Défi de conception – Petit volume contre résistance à la tension dans les petits transformateurs de séparation

1. Le corps du composant – priorité à une isolation homogène

Lors de la conception d’un transformateur de séparation, il faut prévoir une distance suffisante entre les parties conductrices ainsi qu’un matériau isolant adapté pour remplir cet espace. Les hautes tensions génèrent un champ électrique important dans le matériau isolant. Au-delà d’une certaine intensité de champ, un courant circule à travers des chemins du matériau, devenu conducteur sous l’effet de processus de dégradation chimique. Cela entraîne la défaillance du composant. La couche d’isolation doit donc être suffisamment épaisse pour maintenir l’intensité du champ nettement en dessous du seuil critique dans toutes les situations. Cependant, l’intensité locale du champ n’est pas homogène et dépend également de la forme des éléments conducteurs qui agissent comme des électrodes. Par exemple, l’intensité du champ est plus élevée au niveau des arêtes vives des conducteurs.

Toute inclusion d’air dans la masse d’enrobage ou entre celle-ci et les éléments conducteurs présente un risque. Même si la distance entre des parties conductrices soumises à des niveaux de tension différents est remplie d’un matériau isolant suffisant pour supporter la tension, l’intensité du champ à l’intérieur des inclusions d’air dépasse facilement le seuil critique de l’air. L’air s’ionise, des décharges lumineuses apparaissent et détruisent la masse d’enrobage jusqu’au claquage.

Trois risques potentiels peuvent entraîner de telles inclusions d’air :

• Des bulles d’air dans la masse d’enrobage. L’enrobage sous vide est souvent indispensable pour satisfaire aux normes et certifications du secteur. Cependant, ce procédé n’est pas appliqué de manière uniforme dans l’industrie. Il ne suffit pas de mettre sous vide après avoir coulé la masse d’enrobage. Pour éliminer les inclusions d’air, la masse d’enrobage doit être injectée sous vide, puis une pression normale, voire une surpression, doit être appliquée avant son durcissement.
• Des cavités résiduelles, même lorsque l’enrobage sous vide est correctement réalisé. Elles apparaissent principalement dans des structures compactes, où l’air ne peut pas être totalement extrait par le vide, ou lorsque des vides sont stabilisés par la conception elle-même. Ces derniers peuvent ensuite se remplir de n’importe quel gaz au fil du temps. La conception doit donc permettre une évacuation facile de l’air ainsi qu’un accès de la masse d’enrobage à chaque zone.
• La perte d’adhérence entre la masse d’enrobage et les éléments de construction en fonctionnement, avec la formation de couches d’air intermédiaires. La masse d’enrobage ou les colles utilisées doivent être compatibles avec les autres matériaux du composant, et cette combinaison de matériaux doit être adaptée aux conditions d’utilisation telles que les variations de température, les chocs, les charges mécaniques et les vibrations.

L’ingénieur doit intégrer des essais de décharges partielles au processus de développement afin de détecter ces décharges lumineuses, comme l’exigent souvent les essais normalisés, en complément des essais classiques de claquage à haute tension. Ces essais doivent également être réalisés après simulation des conditions de fonctionnement.

Les normes définissent les distances minimales dans l’air ainsi que les tensions d’essai correspondantes en fonction de l’application, de la tension nominale et des exigences de sécurité.

3. Les surfaces – distance de fuite

La surface du composant entre les contacts peut être contaminée par de la poussière, des liquides condensés, etc., ce qui abaisse la tension de seuil en dessous de celle de l’air. Par conséquent, la distance minimale du plus court chemin le long des surfaces entre les contacts à isoler (appelée distance de fuite) doit être supérieure à la distance dans l’air.

Là encore, les normes définissent la distance de fuite requise en fonction de l’application et des conditions environnementales, notamment la classe de pollution et la tension nominale. En matière de conception de composants, le chemin le long de la surface du composant entre les contacts électriques doit être maximisé, ce qui peut être obtenu par l’ajout d’ailettes. Le défi pour le concepteur consiste à positionner les bornes et, si nécessaire, les ailettes ou éléments similaires de manière peu encombrante, tout en répondant simultanément aux exigences d’encombrement et de raccordement du transformateur.

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