Brevet FR2959859A1 — publié le 20111111

APPAREILLAGE ELECTRIQUE A HAUTE OU MOYENNE TENSION COMPRENANT UNE PARTIE ACTIVE PAR INDUCTION IMMERGEE, A BRUIT REDUIT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un appareillage électrique à haute ou moyenne tension, tel qu'un transformateur ou une bobine d'inductance, comprenant une partie active par induction immergée dans un fluide diélectrique. L'invention a trait à la réduction du bruit d'émission d'un tel appareillage électrique. Plus particulièrement, elle a trait à la réduction de la part du bruit due aux ondes acoustiques émises par la partie active par induction de l'appareillage électrique et propagées dans le milieu fluide diélectrique jusqu'aux parois de la cuve d'immersion remplie du fluide diélectrique, tel que de l'huile. Les appareillages particulièrement visés par l'invention sont les transformateurs, notamment ceux de puissance et de distribution dans un réseau électrique de distribution, et les bobines d'inductance. ART ANTÉRIEUR Dans les appareillages électriques, tels que les transformateurs ou bobines d'inductance, à partie active par induction immergée dans un fluide 2 diélectrique, il est connu qu'une part significative du bruit rayonné est due à la propagation des ondes acoustiques émises par la partie par induction en fonctionnement dans le milieu fluide diélectrique et se propageant jusqu'aux parois de la cuve qui constituent ainsi en quelque sorte des surfaces de rayonnement acoustique dominant. De nombreuses solutions ont déjà été proposées dans l'art antérieur pour réduire cette part 10 du bruit. On peut citer ici les solutions décrites dans les brevets très anciens GB 925522, US 3102246 et US 3305813, qui consistent à augmenter de manière significative la compressibilité du fluide par l'emploi 15 d'un ensemble de plusieurs tubes creux souples dont la résonance de respiration dans le milieu fluide diélectrique est accordée à la fréquence des phénomènes acoustiques à atténuer. L'augmentation, locale en fréquence, de la compressibilité du milieu fluide 20 diélectrique modifie le module de compressibilité apparent de celui-ci, mais n'empêche pas concrètement les ondes acoustiques émises par la partie active par induction d'atteindre et donc d'exciter les parois de la cuve. Autrement dit, les solutions selon ces 25 documents sont peu efficaces car les parois de la cuve restent des surfaces de rayonnement acoustique conséquent et donc le bruit des transformateurs reste élevé. Plus récemment, une solution a été proposée 30 dans le brevet US 6 661 322 : elle consiste à agencer des structures en forme de galettes cylindriques 3 agencées soit contre les parois de cuve, soit autour de la partie active. Ces galettes cylindriques visent aussi une diminution significative de la compressibilité apparente du milieu fluide diélectrique (ici de l'huile) de façon à absorber les ondes se propageant depuis la partie active vers les parois de cuve. Comme pour les solutions décrites dans les brevets précédemment mentionnés, l'augmentation de la compressibilité apparente du milieu fluide diélectrique dans lequel est immergée la partie active par induction ne garantit pas la diminution de l'excitation des parois de cuve par les ondes émises par ladite partie active. Autrement dit, une telle solution n'empêche pas les ondes émises par la partie active par induction d'atteindre les parois de cuve qui restent donc des surfaces de rayonnement acoustique important. Des dispositifs de réduction de bruit améliorés ont déjà été proposés pour des applications contraignantes dans lesquelles ils sont immergés dans un liquide et soumis à des pressions hydrostatiques très conséquentes. Ainsi, les brevets US 5138588 et FR 2730335 décrivent des dispositifs de réduction de bruit utilisés en acoustique sous-marine et qui sont constitués de structures tubulaires enrobées dans une matrice élastomère pour garantir leur étanchéité à l'immersion à grande profondeur. Il est ainsi prévu de fixer de manière rigide ces structures tubulaires aux coques de navires. En tant que tels, ils sont inadaptés à une application en cuve d'appareillage électrique, tel qu'un transformateur, car leur rigidité est trop importante. 4 C'est pourquoi, un but de l'invention est de proposer une solution de réduction efficace de la part du bruit d'un appareillage électrique à haute ou moyenne tension due aux ondes acoustiques émises par la partie active par induction et propagées par le milieu fluide diélectrique entourant ladite partie active. Un but particulier de l'invention est de proposer une solution compatible avec les exigences technologiques et économiques du domaine de la transmission et distribution d'électricité à haute ou moyenne tension. EXPOSÉ DE L'INVENTION Pour ce faire, l'invention a pour objet, un appareillage électrique haute ou moyenne tension comprenant une partie active par induction, une cuve entourant la partie active et remplie d'un fluide diélectrique, tel que de l'huile, et des moyens de réduction acoustique des ondes provenant de la partie active et propagées dans le fluide diélectrique. Selon l'invention, les moyens de réduction acoustique permettent de diviser les ondes propagées en deux groupes d'ondes de phase opposée en interférence l'un avec l'autre dans une zone à distance des parois de la cuve de sorte à au moins limiter leur amplitude avant contact avec ces dernières. Par « partie active par induction », on entend des éléments d'induction électromagnétique, tels qu'un circuit électromagnétique et des bobinages dans des transformateurs HT ou MT ou dans des bobines d'inductance. Avantageusement, pour une simplicité de mise en oeuvre et un coût de réalisation réduit, les moyens de réduction acoustique sont des moyens passifs. Selon un mode de réalisation avantageux, 5 les moyens passifs de réduction acoustique sont des éléments structurels creux, étanches au fluide diélectrique, agencés en étant régulièrement espacés et en formant une barrière à distance des parois de la cuve, l'espace entre deux éléments structurels adjacents étant adapté pour laisser passer une partie des ondes provenant de la partie active et propagées dans le fluide sans introduire de déphasage en constituant ainsi l'un des deux groupes d'ondes, chaque élément structurel étant adapté pour être excité par une de ses faces dite interne par l'autre partie des ondes provenant de la partie active et propagées dans le fluide et réémettre par sa face opposée dite externe l'autre groupe d'ondes en opposition de phase avec le premier groupe d'ondes et créer ainsi l'interférence entre les deux groupes d'ondes. Ainsi, grâce aux éléments structurels selon l'invention, on forme une barrière acoustique et on crée un champ interférentiel derrière celle-ci, c'est-à-dire dans la zone située entre la barrière acoustique et les parois de la cuve, en limitant l'effet acoustique résultant de l'excitation mécanique des parois de la cuve contenant le fluide diélectrique par les ondes acoustiques. En d'autres termes, les ondes incidentes de pression acoustique générées par les composants de la partie active par induction et atteignant la barrière 6 acoustique formée par les éléments structurels selon l'invention se répartissent en deux groupes d'ondes dont : - un traversant la barrière sans subir de déphasage, - l'autre excitant la face interne de la barrière (faces internes de tous les éléments structurels) et réémis en opposition de phase par les faces externes des éléments structurels de la barrière. La minimisation de l'effet résultant sur les parois de la cuve est alors obtenue par un mécanisme de compensation entre deux sources virtuelles, la première (Q+) liée à l'onde incidente et traversant la barrière, et la seconde (Q-) liée à l'onde incidente excitant les éléments structurels de la barrière et réémise avec une phase opposée par ces éléments structurels. Le mécanisme de compensation selon l'invention obtenu par les éléments structurels constituant la barrière est représenté en figure 3. Autrement dit, l'invention consiste essentiellement à réaliser, à l'intérieur d'une cuve d'appareillage électrique remplie de fluide diélectrique, un atténuateur du bruit par division d'ondes incidentes et opposition de phase entre ces ondes divisées. L'atténuateur de bruit selon l'invention est passif, c'est-à-dire qu'il ne nécessite l'utilisation d'aucun moyen actif électrique et/ou mécanique pour réaliser le champ d'interférences par opposition de phase. Selon une variante, les éléments structurels comprennent des tubes métalliques à section 7 intérieure constante sur leur hauteur, chaque tube étant fermé à chacune de ses extrémités par un dispositif étanche au fluide diélectrique. Les éléments structurels sont de préférence montés dans la cuve par l'intermédiaire de moyens de découplage vibratoire. On obtient ainsi une réduction significative du bruit en basses fréquences, lié au transfert de l'énergie acoustique par le fluide diélectrique. A des fins de simplicité de mise en oeuvre et pour ne pas avoir à modifier la conception des autres éléments de l'appareillage électrique, tels que la cuve, on prévoit que la fixation par le biais des moyens de découplage vibratoire est réalisé à un cadre rigide agencé dans la cuve. Pour s'assurer d'un champ d'interférences suffisamment important, la surface des éléments structurels est au moins égale au deux tiers de la surface de la barrière. L'invention concerne également un appareillage électrique décrit précédemment qui constitue un transformateur ou une bobine d'inductance. L'homme de l'art veillera pour viser une efficacité optimale à une fréquence donnée dans la conception et la mise en oeuvre à ajuster les paramètres suivants . - la géométrie et le matériau utilisés pour les éléments structurels (métalliques ou non métalliques), ainsi que la nature de son contenu (gaz, mousse ou élastomère), qui va conditionner la conversion entre onde incidente et onde réémise en 8 opposition de phase par ces structures. En particulier, on veille à définir une géométrie et un ou des matériaux pour mettre en oeuvre le mécanisme de compensation entre les ondes réémises par les éléments structurels adjacents et celles traversant leur espace de séparation sans opposition de phase, - le pas de la barrière acoustique, c'est-à-dire la distance entre deux éléments structurels adjacents, qui fixe en quelque sorte la répartition entre les contributions respectives de l'onde incidente et de l'onde réémise derrière la barrière. Comme indiqué précédemment, le pas doit être tel qu'il permette aux éléments structurels de représenter une couverture d'au moins 2/3 de la surface totale de la barrière, - la distance de la barrière vis-à-vis des parois de la cuve. Cette distance doit être suffisante pour permettre au champ interférentiel selon l'invention d'être mis en oeuvre entre la barrière et les parois de la cuve. - les caractéristiques du fluide diélectrique (huile minérale ou autre). Ainsi, une fois ces paramètres ajustés de manière optimale pour une fréquence donnée, le champ interférentiel obtenu peut rendre nul la résultante de pression des ondes avant contact avec les parois de la cuve du transformateur (EP = 0). 9 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée faite en référence aux figures suivantes : - la figure 1 est une vue partielle en perspective d'un transformateur visé par l'invention, - la figure 2 est une vue partielle en perspective d'une barrière acoustique selon un mode de réalisation de l'invention agencée à l'intérieur de la cuve du transformateur selon la figure 1, - la figure 3 montre schématiquement le fonctionnement d'une barrière acoustique selon l'invention, - les figures 4 et 5 montrent en vue de coupe transversale en perspective un élément structurel de la barrière acoustique respectivement selon une première et deuxième variante de réalisation, - les figures 6A et 6B montrent en perspective le montage d'un élément structurel de la barrière acoustique respectivement selon une première et deuxième variante de réalisation, - la figure 7 est une vue partielle en perspective d'une barrière acoustique selon un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 8 est une courbe représentative de l'efficacité d'une barrière acoustique selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 montre un transformateur 1 dans lequel une barrière acoustique 2 selon l'invention est 10 agencée à distance des parois verticales 30A et du dessus 30B de la cuve 3. Comme visible, le transformateur 1 comprend une partie active par induction 4 immergé dans de l'huile diélectrique (non représentée) remplissant la cuve 3. Dans le mode de réalisation représenté en figure 2, la barrière acoustique 2 est de type passive et est constituée de tubes creux 20 métalliques, étanches à l'huile diélectrique, agencés en étant régulièrement espacés entre eux. Plus exactement, un pas p1 régulier sépare deux tubes 20 adjacents à distance d'une même paroi, une distance p2 sépare deux tubes 20 adjacents au coin entre deux parois 30 verticales et une distance p3 sépare deux tubes 20 adjacents entre une des parois verticales 30A et une paroi du dessus 30B. Les tubes creux 20 montrés en figure 2 sont de section transversale sensiblement rectangulaire. Cette forme sensiblement rectangulaire permet un bon assouplissement des tubes creux 20 et donc une bonne atténuation des bruits en basse fréquence. Selon l'invention, les pas réguliers définissent ainsi un espace entre deux tubes 20 adapté pour laisser passer une partie des ondes de pression provenant de la partie active par induction 4 et propagées dans l'huile sans introduire de déphasage en constituant ainsi un groupes d'ondes. Chaque tube creux 20 est adapté pour être excité par sa face interne 200, c'est-à-dire celle en regard de la partie active 4, par l'autre partie des ondes provenant de la partie active et propagées dans l'huile et réémettre un autre groupe d'ondes en opposition de phase. Ainsi, on créé un champ d'interférence entre ces deux groupes d'ondes. La figure 3 illustre la création d'un champ d'interférences par l'inversion de phase entre la partie d'ondes 01 provenant des ondes incidentes et traversant la barrière 2 et la partie 02 réémise par chacun des tubes creux 20 : il se produit ainsi une compensation entre les deux sources Q+, Q- d'ondes virtuelles créées. En ajustant les paramètres, que sont la géométrie et le matériau des tubes 20, le pas de la barrière 2, la distance séparant la barrière 2 des parois 30A, 30B de la cuve 3, les caractéristiques de l'huile, il est possible d'annuler complètement la résultante des ondes de pression avant contact avec les parois (EP = 0). Les dimensions des tubes creux 20 et la valeur des pas d'espacement réguliers sont de préférence adaptés pour que la barrière 2 ait une couverture totale de la périphérie de la partie active par induction 4 à la distance D des parois verticales 30A et du dessus 30B. En fonction des caractéristiques des ondes recherchées, les tubes creux 20 selon l'invention, étanches à l'huile diélectrique peuvent être remplis soit d'un fluide léger (gaz), soit d'un matériau souple (mousse ou élastomère). Deux variantes de réalisation de tubes creux à section rectangulaire sont représentées aux figures 4 et 5 : 12 - le tube creux 20 à section rectangulaire de la figure 4 est un tube plié soudé dont l'étanchéité est réalisée par deux plaques soudées 21, 22 et qui est rempli d'un gaz, - les tubes creux 20 à section rectangulaire de la figure 5 sont des tubes extrudés dont l'étanchéité est réalisée par deux dispositifs 21, 22 formant des flasques de fixation pour tous les tubes et qui sont remplis d'un gaz. Afin d'obtenir une réduction significative du bruit en basses fréquences, lié au transfert de l'énergie acoustique par l'huile diélectrique, on prévoit avantageusement de monter les tubes creux 20 dans la cuve 3 par l'intermédiaire de moyens de 15 découplage vibratoire. Deux variantes de réalisation de montage par le biais de moyens de découplage vibratoire sont montrées aux figures 6A et 6B : - les tubes creux 20 de la figure 6A sont 20 fixés par l'intermédiaire de plots 50 à un cadre rigide 6 agencé dans la cuve 3, - les tubes creux 20 de la figure 6B sont fixés par l'intermédiaire de lames flexibles 51 à un cadre rigide 6 agencé dans la cuve 3. Un tel montage 25 est avantageux dans la mesure où il permet de pouvoir manipuler des ensembles modulaires d'une pluralité de tubes 20 et donc simplifie la mise en place de la barrière acoustique dans la cuve de l'appareillage. Un avantage de monter la barrière 30 acoustique 2 sur un cadre de fixation 6 intermédiaire est la simplicité de mise en oeuvre. 10 13 Un autre mode de réalisation de la barrière acoustique 2 selon l'invention est montré en figure 7 : les tubes creux 20 sont ici cylindriques et fixés sur des rails 7 par l'intermédiaire d'accroches 52 en matériau compressible permettant de réaliser le découplage vibratoire entre tubes 20 et rails 7. Des essais acoustiques ont été effectués avec succès sur un transformateur de distribution de 160 kVA réalisé à échelle réduite avec une barrière acoustique passive selon l'invention. D'autres essais acoustiques ont été effectués avec succès sur un transformateur de puissance de 40 MVA réalisé à échelle industrielle avec une barrière acoustique passive selon l'invention. En figure 8, la courbe représente l'atténuation acoustique de la barrière 2 en dB selon l'invention en fonction des fréquences de bruit émise par la partie active par induction 4 : on voit clairement que la barrière acoustique 2 permet une atténuation efficace du bruit au-delà d'une fréquence de 100 Hz. D'autres améliorations et variantes de réalisation peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Ainsi, on peut envisager des tubes de différentes sections : carré, rectangulaire, cylindrique,.... On peut également envisager une mise en relation du volume intérieur des tubes avec un milieu 30 extérieur à la cuve du transformateur, ou bien un 14 milieu intérieur à la cuve de l'appareillage électrique, mais séparé du fluide diélectrique. Une barrière acoustique entourant partiellement l'intérieur d'une cuve d'appareillage HT ou MT peut être envisagée, en particulier dans le cas où la partie active par induction émet des ondes selon une direction privilégiée. Ainsi, on peut envisager d'implanter une barrière acoustique selon l'invention uniquement en regard des faces latérales de la cuve d'appareillage électrique. En fonction de l'architecture l'appareillage électrique, on pourra réaliser barrière acoustique cuve. En pratique, d'appareillages transformateurs on solution de diélectrique/fond de la cuve/air/caisson qui est satisfaisante pour l'atténuation des bruits vers le fond de la cuve. de la selon l'invention sur le fond de la dans les architectures actuelles électrique, tels que des peut tout à fait envisager une double cloisonnement fluide REVENDICATIONS1. Appareillage électrique haute ou moyenne tension (1) comprenant une partie active par induction, une cuve (3) entourant la partie active (4) et remplie d'un fluide diélectrique, tel que de l'huile, et des moyens de réduction acoustique (2, 20) des ondes provenant de la partie active et propagées dans le fluide diélectrique, caractérisé en ce que lesdits moyens de réduction acoustique sont adaptés pour diviser les ondes propagées en deux groupes d'ondes (01, 02) de phase opposée en interférence l'un avec l'autre dans une zone à distance des parois de la cuve de sorte à au moins limiter leur amplitude avant contact avec ces dernières. 2. Appareillage électrique (1) selon la revendication 1, dans lequel les moyens de réduction acoustique sont des moyens passifs. 3. Appareillage électrique (1) selon la revendication 2, dans lequel les moyens passifs de réduction acoustique sont des éléments structurels creux (20), étanches au fluide diélectrique, agencés en étant régulièrement espacés et en formant une barrière (2) à distance des parois de la cuve, l'espace entre deux éléments structurels adjacents étant adapté pour laisser passer une partie des ondes (01) provenant de la partie active et propagées dans le fluide sans introduire de déphasage en constituant ainsi l'un des deux groupes d'ondes, chaque élément structurel étant adapté pour être excité par sa face interne (200) par 16 l'autre partie (02) des ondes provenant de la partie active et propagées dans le fluide et réémettre l'autre groupe d'ondes en opposition de phase. 4. Appareillage électrique (1) selon la revendication 3, dans lequel les éléments structurels comprennent des tubes (20) à section intérieure constante sur leur hauteur, chaque tube étant fermé à chacune de ses extrémités par un dispositif étanche (20, 21). 5. Appareillage électrique (1) selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel les éléments structurels sont montés dans la cuve par l'intermédiaire de moyens de découplage vibratoire (50, 51, 52). 6. Appareillage électrique (1) selon la revendication 5, dans lequel les éléments structurels sont fixés par l'intermédiaire de moyens de découplage vibratoire à un cadre rigide (6) agencé dans la cuve. 7. Appareillage électrique selon l'une des revendications 3 à 6, dans lequel la surface des éléments structurels (20) est au moins égale aux deux tiers de la surface de la barrière (2). 8. Appareillage électrique selon l'une des revendications précédentes constituant un transformateur. 9. Appareillage électrique selon l'une des revendications 1 à 7, constituant une bobine d'inductance.