les 10 kV restant entre la surface de la résine et la paroi de la cabine mise à la terre dans laquelle est logé le transformateur par sécurité. Ces distances sont également dimensionnées afin de respecter les exigences normatives telles que la tenue au choc de foudre. Autrement-dit, si le film à bas potentiel recouvrant le bloc de résine selon l'invention n'adhérait pas correctement à la surface, on se retrouverait localement, au niveau des éventuelles bulles d'air ainsi générées, dans les mmes conditions électrostatiques que ce qui vient d'tre indiqué ci-dessus, mais, dans ce cas, dans l'impossibilité de pouvoir modifier la taille des bulles pour adapter l'épaisseur de la couche d'air à cet endroit. C'est pourquoi, on aura avantage à préférer à toute autre forme de revtement, celle bien connue par ailleurs, qui consiste à déposer, par pulvérisation, atomisation, ou simplement au jet, une couche de matière à l'état visqueux (liquide de préférence, ou pâteux), mais apte en tous cas à épouser les infractuosités de la surface à revtir, et de la laisser sécher pour former une pellicule solide continue et bien adhérente. En revanche, si la matière constitutive de cette enveloppe doit avoir la capacité d'écouler vers la terre, à laquelle elle est reliée, les charges électriques collectées à la surface de la résine, cette matière n'a pas pour autant à tre un bon conducteur de l'électricité. Au contraire, il est préférable qu'elle ne le soit pas. La continuité du revtement, imposée pour les raisons explicités ci-avant, devient en effet ici un handicap en raison des courants électriques induits qui ont tendance à se former dans le revtement autour du bloc de résine en sens contraire de celui du courant circulant dans l'enroulement qui leur donne naissance. Pour y pallier, on opte pour une matière peu ou moyennement conductrice, généralement qualifiée de"semi-conductrice", qui a une aptitude filmogène, afin d'obtenir après séchage une pellicule fine, par exemple de 30-40 zm seulement d'épaisseur, pour augmenter la résistivité électrique. Une résine, ou une peinture chargée telle que la peinture 440-6-308 commercialisée par la société française"Blancomme"pourront parfaitement convenir à cet usage. Pour la mme raison, on aura avantage à ce que l'assemblage d'ailettes ne forme pas une boucle métallique fermée autour du bloc de résine qui les porte. Ceci peut tre réalisé au moyen d'ailettes individuelles rapportées une à une sur le bloc de résine en prenant soin de laisser leur base disjointes entre elles. On peut également y parvenir au moyen d'un panneau ondé, du type de ceux qu'on utilise pour réaliser les parois des cuves des transformateurs immergés, mais choisi par exemple de longueur plus courte que la circonférence du bloc de résine. L'invention sera de toute façon bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit, donnée à titre d'exemple de réalisation en référence aux planches de figures annexées, sur lesquelles : -la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un couple d'enroulements concentriques appariés d'un transformateur sec illustrant le principe de l'invention ; -la figure 2 est une vue partielle d'un bloc de résine d'un enroulement"haute tension"d'un transformateur sec selon l'invention dont la surface externe est pourvue d'ailettes métalliques de refroidissement ; -la figure 3 est une vue en 3D du dessus d'un transformateur sec triphasé selon l'invention. Sur ces figures, les mmes éléments sont désignés par des références identiques. On a représenté, sur la figure 1, un couple d'enroulements de phase concentriques appariés 1 et 2 d'un transformateur sec de distribution d'énergie électrique. L'enroulement primaire 1 (ici la haute tension) entoure à distance l'enroulement secondaire 2, lequel est monté autour d'une colonne 3 du circuit magnétique en tôle magnétique feuilletée équipant le transformateur. Etant ici la "haute tension" (ou HT), l'enroulement externe 1 est classiquement formé par un conducteur filaire bobiné 4, noyé dans un bloc de résine époxydique 5 à propriétés diélectriques élevées. De mme, l'enroulement"basse tension" (ou BT) 2 est constitué par un conducteur en bande enroulé 6, noyé ou non dans un bloc de résine diélectrique 7, qui peut tre de mme nature que la résine constitutive du bloc 5. L'ensemble peut tre placé dans une cabine protectrice 8 posée au sol. Les proportions en taille de ces éléments ne sont pas respectées par la figure. Mais on notera que l'espace d'air 9 séparant les enroulements concentriques 1 et 2 présente une largeur"d"d'une quinzaine de mm à peine, et que l'épaisseur"e"de résine autour du bobinage HT 4 est inférieure au cm. Comme on le voit, des ailettes longitudinales de refroidissement en métal 10 sont présentes le long de la surface extérieure 11 du bloc de résine de l'enroulement externe 1. Ces ailettes ont une hauteur"h"pouvant aller de 20 à 200 mm environ, pour un écartement entre elles de 1 à 3 cm environ. Au delà de 200 mm de hauteur, l'expérience montre que l'augmentation de la surface d'échange thermique ne se traduit plus guère par une efficacité accrue du refroidissement du transformateur. En deçà de 20 mm, par contre, on sousutiliserait trop leur capacité de refroidissement. Entre ces deux valeurs, le choix sera fait en fonction du nombre d'ailettes par mètre de circonférence du bloc de résine qui les porte, donc de l'écartement choisi entre elles, et de la nature du métal qui les constitue. A ce titre, pour une puissance de refroidissement donnée (qui s'exprime classiquement par une densité de flux de chaleur extrait par l'air de ventilation à la température de fonctionnement nominal du transformateur), plus le métal formant les ailettes sera thermo-conducteur, ou plus les ailettes seront resserrées, moins leur hauteur devra tre importante. A titre d'exemple, pour un transformateur triphasé de 250 kVA de puissance électrique devant classiquement évacuer un flux de chaleur de 4000 Watts à 85 C, on disposera d'une batterie d'ailettes en aluminium de 40 mm de hauteur, espacées les unes des autres de 3 cm et réparties sur tout le pourtour de l'enroulement externe 1, dont la longueur approche dans ce cas les 95 cm pour un diamètre extérieur de 30 cm environ Entre la base 12 de ces ailettes et le bloc de résine 5, est interposée une couche semi-conductrice de l'électricité 13 qui forme un film enveloppant la surface 11 en l'épousant étroitement. Un lien électrique 14 relie ce film semiconducteur à la terre, le fixant ainsi au potentiel"zéro". Le matériau constituant le film 13 peut tre une résine, un vernis ou une peinture, chargée par une substance lui conférant la capacité de conduire des charges électriques (du carbone par exemple). Comme cela a déjà été souligné auparavant, il doit en tous cas pouvoir bien s'étaler lors de son dépôt sur la surface 11 du bloc de résine HT 5, afin de recouvrir cette surface en formant, éventuellement après séchage, un film mince (de 10 à 40, ut), continu et bien adhérent, de préférence homogène et régulier. Le rôle de cette couche semi-conductrice 13 est de rendre sans danger la mise en place des ailettes métalliques 10. Sa fonction, à cet effet, est de fixer le lieu d'ancrage de ces ailettes, à savoir la surface extérieure des enroulements du transformateur à un potentiel électrique constant de faible valeur, en tout cas à une valeur sans risque pour l'homme en cas de toucher. Dès lors, les charges électriques des inévitables courants de fuite qui, véhiculées par le champ électrique développé par le bobinage HT 4, traversent l'épaisseur de résine"e" pour s'accumuler en surface 11. Là, elle sont collectées par le film semi conducteur 13 et évacuées par le lien 14 dans le bas puits de potentiel qui est ici la terre. Les ailettes 10 sont rapportées par leur base 12 sur cette couche 13 par tout moyen de fixation adéquat, par exemple par collage, soudage, cerclage, etc..., l'important étant bien entendu que les bases 12 soient bien apposées contre la surface du film 13 afin que la surface de contact soit la plus grande possible et que les ailettes puissent dès lors remplir au mieux leur fonction de refroidissement. On notera, qu'en l'absence de telles ailettes, le mme transformateur ne pouvait évacuer que 2000 Watts, soit trois fois moins II faut rappeler ici, en référence à la figure 2, que l'on a intért, lors de la mise en oeuvre de l'invention, à éviter de créer des courants induits parasites qui pénaliseraient le rendement du transformateur en générant de surcroît un supplément de chaleur à évacuer. De tels courants pourraient s'installer si la mise en place des ailettes 10 devait se traduire par la formation d'une ceinture métallique continue autour de l'enroulement 1. C'est pourquoi, il est nécessaire de créer une discontinuité électrique sur le pourtour du bloc de résine 5 équipé des ailettes métalliques 10. Si l'on met en place par exemple un ensemble à ailettes constitué d'un panneau ondé en acier, analogue à ceux utilisés pour la réalisation des cuves de transformateurs immergés, dont les ondes constituent alors les ailettes de refroidissement, la discontinuité électrique recherchée pourra tre'obtenue simplement en optant pour un panneau plus court que le pourtour de la surface du bloc 4 à équiper de manière que l'écart de longueur entre les deux se traduise par une zone longitudinale de largeur correspondante dégarnie d'ailettes à la surface de l'enroulement 4. Si l'on préfère assurer un bon contact entre la base 12 des ailettes et leur surface support 13, on optera pour des ailettes individuelles fixées une à une selon le pourtour à équiper en prenant soin, comme le montre la figure 2, de ne pas les accoler entre elles, ou du moins en veillant à en laisser quelques unes disjointes, voire toutes pour précisément créer la discontinuité électrique voulue sous la forme de zones longitudinales 21 laissant apparaître le film semiconducteur 13 à nu. La figure 3 est présentée pour permettre de mieux se rendre compte de l'apparence générale que prend un transformateur sec triphasé conforme à l'invention. Seule la partie électrique centrale a été représentée. On y reconnaît les trois enroulements primaires HT 1 alignés, dont les bobinages (non visibles) sont noyés dans un bloc de résine diélectrique commun. Les enroulements secondaires BT appariés sur chaque phase de l'alimentation sont logés dans l'espace central vide du bloc chacun concentriquement à son enroulement externe 1 correspondant. Ces enroulements secondaires ne sont visibles sur la figure que par leur périphérie intérieure 18 définissant un passage cylindrique pour la mise en place des colonnes du circuit magnétique (non représenté) du transformateur. On voit en 16 la barre de connexion supérieure du secondaire dotée de ses bornes de sortie 17 ; et en 19, la barre de connexion du primaire avec ses bornes d'entrées mâles 20. L'intégralité du pourtour du bloc de résine du primaire 1 est pourvu d'ailettes métalliques de refroidissement, conformément à l'invention, toutes parallèles entre elles et disposées longitudinalement selon la hauteur du bloc. On distingue cependant en l'espèce deux catégories d'ailettes qui se différencient par leur hauteur. Une première catégorie majoritaire d'ailettes courtes 10, et une seconde catégorie d'ailettes 15 sensiblement plus grandes et localisées uniquement au voisinage des extrémités de la barre de connexion de la haute tension 19. II va de soi que l'invention ne se limite pas aux exemples décrits ciavant, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où est respectée la définition qu'en donnent les revendications jointes. Il en est ainsi par exemple de la forme ou de la disposition des ailettes, dont l'orientation longitudinale sur le bloc de résine a été retenue uniquement pour faciliter les écoulements d'air qui s'effectuent naturellement du bas vers le haut. De mme, le film semi-conducteur à potentiel bas constant peut tre réalisé autrement qu'à partir d'un revtement fluide appliqué à la surface du bloc de résine de l'enroulement à pourvoir d'ailettes de refroidissement. De mme encore, tous les enroulements de phases, primaires comme secondaires, peuvent tre concernées par la mise en place d'ailettes de refroidissement, selon les dispositions spécifiques de l'invention, à savoir la présence d'une enveloppe intermédiaire semi-conductrice formant un écran à potentiel constant au champ électrique. Egalement, et toujours si ces dispositions spécifiques sont respectées, d'autres surfaces de blocs de résine diélectriques constitutives des enroulements de phase de transformateurs secs peuvent tre pourvues d'ailettes métalliques de refroidissement, par exemple les faces intérieures délimitant l'espace de séparation inter-enroulement 9 (fig. 1), ou mme certains des canaux de circulation d'air ménagés à l'intérieur des bobinages électriques. REVENDICATIONS 1) Transformateur sec, de puissance ou de distribution de l'énergie électrique, à enroulements de phase appariés concentriques, ces enroulements étant noyés dans un bloc de résine diélectrique, caractérisé en ce que la surface externe (11) au moins du bloc de résine (5) de l'enroulement (1) disposé extérieurement est pourvue d'ailettes métalliques de refroidissement (10), et en ce que, interposé entre lesdites surface (11) et ailettes (10), un film (13) en matériau semi-conducteur de l'électricité, et mis à un bas potentiel constant, recouvre la surface dudit bloc de résine diélectrique (5), la base (12) des ailettes (10) étant solidaire dudit film (13) 2) Transformateur sec selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film semi conducteur à potentiel constant (13) est obtenu par étalement d'une matière semi électroconductrice à l'état liquide ou pâteux sur la surface du bloc de résine diélectrique à recouvrir (5). 3) Transformateur sec selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière dont est faite ledit film semi-conducteur (13) est une peinture chargée d'une substance la rendant conductrice de l'électricité. 4) Transformateur sec selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit film semi-conducteur (13) est reliée à la terre. 5) Transformateur sec selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes métalliques (10) sont longitudinales et réparties sur le pourtour dudit bloc de résine (5), parallèlement entre elles. 6) Transformateur sec selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ailettes (10) présentent une hauteur comprise entre 20 et 200 mm environ. 7) Transformateur sec selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ailettes (10) sont en aluminium ou un autre métal bon conducteur thermique. 8) Transformateur sec selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ailettes de refroidissement (10) sont des ailettes individuelles fixées chacune par leur base (12) sur le bloc de résine, certaines ailettes au moins ayant leur base (12) non accolées les unes aux autres.