Brevet FR3023962A1 — publié le 20160122

« Transformateur électrique immergé sous vide » Domaine technique La présente invention concerne un transformateur électrique immergé dans un diélectrique. Le domaine de la présente invention est le domaine des transformateurs électriques, et plus particulièrement les transformateurs immergés dans un liquide isolant ou un diélectrique liquide. Etat de la technique antérieure De manière connue, les « transformateurs immergés » sont des équipements électrotechniques aptes à modifier la valeur d'une tension et d'une intensité, composés d'au moins un enroulement électrique et d'un circuit magnétique immergés dans un diélectrique liquide. Plus particulièrement, ils sont utilisés notamment pour abaisser ou élever la tension, réaliser une isolation galvanique ou filtrer un courant électrique. Les transformateurs immergés sont constitués en règle générale : d'au moins une cuve pouvant contenir les éléments suivants : o les parties actives comprenant les enroulements électriques et les circuits magnétiques, o un isolant liquide circulant dans les parties actives afin d'isoler les conducteurs entre eux et par rapport à la masse d'une part, et dissiper la chaleur produite par les enroulements et le circuit magnétique (effet Joule, énergie réactive...) d'autre part, o un vase d'expansion qui permet la dilatation de l'isolant liquide quand celui-ci s'échauffe suite à la dissipation de chaleur. - d'un système de réfrigération pour abaisser la température de la cuve et des éléments électromagnétiques. - 2 - - de soupape de surpression, sondes de température, d'indicateur de circulation d'huile, de vannes et niveau de diélectrique liquide afin de contrôler le bon fonctionnement dudit transformateur. Les transformateurs immergés sont soit ouverts soit scellés. Les transformateurs immergés ouverts comprennent, en plus des éléments cités plus haut, un assécheur d'air qui rejette l'air du vase d'expansion lors de la dilatation de l'isolant liquide. Or, ces transformateurs souffrent d'un inconvénient majeur qui est le vieillissement et la dégradation des performances des isolants liquides, à cause notamment de l'effet des variations de la température, du contact de l'air ambiant et de l'humidité. Les transformateurs immergés et scellés comprennent en plus des éléments cités plus haut une membrane souple, qui a pour fonction d'empêcher le contact entre l'air ambiant (chargé d'humidité) et l'isolant liquide. La membrane souple permet ainsi de ralentir le vieillissement de l'isolant liquide et de prolonger la durée de vie du transformateur immergé. Un inconvénient associé à l'utilisation d'une membrane souple dans un transformateur immergé provient de la difficulté à contrôler le niveau de l'isolant liquide, ladite membrane ne permettant pas d'en faire une lecture directe. Un autre inconvénient est lié au coût important attaché à l'utilisation et l'intégration d'une membrane souple dans le vase d'expansion. Plus particulièrement, lors du remplissage sous vide du vase d'expansion avec le diélectrique liquide, il est nécessaire de brider la membrane souple afin de ne pas l'endommager. Il existe aussi un risque non nul d'oublier d'enlever ledit bridage une fois l'opération de remplissage réalisée, pouvant alors entrainer de gros dégâts sur le transformateur. Enfin, et plus singulièrement, les membranes souples de type élastomère deviennent poreuses en vieillissant et ne remplissent plus leur rôle ; les membranes à soufflet métallique - quant à elles - peuvent se fissurer au niveau des plis qui forment le soufflet sous l'effet d'une fatigue mécanique et des vibrations. - 3 - La présente invention a pour objet de répondre au moins en grande partie aux problèmes précédents et de conduire en outre à d'autres avantages. Un autre but de l'invention est de réduire les coûts de fabrication d'un transformateur électrique immergé. Un autre but de l'invention est de proposer un transformateur électrique dont les étapes d'assemblage sont plus simples à réaliser. Un autre but de l'invention est d'améliorer la durabilité d'un transformateur électrique immergé, notamment au regard des effets de porosité et de fatigue mécanique. Un autre but de l'invention est de proposer un transformateur électrique immergé sur lequel la lecture du niveau du liquide isolant est facilitée. Exposé de l'invention On atteint au moins l'un des objectifs précités avec un transformateur électrique immergé composé d'au moins une cuve comprenant : - au moins un moyen de transformation électrique, - un isolant liquide apte à isoler électriquement ledit moyen de transformation électrique et dissiper la chaleur produite par ledit moyen de transformation électrique, et - un vase d'expansion dudit isolant liquide lorsque celui-ci s'échauffe ; caractérisé en ce que ledit vase d'expansion est étanche et apte à former récipient pour l'isolant liquide. Ainsi, le transformateur électrique selon l'invention ne comprend pas de membrane d'étanchéité. A la place, l'invention propose de rendre étanche le vase d'expansion du liquide isolant. - 4 - De cette manière, les opérations de remplissage sont facilitées : il n'y a plus de membrane souple dans laquelle verser l'isolant liquide. L'isolant liquide est versé directement à l'intérieur de la cuve et du vase d'expansion sans bridage -en laissant un volume suffisant afin de permettre la libre dilatation de l'isolant liquide à l'intérieur du vase de dilatation. Les coûts de fabrication et de maintenance sont réduits. De plus, le transformateur électrique selon l'invention ne comprenant plus de membrane, souple ou rigide, les inconvénients liés à une telle membrane, et plus particulièrement à la fatigue mécanique ou à la porosité 10 de la membrane, sont supprimés. Selon l'invention, l'au moins un moyen de transformation électrique peut comprendre des parties actives, et en particulier au moins un enroulement électrique et au moins un circuit magnétique. Avantageusement, le transformateur selon l'invention peut 15 comprendre une zone transparente, par exemple réalisée en un matériau translucide tel que le plexiglas® laissant un accès visuel à l'intérieur dudit vase d'expansion, en particulier pour lire le niveau de l'isolant dans ledit vase d'expansion. Ainsi, la lecture du niveau de l'isolant liquide est facilitée et plus 20 précise car il est possible d'avoir un accès visuel directement à l'isolant liquide. Suivant une caractéristique avantageuse, la zone transparente peut comporter au moins un moyen de mesure, tel qu'une graduation, du niveau de l'isolant liquide. 25 Selon l'invention, le transformateur électrique immergé peut comprendre en outre un moyen de réfrigération agencé pour abaisser la température de la cuve et/ou de l'isolant liquide. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le transformateur électrique immergé peut comprendre en outre un dispositif 30 agencé pour faire circuler l'isolant liquide dans la cuve. - 5 - II peut s'agir par exemple d'une pompe afin de faciliter les échanges calorifiques et l'homogénéisation de l'isolant liquide au sein de la cuve et du vase d'expansion. Suivant une première version du transformateur selon l'invention, le vase d'expansion peut être au moins partiellement rempli d'un gaz inerte ou d'air ambiant, en particulier préalablement déshumidifié. Suivant une version alternative du transformateur selon l'invention, particulièrement préférée, un vide relatif peut être réalisé dans le vase d'expansion afin de permettre la libre dilatation de l'isolant liquide dans le vase d'expansion. Dans cette version alternative, les contraintes mécaniques du vase d'expansion induites par les successions de dilatation et de contraction de l'isolant thermique sont fortement réduites. Il en résulte une réduction des effets de vieillissement liés à la fatigue mécanique dudit vase d'expansion. Dans cette version alternative, le transformateur électrique immergé peut comprendre en outre au moins une vanne de tirage apte à faire le vide dans le vase d'expansion. Toujours avantageusement, le vase d'expansion peut comprendre en outre au moins un renfort pour renforcer les parois du vase d'expansion afin d'augmenter la résistance mécanique du vase d'expansion pour faire face aux différences de pression entre l'intérieur du vase d'expansion et le milieu extérieur. Description des figures et modes de réalisation D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d'une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatifs en référence aux dessins schématiques annexés d'autre part, sur lesquels : - La figure 1 représente un transformateur électrique immergé selon l'invention, pour lequel l'isolant liquide est à un niveau bas. - 6 - - La figure 2 représente un transformateur électrique immergé selon l'invention, pour lequel l'isolant liquide est à un niveau haut. - La figure 3 représente le renfort du vase d'expansion par une vue de coupe de la figure 1 selon la ligne A-A. Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence. Dans la suite, certains équipements du transformateur électrique immergé - biens connus de l'homme du métier - ne sont pas représentés sur les figures. Il s'agit par exemple de l'indicateur de circulation d'huile, de la soupape de sécurité, des sondes de températures, des bornes ou encore des enroulements électriques et des circuits magnétiques de la partie active du transformateur. Par ailleurs, ces modes de réalisation étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite de manière isolée (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant d'autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, et/ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou à différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s'oppose à cette combinaison sur le plan technique. Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence. Les figures 1 et 2 représentent un transformateur électrique immergé 100 selon l'invention selon deux configurations différentes. - 7 - Le transformateur électrique immergé 100 selon l'invention comprend une cuve 102 communicant avec un vase d'expansion 104 sur le dessus au travers d'une ouverture 106 sur sa partie supérieure. La cuve 102 comprend les moyens de transformation électrique 108 du transformateur 100, à savoir les parties actives qui sont constituées d'au moins un enroulement électrique et d'au moins un circuit magnétique non représentés ici. La cuve 102 comprend en outre un isolant liquide 110 qui peut être de nature variée. De manière préférentielle, l'isolant liquide 110 recouvre entièrement la partie active 108. Il s'agit généralement d'un diélectrique du type huile minérale, huile silicone ou huile végétale par exemple, l'invention ne se limitant pas à un type particulier de diélectrique liquide. Le niveau de l'isolant liquide 110 dans le vase d'expansion 104 change en fonction de la température de l'isolant liquide. Le vase d'expansion 104 comporte une paroi 112 transparente laissant accès directement au niveau de l'isolant liquide dans le vase d'expansion. Cette paroi transparente 112 est munie d'une graduation (non représentée) permettant de lire le niveau de l'isolant liquide 110 dans le vase d'expansion 104. De plus, le vase d'expansion 104 comporte une vanne 114 permettant de réaliser le tirage à vide du vase d'expansion avec un dispositif adéquat de type pompe à vide. Le vase d'expansion est également muni de deux parois de renfort 116 et 118 qui augmentent la résistance mécanique du vase d'expansion 104. Enfin, le transformateur 100 représenté sur les FIGURES 1 et 2 comprend un moyen 120 de refroidissement de l'isolant liquide et une pompe 122 faisant circuler l'isolant liquide entre la cuve 102 et le moyen de refroidissement 120. La figure 1 représente le transformateur électrique immergé 100 pour 30 lequel l'échauffement n'induit pas une dilatation trop importante du - 8 - diélectrique liquide 110 qui se trouve à un niveau bas 124. La figure 2 représente quant à elle un transformateur électrique immergé 100 selon l'invention dans lequel le diélectrique liquide 110 est à une température plus élevée et par conséquent à un niveau haut 202. Les dimensions de la cuve 102 et du vase d'expansion 104 sont telles que les quantités d'isolant électrique versées lors de l'assemblage du transformateur 100 ne permettent pas nécessairement de remplir entièrement ce volume. De fait, lorsque la partie active 108 du transformateur 100 ne dissipe pas de chaleur, ou durant l'assemblage du transformateur 100, le niveau 124 atteint par le diélectrique liquide 110 se situe dans la partie inférieure du vase d'expansion 104 tel que représenté sur la FIGURE 1. En revanche, lorsque le transformateur immergé 100 est mis en service, la partie active 108 produit des calories qui sont transférées au diélectrique liquide 110. Ce dernier se dilate et remplit un volume plus important : le niveau du diélectrique liquide 110 augmente dans le vase d'expansion 104 et atteint le niveau haut 202 représenté sur la FIGURE 2. Contrairement à l'art antérieur, le diélectrique liquide 110 se dilate et se contracte - selon la température - directement dans le vase d'expansion 104 qui forme alors un récipient : le diélectrique liquide 110 remplit un volume variable de ce dernier à une hauteur qui est variable en fonction de la température de l'isolant liquide 110, et directement lisible depuis la paroi transparente 112 du vase d'expansion. Le vase d'expansion 104 et la cuve 102 sont étanches. Le vase d'expansion est sous un vide de quelques millibars, selon les configurations et les puissances électriques envisagées. Selon une version alternative, non représentée, le volume de la partie supérieure du vase d'expansion 104 qui n'est pas occupé par le diélectrique liquide 110 peut être complété par un gaz inerte quelconque (hélium, néon...) ou de l'air ambiant. Le remplissage en gaz inerte ou en air ambiant est réalisé préférentiellement par le biais de la vanne 114. - 9 - Le remplissage de la cuve 102 et du vase d'expansion 104 en isolant liquide 110 se fait selon des méthodes identiques à celles connues dans l'art antérieur ; il n'y a donc pas de complication supplémentaire ou de surcoût associé à la présente invention. Le vide est conservé même après le remplissage et la déconnexion de l'appareil de remplissage ou de traitement du transformateur immergé. Dans le transformateur 100, la lecture et/ou la mesure de l'isolant liquide 110 se fait de manière directe par le biais de la paroi transparente 112, c'est-à-dire que l'isolant liquide 110 - en tant que tel - est directement visible ou accessible. Autrement dit, l'opérateur qui regarde au travers de la paroi transparente 112 est en mesure d'observer directement le diélectrique liquide 110 et le niveau 124 ou 202 qu'il atteint dans le vase d'expansion 104. Le moyen de refroidissement ou de réfrigération 120 assure les échanges calorifiques et favorise le refroidissement du diélectrique liquide 110 à l'intérieur du transformateur immergé 100. Il est associé à la pompe 122 qui est apte à faire circuler ledit diélectrique liquide 110 à l'intérieur de la cuve 102 et du vase d'expansion 104. Le diélectrique liquide 110 qui est aspiré par la pompe 122 est ensuite acheminé vers le moyen de réfrigération 120 qui, à l'aide d'un système de ventilation, extrait les calories de l'isolant liquide 110 qui est ensuite réacheminé vers la cuve 102. Les parois de renfort 116 et 118 peuvent être de forme et de conception variées et sont aptes à empêcher le vase d'expansion 104 de se déformer ou de ne plus être étanche le cas échéant. Elles prennent la forme par exemple de tôles de renforts afin de supporter la pression exercée sur la face supérieure du vase d'expansion 104. Le rappel de charge est alors assuré par un piètement sur la partie supérieure ajourée de la cuve 102. La FIGURE 3 illustre une des parois de renfort, par exemple la paroi de renfort 116 des FIGURES 1 et 2 selon la ligne A-A, dans la configuration de la FIGURE 1. - 10 - La paroi de renfort 116 représentée sur la FIGURE 3 est une tôle de renfort formant une structure rigide et creuse. La paroi renfort 116 est au moins partiellement ajourée par le biais d'une large ouverture 302 pratiquée à la base de celle-ci et permettant au diélectrique liquide 110 de communiquer entre les différents compartiments du vase d'expansion 104. La forme, le nombre et les dimensions de l'ouverture de communication 302 telle qu'illustrée sur la FIGURE 3 ne constituent pas une limitation de l'invention revendiquée. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être 10 décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Transformateur électrique immergé (100) composé d'au moins une cuve (104) comprenant : - au moins un moyen de transformation électrique (108), - un isolant liquide (110) apte à isoler électriquement ledit moyen de transformation électrique (108) et dissiper la chaleur produite par ledit moyen de transformation électrique (108), - un vase d'expansion (104) dudit isolant liquide (110) lorsque celui-ci s'échauffe ; caractérisé en ce que ledit vase d'expansion (104) est étanche et apte à former récipient pour l'isolant liquide (110). 2. Transformateur (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le vase d'expansion (104) comprend une zone transparente (112), par exemple réalisée en un matériau translucide, laissant un accès visuel à l'intérieur dudit vase d'expansion (104), en particulier pour lire le niveau de l'isolant liquide (110) dans ledit vase d'expansion (104). 3. Transformateur (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite zone transparente (112) comporte un moyen de mesure du niveau de l'isolant liquide (110). 4. Transformateur (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de réfrigération (120) agencé pour abaisser la température de la cuve (102) et/ou de l'isolant liquide (110). 5. Transformateur (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen (122) agencé pour faire circuler l'isolant liquide (110) dans la cuve (102).-12- 6. Transformateur (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le vase d'expansion (104) est au moins partiellement rempli d'un gaz inerte ou d'air ambiant. 7. Transformateur (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce le vase d'expansion (104) est sous vide. 8.Transformateur (100) selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une vanne de tirage (114) apte à faire le vide dans le vase d'expansion (104). 9. Transformateur (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le vase d'expansion (104) comprend en outre au moins un renfort (116,118)) renforçant au moins une paroi du vase d'expansion (104).