Brevet FR2000441A1 — publié le 19690905

i 2000441 La présente invention concerne les dispositifs de protection contre les surtensions à éclateur commandé sous vide ou des dispositifs à décharge électrique agissant par ionisation d'un matériau vaporisé, normalement solide, dans une enceinte 5 sous vide, et concerne plus particulièrement un circuit de commande pour amorcer l'ionisation dans de tels dispositifs. Il est reconnu que, pour limiter la valeur maximale des pointes de tension apparaissant sur des lignes de transmission à haute tension, l'utilisation de différents types d'écla-10 teurs comprenant un intervalle d'éclatement sous vide est peu coûteuse et souhaitable. En utilisant les dispositifs à éclateur sous vide pour limiter les pointes de tension on s'est aperçu que l'on pouvait améliorer leur stabilité de fonctionnement en introduisant un dispositif de commande pour amorcer la décharge 15 de l'éclateur sous vide principal à une tension plus faible que dans le cas où cette décharge n'est pas commandée. Par conséquent, on a développé différentes méthodes pour commander la décharge des éclateurs sous vide dans un domaine relativement étroit de tensions de fonctionnement. Toutes ces méthodes sont 20 basées sur l'utilisation d'un dispositif destiné à réduire la tension d'arc apparaissant aux bornes de l'éclateur en injectant des électrons, des ions ou du plasma dans l'éclateur sous vide principal, ces différentes méthodes différant principalement par la vitesse de décharge et par la rapidité avec laquelle le pou-25 voir diélectrique est rétabli dans l'intervalle d'éclatement après l'extinction d'un arc. Cependant, on a trouvé que la méthode consistant à injecter du plasma dans l'éclateur principal pour amorcer la décharge fournit la décharge la plus rapide avec un minimum d'instabilité de tension. 30 Une méthode souhaitable pour injecter un plasma dans un éclateur sous vide consiste à prévoir des électrodes de commande auxiliaires chargées de gaz qui fournissent un plasma lorsqu'elles sont alimentées. Par exemple, on peut amorcer un arc de commande fournissant du plasma entre des électrodes de 35 titane chargées d'hydrogène, éloignées de quelques centièmes de millimètre, en appliquant une impulsion de tension importante aux bornes des électrodes. Naturellement, les éclateurs de commande eux-mêmes nécessitent l'application d'une tension impor-» tante pour amorcer la décharge par étincelle. Dans quelques 40 dispositifs antérieurs ces éclateurs de commande sont amorcés 69 00756 2000441 en déchargeant un condensateur à haute tension ou une autre source extérieure d'énergie de haute tension dans l'éclateur. Le problème posé par une telle méthode est que les condensateurs nécessaires sont à la fois encombrants et coûteux. D'autres 5 circuits de commande antérieurs, plus compacts du fait qu'ils utilisent la tension de ligne du dispositif protégé comme source d'alimentation, ont l'inconvénient de s'amorcer à des tensions différentes suivant la polarité de la pointe de tension qui provoque l'amorçage. 10 Le dispositif de commande suivant la présente inven tion écarte les problèmes inhérents aux dispositifs antérieurs et réalise une fonction de commande très rapide qui ne dépend pas de la polarité de la pointe de tension d'amorçage. De plus, le présent dispositif ne nécessite aucune source d'énergie exté-15 rieure ni aucun élément encombrant, tels que les condensateurs à haute tension, pour amorcer la commande. De plus le mode de fonctionnement du présent dispositif lui assure d'importants avantages. En particulier le circuit de commande du présent dispositif n'est traversé que par un courant limité, par conséquent 20 les caractéristiques de fonctionnement de ses composants restent stables du fait qu'ils ne sont pas soumis à des arcs importants. De plus l'arc apparaissant aux bornes de ces composants est extérieur à l'éclateur sous vide principal et a une durée très faible puisqu'il disparaît instantanément lorsque la tension 25 chute aux bornes des composants au moment où un arc s'amorce aux bornes de l'éclateur principal. La présente invention se propose de réaliser un dispositif à éclateur sous vide possédant des moyens de commande extérieurs au dispositif afin d'augmenter la stabilité des carac-30 téristiques de fonctionnement du dispositif de commande. La présente invention sera mieux comprise par la description suivante d'une forme de réalisation particulière donnée à titre d'exemple et représentée au dessin annexé dans lequel : La figure 1 est un schéma d'un circuit suivant une 35 forme de réalisation de la présente invention et comporte une vue de côté, partiellement en coupe, d'un dispositif à éclateur sous vide branché sur une ligne de transmission à haute tension. La figure 2 représente un schéma d'une forme de réalisation préférée d'un dispositif de commande suivant la présente 40 invention, ce circuit de commande étant relié à un dispositif 69 00756 3 2000441 à éclateur sous vide, représenté en vue de côté et partiellement en coupe, et branché entre une ligne d'énergie à haute tension et une résistance non linéaire ou d'autres moyens limiteurs de tension. 5 La figure 1 représente schématiquement une partie d'un conducteur de transmission à haute tension ou conducteur 1 destiné à transporter l'énergie électrique d'une source de haute tension convenable, par exemple un générateur de courant continu 2, vers un point éloigné. On peut utiliser des moyens limiteurs de 10 tension pour protéger ces dispositifs de transport contre les détériorations dues aux pointes de tension importantes pouvant être provoquées soit par des forces naturelles, par exemple la foudre, soit par des tensions transitoires apparaissant pendant des opérations de commutation. Cette fonction de protection est 15 réalisée par un dispositif à éclateur sous vide 3 branché, par l'intermédiaire des conducteurs 4 et 5, entre le conducteur 1 et la terre. Ce dispositif à éclateur sous vide 3 est construit de préférence de la façon décrite dans le brevet américain n° 3 087 092. Par conséquent, ce dispositif est constitué d'une enceinte 20 étanche 6 où l'on établit un vide poussé, c'est-à-dire égal ou inférieur à une pression de 10~^ millimètres de mercure. L'enceinte 6 est constituée d'un boîtier 7 en matériau isolant convenable, par exemple de la céramique, et de deux couvercles métalliques 8 et 9 assemblés de façon étanche sur les deux extré-25 mités opposées du boîtier isolant 7 par l'intermédiaire d'un dispositif d'étanchéité 10 convenable, par exemple par soudure. Des électrodes principales 11 et 12 sont logées à l'intérieur de l'enceinte sous vide 6 et reliées respectivement aux couvercles 8 et 9. Les électrodes 11 et 12 délimitent un 30 intervalle d'éclatement principal sous vide 13. On notera qu'un circuit de dérivation est formé aux bornes de l'éclateur principal 13 entre le conducteur 1 et la terre par l'intermédiaire des conducteurs 4 et 5 et des électrodes 11 et 12 lorsque l'éclateur 13 est rendu conducteur à 35 l'apparition d'un arc à ses bornes. On comprendra que pour des applications données la longueur de l'intervalle d'éclatement 13 peut être prédéterminée de façon à ce qu'un seul éclateur puisse supporter la tension normale conducteur-terre sans s'amorcer. » Naturellement, des circuits à tension plus importante pourront 40 être protégés avec de tels dispositifs dont l'intervalle d'ëcla- 69 00756 4 2000441 tement est prédéterminé en branchant un nombre convenable de ces éclateurs en série pour constituer le circuit de dérivation, comme il est bien connu dans la technique. Normalement la longueur de l'intervalle d'éclatement 5 principal 13 se situera entre 0,95 centimètre et 1,6 centimètreSo Par conséquent, afin d'éviter que l'éclateur 13 ne s'amorce lorsque la tension du conducteur 1 par rapport à la terre atteint une valeur prédéterminée pour laquelle les éléments du réseau risquent d'être soumis à un arc ou à un défaut d'isolation, un 10 éclateur de commande 14 est disposé à l'intérieur de la cavité conique 12a de l'électrode 12. L'éclateur de commande 14 est constitué d'un support cylindrique isolant 15 en céramique qui sert à la fois de manchon pour le conducteur 16 afin de l'isoler de la paroi conductrice 9 et de support pour deux fines couches 15 métalliques 17a et 17b fixées sur son extrémité supérieure, l'éclateur 14 se trouvant entre ces deux couches. On notera que le conducteur 16 se termine par une tête métallique 18 qui est fixée de façon étanche sur l'extrémité intérieure du support de céramique 15 par une technique de fixa-20 tion céramique-métal classique qui assure 1'étanchéité. Les couches métalliques 17a et 17b sont constituées d'un métal, tel que du titane, qui est très avide de gaz actifs tels que l'hydrogène et est susceptible d'en absorber une grande quantité. Comme il est bien connu, les lignes de répartition du champ à la sur-25 face commune de la jonction entre un métal et un noyau de céramique sont très favorables à la production d'un claquage sur cette surface commune. Par conséquent, une tension relativement faible appliquée aux bornes de l'éclateur de commande 14 peut amorcer une décharge à ses bornes à partir de l'une de ces surfaces com-30 munes. Pour appliquer une telle tension de commande aux bornes de l'éclateur de commande 14, on constitue un circuit série comportant le conducteur 16, la tête métallique 18, la couche métallique 17a, l'éclateur 14, la couche métallique 17b elle-même en contact avec l'électrode 12 puis le conducteur 5 qui est relié 35 à la terre. Par conséquent, afin de déclencher un amorçage d'arc dans l'éclateur 14 il est seulement nécessaire d'appliquer une tension possédant une valeur convenable prédéterminée sur le conducteur 16. Suivant la présente invention, une telle tension est 40 fournie par le circuit de commande 19 constitué par des moyens 20 69 00756 2000441 laissant passer un courant lors de l'application d'une tension, ce circuit étant branché en série avec le circuit de répartition de tension 21 sensible au courant entre le conducteur 1 et la terre. Dans la forme de réalisation représentée dans la figure 1, 5 le circuit de répartition de tension 21 est représenté par une résistance 21a, et le circuit 20 du courant qui est fonction de la tension est constitué de plusieurs paires de bornes d'arc secondaire 22, chacune de ces paires délimitant un intervalle d'éclatement 22a. Une résistance de limitation de courant 23 est 10 branchée en série avec les intervalles d'éclatement 22a et la résistance 21a entre le conducteur 1 et la terre pour éviter qu'un courant trop important ne traverse le circuit série 19 lorsqu'il est conducteur, ce qui assure un fonctionnement stable du circuit. Afin de répartir la tension aux bornes des intervalles 15 d'éclatement 22a plusieurs résistances de répartition de tension 24 sont respectivement branchées en parallèle aux bornes de chacun des intervalles 22a et sont toutes reliées en série. On comprendra que les valeurs relatives des impédances et des caractéristiques de fonctionnement des éléments du circuit 20 19 peuvent être modifiées pour satisfaire aux conditions particulières d'applications prédéterminées. Cependant, à titre d'exemple, on a trouvé que la valeur convenable pour les résistances 21a et 23 est de 2500 ohms lorsque le conducteur 1 est à 15 kv, la valeur de chacune des résistances 24 étant 25 mégohms 25 dans ce cas. Dans cette forme de réalisation, les intervalles d'éclatement 22a sont préionisés par un préioniseur 22b branché en parallèle sur ces intervalles, comme il a été décrit dans le brevet américain n° 3 223 874. Le noyau du préioniseur 22b peut 30 être constitué d'une céramique, d'un plastique ou d'un mica comme décrit dans le brevet mentionné ci-dessus. On comprendra que l'on peut utiliser tout autre moyen de préionisation convenable pour obtenir le degré désiré d'uniformité du niveau de tension d'amorçage. La résistance 23 est également branchée en 35 parallèle avec un condensateur 25 dans le but de mettre en forme la caractéristique d'amorçage tension-temps du circuit 19. On comprendra que le nombre et les dimensions des intervalles d'éclatement 22a peuvent être modifiés pour s'adapter aux conditions d'applications particulières sans sortir du cadre de 40 l'invention. 69 00756 2000441 Lors du fonctionnement, les intervalles secondaires 22a sont normalement non-conducteurs mais sont destinés à le devenir lorsqu'au moins une valeur prédéterminée de tension apparaît sur le conducteur 1. Cette valeur prédéterminée de tension peut 5 varier en fonction de la tension normale transmise par le conducteur 1 entre 2,5 fois cette tension normale pour les réseaux de transport d'énergie dont la tension nominale est inférieure à 345 kv jusqu'à 1,5 fois la tension normale pour les réseaux de transport d'énergie à très haute tension de l'ordre de ÎOOO kv. 10 Lorsqu'une pointe de tension égale ou supérieure à la valeur de tension prédéterminée apparaît sur le conducteur 1-, une tension importante est répartie entre les bornes des résistances 24 de répartition de tension pour entraîner l'amorçage des éclateurs secondaires préionisés 22a et de ce fait faire passer un courant 15 à travers la résistance 21a vers la terre. Puisque la valeur des résistances 23 et 21a a été choisie pour permettre un passage de courant d'une importance convenable à travers la résistance 21a dans de telles conditions de tension pour développer sur le conducteur 16 une tension suffisante pour déclencher l'amorçage de 20 l'éclateur de commande 14, cet éclateur 14 s'amorce immédiatement. Lorsque l'éclateur de commande 14 s'amorce, les plaques métalliques 17 et 18 dégagent l'hydrogène qu'elles ont emmagasiné ce qui fait rapidement apparaître un arc dans l'intervalle 13 entre les électrodes principales 11 et 12, de sorte que la pointe de 25 tension sur le conducteur 1 est dérivée vers la terre par le circuit de dérivation mentionné précédemment et constitué par les conducteurs 4 et 5 et par le dispositif à éclateur sous vide 3. On notera que dès qu'un arc apparaît dans l'intervalle principal 13 les arcs sont interrompus dans les intervalles se-30 condaires 22a du fait que la tension aux bornes du circuit 19 chute immédiatement par l'intermédiaire du circuit de dérivation à résistance plus faible comprenant l'arc aux bornes de l'intervalle principal 13. Par conséquent, l'arc apparaissant aux bornes des intervalles 22a est limité à une durée minimale et a habituel-35 lement une durée plus courte que l'arc apparaissant aux bornes de l'intervalle principal 13. Ce fait, associé à la faible intensité de courant traversant la résistance 23 par l'intermédiaire des intervalles secondaires 22a, assure la libération rapide des intervalles secondaires et leur fonctionnement stable indépendamment 40 de la valeur ou de la durée de la pointe de tension apparaissant 69 00756 7 2000441 sur le conducteur 1. Bien que la présente invention a été décrite comme utilisant un circuit de commande 19 comportant des éclateurs à air 22a pouvant être shuntés par un préioniseur 22b, par exemple 5 en mica, ceux qui sont familiers avec cette technique comprendront que l'on peut utiliser, sans sortir du cadre de l'invention, d'autres éclateurs secondaires convenables, par exemple des éclateurs sous vide, à la place des éclateurs à air représentés. La figure 2 représente une forme de réalisation pré-10 férée de la présente invention utilisée avec un conducteur de transport d'énergie à haute tension 1' qui transporte de l'énergie à partir d'une source de courant alternatif 2' jusqu'à un point éloigné. Un dispositif à éclateur sous vide 3' est branché en série, par l'intermédiaire des conducteurs 4' et 5', avec une 15 résistance non linéaire formant valve 26 entre le conducteur 1' et la terre. La résistance non linéaire 26 est représentée sché-matiquement sous forme d'un bloc mais ceux qui sont familiers avec cette technique comprendront que l'on peut brancher en série plusieurs résistances non linéaires afin de constituer un 20 parafoudre ou que l'on peut brancher en série un autre dispositif à décharge d'arc avec le dispositif 3'. Le dispositif à éclateur sous vide 3' est constitué d'une paroi cylindrique en céramique 7' assemblée de façon étanche avec deux couvercles métalliques 8' et 9' qui sont à leur tour reliés électriquement 25 aux électrodes principales 11' et 12' délimitant un intervalle principal 13'. On comprendra que les éclateurs de commande 14' et 27 associés respectivement aux électrodes principales 12' et 11' ont la même structure et la même fonction que l'éclateur de commande 14 mentionné dans la description de la figure 1. Par 30 conséquent, le montage et la structure de ces éléments ainsi que des éléments qui y sont associés ne seront pas décrits de nouveau. Le conducteur 16' relie électriquement l'éclateur 14' au circuit de courant 20' branché en série et sensible à la tension et au circuit de répartition de la tension 21' sensible au courant, 35 et le conducteur 28 relie électriquement l'éclateur de commande 27 au circuit de répartition de tension 21b. Le circuit de répartition de tension 21' sensible au courant est constitué des impédances 21a' et 21b pouvant être des résistances convenables ou d'autres dispositifs faisant chuter la tension qui 40 fourniront une tension convenable aux bornes des éclateurs de 69 00756 s 2000441 commande 14a et 27 pour les amorcer lorsque le circuit de courant 20' est conducteur. Le circuit de courant 20* est constitué des résistances 29 et 30 branchées en série, de plusieurs paires d'électrodes secondaires 22' branchées en série, chacune de ces 5 paires d'électrodes délimitant des intervalles secondaires 22a' et chacun de ces intervalles étant de préférence préionisé par l'intermédiaire d'un bloc de matériau isolant 22b' branché en parallèle de sorte que les éclateurs 22a' s'amorceront pour un niveau de tension uniforme. Plusieurs résistances 24' de répar-10 tition de tension sont branchées respectivement en parallèle sur les éclateurs secondaires 22a' et sont toutes branchées en série les unes avec les autres. Lors du fonctionnement, chacun des éléments du circuit de courant 20' sensibles à la tension fonctionne de la même 15 manière que les éléments identiques mentionnés pour le circuit 20 de la figure 1. On comprendra que les résistances de limitation de courant 29 et 30 peuvent être shuntées par des condensateurs, comme cela a été fait pour la résistance de limitation de courant 23 avec le condensateur 25 dans la forme de réalisation décrite 20 dans la figure 1, afin d'améliorer la caractéristique de tension en fonction du temps du circuit d'une façon bien connue dans la technique. Par conséquent, le fonctionnement de cette partie de circuit ne sera pas répété ici. On notera que le circuit de commande 19' est complété 25 en branchant un conducteur 31 entre une extrémité de la résistance 21a' et le conducteur 5' afin de brancher la résistance de répartition de tension 21a en parallèle sur l'éclateur de commande 14'. Comme dans la forme de réalisation décrite dans la figure 1, un circuit de dérivation est constitué aux bornes du circuit de 30 commande 19' entre le conducteur 1' et la terre par l'intermédiaire des conducteurs 4' et 5', du dispositif à éclateur sous vide 3' et de la résistance formant valve 26. Un avantage important de cette forme de réalisation préférée est que l'amorçage de l'éclateur de commande entraînant 35 l'apparition de l'arc principal débute avec précision pour une valeur prédéterminée de la caractéristique tension-temps quelle que soit la polarité de la pointe de tension qui amorce soit l'éclateur 14' soit l'éclateur 27. Bien que la forme de réalisation préférée de la présente invention a été décrite en se réfé-40 rant à un conducteur d'une ligne de transport d'énergie en courant 69 00756 2000441 alternatif à haute tension 1', ceux qui sont familiers avec cette technique comprendront qu'elle peut aussi être utilisée pour protéger des transformateurs, des disjoncteurs et d'autres éléments des réseaux à haute tension en prévoyant des moyens mettant 5 rapidement et de façon fiable les pointes de haute tension à la terre pour une valeur précise de la tension en fonction du temps quelle que soit la polarité de la pointe de surtension. De plus, comme représenté dans la forme de réalisation de la figure 1, la présente invention peut être utilisée pour améliorer le rendement 10 et la fiabilité des dispositifs de protection à éclateur incorporés dans des dispositifs de courant continu dans lesquels il n'existe pas de pointes de surtension de polarité opposée. 69 00756 io 2000441 REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection contre les surtensions comprenant une enceinte sous vide dans laquelle est logé un éclateur sous vide commandé possédant deux électrodes principales et une électrode de commande adjacente à l'une des électrodes 5 principales mais espacée de celle-ci de façon à constituer un éclateur de commande, un circuit de répartition de tension sensible au courant et des organes destinés à conduire un courant, sensibles à la tension et branchés en série aux bornes des électrodes principales pour constituer un circuit de dérivation 10 sur ces électrodes, les organes conducteurs de courant sensibles à la tension étant normalement non-conducteurs et ne devenant conducteurs que lorsqu'au moins une valeur prédéterminée de tension apparaît aux bornes des électrodes principales, de façon que le circuit de répartition de tension sensible au courant ne 15 fonctionne que lorsque les organes destinés à conduire le courant sont à l'état conducteur, et un circuit de liaison appliquant la tension fournie par le circuit de répartition de tension aux bornes de l'éclateur de commande afin d'amorcer celui-ci. 2. Dispositif de protection contre les surtensions 20 suivant 1 dans lequel les moyens conducteurs de courant sensibles à la tension sont constitués par au moins deux électrodes secondaires espacées qui délimitent un intervalle d'éclatement secondaire, cet intervalle d'éclatement secondaire étant branché en série avec le circuit de répartition de tension sensible au 25 courant. 3. Dispositif de protection contre les surtensions suivant 2 dans lequel un noyau de matériau destiné à préioniser l'intervalle d'éclatement secondaire est disposé au voisinage de celui-ci. 30 4. Dispositif de protection contre les surtensions suivant 3 dans lequel le matériau du noyau de préionisation est principalement du mica. 5. Dispositif de protection contre les surtensions suivant 2 dans lequel l'intervalle d'éclatement secondaire est 35 constitué par un éclateur à air. 6. Dispositif de protection contre les surtensions suivant 2 comprenant des moyens pour faire le vide dans l'inter 69 00756 2000441 valle d'éclatement secondaire. 7. Dispositif de protection contre les surtensions suivant 1 dans lequel les organes conducteurs de courant et sensibles à la tension sont logés dans l'enceinte sous vide. 5 8. Dispositif de protection contre les surtensions suivant 1 dans lequel les organes conducteurs de courant et sensibles à la tension sont disposés à l'extérieur de l'enceinte sous vide. 9. Dispositif de protection contre les surtensions 10 suivant 1 dans lequel le circuit de répartition de tension sensible au courant est constitué par une impédance électrique de valeur prédéterminée, cette impédance se trouvant branchée en parallèle sur l'éclateur de commande. 10. Dispositif de protection contre les surtensions 15 suivant 1 dans lequel le circuit conducteur de courant et sensible à la tension est constitué par plusieurs paires d'électrodes secondaires branchées en série, chacune de ces paires d'électrodes délimitant un intervalle d'éclatement secondaire. 11. Dispositif de protection contre les surtensions 20 suivant 10 comprenant plusieurs résistances de répartition de tension, chacune de ces résistances étant branchée en parallèle sur un de ces intervalles d'éclatement secondaires, l'ensemble de ces résistances étant branché en série aux bornes des électrodes principales. 25 12. Dispositif de protection contre les surtensions suivant 1 dans lequel le circuit de répartition de tension sensible au courant est constitué par plusieurs résistances, chacune de ces résistances étant respectivement branchée en parallèle par l'intermédiaire du circuit de liaison sur l'éclateur de com- 30 mande. 13. Dispositif de protection contre les surtensions suivant 1 dans lequel le circuit de répartition de tension sensible au courant est constitué par une impédance électrique branchée en parallèle sur chacun des éclateurs de commande de façon 35 à ce qu'une chute de tension apparaissant aux bornes de cette impédance soit transmise simultanément aux éclateurs de commande. 14. Dispositif de protection contre les surtensions suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le dispositif à éclateur sous vide commandé est constitué par deux 40 électrodes principales espacées situées à l'intérieur d'une en- 69 00756 12 2000441 ceinte sous vide et délimitant un intervalle d'éclatement sous vide principal, l'éclateur de commande injectant, lorsqu'il s'amorce, des porteurs chargés dans l'intervalle d'éclatement principal afin d'amorcer un arc entre ces électrodes principales. 5 15. Dispositif de protection contre les surtensions suivant 14 comprenant au moins une résistance non linéaire branchée en série entre le dispositif à éclateur sous vide commandé et la terre. 16. Dispositif de protection contre les surtensions 10 suivant 15 dans lequel le circuit de commande est extérieur à l'enceinte sous vide et comprenant au moins un dispositif résistant formant valve branché en série avec le dispositif à éclateur sous vide commandé entre le conducteur de puissance et la terre.