Brevet FR2068660A1 — publié le 19710827

i 2068660 L'invention concerne des isolateurs électriques. Plus particulièrement, elle vise à perfectionner les isolateurs électriques spécialement conçus pour supporter des conducteurs électriques à haute tension. 5 On connaît des isolateurs électriques du type qui comprend une tige ou un tube allongé en fibres minérales liées par de la résine, à chaque extrémité duquel est adaptée une armature d'extrémité, l'une des armatures d'extrémité servant à fixer l'isolateur à un poteau approprié, tandis que l'autre 10 armature d'extrémité est conçue pour supporter un conducteur électrique. Par exemple, le brevet britannique H° 915«052 décrit un isolateur électrique constitué par un noyau de fibres de verre liées par de la résine qui porte une gaine ou un revêtement de matière polymère élastomère ne procurant pas de dé-15 charges superficielles, qui s'étend sur la totalité ou la majeure partie de la longueur de la tige ou du tube. L'isolateur électrique est muni d'armatures d'extrémité appropriées et la structure d'isolateur électrique décrite dans le brevet susdit évite les décharges superficielles. Les décharges su-20 perficielles résident dans la formation de parcours conducteurs à la surface de l'isolateur, qui résultent en partie de l'accumulation d'impuretés sur celui-ci et de la formation de charbon électriquement isolant par suite d'une décharge électrique à travers l'isolant. Un inconvénient notable de l'iso-25 lateur électrique ci-dessus est que l'utilisation de ces isolateurs est sévèrement limitée à cause de leurs caractéristiques médiocres quant aux courants de fuites. En conséquence, le but principal de l'invention est de fournir un isolateur électrique dont l'utilisation ne soit pas restreinte par l'in-30 convénient ci-dessus. L'invention propose un isolateur électrique qui comprend, en combinaison, une structure allongée telle qu'une tige ou tm tube de résine organique renforcée, une gaine ou un revêtement de résine de fluorocarbure appliqué sur cette 35 structure, des supports fixés à chaque extrémité de la structure et au moins un écran de matière conductrice associé à la structure de manière à coopérer avec elle et conçu pour empêcher la formation d'un trajet continu humide conducteur de l'électricité entre les extrémités de la structure lorsqu'elle 40 est exposée aux précipitations, l'isolateur ayant un courant 70 42346 2 2068660 de fuite qui ne dépasse pas 5 environ. La description qui va suivre, en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particula-5 rités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention et les mêmes références désignant les mêmes parties sur toutes les figures. La figure 1 est une vue latérale de l'isolateur de l'invention» 10 La figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de l'isolateur de la figure 1. La figure 3 est une vue similaire à la figure 1, montrant un autre mode d'exécution de l'isolateur de l'invention muni de deux écrans. 15 La figure 4 est une vue schématique d'un autre mode ' d'exécution de l'isolateur de l'invention comportant un écran à peu près au milieu de la longueur de l'isolateur. La figure 5 est une vue schématique similaire à la figure 4^mais montrant un écran différent. 20 La figure 6 est une vue latérale d'un isolateur électrique similaire à celui de la figure 1, présentant à une extrémité un dispositif évitant un contournement. La figure 7 est une vue schématique montrant un isolateur similaire à la figure 6, mais muni de deux écrans 25 en forme de disque. La figure 8 est un plan d'un écran en forme de disque perforé. L'isolateur ici décrit et représenté par les dessins constitue une structure allongée 10 telle qu'une tige et com-30 prend un noyau 11 de résine synthétique renforcée et une gaine 12 qui enveloppe pratiquement toute la longueur du noyau 11. Des supports appropriés 13 et 14 sont fixés aux extrémités respectives de l'élément 10 „ Par exemple, le support 13 peut être une armature à oeillet conçue pour fixer la structure 35 d'isolateur à un poteau approprié, par exemple à un pylône de transmission à haute tension et le support 14 peut être une armature à étrier conçue pour supporter un conducteur électrique. Les armatures d'extrémité 13 et 14 sont fixées à la tige 11 par des moyens appropriés, par exemple par une résine époxy-40 de. Par exemple, comme le montre la figure 2, la gaine 12 pé 70 42346 3 2068660 nètre juste un peu dans les armatures d'extrémité et l'espacement situé au-dessus de la gaine 12 et entre la surface du noyau 11 et la surface intérieure de l'armature d'extrémité peut être rempli d'une résine époxyde. Un écran 15 est fixé 5 à l'isolateur par tous moyens appropriés. La figure 2 montre un écran 15 de forme conique fixé par exemple par soudage à une armature d'extrémité 13. Le blindage 15 peut être fixé à l'isolateur en son centre comme le montre la figure 4 et avoir toute géométrie appropriée, par exemple la forme d'un disque 10 comme le montre la figure 5 ou toute forme semblable. Un autre mode d'exécution de l'isolateur selon l'invention est représenté par la figure 6. L'isolateur de la figure 6 est formé d'un élément allongé 10, d'armatures d'extrémité 13 et 14 et d'un écran en forme de disque 15, le 15 tout comme décrit ci-dessus et en outre, il comprend un dispositif contre un arc de contournement, tel qu'une plaque de garde 16 convenablement fixée à la structure d'isolateur près d'une extrémité de celle-ci. La figure 7 est similaire à la figure 6 et montre un isolateur muni de deux écrans 15 et d'une 20 plaque de garde 16. La plaque de garde 16 est en toute matière conductrice appropriée telle qu'un, métal et son rôle est de protéger la structure d'isolateur contre tout arc pouvant se former de part et d'autre de l'isolateur. De façon plus précise, la plaque de garde 16 fonctionne de manière à empêcher la 25 formation d'un arc à la surface du dispositif d'isolateur seins réduire la tension à laquelle il se produirait un arc de contournement. Par exemple, on a trouvé que dans l'isolateur de la figure 6, la plaque de garde, en coopération avec l'écran métallique 15» a pour effet d'empêcher tout arc ou tout con-30 tournement à la surface de l'isolateur et que la combinaison de ces éléments structuraux a pour effet d'augmenter la tension à laquelle le contournement se produit. La figure 8 est un plan d'un écran en forme de disque 15 présentant des trous 17 uniformément espacés autour 35 de celui-ci. Le disque 15 peut présenter une ouverture centrale appropriée telle que 18, servant à loger une tige 10 de section circulaire ou une ouverture centrale rectangulaire telle que 18' indiquée en tireté et servant à loger une tige de section rectangulaire. 40 Le noyau 11 de la structure d'isolateur est cons 1 70 42346 4 2068660 titué de-préférence par une tige massive de résine renforcée. Comme matières appropriées pour constituer cette tige, on citera, par exemple, les résines époxydes, les résines acryliques ou les résines de polyester renforcées par des fibres de fils 5 de verre. Le noyau 11 peut avoir toute section, par exemple triangulaire, mais il est de préférence circulaire. Il est préférable d'avoir un noyau de faible section,car le courant fuit à la surface de l'isolateur et par suite un diamètre petit réduit l'aire (surface de conduction) de la matière" isolante. 10 Une telle conception renforce l'isolement. Le diamètre du noyau qui supporte la charge est déterminé par la solidité nécessaire prévue en service et il dépasse rarement 5 cm. Dans le mode d'exécution préféré, le noyau structural de l'isolateur est une tige en résine de polyester ou résine époxyde renforcée de 15 fibre de verre, de préférence sous forme de fils et le diamètre de l'isolateur est de 5 cm. L'utilisation de noyaux de polymères renforcés de fils de verre, dans l'invention, assure la facilité de la fabrication et une grande économie et cette utilisation est donc^préférable. On peut fabriquer ces noyaux 20 par des procédés tels que ceux qui sont connus par le brevet américain K° 2.871.911 et par Glass Reinforced Plastics, Iliffe and Sons, Ltd., Londres 1954. Le revêtement ou gaine 12 est formé de matière polymère de fluorocarbure, par exemple du polytétrafluoréthylène 25 (PTFE), du polytrifluorochloréthylène et des copolymères tels que les copolymères de tétrafluoréthylène et d'hexafluoropro- pylène (FEP) et les copolymères de tétrafluoréthylène et d'éther alcoyl-vinylique perfluoré, par exemple d'éther propyl-vinylique perfluoré, spécialement les copolymères formés d'au moins 80% '30 en poids de tétrafluoréthylène. Les résines perfluorées sont spécialement préférables. Quand le revêtement de résine de fluorocarbure 12 est formé de polytétrafluoroéthylène, on en fabrique de préférence le revetement/préformant la résine à la forme désirée et en la frittant. 35 Les copolymères de FEP pouvant être travaillés à chaud sont préférables à cause de la facilité de transformation. En pareil cas, on peut fabriquer le revêtement 12 en extrudant le copolymère de FEP sous forme de manchon ou d'élément tubu-laire que l'on peut ensuite adapter au noyau 11, par exemple 40 par retrait à chaud ou bien on peut l'extruder en continu et ®0èM3à6 5 2068660 l'adapter au noyau lors du processus d'extrusion. La viscosité "spécifique à l'état fondu du copolymère de PEP est de préféren- ZL II ce comprise entre 1 x 10 et 30 x 10 poises à 380°C et de pré- 4-4- férence entre 7 x 10 et 10 x 10 poises. La viscosité spécifi-5 que à l'état fondu est déterminée par le procédé décrit dans le "brevet américain 5T° 2.94-6.763. • Par exemple, on peut préparer le revêtement en extrudant un copolymère fluoré éthylène/propylène pouvant être travaillé à chaud, comme décrit dans le brevet américain 10 2.94-6.763 déjà cité et dans le "Du Pont Technical Information Bulletin X-82-d" intitulé "Teflon-PEP-Fluorocarbon Resin, Techniques for Processing by Melt Extrusion". Le polymère fluoré éthylène/propylène de désignation commerciale "Teflon" 100 convient particulièrement à cet usage. Ce copolymère fluoré a 15 une viscosité spécifique à l'état fondu d'environ 8 x 10^ poises, telle qu'on la détermine par le procédé décrit dans le brevet américain ¥° 2.94-6.763 déjà cité. D'autres procédés de revêtement conviennent aussi. Par exemple, le revêtement peut présenter la forme d'un stratifié 20 de la couche contenant le constituant polymère et d'une autre matière. Toutefois, il est essentiel de placer le constituant polymère de fluorocarbure à la surface extérieure du revêtement. Pour des raisons économiques, il est préférable que le revêtement soit mince (par exemple qu'il ait une épais-25 seur de paroi de 0,5 mm) et pour cette raison, la gaine est de préférence formée d'un polyfluorocarbure pouvant être travaillé à l'état fondu. Il ne doit pas y avoir d'intervalle d'air continu entre le revêtement et l'élément allongé qui supporte la charge 30 et qui parcourt toute la longueur de l'isolateur. Le revêtement peut être adapté exactement ou bien l'interstice entre le revêtement et l'élément de charge peut être rempli d'une matière appropriée, par exemple de la graisse de silicone. Ou encore, on peut coller le revêtement au noyau au moyen d'une 55 résine époxyde. tyuand on utilise de la graisse ou un adhésif, il est préférable de traiter la surface intérieure du revêtement par exemple par une solution corrosive sodium-naphtalène pour améliorer ses caractéristiques d'adhérence. Dans la fabrication du revêtement de fluorocar-40 bure, il faut veiller à réduire au minimum la formation de 70 42346 6 2068660 points de concentration de tensions ou de tensions internes qui réduiraient les tensions extérieures pouvant être tolérées en service par le revêtement avant claquage. L'écran 15 sert à empêcher la formation d'un tra-5 jet continu d'humidité à la surface de l'isolateur entre les extrémités du revêtement 12, ce qui amènerait une défaillance de l'isolateur. Chose surprenante, il faut que l'écran soit conducteur de l'électricité. En fait, il peut se rassembler de la "boue sur la surface supérieure découverte de l'écran pen-10 dant l'utilisation. Lorsqu'il y a beaucoup d'humidité, il apparaît une tension dans le diélectrique entre les deux surfaces de l'écran si celui-ci n'est pas conducteur. Une telle tension causerait une perforation dans l'écran qui ne remplirait pas sa fonction. 15 L'écran conducteur est de préférence situé dans la moitié supérieure de l'isolateur. Sa fonction est de protéger la surface de l'isolateur, au moins en partie, contre la boue et contre la formation d'un trajet continu d'humidité conductrice de 1'éleçtricité. Toutefois, un blindage conduc-20 teur de toute forme peut être fixé en tout point approprié de la longueur de l'isolateur, mais il est de préférence situé dans.la moitié supérieure de la structure d'isolateur. Une caractéristique essentielle de l'isolateur de l'invention est que son courant de fuite ne dépasse pas 5 mA» 25 Par courant de fuite ne dépassant pas 5 mA, on entend un courant moyen de fuite mesuré sous une différence de potentiel électrique d'environ 2,5 kV (valeur efficace sous 60 Hz) par 25,4- mm de longueur de l'isolateur, armatures d'extrémité non comprises, quand il est exposé à l'épreuve modifiée de la 30 chambre à pluie, décrite ci-après. On a trouvé que le courant de fuite ne doit pas dépasser 5 mA. Avec des courants de fuite plus Intenses, l'utilisation de l'isolateur est très défectueuse; en fait, quand le courant de fuite est d'environ 20 mA, l'isolateur se détériore. Gomme indiqué plus loin, le courant 35 de fuite d'un isolateur similaire à celui de la figure 1, mais sans écran 15, est très médiocre; par exemple, un isolateur de 50 cm de longueur soumis à 45 kV permet un courant de fuite d'environ 20 mA après 18 heures seulement d'exposition à la pulvérisation d'eau de la chambre à pluie. Par contre, le même 40 isolateur muni d'un écran et exposé aux mêmes conditions, sous 70 42346 7 2068660 une tension encore plus élevée, soit sous 60 kV, a seulement un courant de fuite de 0,5 mA après 18 heures environ d'exposition. Dans un mode d'exécution préféré, la tige de 5 charge est une tige en résine époxyde de 25,4 mm de diamètre, renforcée de fils de verre, du genre fabriqué par Anderson Electric Corporation. Le manchon est un tube extrudé de résine PEP de désignation commerciale "Teflon" 100, de 25,4 mm de diamètre intérieur et 0,5 mm d'épaisseur. La résine FEP est 10 mélangée à 1% de TiÛ2 et 1% d'un siloxane avant extrusion en un manchon tubulaire. Les armatures d'extrémité sont des armatures du type à languette et à étrier fabriquées en tige d'acier inoxydable de 38,1 mm de diamètre et d'un type décrit dans la technique antérieure. L'écran est en acier inoxydable 15 de 0,76 mm d'épaisseur et a une forme conique d'ouverture 60°, avec un diamètre de 20 cm à l'embouchure du cône. Le petit bout du cône a un diamètre de 38,1 mm et est soudé à l'étrier qui loge la tige revêtue de 25,4 mm de diamètre. On utilise une résine époxyde chargée d'aluminium comme l'éther diglycidy-20 lique de bisphénol A, de désignation commerciale "Devcon F-2", pour réunir les armatures d'extrémité à la tige renforcée de verre et revêtue de FEPo La surface intérieure du revêtement est corrodée au moyen d'un produit sodium-naphtalène de marque commerciale "Tetraetch" du genre décrit dans le brevet américain 25 îï® 2.809.150. Pour remplir tout interstice entre la gaine de polymère fluoré et la tige de charge, on utilise un époxyde incolore comme celui de désignation commerciale "Epon 871" qui contient de la triéthylènetétramine comme agent de réticulation. Des armatures d'extrémité satisfaisantes et des procédés de 30 fixation des armatTires à l'isolateur sont connus par les brevets américains K° 2.825.752, 3.129.282, 3.152.392, 3.192.622, . 3.226.805 et 3.367.686 et le brevet canadien £T° 620.243. La fabrication d'un isolateur type peut s'effectuer comme suit : 35 Premièrement, on corrode la surface intérieure de 63,5 cm de tube de "Teflon" 100 (gaine) en remplissant le tube de la solution corrosive sodium-naphtalène pendant quelques minutes. On glisse le tube de "Teflon" 100 sur une tige de résine d'époxyde renforcée de fibres de verre qui a une lon-40 gueur de 58,4 cm de façon que le tube et la tige arrivent au 70 42346 8 2068660 même niveau à une extrémité. On remplit l'une des armatures d'extrémité de résine époxyde chargée d'aluminium en quantité suffisante pour que l'insertion de l'extrémité à ras de la tige revêtue pousse la résine époxyde à mouiller la surface du 5 "Teflon" 100 qui se trouve à l'intérieur de l'armature d'extrémité. Cette armature se trouvant en "bas et la tige revêtue étant verticale, on coule une résine époxyde incolore dans l'extrémité ouverte du tube et on la laisse s'écouler vers le bas autour de la* tige, remplissant tout l'espace entre le re-10 vêtement et la tige. On laisse durcir le système. Cela prend habituellement 12 heures environ, mais bien entendu ce temps varie selon 1'époxyde utilisé. On coupe au niveau de l'extrémité de la tige l'extrémité ouverte du tube qui dépasse la tige et l'on soude à l'autre armature le petit bout de l'écran 15 conique. Cette armature d'extrémité à laquelle est fixé l'écran constituera l'étrier supérieur et le blindage de l'isolateur. On fixe cette armature d'extrémité à l'autre extrémité de la tige revêtue en utilisant la résine époxyde chargée d'aluminium. En service, on suspend à une flèche d'un pylône 20 l'isolateur de l'invention au moyen de l'armature d'extrémité 15 et on relie par des moyens appropriés la deuxième armature d'extrémité 14- à un conducteur électrique de manière à supporter le conducteur. l'épreuve de la chambre'à pluie s'exécute comme 25 suit. La "chambre à pluie" est de type conforme à la norme A.S.À. C77.1 - 194-3 (AIEE îf° 29) que l'on modifie en utilisant une eau qui a une résistivité de 5000ohms/cm^. Les pulvérisateurs sont situés de part et d'autre de l'éprou-50 vette, de sorte que (1) chaque éprouvette sans écran reçoit une pulvérisation d'eau pratiquement sur toute sa surface et que (2) chaque éprouvette munie d'un écran reçoit une pulvérisation d'eau sur au moins 50% de la surface du fluorocarbure qui recouvre 1'éprouvette. 55 La source d'énergie est suffisante pour maintenir la tension prévue sur les isolateurs pendant l'essai. On essaie dans la chambre à pluie, sous une différence de potentiel de 4-5 kY, un isolateur de 50,8 cm de longueur ayant une section d'environ 12,7 x 58,1 mm et com-4-0 portant tin noyau de résine époxyde renforcé par des liens de 70 42346 ' 2068660 :• de polyétàylène, orientés ];ar laminage et: un re- v;.ont ûe ,!îeflon" 100 contensjnt 1,: nyisilosaue, sans écran conducteur. 1rs Sableau I donne la variation du cour .-art de •: i,c- tu nA, mesuré en f onction du tex;ps, pour cet isolateur ;• -é sous une d.d.p. de 45 kY. . gAELLATJ I :.-pa d'exposition, Courant moyen de fuite, heures kA 0,1 0,1 0,5 0,1 1,0 3,0 1,8 1/2 18,0 - 22 1/2 On essaie un deuxième isolât eux1 semblable au Aeï, mais muni d'un écran en forme de disque de 20,3 ea de ^•tfe en acier inoxydable de 6,4 mm d'épaisseur, fixé à us arcature d'extrémité. L'un des disques pr'-ssnts quatre d'environ 25,4 eh de dieisètre chacun, répartis \mifor3ié-l- ,-Mitour du disque, comsîfe le montre la figure 8. On essaie . ...ru l'isolateur avec le disque écran perforé sur 1'armature , *;r'.h;ité supérieure et le disque plein sur l'armature d'exalté inférieure. Les résultats sont indiqués au Tableau lia. , TABLB.-'-U Ha ^oicîi, Teraps d'exposition, Courent noyen de 7 ___ heures fuite, nA A v 0,1 0," 4>- 0,5 0,1 -.3 ' 1,0 ' 0,2 4,0 0 50 0,1 " 0,3 :.0 0,5 0,4 60 1,0 0,3 50 10,0 0,4 ,;G 15,0 0,5 60 18,75 0,5 Gonr.se l'indique le IVoleau lia, l'isolc^teur ne " sente pas de fixité notable au bout de 4 heures sous 45 kv. g quand on porte à 60 kvr la d.d.p. sur l'isolateur, il n'y de courant de fuite notable au bout de 18 5/4 heures. BAD ORIGINAL 70 42346 10 2068660 On renverse ensuite l'isolateur de façon que l'écran en forme de disque plein se trouve en haut et le disque écran perforé en bas; les résultats d'essai sont indiqués au Tableau Hb ci-dessous : 5 TABLEAU Ilb Tension» Temps d'exposition, Courant moyen de fuites kV heures mA 60 - 0,1 0,4 60 0,5 0,3 0 60 -1,0 0,4 60 6,0 0,5 On retire les deux écrans et on recommence l'essai sur le même isolateur à 45 kV et 60 kV. Le résultat de cet essai est indiqué au Tableau III. 15 TABLEAU III Tension, Temps d'exposition, Gourant moyen de fuite, kV heures mA 45 0,1 2,3 45 0,3 5,8 " 60 0,1 18,0 20 60 0,2 23,0 On replace alors sur l'armature d'extrémité supérieure l'écran conducteur massif en forme de disque et le résultat donné par cet isolateur est indiqué au Tableau IV. TABLEAU IV Tension, Temps d'exposition, Courant moyen de fuite, kV heures mA 45 0,1 0,1 45- 0,3 0,1 30 60 0,2 0,4 70 0,1 . 0,7 Il va de soi que les formes de réalisation décrites ne sont que des exemples et qu'il serait possible de les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, 35 sans sortir pour cela du cadre de l'invention. BAD ORIGINAL 70 42346 n 2068660 KEVEHDICÀIIOBS 1. Isolateur électrique qui comprend, en combinaison, une structure allongée, un revêtement de résine de fluorocarbure appliqué sur cette structure, des supports fixés 5 à chaque extrémité de la structure et au moins un écran de matière conductrice associé â la structure, l'isolateur procurant un courant de fuite qui ne dépasse pas 5 mA environ. 2. Isolateur selon la revendication 1, dans lequel la structure allongée est formée de résine époxyde renforcée 10 de fibres de verre. 5. Isolateur selon la revendication 2, dans lequel la résine de fluorocarbure est le polytétrafluoréthylène. 4. Isolateur selon la revendication 2, dans lequel la résine de fluorocarbure est un copolymère de per- 15 fluorocarbure. 5. Isolateur selon la revendication 4, dans lequel l'écran est en métal» 6. Isolateur selon la revendication 5» dans lequel la structure allongée est une tige. 20 7- Isolateur selon la revendication 6, dans lequel l'écran a la forme d'un disque. 8» Isolateur selon la revendication 7» dans lequel l'axe du disque est aligné sur l'axe longitudinal de la tige. 9. Isolateur selon la revendication 7» auquel est 25 fixé au moins un agencement empêchant un arc de contournement. 10. Isolateur selon la revendication 9» muni de deux écrans en forme de disque. 11. Isolateur selon la revendication 9j dans lequel l'écran en forme de disque est perforé. 50 12. Isolateur selon la revendication 7» dans lequel l'écran comprend un noyau construit et disposé de façon que son axe soit aligné sur l'axe longitudinal de ladite tige.