Présentation d’un alternateur

Constitution

Un alternateur est une machine électrique permettant de produire l’énergie électrique à partir de l’énergie mécanique provenant d’un fluide (eau) ou d’un gaz (vapeur) en mouvement. Comme la plupart des machines tournantes, un alternateur est constitué de deux (2) parties essentielles : le stator (partie fixe), le rotor (partie mobile). Le stator comporte des encoches dans lesquelles sont logées des bobines/barres (regroupées pour former l’enroulement statorique) qui permettent la circulation du courant électrique fournit aux consommateurs, particuliers ou industriels à travers le réseau électrique.

L’enroulement statorique d’un alternateur triphasé

L’enroulement statorique d’un alternateur triphasé est constitué de trois enroulements monophasés montés généralement en étoile avec le point neutre mis à la terre dans le but de minimiser les contraintes électriques auxquelles l’isolation de masse est soumise. Chaque enroulement monophasé peut être constitué d’un seul circuit de plusieurs bobines connectées en série ou de deux ou plusieurs bobines en parallèles  . Les trois enroulements monophasés sont disposés de manière à produire un système de tension triphasé (déphasage de 120° entre les différentes tensions) équilibré.

Les enroulements statoriques des alternateurs triphasés se présentent sous trois formes distinctes dépendamment de la puissance nominale de la machine. En général, pour les machines de faible puissance (jusqu’à plusieurs centaines de kilowatts), l’enroulement statorique est constitué de bobines (plusieurs spires en fil de cuivre) dans les encoches  . Les enroulements statoriques sous forme de bobines complètes   sont utilisés pour la plupart des machines tournantes de moyenne puissance (de plusieurs centaines de kilowatts à 50 MVA) tandis que des barres (de type Roebel) sont utilisées pour des machines tournantes de grande puissance (supérieures à 50 MVA)   [1]. Généralement, les bobines complètes et les barres sont fabriquées en usine et placées dans les encoches des machines sur site pour former  l’enroulement statorique.

La présente étude porte sur les alternateurs dont les enroulements statoriques sont formés de barres de type Roebel. Par conséquent, dans la suite du travail, seules les notions relatives aux barres statoriques et en lien avec cette étude sont discutées.

Le système d’isolation des barres statoriques des alternateurs

Le système d’isolation électrique des machines tournantes haute tension (H.T) est l’une des parties les plus importantes, notamment pour assurer en service le bon fonctionnement et la bonne performance de celles-ci. En effet, le système d’isolation des barres statoriques est continuellement exposé en service à diverses contraintes qui provoquent sa dégradation progressive. Des investigations industrielles montrent qu’untiers des arrêts forcés des grands générateurs des centrales électriques sont causés par une défaillance du système d’isolation des barres statoriques [26]

Le système d’isolation des barres statoriques  comprend plusieurs composantes ayant des fonctions différentes avec pour but d’éviter des courts-circuits, d’une part entre les conducteurs et la masse (noyau magnétique), et d’autre part, entre les conducteurs. Il sert aussi à l’évacuation de la chaleur produite par effet Joule du conducteur vers l’extérieur et à la stabilité mécanique des barres statoriques dans les encoches du stator par le biais de l’amortissement des vibrations causées par les forces électromagnétiques,es différentes composantes de base du système d’isolation des barres statoriques se décrivent comme suit:
• L’isolation des conducteurs ou des brins en cuivre,
• L’isolation des spires,
• L’isolation de masse.

L’isolation des conducteurs ou des brins

Les spires des barres statoriques des machines H.T. sont constituées de plusieurs brins en cuivre afin de faciliter leur constitution et leur fabrication et réduire les pertes par effet Joule et par courant de Foucault.

En effet, une barre constituée d’un seul conducteur de grande section est difficile à plier pour lui donner la forme requise. En revanche, une spire formée de brins en cuivre est plus facile à plier afin d’obtenir la forme souhaitée. En outre, d’après la théorie électromagnétique, pour un conducteur en cuivre possédant une grande section transversale, le courant transporté aura tendance à circuler sur la périphérie du conducteur. Ceci est connu comme l’effet de peau [1]. Ce dernier entraine une diminution de la section effective du conducteur qui conduit à une augmentation de sa résistance effective, résultant en des pertes par effet Joule plus importantes. Cependant, le fait que la barre soit constituée de brins en cuivre isolés électriquement les uns des autres permet ainsi de diminuer ces pertes.

Les brins en cuivre ou de fils émaillés doivent être isolés les uns par rapport aux autres pour éviter des courts-circuits entre eux. L’isolation des conducteurs doit être fiable et capable de résister à de très hautes températures (jusqu’à 155°C pour un équipement de classe F). Elle est à base de films de verre, de fibres de verre, ou de verre et de fibres de polyester fondues (DaglasTM) [28].

L’isolation des spires

L’isolation des spires permet d’éviter des courts-circuits entre les spires d’une même barre. Un court-circuit entre spires peut rapidement entraîner une défaillance de l’alternateur en raison de l’intensité élevée du courant électrique qui va circuler entre les spires court-circuitées. En effet, en présence d’un court-circuit, il y a une élévation de la température, conduisant à la destruction probable de l’isolation de masse.

En pratique, pour des machines fonctionnant à une tension nominale de 4 160V et plus, chaque spire est isolée par un ruban en mica qui fournit une excellente résistance aux décharges partielles [29].