Brevet FR2822587A1 — publié le 20020927

REALISATION d'ENROULEMENTS"HAUTE ou MOYENNE TENSION"de TRANSFORMATEURS IMMERGES, et ENROULEMENTS AINSI REALISES. La présente invention concerne la réalisation des enroulements dits"Haute (ou Moyenne) Tension"des transformateurs électriques de puissance ou de distribution. Les transformateurs dont il est question ici sont ceux aptes à recevoir sur leurs enroulements primaires reliés au réseau d'alimentation des tensions électriques par phase élevées, de l'ordre de plusieurs dizaines de milliers de volts. Ordinairement, les transformateurs de ce type sont immergés dans un liquide de refroidissement diélectrique (généralement une huile minérale à propriétés diélectriques prononcées) contenu dans une cuve étanche dont les parois constituent des surfaces d'échange thermique avec le milieu ambiant pour assurer le maintien en température du transformateur en fonctionnement, autour de 60 à 80 C environ. Chaque enroulement de phase du primaire est classiquement constitué par une bobine en fil métallique émaillé, bon conducteur de l'électricité (cuivre ou aluminium). Cette bobine entoure à faible distance l'enroulement du secondaire qui lui est apparié (enroulement dit"Basse Tension"généralement) et réalisé le plus souvent par une bande large en aluminium enroulée sur elle-même, dont l'espace central intérieur est dimensionné pour recevoir l'une des colonnes du circuit magnétique du transformateur, présentes en nombre égal à celui des phases de l'alimentation électrique. La couronne cylindrique (de révolution ou oblongue), que forme la bobine filaire constituant l'enroulement"primaire", est, quant à elle, formée par des nappes de spires concentriques de fil bobiné alternativement dans un sens puis dans l'autre selon toute la hauteur de l'enroulement (bobinage dit"en longues couches"). Un entre-couche est interposé entre deux nappes consécutives pour assurer l'isolation électrique nécessaire à la bonne tenue en tension de l'enroulement. Cette isolation doit être assurée particulièrement en extrémité de couche, là où les spires terminales en regard sur deux nappes voisines, étant électriquement éloignées l'une de l'autre par une distance de fil correspondant à deux longues couches, présentent donc entre elles une différence de potentiel maximale. Le rôle de cet entre-couche est de créer là un gradient de potentiel électrique inférieur au seuil d'étincelage entre spires, que le revêtement diélectrique du fil (sa couche d'émail en surface) ne parvient pas à assurer à lui seul. Cet entre-couche est classiquement formé par une bande de papier, simple ou double couche, de 0.1 à 0.5 mm et plus d'épaisseur environ selon les cas, et imprégnée d'huile diélectrique. Il assure également une certaine cohésion mécanique du bobinage fini. Pour fixer les idées, dans un transformateur d'une puissance nominale de 250 kVA par phase par exemple, chacune des bobines du primaire réalisée comme indiqué ci-avant se présente sous la forme d'une couronne cylindrique d'environ 0.50 m de long, avec des diamètres extérieur de 45 cm et intérieur de 30 cm environ. La recherche de réduction de la taille des transformateurs est bien entendu un souci constant de la part des constructeurs. Si un tel résultat peut être obtenu de surcroît par une solution portant sur la taille des enroulements du primaire, les avantages que l'on tire alors sont particulièrement attrayants, car non seulement on réalise une économie première sur le coût matière du fil métallique et du papier isolant à bobiner, mais également des économies induites sur le poids d'autres constituants, notamment sur la pièce maîtresse de l'appareil que représente le circuit magnétique, et qui peuvent être déterminantes à elles seules. L'invention a précisément pour but de réduire la taille des transformateurs de puissance ou de distribution par une diminution de la taille de leurs enroulements"haute tension", et ce, bien entendu pour une puissance installée donnée, ou, ce qui revient au même, à augmenter la puissance de ces transformateurs sans devoir accroître leur encombrement. A cet effet, l'invention a d'abord pour objet un procédé de réalisation des enroulements"Haute (ou Moyenne) Tension"des transformateurs de puissance ou de distribution, selon lequel on confère audit enroulement une forme générale de couronne cylindrique, de révolution ou oblongue, à l'aide d'un conducteur métallique filaire revêtu d'une enveloppe à propriété diélectrique, tel qu'une couche d'émail, et que l'on bobine en spires, procédé caractérisé en ce que l'on forme ledit enroulement par empilage de galettes reliées électriquement en série entre elles, chacune desdites galettes étant constituée par un ensemble de nappes concentriques de spires serrées sans interposition d'un entre-couche diélectrique entre-elles, chaque nappe étant obtenue par bobinage axial"longue couche"d'un conducteur métallique filaire revêtu de section ronde ou quasi-ronde et sur lequel a été appliqué en surface une matière à propriétés adhésives afin d'assurer l'adhérence des spires entre elles, en ce que l'on confère à chaque galette une hauteur axiale maximale conforme à une valeur H qui serait obtenue par application de la relation : H = (Gd * Gp * D) /4 * Usp, où H est exprimée en mm ; Gd, exprimée en volts/mm, est la valeur du gradient de tension électrique maximum autorisé par le respect de la loi de Paschen entre les surfaces métalliques de deux spires voisines à l'extrémité de deux nappes consécutives ; Gp est le double de l'épaisseur, exprimée en mm, de ladite enveloppe diélectrique entourant le conducteur métallique ; D est le diamètre externe, exprimé en mm, du conducteur filaire revêtu ; et Usp, exprimée en volts, est la tension interspire imposée entre deux spires quelconques voisines sur une même nappe, chacune de ces grandeurs pouvant varier entre une valeur maximale et une valeur minimale choisies en fonction de la classe d'appartenance dudit transformateur. L'invention a également pour objet un enroulement ainsi réalisé destiné à constituer un enroulement"Haute (ou Moyenne) Tension"d'un transformateur électrique de puissance ou de distribution, enroulement ayant la forme générale d'une couronne cylindrique, de révolution ou oblongue, et réalisé à partir d'un fil électroconducteur (en cuivre ou en aluminium notamment) de section ronde ou quasi- ronde revêtu d'une enveloppe à propriétés diélectriques (une couche d'émail par exemple), et constitué par empilage de galettes de fil bobiné en spires serrées sous forme de nappes s'étendant selon la direction axiale et sans interposition d'entrecouche diélectrique entre-elles, et dont la hauteur axiale a une valeur maximale conforme à une valeur H qui serait obtenue la relation : H = (Gd *Gp *D) /4 * Usp, où H est exprimée en mm ; Gd, exprimée en volts/mm, est le gradient de tension électrique maximum autorisé par le respect de la loi de Paschen entre les surfaces métalliques de deux spires voisines à l'extrémité de deux nappes consécutives ; Gp est le double de l'épaisseur, exprimée en mm, de ladite enveloppe diélectrique entourant le conducteur métallique, D est le diamètre extérieur, exprimé en mm, du conducteur filaire revêtu, et Usp, exprimée en volts, est la tension interspire imposée par construction entre deux spires quelconques voisines sur une même nappe, chacune de ces grandeurs pouvant varier entre une valeur maximale et une valeur minimale choisies en fonction de la classe d'appartenance dudit transformateur. De préférence, la valeur de H est choisie dans une fourchette de valeurs dont les valeurs H mini. et H maxi. sont données ci-après : H mini = (Gd mini * Gp mini * D mini)/4 * Usp maxi H maxi = (Gd maxi * Gp maxi *D maxi)/4 *Usp mini Comme on l'aura compris, l'invention consiste donc à se passer de l'entrecouche diélectrique dont la présence, pourtant considérée comme nécessaire pour les raisons d'isolation électrique précédemment évoquées, est néanmoins en soi facteur de complication pour l'opération de bobinage et de surcoût à la fois"matière","main d'oeuvre"et"outillage"pour la réalisation des enroulements, et à remplacer cet entrecouche par deux dispositions complémentaires conjointes. Une première disposition vise à rendre le fil émaillé collant pour assurer la tenue mécanique du bobinage par la rigidité et la stabilité de l'ensemble qui résultent de l'effet de collage des spires entre elles. La seconde disposition consiste à remplacer la bobine monolithique"longue couche"habituelle faisant toute la hauteur de l'enroulement primaire, par des galettes de fil de section ronde (ou quasi ronde) bobiné en couches de spires collées sans entre-couche diélectrique et dont la hauteur est déterminée par calcul, grâce à une formule spécifique, valable uniquement dans le cas d'un fil de cette forme et intégrant les caractéristiques dimensionnelles de celui-ci en même temps que des contraintes liées à la tenue diélectrique du bobinage fini dans ses conditions d'emploi (respect de la loi de Paschen) et la tension interspire qui est une donnée classique connue du constructeur de transformateur et choisie par lui en fonction de la puissance électrique du bobinage qu'il souhaite réaliser et du nombre de spires qui va le constituer. Il n'est sans doute pas nécessaire de rappeler ici ce que sont ces bobines de fil en forme d'anneau, donc sensiblement plus larges que hautes, que l'on dénomme "galettes"et comment on les construit. On notera qu'elles sont bien connues en elles mêmes et qu'on les rencontre déjà dans des transformateurs secs. Schématiquement, on les réalise par bobinage d'un fil dans un espace de réception défini entre deux flasques montés à distance sur un mandrin tournant servant au support des spires et à imposer le gabarit intérieur du bobinage fini. Ce bobinage peut se faire en"empilage-vrac", c'est à dire en progression radiale des spires du centre vers la périphérie, puis de la périphérie vers le centre pour la couche suivante, et ce par simple dépose par gravité du fil dans l'espace de réception, les spires se formant alors naturellement juste avant dépose grâce au mouvement de rotation relatif que l'on donne à l'espace de réception par rapport au distributeur de fil placé au dessus. Un tel procédé est par exemple décrit dans le document EP 0 081 446. Ce bobinage peut encore se faire selon la technique du"longue couche"précitée, c'est à dire par enroulement serré de spires en nappes concentriques faisant toute l'épaisseur de la galette, le fil progressant selon la direction axiale dans ce cas à l'instar de la présente invention, du bas vers le haut, puis du haut vers le bas pour la nappe suivante, le mandrin d'enroulement servant de support à la première nappe sur laquelle vient se former la suivante et ainsi de suite. Ici, le remplacement de la bobine unique habituelle, faisant toute la hauteur de l'enroulement du primaire, par un empilage de galettes montées en série, a pour conséquence de réduire au sein de chacune d'elles, d'un facteur d'ailleurs égal au nombre de galettes (à les supposer identiques, et pour une tension donnée appliquée au primaire), la valeur de la tension maximale entre spires. Dès lors, la présence d'un papier diélectrique en entre-couche n'est plus nécessaire, le film d'émail habituel qui entoure le conducteur métallique suffit alors à contenir le gradient de tension en dessous du seuil d'arcage entre deux spires voisines, même celles situées à l'extrémité de deux nappes de spires consécutives, si l'on ne dépasse pas une certaine hauteur de galette qui dépend notamment de la taille du fil et dont la règle de calcul est une des caractéristique essentielle de la présente invention Il n'est pas inutile de souligner qu'il y a au moins deux manières de parvenir au collage recherché des spires d'une galette. Selon une première variante, l'émail est pré-enduit d'une matière à propriétés adhésives. On utilisera ainsi un fil émaillé adhésif prêt à l'emploi que l'on peut se procurer facilement dans le commerce. Bien entendu, le fil ne doit pas être collant"à froid"afin de ne pas gêner sa manutention ou sa mise en spires lors du bobinage de la galette. On optera de préférence pour un vernis thermo-adhérent par polymérisation à chaud. Par exemple, une résine époxydique de pré-encollage pourra parfaitement convenir. La polymérisation d'une telle matière thermodurcissable interviendra après passage de la galette au four à 150-200oC pendant une durée suffisante pour l'obtention d'une polymérisation à coeur (1 à 2 h généralement). Cette dernière pourra d'ailleurs être obtenue plus rapidement par passage d'un courant électrique de chauffage, de quelques dizaines d'ampères, au sein de la galette. On pourra également opter pour un vernis formé par une résine thermoplastique, tel qu'un polyamide, que l'on chauffera au four au dessus de son point de ramollissement pour assurer le collage par interpénétration des couches en surface. Conformément à une seconde variante de réalisation, le collage peut être fait"à froid"après séchage d'une colle. La colle peut être appliquée "post-bobinage", c'est à dire une fois la galette bobinée. De préférence cependant, elle pourra être déposée sur le fil défilant juste avant sa mise en spires, par pulvérisation d'un aérosol, ou par immersion du fil dans un bac de colle liquide, par exemple. On prendra soin toutefois de choisir une colle qui tienne au delà de la température de fonctionnement du transformateur, laquelle se situe habituellement autour de 60 à 90 C dans le cas des transformateurs de puissance ou de distribution immergés. Le choix pourra ainsi se porter par exemple sur la colle en poudre commercialisée par la firme des Etats Unis d'Amérique"3M"sous la dénomination"SCOTCKAST 5555", ou sur la colle vendue sous la dénomination"DELOKATIOBOND"par la société française"SUPRATEC", et qui présente l'avantage d'être liquide à la température ambiante. On va donner à présent quelques exemples chiffrés de réalisation des enroulements"Haute Tension"d'un transformateur et formés par empilement de galettes selon l'invention dont les caractéristiques sont données en se référent au tableau de valeurs ci dessous : Diamètre du fil rond utilisé 5mm1. 0mm2. 0 mm Gp mini (mm) 0. 025 0. 035 0. 045 Gp maxi (mm) 0. 069 0. 093 0. 152 Gd mini (v/mm) 1 8000 8000 Gd maxi (v/mm) 3 15000 15000 Usp mini (v) 5 5 4 Usp maxi (v) 30 30 10 D mini (mm) 0. 525 1. 035 2. 045 D maxi (mm) 0. 569 1. 093 2. 152 H mini 0, 1 mm 2, 4 mm 18, 4 mm H maxi 5, 9 mm 76, 2 mm 306, 7 mm Nb de galettes 4 4 4 Il est précisé que la tension interspire Usp est une donnée constructive bien connue de l'homme de métier. Celui-ci la choisit en fonction de caractéristiques de fonctionnement du transformateur, comme la fréquence du courant d'alimentation (50 Hz en principe) ou l'induction magnétique à faire passer dans le circuit magnétique (classiquement autour de 1 à 2 Tesla) et de caractéristiques géométriques des enroulements Haute Tension, comme leur diamètre intérieur, c'est-à-dire le diamètre intérieur des galettes en fait. Il est précisé également que le gradient de tension Gd, tel que défini auparavant (gradient de tension dans l'espace qui sépare le spires de conducteurs voisines placées à la même extrémité de la galette-haute ou basse-sur deux nappes concentriques adjacentes) est déterminé à partir d'une valeur de tension disruptive donnée par la loi de Paschen appliqué dans l'air au fil gainé constitutif de la galette. On rappelle que la loi de Paschen établit que la tension disruptive entre deux corps conducteurs portés à des potentiels électriques différents dans un milieu gazeux donné, généralement l'air ambiant, est une fonction continue et rapidement croissante du produit entre la distance séparant ces conducteurs et la pression du milieu ambiant. Cette tension disruptive est donc liée notamment à l'épaisseur de la couche d'émail diélectrique recouvrant le fil. Des indications plus précises sur l'utilisation de la loi de Paschen aux transformateurs pourra au besoin être trouvées dans la Demande de Brevet Internationale PCT FR96/01353 ou dans des ouvrages plus généraux comme"Techniques de l'Ingénieur", rubrique"Gaz isolants"D 2350-4 à 7 article de P. Ségur, ou la section 9-5 de l'ouvrage de R. Fournier "Les isolants en électrotechniques-Concepts et théories"édité en 1986 par Eyrolles, Paris On observera dans le tableau de valeurs ci-avant que certains H mini obtenus par le calcul expriment des hauteurs de galettes peu réalistes au plan industriel. En particulier dans l'exemple donné avec un fil de 0.5 mm de diamètre nu, la hauteur mini. obtenue serait de 0.1 mm, soit inférieure au fil lui-même ! En fait, l'obtention de telles valeurs peu compatibles avec la réalité témoigne simplement des limites d'application de la formule de calcul utilisée et l'homme de métier saura en prendre la bonne mesure dans chaque cas concrêt en fonction de ces souhaits ou nécessités. De fait, on notera que les essais industriels réalisés ont montré que la mise en oeuvre de l'invention procurait une diminution de la taille de l'enroulement pouvant atteindre une proportion de 20-25%. Une réduction de taille aussi importante ne s'explique pas uniquement par le gain en volume procuré par l'absence de l'entrecouche. Ainsi que l'envisageaient les inventeurs, un autre facteur intervient, qui est celui d'une plus grande compacité du bobinage grâce à une imbrication mutuelle plus poussée des spires. En raison de la relative épaisseur du papier d'entre-couche par rapport au diamètre du fil émaillé, tout se passe comme si ce papier comportait une rigidité suffisante pour forcer les nappes de spires à rester géométriquement linéaires. En revanche, l'entre-couche une fois absent, lors du bobinage les spires s'organisent naturellement en spires imbriquées, c'est à dire, si on les regarde en coupe en section droite, selon une topologie de type"structure hexagonale compacte", donc présentant un encombrement minimum et une stabilité mécanique naturelle à l'échelle de plusieurs spires en contact mutuel dans la galette. On observera que ces avantages peuvent être obtenus également avec un fil oblong en section, étant entendu que c'est la forme circulaire qui doit être préférée à cet égard. Il va de soi que l'invention peut présenter de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où ses caractéristiques techniques essentielles données dans les revendications jointes sont respectées. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation des enroulements"Haute (ou Moyenne) Tension"des transformateurs de puissance ou de distribution, selon lequel on confère audit enroulement une forme générale de couronne cylindrique, de révolution ou oblongue, à l'aide d'un conducteur métallique filaire revêtu d'une enveloppe à propriété diélectrique, telle qu'une couche d'émail, et que l'on bobine en spires, procédé caractérisé en ce que l'on forme ledit enroulement par empilage de galettes reliées électriquement en série entre elles, chacune desdites galettes étant constituée par un ensemble de nappes consécutives de spires sans interposition d'un entre-couche diélectrique entre-elles, chaque nappe étant obtenue par bobinage en spires d'un conducteur métallique filaire revêtu de section ronde ou quasi-ronde et sur lequel a été appliqué en surface une matière à propriétés adhésives afin d'assurer l'adhérence des spires entre elles, en ce que l'on confère à chaque galette une hauteur maximale conforme à une valeur H qui serait obtenue par application de la relation : H = (Gd * Gp * D)/4 * Usp, où H est exprimée en mm ; Gd, exprimée en volts/mm, est la valeur du gradient de tension électrique maximum autorisé par le respect de la loi de Paschen entre les surfaces métalliques de deux spires voisines à l'extrémité de deux nappes consécutives ; Gp est le double de l'épaisseur, exprimée en mm, de ladite enveloppe diélectrique entourant le conducteur métallique ; D est le diamètre externe, exprimé en mm, du conducteur filaire revêtu ; et Usp, exprimée en volts, est la tension interspire imposée entre deux spires quelconques voisines sur une même nappe, chacune de ces grandeurs pouvant varier entre une valeur maximale et une valeur minimale choisies en fonction de la classe d'appartenance dudit transformateur. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise un conducteur filaire revêtu pré-encollé par un vernis thermo-adhérent par polymérisation à chaud. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on applique sur le conducteur filaire revêtu une matière collante juste avant sa mise en spires au sein de la galette à former. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la valeur de H est choisie dans une fourchette de valeurs dont les valeurs H mini. et H maxi. sont données ci-après : H mini = (Gd mini * Gp mini * D mini)/4 * Usp maxi ; et H maxi = (Gd maxi * Gp maxi *D maxi)/4 *Usp mini 5. Enroulement électrique destiné à constituer un enroulement"Haute (ou Moyenne) Tension"d'un transformateur électrique de puissance ou de distribution, enroulement ayant la forme générale d'une couronne cylindrique, de révolution ou oblongue, et réalisé à partir d'un fil électro-conducteur (en cuivre ou en aluminium notamment) de section ronde ou quasi-ronde revêtu d'une enveloppe à propriétés diélectriques, telle qu'une couche d'émail, et constitué par empilage de galettes de fil bobiné en spires, formée chacune par assemblage collé de spires dénué d'entre-couche et dont la hauteur a une valeur maximale conforme à une valeur H qui serait obtenue par application de la relation : H = (Gd * Gp *D) /4 * Usp, où H est exprimée en mm ; Gd, exprimée en volts/mm, est le gradient de tension électrique maximum autorisé par le respect de la loi de Paschen entre les surfaces métalliques de deux spires voisines à l'extrémité de deux nappes consécutives ; Gp est le double de l'épaisseur, exprimée en mm, de ladite enveloppe diélectrique entourant le conducteur métallique, D est le diamètre extérieur, exprimé en mm, du conducteur filaire revêtu, et Usp, exprimée en volts, est la tension interspire imposée entre deux spires quelconques voisines sur une même nappe, chacune de ces grandeurs pouvant varier entre une valeur maximale et une valeur minimale choisies en fonction de la classe d'appartenance dudit transformateur.