Brevet FR3045142A1 — publié le 20170616

SYSTÈME DE RÉCUPÉRATION D'ÉNERGIE THERMIQUE DISSIPÉE PAR UN TRANSFORMATEUR IMMERGÉ DANS UN LIQUIDE ISOLANT ET TRANSFORMATEUR ÉQUIPÉ D'UN TEL SYSTÈME 1. Domaine technique de l'invention L'invention concerne un système de récupération d'énergie thermique dissipée par un transformateur de puissance électrique immergé dans un liquide isolant. L'invention concerne également un transformateur immergé dans un liquide isolant équipé d'un tel système de récupération d'énergie thermique. 2. Arrière-plan technologique Les équipements électriques à haute tension, tels que les transformateurs sont généralement immergés dans un liquide isolant. Un tel transformateur immergé comprend en général une ou plusieurs cuves dans lesquelles sont logés les éléments électriques du transformateur (les enroulements primaires et secondaires, formés en général de bobines de cuivre, et les circuits magnétiques portant ces enroulements). Ces éléments électriques, aussi désignés par les termes de « parties actives » sont immergés dans un liquide isolant pour pouvoir être refroidis. Le liquide isolant est diélectrique et caloporteur. Ce dernier isole les parties actives entre elles et par rapport à la masse. Le liquide isolant assure également le refroidissement des parties actives du transformateur. Le liquide isolant est typiquement de l'huile minérale ou de l'huile de silicone. Les transformateurs immergés comprennent également un vase d'expansion. Ce vase d'expansion, agencé au-dessus des cuves, permet une variation du niveau de liquide isolant dans la cuve sans impacter la pression dans le transformateur ni découvrir les parties actives. En effet, le volume des liquides isolants varie en fonction de la température du liquide. Ainsi, lorsque la température augmente, le liquide isolant se dilate et la pression dans le transformateur augmente. A l'inverse, quand le transformateur se refroidit, le 3045142 2 liquide isolant se contracte, la pression dans le transformateur diminue. Un transformateur immergé comprend également en général des échangeurs de chaleur, du type radiateurs, qui sont reliés aux cuves par l'intermédiaire de tubulures permettant la circulation du liquide isolant entre les 5 cuves et les radiateurs externes. Ces radiateurs forment un système de refroidissement du transformateur. Un transformateur immergé produit de la chaleur par le biais des éléments électriques (bobines de cuivre, circuits magnétiques, connexions électriques) qui le composent. Cette énergie thermique dissipée par le transformateur résulte 10 notamment des pertes par effet Joule des bobines de cuivre, des pertes par courant de Foucault des conducteurs associés, des pertes des circuits magnétiques au niveau des bavures, des zones écrouies, etc. Cette énergie thermique dissipée par le transformateur, et de manière générale par tous types d'appareils électriques immergés dans un liquide isolant, 15 est une énergie perdue qui dégrade le rendement énergétique du transformateur. Il a été observé par les inventeurs que les pertes peuvent être importantes (de l'ordre de 100 à 200 kW) pour les transformateurs des motrices des véhicules roulants ferroviaires. Aussi, les inventeurs ont cherché à améliorer le rendement énergétique des 20 transformateurs par la mise en oeuvre d'un dispositif de récupération de l'énergie électrique dissipée par un transformateur immergé. 3. Objectifs de l'invention L'invention vise à fournir un système de récupération d'énergie thermique dissipée par un transformateur de puissance immergé dans un liquide isolant. 25 L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un système qui permet d'améliorer le rendement énergétique du transformateur de puissance immergé et de manière générale d'améliorer le rendement énergétique de toute chaine électrique comprenant ce transformateur de puissance immergé. L'invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de 30 réalisation de l'invention, un système qui permet de diminuer la consommation d'énergie de la chaine électrique comprenant un transformateur de puissance 3045142 3 immergé. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un système qui permet de réduire la sensibilité du transformateur de puissance immergé aux conditions atmosphériques dans le cas où ce 5 transformateur est utilisé en extérieur. L'invention vise également à fournir une motrice de véhicule ferroviaire équipée d'un système de récupération d'énergie thermique selon l'invention. 4. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention concerne un système de récupération d'énergie 10 thermique dissipée par un transformateur électrique immergé dans un liquide isolant diélectrique et comprenant des enroulements et des circuits magnétiques baignés dans ce liquide isolant et, au moins un élément de tuyauterie recevant ledit liquide isolant. Un système selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend : 15 au moins un film thermoélectrique flexible adapté pour être enroulé autour d'au moins un élément de tuyauterie, au moins une charge électrique reliée à ce(s) film(s) thermoélectrique(s) de manière à pouvoir être alimentée par une énergie électrique produite par ce(s) film(s) thermoélectrique(s) au 20 contact de cet(ces) élément(s) de tuyauterie lorsqu'il(s) dissipe(nt) de la chaleur. En d'autres termes, l'invention concerne un système de récupération d'énergie thermique destiné à équiper un transformateur immergé dans un liquide isolant diélectrique. Le système selon l'invention comprend au moins un film 25 thermoélectrique flexible adapté pour être enroulé autour d'un élément de tuyauterie du transformateur (par exemple une cuve du transformateur dans laquelle sont installés les enroulements et les circuits magnétiques et/ou une tubulure reliant une cuve à un organe annexe tel qu'un radiateur de refroidissement du transformateur) et au moins une charge électrique alimentée en 30 courant par le film thermoélectrique. Un film thermoélectrique est un film capable de transformer une énergie 3045142 4 calorifique en une énergie électrique. Aussi, les inventeurs ont eu l'idée d'utiliser un tel film thermoélectrique et de l'enrouler autour d'un élément de tuyauterie d'un transformateur immergé pour récupérer l'énergie dissipée par le transformateur et pour transformer cette énergie thermique en énergie électrique. 5 En effet, les parties actives du transformateur (enroulements et circuits magnétiques) s'échauffent lorsque le transformateur est en fonctionnement. Cet échauffement est capté par le liquide isolant dans lequel baignent les parties actives. Cette chaleur captée est naturellement transmise aux parois des éléments de tuyauterie qui reçoivent le liquide isolant. Aussi, les films thermoélectriques 10 enroulés autour de ces éléments de tuyauterie (cuves et/ou tubulures) captent la chaleur du liquide isolant, directement issue de la chaleur thermique dissipée par le transformateur. Cette chaleur est transformée en énergie électrique par les films thermoélectriques. De préférence, chaque élément de tuyauterie -notamment chaque cuve et chaque tubulure- est entouré d'un film thermoélectrique de 15 manière à pouvoir capter la chaleur dissipée aux différents endroits où cette dissipation se produit. En outre, les inventeurs ont imaginé récupérer cette énergie thermique dissipée pour la transformer en énergie électrique exploitable pour d'autres applications. Ainsi, le système selon l'invention permet l'alimentation d'une charge électrique directement à partir de l'énergie produite 20 par le(s) film(s) thermoplastique(s) enroulé(s) autour du(des) élément(s) de tuyauterie du transformateur. Un système selon l'invention permet donc d'améliorer le rendement du transformateur et de diminuer la consommation d'énergie de toute architecture mettant en oeuvre un système selon l'invention. Un système selon l'invention 25 permet également de limiter les phénomènes d'échauffement du transformateur en captant l'énergie thermique. En d'autres termes, un système selon l'invention fait office d'isolant thermique du transformateur. Cette fonctionnalité est particulièrement intéressante pour un transformateur installé en extérieur et soumis aux aléas des conditions climatiques, ce qui est notamment le cas pour 30 certains transformateurs montés sur la toiture des motrices de véhicule ferroviaire. Avantageusement, un système selon l'invention comprend au moins un 3045142 5 dispositif de stockage d'énergie électrique relié au(x)dit(s) film(s) thermoélectrique(s) de manière à pouvoir stocker l'énergie électrique produite par ce(s) film(s) thermoélectrique(s) en vue d'une utilisation ultérieure. Selon cette variante, l'énergie électrique produite par le système peut être 5 stockée dans une batterie de stockage ou un moyen équivalent. Cela permet de constituer une réserve d'énergie électrique utilisable lorsque nécessaire, soit pour alimenter une charge électrique du système lorsque le transformateur n'est pas en fonctionnement (il ne dissipe alors plus de chaleur et le système ne produit donc plus d'énergie électrique), soit pour alimenter un accessoire électrique annexe 10 ultérieurement. Avantageusement, un système selon l'invention comprend au moins un convertisseur électrique agencé entre le(s)dit(s) film(s) thermoélectrique(s) et ladite(lesdites) charge(s) électrique(s) de manière à pouvoir transformer l'énergie produite en une énergie électrique compatible avec ladite(lesdites) charge(s). 15 Selon cette variante, le système prévoit un convertisseur configuré pour adapter le courant délivré à une charge spécifique. Avantageusement, un système selon l'invention comprend une pluralité d'équipements auxiliaires alimentés en courant par l'énergie produite par le(s)dit(s) film(s) thermoélectrique(s). 20 Selon une variante avantageuse, ladite pluralité d'équipements auxiliaires comprend au moins des capteurs de surveillance du transformateur immergé. Selon cette variante, le système est autonome en énergie et la surveillance du transformateur est réalisée par le recours à des capteurs qui sont alimentés en courant par l'énergie électrique produite par le système de récupération. De tels 25 capteurs sont par exemple des capteurs de température du liquide isolant des cuves, des analyseurs du gaz présent dans le liquide isolant et de manière générale, tous types de capteurs permettant la surveillance des paramètres du transformateur. Avantageusement et selon l'invention, chaque cuve et chaque tubulure est 30 recouverte d'un film thermoélectrique flexible. Un système selon cette variante permet d'optimiser la récupération de 3045142 6 l'énergie thermique dissipée par le transformateur en recouvrant chaque élément de tuyauterie susceptible de s'échauffer lors du fonctionnement du transformateur par un film thermoélectrique. Avantageusement et selon l'invention, au moins un film thermoélectrique 5 flexible est un film de semi-conducteurs minces ou un film de cellules à effet Seebeck reliées entre elles. L'invention concerne également un transformateur électrique immergé dans un liquide isolant diélectrique comprenant au moins un élément de tuyauterie contenant un liquide isolant diélectrique susceptible de s'échauffer au contact 10 d'enroulements et de circuits magnétiques baignés dans ce liquide isolant, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un système de récupération d'énergie thermique selon l'invention. Avantageusement et selon l'invention, ledit élément de tuyauterie est une cuve dans laquelle sont logés lesdits enroulements et circuits magnétiques et/ou 15 une tubulure reliant cette cuve à un dispositif extérieur, du type radiateur de refroidissement. Les films thermoélectriques peuvent être enroulés sur chaque élément de tuyauterie du transformateur ou uniquement sur certains éléments (cuves et/ou tubulures) selon les applications visées et les charges à alimenter. 20 Avantageusement et selon l'invention, chaque élément de tuyauterie est recouvert d'un film thermoélectrique. L'invention concerne également une motrice de véhicule ferroviaire comprenant un transformateur immergé, caractérisée en ce qu'elle comprend un système de récupération d'énergie selon l'invention 25 L'invention concerne également un système de récupération d'énergie thermique dissipée par un transformateur électrique immergé et une motrice équipée d'un tel système de récupération d'énergie thermique caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. 30 5. Liste des figures D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la 3045142 7 lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est une vue schématique partiellement arrachée d'un transformateur immergé selon un mode de réalisation de l'invention 5 équipé d'un système de récupération d'énergie thermique selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une tubulure d'un transformateur immergé selon un mode de réalisation de l'invention recouvert d'un film thermoélectrique d'un système de récupération 10 de chaleur thermique selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 3 est une vue schématique d'un système de récupération de chaleur thermique selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 4 est une vue schématique d'un système de récupération thermique selon un mode de réalisation de l'invention. 15 6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté. Dans toute la description détaillée qui suit en référence aux figures, sauf indication contraire, chaque élément du système de récupération d'énergie thermique est décrit tel qu'il est 20 lorsqu'il est installé sur un transformateur de puissance immergé et que ce dernier est en fonctionnement et dissipe de la chaleur. Les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures. Un transformateur 10 selon un mode de réalisation de l'invention équipé 25 d'un système de récupération d'énergie thermique selon un mode de réalisation de l'invention est représenté schématiquement sur la figure 1. Un tel transformateur 10 comprend une cuve 11 étanche dans laquelle sont logés des enroulements 12 et des circuits 13 magnétiques. Ces éléments sont visibles sur la figure 1 à travers la portion arrachée de la cuve, étant entendu que cette portion arrachée n'est 30 représentée qu'à des fins d'illustration des éléments logés dans la cuve et qu'elle n'a pas d'existence réelle. Cette cuve 11 contient en outre un liquide diélectrique 3045142 8 isolant, qui est par exemple une huile siliconée ou un ester carboxylique. Le transformateur comprend également une tubulure 18 reliant la cuve 11 à un organe externe, tel qu'un radiateur de refroidissement par exemple (non représenté sur les figures). 5 Le transformateur 10 est équipé d'un système de récupération d'énergie thermique selon l'invention. Ce système comprend un film 20 thermoélectrique flexible enroulé autour de la cuve 11 et une charge 21 électrique reliée au film 20 thermoélectrique par l'intermédiaire de conducteurs 22 électriques. Le film 20 thermoélectrique peut être de tous types. Il peut par exemple être formé par une 10 couche de semi-conducteurs La figure 2 illustre le principe de la récupération d'énergie thermique au niveau d'un élément 19 de tuyauterie. Cet élément 19 de tuyauterie peut être la cuve 11 de la figure 1 ou la tubulure 18 de la figure 1 reliée à la cuve 11. Un film 20 thermoélectrique est enroulé autour de cet élément 19 de tuyauterie. Le liquide 15 isolant, schématiquement représenté par des points référencés 28 sur la figure 2, est contenu à l'intérieur de cet élément 19 de tuyauterie et capte la chaleur dégagée par les parties actives du transformateur. Sur la figure 2, les parties actives ne sont pas représentées. Dans le cas où l'élément 19 de tuyauterie est la cuve 11 de la figure 1, les parties actives sont directement logées dans l'élément 20 de tuyauterie et le liquide isolant contenu dans cet élément est donc directement chauffé par les parties actives. Dans le cas où l'élément de tuyauterie est une tubulure du transformateur, le liquide isolant de la tubulure est chauffé par conduction de la chaleur captée par le liquide isolant présent dans la cuve et transmise à l'ensemble du circuit de liquide. 25 La chaleur captée par le liquide isolant (soit directement dans le cas de la cuve, soit indirectement dans le cas d'une tubulure) est naturellement transmise aux parois 24 de l'élément 19 de tuyauterie. La chaleur captée par les parois 24 est transmise au film 20 thermoélectrique. Le film transforme la chaleur en énergie électrique et cette dernière peut donc alimenter la charge 21. 30 De préférence, on utilise un film 20 thermoélectrique capable de produire de l'énergie électrique à partir de faibles différences de température. Un tel film 3045142 9 peut par exemple consister en une couche de semi-conducteurs, de cellules Seebeck reliées entre elles ou de tout matériau équivalent capable de produire de l'énergie électrique à partir d'une différence de température. La figure 3 représente un système selon un mode de réalisation de 5 l'invention comprenant un transformateur 10 entouré d'un film 20 thermoélectrique. Cette représentation est schématique et en pratique seules les cuves et/ou les tubulures sont entourées de film thermoélectrique comme expliqué en lien avec les figures 1 et 2. Le système de la figure 3 comprend en outre une batterie 30 de stockage 10 de l'énergie électrique produite par le film 20 thermoélectrique. Cette batterie 30 est elle-même reliée à une charge 21. Le système comprend également un boitier de commutation 32 configuré pour conduire l'énergie électrique produite par le film 20 thermoélectrique soit vers la batterie 30 de stockage, soit directement vers la charge 21 consommatrice d'énergie électrique. 15 En outre, le système comprend des équipements 34 auxiliaires alimentés par le film 20 thermoélectrique. Ces équipements sont par exemple des capteurs de surveillance du transformateur 10 immergé. La figure 4 est une vue d'un système selon un autre mode de réalisation de l'invention comprenant un transformateur 10 immergé entouré d'un film 20 20 thermoélectrique capable de capter l'énergie thermique dissipée par le transformateur au niveau des parois de la cuve 11 et/ou des tubulures 18 reliées à la cuve. L'énergie produite par le film 20 thermoélectrique alimente une batterie 30 qui alimente elle-même divers capteurs 34a, 34b, 34c de surveillance du transformateur 10 immergé. 25 REVENDICATIONS1. Système de récupération d'énergie thermique dissipée par un transformateur (10) électrique immergé dans un liquide (28) isolant diélectrique et comprenant des enroulements (12) et des circuits (13) magnétiques baignés dans ce liquide isolant et, au moins un élément (11, 18, 19) de tuyauterie recevant ledit liquide isolant, caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un film (20) thermoélectrique flexible adapté pour être enroulé autour d'au moins un élément (11, 18, 19) de tuyauterie, - au moins une charge (21) électrique reliée à ce(s) film(s) (20) thermoélectrique(s) de manière à pouvoir être alimentée par une énergie électrique produite par ce(s) film(s) (20) thermoélectrique(s) au contact de cet(ces) élément(s) (11, 18, 19) de tuyauterie lorsqu'il(s) dissipe(nt) de la chaleur. 2. Système de récupération selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif (30) de stockage d'énergie électrique relié au(x)dit(s) film(s) (20) thermoélectrique(s) de manière à pouvoir stocker l'énergie électrique produite par ce(s) film(s) (20) thermoélectrique(s) en vue d'une utilisation ultérieure. 3. Système de récupération selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un convertisseur électrique agencé entre le(s)dit(s) film(s) (20) thermoélectrique(s) et ladite(lesdites) charge(s) (21) électrique(s) de manière à pouvoir transformer l'énergie produite en une énergie électrique compatible avec ladite(lesdites) charge(s). 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité d'équipements (34) auxiliaires alimentés en courant par l'énergie produite par le(s)dit(s) film(s) thermoélectrique(s). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite pluralité 30 d'équipements auxiliaires comprend au moins des capteurs (34a, 34b, 34c) de surveillance du transformateur immergé. 3045142 11 6. Système de récupération selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'au moins un film (20) thermoélectrique flexible est un film de semiconducteurs minces ou un film de cellules à effet Seebeck reliées entre elles. 7. Transformateur électrique immergé comprenant au moins un élément (18, 5 19, 11) de tuyauterie contenant un liquide isolant diélectrique susceptible de s'échauffer au contact d'enroulements (12) et de circuits (13) magnétiques baignés dans ce liquide isolant, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un système de récupération d'énergie thermique selon l'une des revendications 1 à 6. 8. Transformateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit 10 élément de tuyauterie est une cuve (11) dans laquelle sont logés lesdits enroulements (12) et circuits (13) magnétiques et/ou une tubulure (18) reliant cette cuve (11) à un dispositif extérieur, du type radiateur de refroidissement. 9. Transformateur selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que chaque élément de tuyauterie est recouvert d'un film thermoélectrique. 15 10. Motrice de véhicule ferroviaire, caractérisée en ce qu'elle comprend un transformateur immergé selon l'une des revendications 7 à 9. 20 2530