Brevet FR2820541A1 — publié le 20020809

SYSTEME DE CALAGE D'UNE BOBINE DANS UN TRANSFORMATEUR. L'invention concerne un système de calage d'une bobine dans un transformateur, et également un transformateur comportant ce système de calage. Les transformateurs électriques, en particulier secs, comme représenté à titre d'exemple sur la figure 1, comportent un circuit magnétique 2, des bobines 3 d'un circuit haute tension qui reçoit une alimentation électrique haute tension pour créer un champ magnétique dans le circuit magnétique 2, des bobines basse tension 4 qui reçoivent le champ magnétique pour créer une alimentation électrique basse tension. Dans un transformateur sec, certaines bobines, en particulier les bobines haute tension 3, comportent un bobinage de fils métalliques pris en masse dans un enrobage diélectrique. Les bobines 3 ont ainsi la forme d'un tube cylindrique monobloc. Plus particulièrement, les transformateurs de courant triphasé comportent un circuit magnétique 2 ayant trois colonnes 20 verticales disposées côte-à-côte dans le même plan et reliées entre elles par une culasse inférieure 21 et une culasse supérieure 22. Trois bobines haute tension 3 sont disposées coaxialement aux colonnes 20 du circuit magnétique. Trois bobines basse tension 4 sont disposées de manière concentriques aux bobines haute tension 3, entre les bobines haute tension 3 et les colonnes du circuit magnétique 2. En général, un espace est laissé libre entre la bobine haute tension 3 et la bobine basse tension 4, un écran diélectrique 6 étant interposé dans cet espace entre les bobines. De l'air circule dans cet espace, de manière naturelle ou forcée, pour assurer le refroidissement des bobines. Les bobines 3 reposent sur des cales 7 isolantes électriquement posées sur des brides inférieures 23 enserrant la culasse inférieure 21. La hauteur des cales 7 est déterminée essentiellement par leur pouvoir d'isolation diélectrique. Des blocs de serrage 5 sont disposés en partie supérieure des bobines 3 monobloc pour serrer les bobines contre les cales inférieures 7. La figure 2 montre la mise en oeuvre selon la technique antérieure desdits blocs de serrage 5 en partie supérieure de la bobine 3 monobloc. Ces blocs de serrage 5 comportent un corps 51 en matière diélectrique, un matelas 52 en élastomère interposé entre le corps 51 et la bobine 3, une coupelle 53 disposée sur le corps 51 et comportant une empreinte circulaire, une vis 54 traversant une bride supérieure 24 de la culasse supérieure 22, l'extrémité de la vis 54 étant en appui dans l'empreinte de la coupelle 53, et un écrou 55 vissé sur la vis 54 et en appui sur la bride supérieure 24. Le bloc de serrage 5 comporte également un bras de centrage 56 de direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de la vis 54 et dont l'extrémité est en appui contre une colonne 20 du circuit magnétique 2. Le bloc de serrage 5 comporte en outre un talon 57 qui prend appui sur la surface intérieure cylindrique 30 de la bobine. L'écrou 55 est tourné sur la vis 54 pour comprimer le matelas 52 et exercer une pression sur la bobine 3. Le matelas 52 peut absorber une dilatation de la bobine 3 due à son échauffement en fonctionnement. Cependant, cette technique de calage des bobines pose de nombreux problèmes. Le calage d'une bobine sur les brides inférieures est dégradé par les dispersions de fabrication sur la planéité des surfaces des brides et de la bobine et les hauteurs de cales. En effet, il n'est garanti que toutes les cales portent la bobine de manière égale. La vis est en général métallique, donc conductrice. Sa longueur n'est pas utilisable pour l'isolement électrique de la bobine. Cette longueur est déterminée par la course de serrage pour rattraper les jeux de montage, les dispersions de fabrication et pour comprimer le matelas. Par ailleurs, le matelas n'étant pas guidé, il introduit des possibilités de mouvement de rotulage et de translation du bloc de serrage par rapport à la bobine. Ces libertés de mouvement, combinées avec le faible diamètre de l'assise de l'écrou ou de l'extrémité de la vis sur la coupelle, nuisent à la stabilité des blocs de serrage. Par ailleurs, le matelas est en contact direct avec la bobine, qui est susceptible de monter en température, par exemple 140 oc en conditions extrêmes. Les matériaux élastomère résistant à cette température sont chers. Dans une série de transformateur, la hauteur des cales et des blocs est adaptée à la tension maximale présente dans les bobines. Plus cette tension est élevée, plus la hauteur est importante. Les cales et les blocs sont donc fournis en plusieurs dimensions. Ceci multiplie le nombre de références différentes à produire et à gérer. L'invention a donc pour objectif de pallier les problèmes cités. Elle vise en particulier à fournir un procédé de calage stable, modulaire pour s'adapter à différentes hauteurs d'isolement, qui absorbe la dilatation des bobines et qui soit simple à mettre en oeuvre avec un nombre réduit de pièces différentes. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un système de calage d'une bobine électrique monobloc dans un transformateur, le transformateur comportant un support inférieur et un support supérieur, la bobine électrique étant disposée entre les supports, des cales étant interposées entre le support inférieur et la bobine, des blocs de serrage étant interposés entre la bobine et le support supérieur, caractérisé en ce que chaque bloc de serrage et chaque cale comporte un écrou ayant une surface d'appui, un corps fileté sur lequel se visse l'écrou, un piston ayant à une extrémité une tête coulissant dans le corps fileté et à l'autre extrémité une surface d'appui, chaque bloc de serrage comportant en outre un matelas élastique entre la tête du piston et le corps fileté, la bobine étant calée avec les cales, la hauteur des cales étant ajustable en tournant le corps fileté dans l'écrou de telle sorte que toutes les cales sont en appui sur le support inférieur et la bobine, les blocs de serrage étant placés entre l'élément électrique et le support supérieur, les faces d'appui étant respectivement en contact avec la bobine et avec le support supérieur, une force de maintien étant appliquée par les blocs de serrage en tournant le corps fileté des blocs de serrage dans l'écrou et en comprimant le matelas élastique. Grâce à l'invention, la bobine est bien calée sur le support inférieur. En effet, chaque cale est ajustée de telle sorte que le poids de la bobine et la force de pression des blocs de serrage est répartie sur chaque cale, quelqu'en soit le nombre. De plus, les blocs de serrage et les cales peuvent être réalisés entièrement en matériau diélectrique. La hauteur totale des blocs de serrage et des cales est isolante, ce qui permet d'optimiser la distance entre les supports. Il est alors possible de réduire la hauteur du circuit magnétique et donc de réduire son coût. En outre, les faces d'appui peuvent avoir la largeur totale de l'écrou ou du piston, et le piston est guidé en coulissement dans le corps fileté. Le montage de la bobine est donc nettement plus stable. Un autre avantage est que le matelas élastique est situé dans une zone qui n'est pas directement en contact avec les parties les plus chaudes que sont le circuit magnétique et la bobine. Ainsi, le matelas subit moins de contraintes thermiques. De manière préférentielle, l'écrou est en appui contre le support. En effet, les supports peuvent être plus larges que la bobine au niveau du contact avec le piston. Comme l'écrou est plus large que le piston, il est avantageux de le placer sur le support. Selon une caractéristique préférentielle, le piston comporte un disque de contact qui a la face d'appui du piston, un téton périphérique étant saillant de la face d'appui en périphérie du disque de contact pour prendre appui contre une face verticale de la bobine. Lors de la mise en place de la cale ou du bloc de serrage, le téton périphérique est mis en appui contre la face verticale, ce qui garantit une position reproductible par rapport à la bobine. Avantageusement, le corps fileté a un téton de positionnement centré par rapport son axe et saillant par rapport à la surface d'appui de l'écrou, quelque soit la position de l'écrou dans le corps fileté, pour coopérer avec un orifice du support. L'orifice est par exemple cylindrique ou oblong. On assure ainsi un centrage de la cale ou du bloc de serrage sur le support, ce qui permet un montage rapide et reproductible. Selon une caractéristique complémentaire, le bloc de serrage ou la cale comporte une agrafe sur le piston pour maintenir une distance fixe entre un écran et la bobine, l'agrafe comportant une fourchette élastique enserrant le piston. Grâce à la fourchette élastique, l'agrafe est amovible sur le piston. Une simple pression sur l'agrafe permet de la mettre en place. De plus, lorsque le piston est cylindrique, l'agrafe peut être orientée librement par rapport au piston. De manière avantageuse, le piston comporte une pluralité de disques empilés, le nombre de disques déterminant la hauteur du piston. Ainsi, il est possible d'ajuster la hauteur des cales ou des blocs de serrage sans qu'il soit nécessaire de fabriquer de pièce spécifique pour les différentes tensions d'isolement. En ajoutant par exemple des disques supplémentaires, la hauteur du piston est augmentée. La distance d'isolement est donc également augmentée. La variété des pièces à fabriquer et à gérer est donc réduite car les disques sont identiques. De plus, les disques autorisent une rotation entre eux, et donc entre la tête du piston et la surface d'appui. Ceci facilite la manoeuvre du corps fileté pour le tourner dans l'écrou. Par ailleurs, la forme générale cylindrique du piston est favorable à l'isolation diélectrique. En effet, aucune arête longitudinale au piston ne dessine un chemin préférentiel pour d'éventuels arcs électriques. De préférence, les disques comportent sur une première face un trou borgne de centrage, et sur la deuxième face parallèle à la première face un téton de centrage qui coopère avec le trou borgne d'un disque adjacent pour centrer les disques entre eux. Ainsi, le montage est facilité. De plus, comme les trous sont borgnes, aucun chemin préférentiel pour des arcs électriques n'est créé. De manière préférentielle, les disques ont au moins une rainure circulaire sur leur périphérie pour former des ondulations sur le piston. Ainsi, l'isolation diélectrique est améliorée en agrandissant le chemin de claquage, de manière connue en soi. De plus, les faces des disques ont un diamètre qui est le plus grand diamètre des disques, ce qui permet d'avoir la plus grande surface de contact entre les disques. La résistance mécanique du piston est optimale. Par ailleurs, une des rainures forme un logement préférentiel pour la fourchette d'une agrafe. Ainsi, l'agrafe a une position axialement fixe par rapport au piston, facile à repérer au montage en comptant le nombre de rainures par rapport à l'une des extrémités du piston. L'invention a aussi pour objet un transformateur, caractérisé en ce qu'il comporte le système de calage précédent. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un transformateur selon l'art antérieur ; la figure 2 est une vue de face d'un bloc de serrage selon l'art antérieur ; la figure 3 est une vue en perspective en éclaté d'un bloc de serrage conforme à l'invention ; la figure 4 est une vue en perspective en éclaté d'une cale conforme à l'invention ; la figure 5 est une vue en coupe verticale partielle d'un transformateur conforme à l'invention. Un transformateur sec conforme à l'invention est similaire à celui selon l'art antérieur montré sur la figure 1. Seuls les cales 7 et les blocs de serrage 5 sont remplacés par des cales 8 et des blocs de serrage 9 selon l'invention. Des agrafes 10 sont fixées sur les cales 8 et les blocs de serrage 9 pour fixer l'écran thermique 6 entre les bobines 3,4. Une cale 8 selon l'invention, comme montrée sur la figure 4, comporte un écrou 81, un corps fileté 82, le corps fileté 82 étant vissé dans l'écrou 81 et comportant une cavité 820 cylindrique, un empilage de disques 84 entouré par un disque de contact 85 et un disque de tête 83, l'ensemble des disques formant un piston, le piston étant centré dans la cavité 820 cylindrique par le disque de tête 83. L'écrou 81 comporte une face d'appui 810 perpendiculaire à son axe de vissage, et des encoches 811 longitudinales réparties sur sa périphérie pour que l'écrou puisse être manoeuvré par une clé à ergot. Le corps fileté 82 comporte sur une face opposée à la cavité 810 un téton de positionnement 88 ayant le même axe que le corps fileté 82. Lorsque l'écrou 81 est vissé sur le corps fileté 82, le téton de positionnement 88 est saillant par rapport à la surface d'appui 810 de l'écrou 81. Le corps fileté 82 comporte également des moyens de manoeuvre tels que des encoches 821 pour que sa rotation par rapport à l'écrou 81 puisse être entraînée par un outil tel qu'une clé à ergots. La cavité 820 reçoit le disque de tête 83 du piston de telle sorte que le piston est centré et rotatif dans le corps fileté 82. Chaque disque 84 a une forme générale cylindrique. Sa périphérie circulaire comporte deux rainures circulaires 843 ayant une forme d'onde arrondie. Le disque 84 comporte sur une face 845 un téton de centrage 840 et, sur une face opposée 846 parallèle, un trou borgne de centrage 841, le téton 840 et le trou de centrage 841 ayant le même axe que le disque 84. Le téton de centrage 840 d'un disque 84 coopère avec le trou de centrage 841 d'un disque adjacent pour que les disques soient empilés sur le même axe. De plus, le trou de centrage 841 comporte un anneau 842 en relief, et le téton comporte une gorge circulaire 843 peu profonde de telle sorte que, une fois les disques assemblés, l'anneau 842 et la gorge 843 coopèrent pour s'opposer à la séparation des disques adjacents. Le disque de contact 85 comporte une face d'appui 850 dirigée vers l'extérieur du piston, et un téton périphérique 851 saillant par rapport à la face d'appui 850 et en périphérie de celle-ci. La face d'appui 850 reçoit sur toute sa surface une feuille 86 d'élastomère de faible épaisseur. Le disque de contact 85 comporte également des rainures circulaires 853 similaires à celles des disques 84. Un bloc de serrage 9 selon l'invention, comme montrée sur la figure 3, est identique à une cale 8, hormis qu'il comporte en outre deux matelas 91 d'élastomère dans la cavité 820 du corps fileté 82. Les matelas 91 ont une section inférieure à celle de la cavité, en ayant par exemple un diamètre inférieur au diamètre intérieur de la cavité 820, ou, comme montré sur la figure 3, en ayant une section carrée. L'épaisseur de l'empilage des matelas 91 correspond de préférence à la profondeur de la cavité 820. Une agrafe 10 comporte une fourchette 11 qui coopère avec une rainure circulaire 843 d'un disque 84, et une pince 12 comportant une ouverture 13 dans un plan sensiblement parallèle à l'axe du piston et qui reçoit l'écran thermique 6. Le procédé de montage de la bobine haute tension selon l'invention est le suivant. Le transformateur est ébauché avec la culasse inférieure 21, les brides inférieures 23, les colonnes 20, les bobines basse tension autour des colonnes 20 et les écrans thermiques 6 simplement enfilés autour des bobines basse tension. Les cales 8 et les blocs de serrage 9 sont assemblés avec un nombre de disques 84 déterminé par la tension d'isolement souhaitée. Les cales 8 sont posées sur les brides inférieures de la culasse inférieure, les tétons de positionnement 88 coopérant avec des trous oblongs 230 prévus à cet effet sur les brides inférieures 23, les écrous 81 étant vissés au maximum sur les corps filetés et les pistons étant orientés pour que les tétons périphériques 851 soient au plus prés de la colonne 20. Ensuite, les bobines haute tension 3 sont insérées autour des colonnes 20 dans un mouvement vertical jusqu'à ce qu'elles soient presque en appui sur des cales. Les cales sont alors déplacées pour que les tétons périphériques soient en contact avec la surface cylindrique intérieure 30 de la bobine haute tension 3. Les corps filetés 82 des cales 8 qui ne sont pas en contact avec la bobine sont dévissés pour que le piston soit en appui sur la souface 31 de la bobine. Le poids de la bobine 3 est alors réparti sur toutes les cales 8. Les feuilles 86 en élastomère absorbent les irrégularités de surfaces et améliorent l'adhérence de la bobine 3 sur les cales 8. Les agrafes 10 sont alors mises en place sur les pistons des cales 8, et l'écran thermique 6 est placé dans les pinces 12 des agrafes 10, pour que l'écran thermique 6 soit surélevé par rapport aux brides inférieures 23 et à une distance fixe par rapport aux cales 8. La culasse supérieure 22 est mise en place ainsi que les brides supérieures 24 pour constituer le support supérieur. Les blocs de serrage 9 sont ensuite répartis le long de l'extrémité supérieure 32 de la bobine 3. Pour cela, l'ensemble constitué par l'écrou 81, le corps fileté 82 et les matelas 91 est placé sous les brides supérieures 24, les tétons de positionnement 88 coopérant avec des trous oblongs 240 prévus à cet effet sur les brides supérieures, les écrous 81 étant vissés au maximum sur les corps filetés 82. Ensuite, le piston est inséré sous ledit ensemble, de telle sorte que les feuilles 86 soient en contact avec l'extrémité supérieure 32 de la bobine, les tétons périphériques 851 soient en contact avec la surface cylindrique intérieure 30 et le disque de tête soit en regard des matelas 91. Le corps fileté 82 est alors dévissé manuellement ou avec des outils, pour que le disque de tête 83 vienne en contact avec un matelas 91, puis pour comprimer les matelas 91 et ainsi, exercé une pression de serrage sur la bobine 3. Les matelas 91 se déforment dans l'espace laissé libre dans la cavité 820. Les bobines 3 sont alors parfaitement calées et bloquées par rapport au circuit magnétique 2. Une agrafe 10 est placée sur l'écran thermique 6, la pince 12 enserrant l'écran, puis encliquetée sur le piston du bloc de serrage 9. L'invention n'est pas limitée au transformateur qui vient d'être décrit à titre d'exemple. Le système de calage est également applicable aux transformateurs immergés, ainsi qu'à tout appareil électrique statique qui comporterait un bobinage à caler en garantissant une isolation électrique. REVENDICATIONS 1. Système de calage d'une bobine électrique (3) dans un transformateur, le transformateur comportant un support inférieur (23) et un support supérieur (24), la bobine (3) électrique étant disposée entre les supports (23,24), des (8) cales étant interposées entre le support inférieur (23) et la bobine (3), des blocs de serrage (9) étant interposés entre la bobine (3) et le support supérieur (24), caractérisé en ce que chaque bloc de serrage (9) et chaque cale (8) comporte un écrou (81) ayant une surface d'appui (810), un corps fileté (82) sur lequel se visse l'écrou (81), un piston ayant à une extrémité une tête (83) coulissant dans le corps fileté (82) et à l'autre extrémité une surface d'appui (850), chaque bloc de serrage (9) comportant en outre un matelas (91) élastique entre la tête (83) du piston et le corps fileté (82), la bobine (3) étant calée avec les cales (8), la hauteur des cales (8) étant ajustable en tournant le corps fileté (82) dans l'écrou (81) de telle sorte que toutes les cales (8) sont en appui sur le support inférieur (23) et la bobine (3), les blocs de serrage (9) étant placés entre la bobine (3) et le support supérieur (24), les faces d'appui (810,850) étant respectivement en contact avec la bobine (3) et avec le support supérieur (24), une force de maintien étant appliquée par les blocs de serrage (9) en tournant le corps fileté (82) des blocs de serrage (9) dans l'écrou (81) et en comprimant le matelas élastique (91). 2. Système de calage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écrou (81) est en appui contre le support (23,24). 3. Système de calage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le piston comporte un disque de contact (85) qui a la face d'appui (850) du piston, un téton périphérique (851) étant saillant de la face d'appui (850) en périphérie du disque de contact (85) pour prendre appui contre une face verticale (30) de la bobine. 4. Système de calage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps fileté (82) a un téton de positionnement (88) centré par rapport son axe et saillant par rapport à la surface d'appui (810) de l'écrou (81), quelque soit la position de l'écrou (81) dans le corps fileté (82), pour coopérer avec un orifice du support (230,240). 5. Système de calage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc de serrage (9) ou la cale (8) comporte une agrafe (10) sur le piston pour maintenir une distance fixe entre un écran (6) et la bobine (3), l'agrafe (10) comportant une fourchette (11) élastique enserrant le piston. 6. Système de calage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piston comporte une pluralité de disques (84) empilés, le nombre de disques (84) déterminant la hauteur du piston. 7. Système de calage selon la revendication 6, caractérisé en ce que les disques (84) comportent sur une première face un trou borgne de centrage (841), et sur la deuxième face parallèle à la première face un téton de centrage (840) qui coopère avec le trou borgne (840) d'un disque adjacent pour centrer les disques entre eux. 8. Système de calage selon la revendication 6, caractérisé en ce que les disques (84) ont au moins une rainure circulaire (843) sur leur périphérie pour former des ondulations sur le piston. 9. Transformateur, caractérisé en ce qu'il comporte le système de calage selon la revendication 1.