EP0923783B1 - Single coil constitutive of windings for air-core transformer - Google Patents
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- EP0923783B1 EP0923783B1 EP96930208A EP96930208A EP0923783B1 EP 0923783 B1 EP0923783 B1 EP 0923783B1 EP 96930208 A EP96930208 A EP 96930208A EP 96930208 A EP96930208 A EP 96930208A EP 0923783 B1 EP0923783 B1 EP 0923783B1
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- 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
- H01F27/327—Encapsulating or impregnating
Definitions
- the present invention relates to dry electrical transformers for the distribution of electrical energy. More specifically, the invention relates to the production of windings medium voltage or high voltage with which such devices are provided.
- the medium or high voltage windings constituting the primary of the transformers distribution i.e. those intended to be subjected to input voltages of 20,000 volts and beyond by phase, are conventionally constituted by a metallic conductor die at dielectric cladding (generally an enamel film) wound in turns in series.
- the other is to wind the coils into flat juxtaposed spiral wafers extending each radially.
- This technique described in particular in the European patent n ° 0081446 in the name of the applicant, consists in synchronizing the wire feed speed in a filling receptacle under the effect of its only weight with the speed of rotation on itself from this receptacle. The wire is then deposited there in a movement of "goes and comes "perpendicular to the axis of the coil in formation, the accomplishment of movement in one direction resulting in the obtaining of a layer.
- thermoplastics compared to thermosetting plastics, despite certain advantages of these first, easier to use (no hardener) and recoverable indefinitely by simple hot rejections.
- the purpose of the present invention is to provide a solution to the problem mentioned above.
- the invention relates to a medium or high voltage winding of a dry electrical transformer, characterized in that it is formed by a stack of coils elementary, fixed together and electrically connected in series by their terminations input / output, each elementary coil being constituted by a metallic conductor wired with dielectric sheathing and wound in the air in a plurality of turns in series arranged in juxtaposed layers then encapsulated in a mass of plastic material electro-insulator from which the input / output terminations emerge, the number of layers of turns being such that, for any given electrical voltage to be applied between said terminations, the voltage between two neighboring electrically furthest turns on two adjacent layers does not exceed the value of the breakdown voltage which would provided by Paschen's law applied in the air to said sheathed conductor.
- the invention is based on the fact of having discovered that Paschen's law was applicable in and could form the basis of a concrete response to the problem posed.
- the invention applies this law in the case of a conductor coiled in air, but coated with a dielectric sheath, which results in the establishment of the abacuses of figure 2 giving the disruptive tension between neighboring turns as a function of the thickness of the dielectric sheath, these charts being configured on the air pressure in the inter-coil spaces of the coil.
- the invention rather than seeking to fill these spaces vacant inter-turns by injected dielectric material, defines conditions for winding allowing the air naturally present in these dead spaces to play effectively the role of dielectric within electrical windings, however constitutive transformers capable of being placed at voltages of several tens of thousands volts per phase.
- the set of turns present in cross section a generally square or rectangular shape that is not very elongated. So the invention has the advantage in particular of being able to build the primary windings of dry transformers according to variable sizes by stacking of elementary coils standard, the number of which to be joined in series will depend on the level of electrical voltage in front be applied across the primary.
- the industry electrical engineering as in all manufacturing industries, of realization modular allowing more flexibility in the management of stocks, supplies and less manufacturing time.
- the lesson learned from the invention is that, in the case of inductive windings constituted by a coated wire conductor wound in turns in contact, the maximum tolerable voltage between them to avoid discharge phenomena partial must be less than that of the minimum given by the Paschen curve, so as to always be on the ascending part of this curve when we travel the surface of the wire in the inter-turn space away from the point of contact, so to be permanently in a situation where the disruptive tension can only increase when the distance between the conductors increases.
- the pressure indicated here is an absolute pressure, the inter-turn space being generally under vacuum during the cooling phases, and the rest during handovers in subsequent service of the transformer, until its temperature of operation.
- the voltage Td is an effective voltage, while the voltage Ud in the figure 1 is given in peak values.
- FIGS. 3a and 3b show diagrammatically the two winding modes, in longitudinal layers and respectively, and are given for illustrative purposes only to facilitate placement of the invention.
- the same references designate elements identical.
- Each of the two figures represents a cylindrical coil of revolution of axis X seen slightly above and truncated by an axial cut so as to see in section right the organization of the turns that make up the electrical winding.
- the winding 1 of FIG. 3a is obtained from a flexible electric wire 2 on the market of circular section, sheathed by a dielectric enamel film 3 of usual quality.
- This thread is wound around the X axis on a winding support 4 in turns organized in concentric longitudinal layers.
- the winding of the following turns continues in the direction indicated by the arrow Fv to the other end of the support, in a very short helical path equal to the diameter of the wire.
- the second layer 7 is produced in the same way in the opposite direction, as indicated by the arrow Fv '.
- the winding is thus executed in tight turns in a movement of "back and forth" according to the X axis, each pass accomplished in a direction achieving a longitudinal layer in alternating with the previous layer.
- the winding 11 of FIG. 3b is obtained in a similar manner, but by winding the wire in radial flat layers 13 stacked on top of each other. These layers, or pancakes are form when depositing the electric wire 2 in turns in a movement also of "back and forth", but this time directed perpendicular to the X axis. Around this axis, rotates the support plate 12 provided with end flanges 14 and 15 serving to confine laterally the stack of pancakes 13.
- the wire 2 in this case is not taut, but subjected to its own weight only, and the speed of rotation of the plate is at all times adjusted to the speed of feed of the wire so that the coil is removed at the desired radial position of the pancake being formed.
- the automation allowing the industrial realization of such a winding mode is described, as already indicated, in the European patent n ° 0081446.
- each pass creates a spiral which develops radially.
- Filling the space reserved for winding is operated from the bottom.
- the first wafer 17 begins with the internal turn 16 against the flange 14, then flourish radially from centrifugally as indicated by the arrow Fh to the level of the outer flange 15.
- the second wafer 18 then forms on the first in the centripetal direction to the flange interior 14, and so on up to the end turn 19 which extends out of the coil by a splice 20, similar to the splice 21 of the first turn 16 to form together winding input / output terminations.
- any two contiguous turns should never be provided with a dielectric sheath 3 thinner than that given by the curves of the Figure 2 for a given applied electrical voltage. Otherwise, a partial discharge is possible. Such a requirement is the most severe for the two most contiguous turns. electrically spaced on two adjacent layers (the potential difference then being most important), that is to say those placed at the respectively starting ends and ending of these two adjacent layers.
- any risk of partial discharge in the voids between turns 26 can be avoided if, for any voltage U applied at the winding, the number of layers of turns constituting this winding is determined so that the voltage u between two neighboring turns, but the most electrically distant on two adjacent layers, does not exceed the Td value that would be provided by the application in the air of Paschen's law.
- the number of layers for example fifteen, has been determined so that, the maximum effective tension between two most distant contiguous turns electrically being for example 350 volts, the coil can be used under a voltage of 2500 volts for example.
- the coil can be used under a voltage of 2500 volts for example.
- One thus realizes a coil of section appreciably square with fifteen layers and twenty turns per layer for example, this last figure being able be modified as desired depending on the desired electrical power.
- the inductors can be composed of standard elementary coils different characteristics, such as admissible input voltage, or coil height. For obvious practical reasons, it will be advantageous if they all have the same width, except if you want an exterior stepped wall for certain inductors.
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Description
La présente invention a trait aux transformateurs électriques secs pour la distribution de l'énergie électrique. Plus précisément, l'invention concerne la réalisation des enroulements moyenne tension ou haute tension dont sont pourvus de tels appareils.The present invention relates to dry electrical transformers for the distribution of electrical energy. More specifically, the invention relates to the production of windings medium voltage or high voltage with which such devices are provided.
Les enroulements moyenne ou haute tension constitutifs du primaire des transformateurs de distribution, c'est à dire ceux destinés à être soumis à des tensions d'entrée de 20 000 volts et au delà par phase, sont classiquement constitués par un conducteur métallique filière à gainage diélectrique (une pellicule d'émail généralement) bobiné en spires en série.The medium or high voltage windings constituting the primary of the transformers distribution, i.e. those intended to be subjected to input voltages of 20,000 volts and beyond by phase, are conventionally constituted by a metallic conductor die at dielectric cladding (generally an enamel film) wound in turns in series.
On distingue schématiquement deux types de bobinage, les deux se réalisant généralement à l'air libre.There are schematically two types of winding, the two generally taking place at the open air.
Le plus fréquent consiste à bobiner les spires en nappes, ou couches, cylindriques juxtaposées concentriques s'étendant longitudinalement selon l'axe de la bobine. cette technique, inspirée de celle du "trancanage" couramment pratiquée dans l'industrie textile, s'opère par mise en traction du fil métallique lors de son enroulement sur un mandrin-support en spires jointives serrées selon un mouvement de "va et vient" parallèle à l'axe de la bobine, l'accomplissement du mouvement dans un sens se traduisant par la réalisation d'une couche.The most frequent consists of winding the coils in layers, or layers, cylindrical concentric juxtaposed extending longitudinally along the axis of the coil. this technique, inspired by that of "cutting" commonly practiced in the textile industry, operates by pulling the metal wire when it is wound on a support mandrel in contiguous turns tightened in a movement of "back and forth" parallel to the axis of the coil, the accomplishment of the movement in a direction resulting in the realization of a layer.
L'autre consiste à bobiner les spires en galettes plates spiralées juxtaposées s'étendant chacune radialement. Cette technique, décrite notamment dans le brevet européen n° 0081446 au nom du demandeur, consiste à synchroniser la vitesse d'amenée du fil dans un réceptacle de remplissage sous l'effet de son seul poids avec la vitesse de rotation sur lui-même de ce réceptacle. La dépose du fil s'y réalise alors selon un mouvement de "va et vient" perpendiculairement à l'axe de la bobine en formation, l'accomplissement du mouvement dans un sens se traduisant par l'obtention d'une couche.The other is to wind the coils into flat juxtaposed spiral wafers extending each radially. This technique, described in particular in the European patent n ° 0081446 in the name of the applicant, consists in synchronizing the wire feed speed in a filling receptacle under the effect of its only weight with the speed of rotation on itself from this receptacle. The wire is then deposited there in a movement of "goes and comes "perpendicular to the axis of the coil in formation, the accomplishment of movement in one direction resulting in the obtaining of a layer.
Dans le domaine des transformateurs secs qui intéresse la présente invention, c'est à dire ceux dont le refroidissement est assuré par l'air, une fois le bobinage réalisé, on noie classiquement ce dernier dans un bloc de résine électro-isolante moulée, de laquelle n'émergent que les extrémités du fil, qui formeront les connexions d'entrée/sortie de la bobine. le rôle de cet enrobage de résine, en plus de celui de conférer une tenue mécanique à l'enroulement, est d'assurer l'isolation des spires de fil entre-elles.In the field of dry transformers which is of interest to the present invention, that is to say those whose cooling is ensured by the air, once the winding carried out, one drowns conventionally the latter in a block of molded electro-insulating resin, of which only emerge the ends of the wire, which will form the input / output connections of the coil. the role of this resin coating, in addition to that of providing mechanical strength to winding, is to insulate the wire turns between them.
Quelque soit le mode de bobinage adapté pour la mise en spires, qu'il s'agisse du bobinage en galette plates radiales ou plus encore, du bobinage en nappes longitudinales, un problème mal résolu subsiste qui est celui de la pénétration de la matière diélectrique au sein même de l'enroulement afin d'enrober chaque spire individuellement. La matière plastique moulée a en effet moins de difficulté à encapsuler le faisceau de spires formés à l'intérieur, lors du bobinage.Whatever winding mode is suitable for winding, whether it is winding in flat radial wafer or even more, of the winding in longitudinal layers, a problem poorly resolved remains which is that of the penetration of dielectric material within winding to coat each turn individually. The molded plastic has indeed less difficulty in encapsulating the bundle of turns formed inside, during the winding.
Il est aisé de comprendre que ces difficultés sont d'autant plus sévères que la viscosité de la matière employée est plus élevée. C'est ce qui explique le handicap à cet égard des matières thermoplastiques par rapport aux matières plastiques thermodurcissables, et ce malgré certains avantages de ces premiers, plus aisés de mise en oeuvre (pas de durcisseur) et récupérables indéfiniment par simple refusions à chaud.It is easy to understand that these difficulties are all the more severe as the viscosity of the material used is higher. This explains the handicap in this respect of the subjects thermoplastics compared to thermosetting plastics, despite certain advantages of these first, easier to use (no hardener) and recoverable indefinitely by simple hot rejections.
Le but de la présente invention est de proposer une solution au problème ci avant évoqué.The purpose of the present invention is to provide a solution to the problem mentioned above.
A cet effet, l'invention a pour objet un enroulement moyenne ou haute tension d'un transformateur électrique sec, caractérisé en ce qu'il est formé par un empilage de bobines élémentaires, fixées entre elles et reliées électriquement en série par leurs terminaisons d'entrée/sortie, chaque bobine élémentaire étant constituée par un conducteur métallique filaire à gainage diélectrique et bobiné dans l'air en une pluralité de spires en série disposées en couches juxtaposées puis encapsulé dans une masse de matière plastique électro-isolante de laquelle émergent les terminaisons d'entrée/sortie, le nombre de couches de spires étant tel que, pour une tension électrique donnée quelconque à appliquer entre lesdites terminaisons, la tension entre deux spires voisines les plus éloignées électriquement sur deux couches adjacentes n'excède pas la valeur de la tension disruptive qui serait fournie par la loi de Paschen appliquée dans l'air audit conducteur gainé.To this end, the invention relates to a medium or high voltage winding of a dry electrical transformer, characterized in that it is formed by a stack of coils elementary, fixed together and electrically connected in series by their terminations input / output, each elementary coil being constituted by a metallic conductor wired with dielectric sheathing and wound in the air in a plurality of turns in series arranged in juxtaposed layers then encapsulated in a mass of plastic material electro-insulator from which the input / output terminations emerge, the number of layers of turns being such that, for any given electrical voltage to be applied between said terminations, the voltage between two neighboring electrically furthest turns on two adjacent layers does not exceed the value of the breakdown voltage which would provided by Paschen's law applied in the air to said sheathed conductor.
Une façon de tenir compte de la loi de Paschen consiste à se porter sur les courbes de la figure 2 ci-après, qui donnent, en fonction de l'épaisseur du gainage isolant du fil conducteur, la tension électrique à ne pas outrepasser entre spires voisines dans l'enroulement pour éviter le phénomène de décharges partielles par arquages électriques entre-elles.One way to account for Paschen's law is to be applied to the curves of FIG. 2 below, which give, depending on the thickness of the insulating sheathing of the conductive wire, the electrical voltage not to be exceeded between turns neighbors in the winding to avoid the phenomenon of partial discharges by bending electric between them.
L'invention repose sur le fait d'avoir découvert que la loi de Paschen était applicable en l'espèce et pouvait constituer le fondement d'une réponse concrète au problème posé.The invention is based on the fact of having discovered that Paschen's law was applicable in and could form the basis of a concrete response to the problem posed.
On rappelle que la loi de Paschen, établie à la fin du siècle passé, montre que la tension disruptive entre deux corps portés à des potentiels électriques différents, dans un milieu gazeux donné, l'air par exemple, est une fonction continue de produit entre la distance séparant les conducteurs et la pression du milieu ambiant. S'il souhaite plus de détails, l'homme de métier pourra se référer à des articles, ou ouvrages traitant du sujet, comme par exemple, celui de Pierre SEGUR dans "Technique de l'Ingénieur", rubrique "Gaz isolants" D2350-4 à 7, ou la section 9.5 de l'ouvrage de Robert FOURNIER ayant pour titre "les isolants en électrotechnique-Concepts et théories édité en 1986 par EYROLLES, Paris. On notera par ailleurs que l'application de cette loi à la réalisation de transformateurs secs a déjà été signalée depuis près de quinze ans (US. 4.496.926) pour préconiser -un maintien en pression de la résine d'encapsulation, par moulage sous pression par exemple, afin de favoriser l'obtention de tensions disruptives plus élevées au sein de la bobine.It is recalled that Paschen's law, established at the end of the last century, shows that the tension disruptive between two bodies brought to different electrical potentials, in a medium given gas, air for example, is a continuous product function between the distance separating the conductors and the pressure from the ambient medium. If he wants more details, the person skilled in the art can refer to articles or works dealing with the subject, such as example, that of Pierre SEGUR in "Technical Engineering", section "Gas insulators "D2350-4 to 7, or section 9.5 of Robert FOURNIER's book title "insulators in electrical engineering-Concepts and theories published in 1986 by EYROLLES, Paris. Note also that the application of this law to the realization of transformers dry has already been reported for almost fifteen years (US. 4,496,926) to advocate -a maintaining the encapsulation resin under pressure, by pressure molding for example, in order to favor the obtaining of higher disruptive voltages within the coil.
Pour résoudre le problème posé, l'invention fait application de cette loi au cas d'un conducteur bobiné dans l'air, mais revêtu d'une gaine diélectrique, ce qui se traduit par l'établissement des abaques de la figure 2 donnant la tension disruptive entre spires voisines en fonction de l'épaisseur de la gaine diélectrique, ces abaques étant paramétrées sur la pression de l'air dans les espaces inter-spires de la bobine.To solve the problem posed, the invention applies this law in the case of a conductor coiled in air, but coated with a dielectric sheath, which results in the establishment of the abacuses of figure 2 giving the disruptive tension between neighboring turns as a function of the thickness of the dielectric sheath, these charts being configured on the air pressure in the inter-coil spaces of the coil.
Comme on l'aura donc compris, l'invention, plutôt que de chercher à remplir ces espaces inter-spires vacants par de la matière diélectrique injectée, définit des conditions de bobinage permettant à l'air naturellement présent dans ces espaces morts de jouer efficacement le rôle de diélectrique au sein d'enroulements électriques pourtant constitutifs de transformateurs susceptibles d'être placés à des tensions de plusieurs dizaines de milliers de volts par phase. As will therefore be understood, the invention, rather than seeking to fill these spaces vacant inter-turns by injected dielectric material, defines conditions for winding allowing the air naturally present in these dead spaces to play effectively the role of dielectric within electrical windings, however constitutive transformers capable of being placed at voltages of several tens of thousands volts per phase.
Dès lors, il n'y a plus aucun risque à se limiter à une simple encapsulation par de la matière plastique isolante.Consequently, there is no longer any risk in being limited to a simple encapsulation with material insulating plastic.
Conformément à une réalisation préférée de l'invention, l'ensemble de spires présente en section droite une forme générale carrée ou rectangulaire peu allongée. Ainsi, l'invention présente l'avantage notamment de pouvoir construire les enroulements primaires des transformateurs secs selon des tailles variables par empilement de bobines élémentaires standard, dont le nombre à réunir en série dépendra du niveau de tension électrique devant être appliquée aux bornes du primaire. Un besoin existe en effet aujourd'hui dans l'industrie électrotechnique, comme dans toutes les industries manufacturières, de réalisation modulaire permettant plus de souplesse dans la gestion des stocks, des approvisionnements et moins de temps de fabrication.In accordance with a preferred embodiment of the invention, the set of turns present in cross section a generally square or rectangular shape that is not very elongated. So the invention has the advantage in particular of being able to build the primary windings of dry transformers according to variable sizes by stacking of elementary coils standard, the number of which to be joined in series will depend on the level of electrical voltage in front be applied across the primary. There is a need today in the industry electrical engineering, as in all manufacturing industries, of realization modular allowing more flexibility in the management of stocks, supplies and less manufacturing time.
L'invention sera de toute façon bien comprise, et d'autres aspects et avantages apparaítront
plus clairement au vu de la description qui suit, donnée à titre d'exemple en référence aux
planches de dessins annexés, sur lesquelles :
La courbe de la figure 1 montre clairement que, pour un milieu ambiant donné, ici de l'air, la tension disruptive Ud est uniquement fonction du produit d*p entre la distance d séparant deux corps placés sous tensions électriques différentes et la pression p de l'air régnant entre eux.The curve in Figure 1 clearly shows that, for a given ambient environment, here air, the disruptive voltage Ud is only a function of the product d * p between the distance d separating two bodies placed under different electrical voltages and the air pressure p prevailing between them.
On constate que la relation n'est plus respectée aux très faibles, comme aux très fortes valeurs du produit d*p. Dans son domaine de validité (à savoir de 3*10-3 à 4*102 bar *mm environ), la tension disruptive Ud croit uniformément avec la distance (et/ou la pression), sauf aux basses valeurs (inférieures à 8*10-3 pour le produit d*p) où le phénomène inverse s'observe. Cette courbe, dont l'allure montrée ici est générale pour toute courbe de Paschen, montre que la tension disruptive passe toujours d'abord par un minimum vite atteint avant de croítre avec le produit d*p.We note that the relation is no longer respected for the very weak, as for the very strong values of the product d * p. In its range of validity (i.e. from 3 * 10 -3 to 4 * 10 2 bar * mm approximately), the disruptive voltage Ud increases uniformly with distance (and / or pressure), except at low values (less than 8 * 10 -3 for the product d * p) where the opposite phenomenon is observed. This curve, the shape of which is shown here is general for any Paschen curve, shows that the disruptive tension always passes first through a minimum quickly reached before increasing with the product d * p.
L'enseignement que tire l'invention de cette observation est que, dans le cas des enroulements inductifs constitués par un conducteur filaire revêtu enroulé en spires en contact, la tension maximale tolérable entre elles pour éviter des phénomènes de décharge partielle doit être inférieure à celle du minimum donné par la courbe de Paschen, de manière à se trouver toujours sur la partie ascendante de cette courbe quand on parcourt la surface du fil dans l'espace inter-spires en s'éloignant du point de contact, donc de manière à se trouver en permanence dans une situation où la tension disruptive ne peut que croítre quand la distance entre les conducteurs augmente.The lesson learned from the invention is that, in the case of inductive windings constituted by a coated wire conductor wound in turns in contact, the maximum tolerable voltage between them to avoid discharge phenomena partial must be less than that of the minimum given by the Paschen curve, so as to always be on the ascending part of this curve when we travel the surface of the wire in the inter-turn space away from the point of contact, so to be permanently in a situation where the disruptive tension can only increase when the distance between the conductors increases.
On peut ainsi, pour un revêtement diélectrique du fil de nature et d'épaisseur données, déterminer le nombre de couches de spires nécessaires pour que l'enroulement qui en est constitué tienne sous une tension donnée appliquée à ses extrémités.It is thus possible, for a dielectric coating of the wire of given nature and thickness, determine the number of layers of turns needed for the winding that is constituted under a given tension applied to its ends.
Exprimé autrement, on peut régler la valeur de la tension maximale pouvant être appliquée aux extrémités d'un tel enroulement, grâce au choix du nombre de couches de spires le constituant. On peut alors réaliser à souhait des enroulements adaptés à une tension électrique élevée quelconque par simple empilage d'enroulements élémentaires standard construits selon ces dispositions. On prendra soin de considérer ces dispositions "à froid", c'est à dire à la température ambiante, afin de se mettre en situation où la pression dans les espaces inter-spires ne peut que croítre quand le courant électrique vient à être établi dans l'enroulement.Expressed differently, you can adjust the value of the maximum voltage that can be applied at the ends of such a winding, thanks to the choice of the number of layers of turns the component. It is then possible to produce windings adapted to a tension as desired. any high electrical output by simply stacking standard elementary windings built according to these provisions. We will take care to consider these provisions "cold", that is to say at room temperature, in order to be in a situation where the pressure in the inter-turn spaces can only increase when the electric current is established in the winding.
Ce qui vient d'être dit est traduit quantitativement par la famille de courbes de la figure 2. Ces courbes, paramétrées sur la pression de l'air occupant les espaces inter-spires, donnent les valeurs de la tension disruptive Td (en volts) en fonction de la distance "Ep" séparant deux fils métalliques revêtus chacun d'une couche identique d'émail diélectrique habituel et en contact mutuel. Autrement dit, "EP" représente le double de l'épaisseur du revêtement diélectrique du fil bobiné.What has just been said is quantitatively translated by the family of curves in FIG. 2. These curves, parameterized on the air pressure occupying the inter-turn spaces, give the values of the disruptive voltage Td (in volts) as a function of the distance "Ep" separating two metallic wires each coated with an identical layer of usual dielectric enamel and in mutual contact. In other words, "EP" represents twice the thickness of the coating dielectric of the wound wire.
On voit par exemple que si la pression de l'air dans les espaces inter-spires est de 0.2 bar, ou en tout cas ne descend pas en dessous de cette valeur, il n'y a pas de risque de décharge partielle entre spires voisines tant que la tension entre elles ne dépasse pas 550 volts si l'épaisseur du revêtement d'émail est de 0.15 mm, ou plus (repère A sur le graphe). Autre exemple : avec une épaisseur de diélectrique de 0.025 mm, on ne risque pas de décharges partielles dans des espaces inter-spires à 0.5 bar de pression (ou plus) tant que la tension Td entre spires jointives n'excède pas 400 volts (repère B), ou 330 volts sous 0.2 bar (repère C). Sous cette pression de 0.2 bar, la même valeur de 400 volts de tension disruptive est atteinte pour une épaisseur d'émail de 0.06 mm (repère D).We see for example that if the air pressure in the inter-turn spaces is 0.2 bar, or in any case does not fall below this value, there is no risk of discharge partial between neighboring turns as long as the voltage between them does not exceed 550 volts if the thickness of the enamel coating is 0.15 mm, or more (mark A on the graph). Other example: with a dielectric thickness of 0.025 mm, there is no risk of discharges partial in inter-turn spaces at 0.5 bar pressure (or more) as long as the voltage Td between contiguous turns does not exceed 400 volts (mark B), or 330 volts under 0.2 bar (mark VS). Under this pressure of 0.2 bar, the same value of 400 volts of disruptive voltage is reached for an enamel thickness of 0.06 mm (mark D).
La pression indiquée ici est une pression absolue, l'espace inter-spires se mettant généralement en dépression lors des phases de refroidissement, et le restant lors des remises en service subséquentes du transformateur, jusqu'à l'atteinte de sa température de fonctionnement. La tension Td est une tension efficace, alors que la tension Ud de la figure 1 est donnée en valeurs de crête.The pressure indicated here is an absolute pressure, the inter-turn space being generally under vacuum during the cooling phases, and the rest during handovers in subsequent service of the transformer, until its temperature of operation. The voltage Td is an effective voltage, while the voltage Ud in the figure 1 is given in peak values.
Les figures 3a et 3b schématisent les deux modes de bobinage, en couches longitudinales et radiales respectivement, et sont données uniquement à titre illustratif afin de faciliter la mise en oeuvre de l'invention. Sur ces figures, les mêmes références désignent des éléments identiques.FIGS. 3a and 3b show diagrammatically the two winding modes, in longitudinal layers and respectively, and are given for illustrative purposes only to facilitate placement of the invention. In these figures, the same references designate elements identical.
Chacune des deux figures représente une bobine cylindrique de révolution d'axe X vue légèrement du dessus et tronquée par une coupe axiale de manière à apercevoir en section droite l'organisation des spires qui composent l'enroulement électrique.Each of the two figures represents a cylindrical coil of revolution of axis X seen slightly above and truncated by an axial cut so as to see in section right the organization of the turns that make up the electrical winding.
L'enroulement 1 de la figure 3a est obtenu à partir d'un fil électrique souple 2 du commerce
de section circulaire, gainé par un film d'émail diélectrique 3 de qualité habituelle. Ce fil
est bobiné autour de l'axe X sur un support d'enroulement 4 en spires organisées en
couches longitudinales concentriques. Après mise en place à une extrémité du support 4 de
la première spire 5, le bobinage des spires suivantes se poursuit dans le sens indiqué par la
flèche Fv jusqu'à l'autre extrémité du support, selon un trajet hélicoïdal de pas très court
égal au diamètre du fil. On réalise ainsi la première couche longitudinale 6 de spires serrées
en gardant le fil tendu et en faisant tourner le support 4 autour de son axe X. La seconde
couche 7 est réalisée de la même manière en sens contraire, comme l'indique la flèche Fv'.
Le bobinage s'exécute ainsi en spires serrées dans un mouvement de "va et vient" selon
l'axe X, chaque passe accomplie dans un sens réalisant une couche longitudinale en
alternance avec la couche précédente.The winding 1 of FIG. 3a is obtained from a flexible
On construit ainsi un ensemble de couches longitudinales juxtaposées concentriques autour
de l'axe X. La dernière spire 8 de l'enroulement a en commun avec la première spire 5 de
former par leurs épissures 9,10, qui sortent de l'enroulement, les terminaisons
d'entrée/sortie de celui-ci.We thus build a set of longitudinal layers juxtaposed concentric around
of the X axis. The
L'enroulement 11 de la figure 3b est obtenu de façon analogue, mais par un bobinage du fil
en couches plates radiales 13 empilées les unes sur les autres. Ces couches, ou galettes se
forment lors de la dépose du fil électrique 2 en spires selon un mouvement également de
"va et vient", mais cette fois dirigé perpendiculairement à l'axe X. Autour de cet axe,
tourne le plateau support 12 muni de flasques d'extrémité 14 et 15 servant à confiner
latéralement l'empilage de galettes 13. The winding 11 of FIG. 3b is obtained in a similar manner, but by winding the wire
in radial
Le fil 2 dans ce cas n'est pas tendu, mais soumis à son propre poids seulement, et la vitesse
de rotation du plateau est à tout moment ajustée à la vitesse d'amenée du fil de manière que
la dépose de la spire se fasse à la position radiale voulue de la galette en formation.
L'automatisme permettant la réalisation industrielle d'un tel mode de bobinage est décrit,
comme déjà indiqué, dans le brevet européen n° 0081446.The
Chaque passe réalise une spirale qui se développe radialement. Le remplissage de l'espace
réservé à l'enroulement s'opère à partir du fond. Comme le montre la figure, la première
galette 17 débute par la spire interne 16 contre le flasque 14, puis s'épanouir radialement de
façon centrifuge comme indiqué par la flèche Fh jusqu'au niveau du flasque extérieur 15.
La seconde galette 18 se forme alors sur la première dans le sens centripète jusqu'au flasque
intérieur 14, et ainsi de suite jusqu'à la spire terminale 19 qui se prolonge hors de la bobine
par une épissure 20, similaire à l'épissure 21 de la première spire 16 pour former ensemble
les terminaisons d'entrée/sortie de l'enroulement.Each pass creates a spiral which develops radially. Filling the space
reserved for winding is operated from the bottom. As shown in the figure, the
Dans le cas du bobinage en couches concentriques selon la figure 3a. comme dans celui en
couches radiales de la figure 3b, une fois l'opération réalisée, l'enroulement est placé dans
un moule dans lequel est injecté un polymère isolant de l'électricité. Ce polymère est par
exemple une matière plastique thermo-durcissable, comme une résine époxydique
thermodurcie en présence d'anhydrides, ou une matière thermoplastique, tel un polyamide,
ou un acrylique. L'enroulement électrique se trouve ainsi encapsulé dans une coquille de
polymère électro-isolant de laquelle n'émergent que les terminaisons dénudées 9, 10 et 20,
21.In the case of winding in concentric layers according to Figure 3a. as in the one in
radial layers of figure 3b, once the operation carried out, the winding is placed in
a mold into which an electrically insulating polymer is injected. This polymer is by
example a thermosetting plastic, such as an epoxy resin
thermoset in the presence of anhydrides, or a thermoplastic material, such as a polyamide,
or an acrylic. The electrical winding is thus encapsulated in a shell of
electrically insulating polymer from which only the stripped
Dans l'un comme dans l'autre type de bobinage considérés, les spires, même serrées définissent nécessairement entre elles des volumes morts 26. De nombreux parmi eux resteront partiellement, voire complètement, vides de matière diélectrique, laquelle n'aura pas pu y pénétrer lors de son injection en raison de la compacité de l'enroulement.In both types of winding considered, the turns, even tight necessarily define dead volumes between them 26. Many of them will remain partially or even completely empty of dielectric material, which will not have could not enter during its injection due to the compactness of the winding.
En accord avec la loi de Paschen, deux spires jointives quelconques ne devront jamais être
pourvues d'un gainage diélectrique 3 moins épais que celui donné par les courbes de la
figure 2 pour une tension électrique appliquée donnée. Sinon, une décharge partielle est
possible. Une telle exigence est la plus sévère pour les deux spires jointives les plus
éloignées électriquement sur deux couches adjacentes (la différence de potentiel étant alors
la plus importante), c'est à dire celles placées aux extrémités respectivement commençante
et finissante de ces deux couches adjacentes.In accordance with Paschen's law, any two contiguous turns should never be
provided with a
Un exemple de tel couple de spires est référencé 22, 23 sur la figure 3a, et 24, 25 sur la figure 3b.An example of such a pair of turns is referenced 22, 23 in FIG. 3a, and 24, 25 in the Figure 3b.
Par ailleurs, la tension u entre un tel couple est liée à la tension U appliquée aux entrée/sortie de l'enroulement 1 ou 11 par le nombre 2n de couches juxtaposées, selon la relation u = U/n.Furthermore, the voltage u between such a couple is linked to the voltage U applied to the input / output of winding 1 or 11 by the number 2n of juxtaposed layers, depending on the relation u = U / n.
On comprend alors que, conformément à l'invention, tout risque de décharge partielle dans les espaces vides inter-spires 26 peut être évité si, pour une tension quelconque U appliquée à l'enroulement, le nombre de couches de spires constituant cet enroulement est déterminé de façon que la tension u entre deux spires voisines, mais les plus éloignées électriquement sur deux couches adjacentes, n'excède pas la valeur Td qui serait fournie par l'application dans l'air de la loi de Paschen.It is then understood that, in accordance with the invention, any risk of partial discharge in the voids between turns 26 can be avoided if, for any voltage U applied at the winding, the number of layers of turns constituting this winding is determined so that the voltage u between two neighboring turns, but the most electrically distant on two adjacent layers, does not exceed the Td value that would be provided by the application in the air of Paschen's law.
Dit autrement, cela signifie que le nombre de couches doit être au moins égal au double du résultat du ratio U/u arrondi par excès au premier nombre entier supérieur.In other words, this means that the number of layers must be at least double the result of the U / u ratio rounded up to the next higher whole number.
On va à présent se référer aux figures 4 qui illustrent, comme on l'a déjà dit, les étapes de réalisation d'une bobine élémentaire selon l'invention et de l'enroulement "Moyenne Tension" qui en est issu, destiné à équiper un transformateur sec polyphasé.We will now refer to Figures 4 which illustrate, as we have already said, the stages of production of an elementary coil according to the invention and of the "Medium winding" Voltage "which results from it, intended to equip a dry polyphase transformer.
Pratiquement, cette bobine 27 a la forme d'un anneau de section droite carrée ou légèrement rectangulaire, c'est-à-dire dont la longueur ne dépasse guère trois fois la largeur. Cette bobine élémentaire 27, constitutive d'un enroulement "Moyenne Tension" ou "Haute Tension" pour transformateur sec, est réalisée de la façon suivante :
- figure 4a:
On bobine d'abord un fil souple 2 de Cu ou d'Al émaillé en spires 30 (200-300 spires par exemple) pourformer un anneau 28. Le bobinage s'opère par exemple selon le type "couches longitudinales concentriques décrit en référence à la figure 3a. Au besoin, on rigidifie le tout par imprégnation d'une colle pour assurer un maintien mécanique minimal à l'anneau ainsi formé. - figure 4b :
Onplace l'anneau 28 dans un moule (non représenté), dans lequel on injecte une résine diélectrique isolante 29 qui va encapsuler l'anneau sur une épaisseur de plusieurs millimètres après avoir pris soin de laisser suffisamment dépasser les extrémités du fil pour former les terminaisons 9, 10 qui serviront de connexions. Une fois la résine solidifiée, la bobine élémentaire standard 27 est terminée.
- Figure 4a:
First, aflexible wire 2 of Cu or Al enameled in turns 30 (200-300 turns for example) is wound to form aring 28. The winding takes place for example according to the type "concentric longitudinal layers described with reference in FIG. 3a, if necessary, the whole is stiffened by impregnating with an adhesive to ensure minimal mechanical support for the ring thus formed. - Figure 4b:
Thering 28 is placed in a mold (not shown), into which an insulatingdielectric resin 29 is injected which will encapsulate the ring over a thickness of several millimeters after taking care to allow the ends of the wire to protrude sufficiently to form the 9, 10 which will serve as connections. Once the resin has solidified, the standardterminations elementary coil 27 is finished.
Conformément à l'invention, le nombre de couches, par exemple quinze, a été déterminé pour que, la tension efficace maximale entre deux spires jointives les plus éloignées électriquement étant par exemple de 350 volts, la bobine puisse être utilisée sous une tension de 2500 volts par exemple. On réalise ainsi une bobine de section sensiblement carrée à quinze couches et vingt spires par couches par exemple, ce dernier chiffre pouvant être modifié à souhait en fonction de la puissance électrique recherchée. On retiendra cependant que, conformément à l'invention, on a avantage à conserver un profil de forme générale carrée ou sensiblement carrée (longueur inférieure à trois fois la largeur environ) afin notamment d'obtenir pleinement la modularité recherchée pour la réalisation de l'enroulement complet, comme on va le voir par la suite.According to the invention, the number of layers, for example fifteen, has been determined so that, the maximum effective tension between two most distant contiguous turns electrically being for example 350 volts, the coil can be used under a voltage of 2500 volts for example. One thus realizes a coil of section appreciably square with fifteen layers and twenty turns per layer for example, this last figure being able be modified as desired depending on the desired electrical power. We will remember however, in accordance with the invention, it is advantageous to maintain a shape profile general square or substantially square (length less than about three times the width) in particular to fully obtain the modularity sought for the realization of the complete winding, as we will see later.
Comme déjà signalé, la résine utilisée peut être un polymère thermodurcissable ou thermoplastique, pourvu que ses propriétés d'isolant de l'électricité soient très élevées, car l'enroulement moyenne (ou haute) tension du transformateur va être soumis à des tensions qui atteignent classiquement plusieurs dizaines de milliers de volts par phase.
- figure 4c :
On réalise alorsun tel enroulement 31 pour transformateur en empilant un nombre voulu de ces bobines élémentaires 27 les unes sur les autres de manière à réaliser la hauteur souhaitée. On assemble le tout rigidement par tout moyen approprié, par exemple par collage. L'assemblage une fois réalisé, on relie électriquement les bobines en série entre elles à l'aide de petits manchons connecteurs 32 qui viennent définitivement en prise sur les épissures 9, 10 par sertissage. - figure 4d:
Il faut ensuite isoler électriquement cette zone de l'empilage où les connecteurs sont à nu. On y parvient en la recouvrant d'une couche de résine appliquée par compression à chaud d'une feuille de résine thermoplastique.
- figure 4c:
Such a winding 31 is then produced for the transformer by stacking a desired number of theseelementary coils 27 one on the other so as to achieve the desired height. The whole is assembled rigidly by any suitable means, for example by gluing. Once the assembly has been carried out, the coils are connected electrically in series with one another usingsmall connector sleeves 32 which definitively engage the 9, 10 by crimping.splices - Figure 4d:
It is then necessary to electrically isolate this area of the stack where the connectors are exposed. This is achieved by covering it with a layer of resin applied by hot pressing with a sheet of thermoplastic resin.
On obtient ainsi un empilage cylindrique de bobines élémentaires 27 présentant selon un
secteur de 10-20° d'angle un bossage 33 s'étendant tout du long et duquel émergent en haut
et en bas des épissures libres constituant les entrée/sortie (E/S) de l'enroulement pour
connexion avec les enroulements identiques des autres phases du transformateur.This produces a cylindrical stack of
A cette fin, on a avantage à ménager autour de ces bornes d'E/S par usinage des cuvettages 34 qui viendront coiffer les extrémités des barres de connexion inter phases. De même si la Moyenne Tension constitue le primaire (transformateur monté en abaisseur de tension), on prévoit avantageusement également un cuvettage central 35 autour des E/S intermédiaires servant classiquement au réglage du transformateur à la tension délivrée par le réseau d'alimentation.
- figure 4e :
Toutefois, avant de réaliser ces différents cuvettages, on aura avantage, conformément à un mode de réalisation préféré de l'invention, de recouvrir l'empilage par une couche de quelques millimètres de résine 36 ayant des propriétés, même modestes, de conduction de l'électricité, que l'on met ensuite à laterre 37. Cette couche, mise en place par métallisation ou par C.I.C (compression isostatique à chaud) d'une résine thermoplastique conformée en feuille à cet effet, constitue un blindage électrique qui permettra de se passer de l'air comme isolant autour du transformateur. Cela signifie en particulier que le transformateur pourra séjourner à l'extérieur, hors cabine, ce qui en abaissera le coût de revient et facilitera les interventions et la maintenance en général.
- Figure 4e:
However, before carrying out these different cuvettages, it will be advantageous, in accordance with a preferred embodiment of the invention, to cover the stack with a layer of a few millimeters ofresin 36 having properties, even modest, of conduction of the electricity, which is then earthed 37. This layer, put in place by metallization or by CIC (hot isostatic compression) of a thermoplastic resin shaped into a sheet for this purpose, constitutes an electrical shielding which will make it possible to air without insulation around the transformer. This means in particular that the transformer will be able to stay outside, outside the cabin, which will lower the cost price and facilitate interventions and maintenance in general.
Ceci terminé, on obtient l'inducteur primaire prêt à être placé autour de l'enroulement secondaire avant de monter le tout autour d'une colone du circuit magnétique du transformateur.This finished, we get the primary inductor ready to be placed around the winding secondary before mounting everything around a column in the magnetic circuit of the transformer.
On peut ainsi aisément construire des enroulement en "kit" pour transformateurs à partir de
modules constitués par des bobines élmentairtes standard adaptées pour des tensions
d'entrée déterminées. Ainsi, si on considère que l'inducteur est constitué de bobines 27
identiques, chacune pouvant fonctionner sans risque de claquage jusqu'à 2500 volts, il
faudra en assembler dix en série pour pouvoir travailler sous une tension de réseau de
25000 volts par exemple.It is thus easy to construct "kit" windings for transformers from
modules consisting of standard element coils suitable for voltages
determined entry points. Thus, if we consider that the inductor consists of
Bien entendu, les inducteurs peuvent être composés de bobines élémentaires standard caractéristiques différentes, telles que tension d'entrée admissible, ou hauteur de la bobine. Pour des raison pratiques manifestes, on aura avantage à ce qu'elles aient toutes la même largeur, sauf à souhaiter une paroi extérieure en gradins pour certains inducteurs.Of course, the inductors can be composed of standard elementary coils different characteristics, such as admissible input voltage, or coil height. For obvious practical reasons, it will be advantageous if they all have the same width, except if you want an exterior stepped wall for certain inductors.
Il va de soi que l'invention ne se limite pas aux exemples décrits, mais s'étend à toute variante ou équivalent dans la mesure où sont respectées les caractéristiques données dans les revendications ci-après.It goes without saying that the invention is not limited to the examples described, but extends to any variant or equivalent as long as the characteristics given in the claims below.
Claims (7)
- A medium or high voltage winding of a dry electrical transformer, characterized in that it is formed by a stack of elemental coils (27) fixed to one another and electrically connected in series by their input/output terminations (9, 10), each elemental coil (27) being formed by a single-wire metal conductor (2) with dielectric shielding (3) and coiled in air in a plurality of turns in series (30) arranged in juxtaposed layers (6, 7...) and then encapsulated in a mass of electro-insulating plastic material (29) from which the input/output terminations (9, 10) emerge, the number of layers (6, 7...) of turns (30) being such that, for any given electrical voltage to be applied between said terminations, the voltage between two neighbouring turns (22, 23) the farthest apart electrically on two adjacent layers (6, 7...) does not exceed the value of the disruptive voltage (Td) which would be supplied by Paschen's law applied in air to said shielded conductor (2, 3).
- Winding according to claim 1, characterized in that the number of layers (6, 7...) of turns (30) of each elemental coil is at least equal to twice the integer coming from the rounded up result of the ratio between an electrical voltage U and a value u corresponding to that of the disruptive voltage (Td) read on the curves of figure 2, given as a function of the thickness (Ep) of the dielectric shielding (3) of said conductor, the electrical voltage U being any given electrical voltage to be applied between the terminations (9, 10).
- Winding according to claim 1 or 2, characterized in that the turns are coiled in longitudinal layers (6, 7...).
- Winding according to claim 1 or 2, characterized in that the turns are coiled in radial layers (17, 18...).
- Winding according to claim 1 or 2, characterized in that the electro-insulating plastic encapsulating material (29) is a thermosetting plastic material.
- Winding according to claim 1 or 2, characterized in that the electro-insulating plastic encapsulating material (29) is a thermoplastic material.
- Winding according to claim 1 or 2, characterized in that the plurality of turns (30) forms a compact assembly of straight cross-section of general square or slightly elongate rectangular shape.
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NLV1 | Nl: lapsed or annulled due to failure to fulfill the requirements of art. 29p and 29m of the patents act | ||
GBV | Gb: ep patent (uk) treated as always having been void in accordance with gb section 77(7)/1977 [no translation filed] |
Effective date: 20040225 |
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PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: BE Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20040930 |
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PLBQ | Unpublished change to opponent data |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS OPPO |
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PLBI | Opposition filed |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009260 |
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PLAX | Notice of opposition and request to file observation + time limit sent |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNOBS2 |
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26 | Opposition filed |
Opponent name: TRENCH GERMANY GMBH Effective date: 20041118 |
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BERE | Be: lapsed |
Owner name: *SCHNEIDER ELECTRIC INDUSTRIES SAS Effective date: 20040930 |
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PLAF | Information modified related to communication of a notice of opposition and request to file observations + time limit |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSCOBS2 |
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PLAB | Opposition data, opponent's data or that of the opponent's representative modified |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009299OPPO |
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R26 | Opposition filed (corrected) |
Opponent name: TRENCH GERMANY GMBH Effective date: 20041118 |
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PLAY | Examination report in opposition despatched + time limit |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNORE2 |
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PLAB | Opposition data, opponent's data or that of the opponent's representative modified |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009299OPPO |
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R26 | Opposition filed (corrected) |
Opponent name: TRENCH GERMANY GMBH Effective date: 20041118 |
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RDAF | Communication despatched that patent is revoked |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNREV1 |
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BERE | Be: lapsed |
Owner name: *SCHNEIDER ELECTRIC INDUSTRIES SAS Effective date: 20040930 |
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PLAB | Opposition data, opponent's data or that of the opponent's representative modified |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009299OPPO |
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RDAG | Patent revoked |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009271 |
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STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: PATENT REVOKED |
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R26 | Opposition filed (corrected) |
Opponent name: TRENCH GERMANY GMBH Effective date: 20041118 |
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27W | Patent revoked |
Effective date: 20071029 |
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PGFP | Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: FR Payment date: 20070910 Year of fee payment: 12 |