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EP1052659B1 - Transformateur MT/BT à isolement sec, à champ électrique linéairement réparti, pour la distribution de l'énergie électrique en milieu rural - Google Patents

Transformateur MT/BT à isolement sec, à champ électrique linéairement réparti, pour la distribution de l'énergie électrique en milieu rural Download PDF

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Publication number
EP1052659B1
EP1052659B1 EP00401081A EP00401081A EP1052659B1 EP 1052659 B1 EP1052659 B1 EP 1052659B1 EP 00401081 A EP00401081 A EP 00401081A EP 00401081 A EP00401081 A EP 00401081A EP 1052659 B1 EP1052659 B1 EP 1052659B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
transformer
distribution
cylinder
layer
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00401081A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1052659A1 (fr
Inventor
Philippe Trifigny
Jean-Francis Faltermeier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Societe Nouvelle Transfix Toulon SA
Original Assignee
Societe Nouvelle Transfix Toulon SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Societe Nouvelle Transfix Toulon SA filed Critical Societe Nouvelle Transfix Toulon SA
Publication of EP1052659A1 publication Critical patent/EP1052659A1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/324—Insulation between coil and core, between different winding sections, around the coil; Other insulation structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/288—Shielding

Definitions

  • the present invention relates to a single phase or polyphase electrically insulated MV / LV transformer with dry insulation for indoor or outdoor installation for the distribution of electrical energy.
  • dry isolation transformers allow the operator to overcome the constraints related to the protection of the environment and imposed by the presence of a dielectric liquid such as a mineral oil which, although generally not particularly toxic, nevertheless implies a means of retention in the event of a leak to prevent any accidental spreading which could pollute the runoff water, the water table, etc.
  • this retention means is difficult to envisage for a transformer intended for an outdoor installation, as is the case for distribution transformers installed at the top of the pole for example.
  • Dry-insulated MV / LV transformers are widely used in the distribution of electrical energy. Nevertheless, the technologies generally used, on the one hand, do not make it possible to produce devices at comparable costs to those of liquid dielectric transformers, in particular in powers of less than or equal to 250 kVA, and, on the other hand, do not allow a outdoor installation. As a result, the user of a dry type transformer is forced to place the device in a weather protection envelope, which increases the cost of the installation.
  • known dry insulated MV / LV transformers generally include encapsulation of the MV winding with a thermosetting resin, such as an epoxy resin.
  • a thermosetting resin such as an epoxy resin.
  • Other solutions may also be considered: the FR-A-2,637,729 (No. 88 13 180, patent TRANSFIX) has one of them, particularly suitable for the realization of power transformers used indoors.
  • the electric field is not directed, which on the one hand, leads to relatively large dielectric distances, and on the other hand, is incompatible with external and polluted environments.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of the cited prior art by means of a dry isolation transformer of simple design and low cost.
  • the transformer according to the invention is characterized in that it comprises for each of its phases an insulating cylinder located between the winding BT and the winding MT, and in that this cylinder is coated on its inner surface with a conductive or semiconductor layer brought to the potential of the earth, and on its outer surface of a layer of RLT linear voltage distribution conductor material, on which is wound locally the MV winding.
  • the MV winding of the transformer according to the invention has a wafer structure of small width, consisting of a superposition of layers of turns, and connected in series, so that the distribution of the potential in said winding is of type axial.
  • the figure 1 represents a three-phase dry-insulated MV / LV electric transformer for indoor or outdoor installation for the distribution of electrical energy.
  • a winding BT 2 around a magnetic circuit 1, is placed a winding BT 2 and, positioned concentrically to this winding 2, an insulating cylinder 3 having on its surface a conductive or semiconducting layer 4 connected to the earth potential, and on its outer surface, a layer of semiconductor material designated RLT, the function of which is to ensure a linear distribution of the voltage over the entire length. of the insulating cylinder.
  • An MT winding 6 is positioned directly on the layer of material RLT and covers the central portion. This winding has the particularity of being realized so that the evolution of the potential between the various turns that constitute it is done in a preferred way in the axial direction.
  • the insulating cylinder 3 is made of a material with high dielectric characteristics and obtained by molding, extrusion or any other method making it possible to obtain a cylinder that is free of vacuoles and perfectly homogeneous.
  • This material may be a thermoplastic material, such as polyethylene used in the manufacture of high voltage cables, or an elastomer, silicone or EPDM for example.
  • the conductive or semi-conductive layer 4 can be obtained by spraying a synthetic material loaded with a metal powder onto the inside diameter of the insulating tube 3.
  • the semiconductor materials whose permittivity and resistivity vary according to the field Electrical are known and used in electrical engineering for the realization of high voltage cable accessories, and more particularly in the manufacture of retractable ends that equip these cables.
  • linear voltage divider (RLT) materials generally consist of one or more oxides, such as silicon carbide, mixed with a resin or putty.
  • the layer 5 of material RLT can be obtained by the winding of a sheet, the winding of a ribbon, or the shrinkage of a pre-molded tube on the outside diameter of the insulating cylinder 3.
  • the winding MT 6 consists of wafers 7 of small width, interconnected in series. Each of these slabs consists of superimposed layers of turns 9, made from a wire of conductive material 8 of circular section coated with an insulating varnish.
  • the winding MT is obtained using a ribbon 10 of bare conductive material of rectangular section, the material used being chosen for its ductility.
  • This conductive strip 10 is wound on the field and associated with an insulating film 11 of small thickness.
  • the shape of the electric field resulting from this design mode corresponds to the case of a three-phase transformer whose MT windings 6 are coupled in a triangle, as is presented on the figure 3 .
  • the radial electric field situated between the winding MT 6 and the winding BT 2 is completely contained in the insulating cylinder 3, between the layer 4 connected to the earth potential and the RLT layer 5.
  • the axial field is distributed on the one hand over the entire axial length of the winding MT 6, and secondly at the ends of the insulating cylinder 3 not covered by the winding MT 6, but nevertheless covered with the layer 5 of material RLT .
  • the field electrical radiating in the air is distributed homogeneously and remains small enough to exclude any risk of partial discharges or bypassing by an electric arc.
  • the transformer is entirely coated with a layer 12 of synthetic material having good resistance to ultraviolet radiation, electrical pathways, and transverse electrical constraints that could lead to perforation of said coating.
  • a layer 12 of synthetic material having good resistance to ultraviolet radiation, electrical pathways, and transverse electrical constraints that could lead to perforation of said coating.
  • This can be obtained for example by dipping the transformer in a bath, or by spraying with a pneumatic gun, a synthetic material having the desired characteristics. In this way is also provided the protection against corrosion of the mechanical parts and the filling of existing gaps between the different parts of the device.
  • the figure 4 presents the transformer described in figure 1 and provided with its coating 12.
  • the figure 5 presents a variant whose interest is to lengthen the tracking distance in the areas where the electric field radiating in the air is the most dense, and which correspond to the ends of the insulating cylinder not covered by the winding MT.
  • rings 13 of insulating material are evenly distributed on the insulating cylinder (13).
  • the coating 12 applied to the entire transformer tightens the contact area between the rings 13 and the layer 5 of material RLT and thus performs skirts identical to those that would comprise an electrical insulator.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Insulating Of Coils (AREA)
  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)
  • Organic Insulating Materials (AREA)

Description

  • La présente invention concerne un transformateur électrique MT/BT monophasé ou polyphasé à isolement sec destiné à une installation en intérieur ou en extérieur pour la distribution de l'énergie électrique.
  • Contrairement aux autres appareils généralement utilisés pour la distribution de l'énergie électrique en extérieur, les transformateurs à isolement sec permettent à l'exploitant de s'affranchir des contraintes liées à la protection de l'environnement et imposées par la présence d'un diélectrique liquide tel qu'une huile minérale qui, bien que ne présentant généralement pas de toxicité particulière, implique néanmoins un,moyen de rétention en cas de fuite pour éviter tout épandage accidentel qui pourrait polluer les eaux de ruissellement, la nappe phréatique, etc. Or, ce moyen de rétention est difficilement envisageable pour un transformateur destiné à une installation en extérieur, comme c'est le cas des transformateurs de distribution installés en haut de poteau par exemple.
  • Les transformateurs MT/BT à isolement sec sont largement utilisés dans la distribution de l'énergie électrique. Néanmoins, les technologies généralement employées, d'une part ne permettent pas de réaliser des appareils à des coûts comparables à ceux des transformateurs à diélectrique liquide, notamment dans les puissances inférieures ou égales à 250kVA, et, d'autre part ne permettent pas une installation en extérieur. En conséquence, l'utilisateur d'un transformateur de type sec est contraint de placer l'appareil dans une enveloppe de protection contre les intempéries, ce qui accentue le surcoût de l'installation.
  • En outre, les transformateurs MT/BT à isolement sec connus comportent généralement un encapsulage de l'enroulement MT à l'aide d'une résine thermodurcissable, telle qu'une résine époxyde. D'autres solutions peuvent également être envisagées : le brevet FR-A-2 637 729 (n°88 13 180, brevet TRANSFIX) présente l'une d'elles, particulièrement adaptée à la réalisation de transformateurs de puissance utilisés en intérieur. Néanmoins, pour toutes ces technologies, le champ électrique n'est pas dirigé, ce qui d'une part, conduit à des distances diélectriques relativement importantes, et d'autre part, est incompatible avec les ambiances extérieures et polluées.
  • Le but de l'invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur cité au moyen d'un transformateur à isolement sec de conception simple et de faible coût.
  • Le transformateur selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte pour chacune de ses phases un cylindre isolant situé entre l'enroulement BT et l'enroulement MT, et en ce que ce cylindre est revêtu sur sa surface intérieure d'une couche conductrice ou semi-conductrice portée au potentiel de la terre, et sur sa surface extérieure d'une couche en matériau conducteur répartiteur linéaire de tension RLT, sur laquelle est bobiné localement l'enroulement MT.
  • Grâce à cette structure, on réalise une isolation présentant un champ électrique ouvert mais néanmoins répartie de façon homogène dans les zones sensibles où il rayonne dans l'air ambiant.
  • Préférentiellement, l'enroulement MT du transformateur selon l'invention présente une structure en galettes de faible largeur, constituées d'une superposition de couches de spires, et raccordées en série, de telle manière que la répartition du potentiel dans ledit enroulement soit de type axial.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, prise à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles :
    • La figure 1 représente une coupe verticale d'un premier mode de réalisation d'un transformateur conforme à l'invention,
    • la figure 2 représente une coupe verticale d'un deuxième mode de réalisation d'un transformateur conforme à l'invention,
    • la figure 3 représente un exemple de couplage des enroulements d'un transformateur triphasé conforme à l'invention,
    • la figure 4 représente schématiquement une variante du transformateur représenté à la figure 1.
    • la figure 5 représente schématiquement une deuxième variante du transformateur représenté à la figure 1.
  • La figure 1 représente un transformateur électrique MT/BT triphasé à isolement sec destiné à une installation en intérieur ou en extérieur pour la distribution de l'énergie électrique.
  • Comme on peut le voir sur cette figure, autour d'un circuit magnétique 1, est placé un enroulement BT 2 et, positionné de manière concentrique à cet enroulement 2, un cylindre isolant 3 présentant sur sa surface intérieure une couche conductrice ou semi-conductrice 4 reliée au potentiel de la terre, et sur sa surface extérieure, une couche de matériau semi-conducteur 5 désigné RLT, dont la fonction est d'assurer une répartition linéaire de la tension sur toute la longueur du cylindre isolant. Un enroulement MT 6 est positionné directement sur la couche de matériau RLT et en recouvre la partie centrale. Cet enroulement présente la particularité d'être réalisé de manière à ce que l'évolution du potentiel entre les différentes spires qui le constituent se fasse de façon privilégiée selon le sens axial.
  • Le cylindre isolant 3 est constitué d'un matériau à caractéristiques diélectriques élevées et obtenu par moulage, extrusion ou tout autre procédé permettant d'obtenir un cylindre exempt de vacuoles et parfaitement homogène. Ce matériau peut être un matériau thermoplastique, comme le polyéthylène utilisé dans la confection de câbles haute tension, ou encore un élastomère, silicone ou EPDM par exemple. La couche conductrice ou semi-conductrice 4 peut être obtenue par la projection d'un matériau synthétique chargé d'une poudre métallique sur le diamètre intérieur du tube isolant 3. Les matériaux semi-conducteurs dont la permittivité et la résistivité varient en fonction du champ électrique sont connus et utilisés en électrotechnique pour la réalisation d'accessoires de câbles haute tension, et plus particulièrement dans la confection des extrémités rétractables qui équipent ces câbles. Ces matériaux dits répartiteurs linéaires de tension (RLT) sont généralement constitués d'un ou plusieurs oxydes, tels que le carbure de silicium, mélangés à une résine ou un mastic. Dans la présente application, la couche 5 de matériau RLT peut être obtenu par l'enroulement d'une feuille, le bobinage d'un ruban, ou le rétreint d'un tube prémoulé sur le diamètre extérieur du cylindre isolant 3.
  • Selon un mode préféré de réalisation de l'invention illustré par la figure 1, l'enroulement MT 6 est constitué de galettes 7 de faible largeur, reliées entre elles en série. Chacune de ces galettes est constituée de couches de spires 9 superposées, réalisées à partir d'un fil en matériau conducteur 8 de section circulaire revêtu d'un vernis isolant.
  • Selon un autre mode de réalisation présenté à la figure 2, l'enroulement MT est obtenu à l'aide d'un ruban 10 en matériau conducteur nu de section rectangulaire, le matériau utilisé étant choisi pour sa ductilité. Ce ruban conducteur 10 est bobiné sur champ et associé à un film isolant 11 de faible épaisseur.
  • Comme on peut le voir sur la figure 1, l'allure du champ électrique résultant de ce mode de conception correspond au cas d'un transformateur triphasé dont les enroulements MT 6 sont couplés en triangle, comme cela est présenté sur la figure 3. Ainsi, on constate que le champ électrique radial situé entre l'enroulement MT 6 et l'enroulement BT 2 est intégralement contenu dans le cylindre isolant 3, entre la couche 4 reliée au potentiel de la terre et la couche RLT 5. Le champ axial se répartit d'une part sur toute la longueur axiale de l'enroulement MT 6, et d'autre part au niveau des extrémités du cylindre isolant 3 non recouvertes par l'enroulement MT 6, mais néanmoins recouvertes de la couche 5 de matériau RLT. Dans ces trois zones, le champ électrique rayonnant dans l'air est réparti de manière homogène et reste suffisamment réduit pour exclure tout risque de décharges partielles ou de contournement par un arc électrique.
  • Pour améliorer la tenue du transformateur vis à vis des agressions climatiques, ce dernier est entièrement revêtu d'une couche 12 en matériau synthétique présentant une bonne résistance aux rayons ultraviolets, au cheminement électrique, et aux contraintes électriques transversales qui pourraient conduire à une perforation dudit revêtement. Celui-ci peut être obtenu par exemple par trempage du transformateur dans un bain, ou par projection au pistolet pneumatique, d'un matériau synthétique présentant les caractéristiques souhaitées. De cette manière est également assurée la protection contre la corrosion des parties mécaniques et le remplissage des interstices existants entre les différentes parties de l'appareil. La figure 4 présente le transformateur décrit en figure 1 et muni de son revêtement 12.
  • La figure 5 présente une variante dont l'intérêt est d'allonger la distance de cheminement dans les zones où le champ électrique rayonnant dans l'air est le plus dense, et qui correspondent aux extrémités du cylindre isolant non recouvert par l'enroulement MT. Dans ce but, des anneaux 13 en matériau isolant sont répartis régulièrement sur le cylindre isolant (13). Le revêtement 12 appliqué à l'ensemble du transformateur étanche la zone de contact entre les anneaux 13 et la couche 5 de matériau RLT et réalise ainsi des jupes identiques à celles que comporterait un isolateur électrique.

Claims (5)

  1. Transformateur électrique MT/BT mono ou polyphasé, à isolement de type sec, destiné à une installation en intérieur ou en extérieur, caractérisé par le fait qu'il comporte pour chacune de ses phases un cylindre isolant (3) situé entre l'enroulement BT (2) et l'enroulement MT (6), et en ce que ce cylindre (3) est revêtu sur sa surface intérieure d'une couche conductrice ou semiconductrice (4) portée au potentiel de la terre, et sur sa surface extérieure d'une couche en matériau semi-conducteur répartiteur linéaire de tension (5) sur laquelle est bobiné localement l'enroulement MT (2).
  2. Transformateur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement MT (6) présente une structure en galettes de faible largeur, constituées d'une superposition de couches de spires (9), et raccordées en série, de telle manière que la répartition du potentiel dans ledit enroulement (6) soit de type axial.
  3. Transformateur conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que l'enroulement MT (6) est constitué par le bobinage sur champ d'un ruban (10) de conducteur en association avec un film de matériau isolant (11), de telle manière que la répartition du potentiel dans ledit enroulement soit de type axial.
  4. Transformateur conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un revêtement (12) uniforme constitué par une couche en matériau synthétique présentant des caractéristiques électriques et physiques adéquates pour une utilisation en extérieur, ce revêtement (12) pouvant être obtenu par trempage ou par projection.
  5. Transformateur conforme à la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte, de part et d'autre de l'enroulement MT, des anneaux (13) en matériau isolant constituant des jupes destinées à allonger les distances de cheminement électrique entre l'enroulement MT (6) et les parties liées au potentiel de masse dudit transformateur, lesdites jupes étant situées sur le cylindre isolant (3) revêtu de la couche en matériau semi-conducteur répartiteur linéaire de tension et étant recouvertes du revêtement isolant (12) appliqué sur l'ensemble du transformateur.
EP00401081A 1999-05-10 2000-04-18 Transformateur MT/BT à isolement sec, à champ électrique linéairement réparti, pour la distribution de l'énergie électrique en milieu rural Expired - Lifetime EP1052659B1 (fr)

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