Brevet FR2133624A1 — publié le 19721201

-i- 2133624 la présente invention est relative à la transmission d'énergie électrique à haute tension et aux appareils servant à cette transmission, et vise à réaliser en particulier un appareil servant à détourner une charge électrique propre à une 5 surtension élevée, d'une ligne de transport d'énergie électrique à la terre. La surtension peut être due à la foudre ou à une induction passagère causée par des manoeuvres de couplage. Les appareils accomplissant ces fonctions sont souvent appelés parafoudres. 10 Les transformateurs et les câbles à haute tension doivent souvent être raccordés à des conducteurs nus de lignes aériennes de transport d'énergie électrique. La foudre peut frapper la ligne aérienne, ou le champ magnétique entourant celle-ci peut changer rapidement du fait ,de manoeuvres de couplage. Ces 15 deux incidents produisent des surtensions se propageant sur la ligne jusqu'aux transformateurs et aux câbles isolés sur papier imprégné de matière visqueuse. Pour protéger l'isolation de papier imprégné, il est d'usage de monter des parafoudres aux extrémités de la ligne aérienne. Quand une surtension se pro-20 page sur la ligne et atteint un parafoudre, un arc se produit dans ce dernier, limitant la tension à ses bornes à une valeur inoffensive pour l'isolation de papier imprégné de l'appareil adjacent. Le parafoudre classique utilisé à cette fin comporte trois 25 éléments essentiels : (1) un tube de porcelaine abrité et rempli d'une atmosphère gazeuse séparant les connexions de potentiel élevé et de potentiel bas, et abritant les deux autres éléments : (2) tin ou plusieurs éclateurs ; (3) un ou plusieurs résistors non linéaires dont la résistance croît avec le cou~ 30 rant. Dans les conditions normales, l'éclateur ou la série d'éclateurs assure l'isolation électrique entre la ligne de transport d'énergie et la terre. Quand la surtension sur la ligne atteint la valeur d'éclatement de l'appareil, il se forme, au 35 moins au débït, des arcs électriques court-cireuitant les éclateurs. Mais les résistors limitant l'intensité ne laissent pas passer un courant illimité et une certaine tension est maintenue aux bornes du parafoudre. Cette suite d'opérations détourne la surtension vers le sol. Quand le phénomène transitoire 40 est passé, les arcs entre les éclateurs sont entretenus par la 72 12640 -2- 213362k tension instantanée de la ligne jusqu'à ce que celle-ci s'annule à la fin de l'alternance* Quand les arcs ont été éteints de cette façon, le parafoudre redevient isolateur. Les parafoudres classiques ont deux inconvénients : premiè-5 rement la tension à laquelle les arcs jaillissent n'est pas constante et varie de façon imprévisible dans une gamme étendue de tensions. Ceci est caractéristique des décharges électriques dans les gaz. En conséquencé, le niveau de tension auquel le parafoudre s'amorcera certainement est souvent deux ou trois plus 10 élevé que la valeur de protection de l'appareil et l'isolation de ,1'appareil qu'il doit protéger doit pouvoir résister à une tension deux ou trois fois supérieure à la tension de fonctionnement» Le second inconvénient des parafoudres classiques est que les arcs sont emprisonnés par des collissions avec les molé-15 cules gazeuses environnantes et ne peuvent donc pas se disperser rapidement . Ceci provoque le passage de courants de décharge entraînant une perturbation dans la distribution d'énergie et pouvant même endommager le parafoudre. La présente invention a donc principalement pour objet la 20 réalisation d'un appareil perfectionné pour détourner les surtensions élevées d'une ligne aérienne de transport d'énergie électrique vers la terre, dont le seuil de fonctionnement est relativement stable, et- qui s'oppose au passage d'un courant de décharge . 25 Un autre objet de l'invention ést de réaliser un tel dé- viateur de surtensions en combinaison avec les points terminaux de l'appareil de puissance à protéger contre les surtensions, par exemple les transformateurs-ou les câbles. 'L'invention atteint ce but, parmi d'autres, en permettant 30 à la surtension de gagner- la terre en traversant une, enceinte vide d'air où elle suit des surfaces diélectriques pleines dont la continuité est interrompue par des écrans métalliques à ions. Les surfaces diélectriques pleines, contribuant à la formation de la décharge, ont pour fonction .d'établir un seuil de fonc-35 tionnement stable. L'enceinte vide d'air entourant les surfaces diélectriques^ en combinaison avec les écrans métalliques à ions, empêche la circulation -de courants de décharge. L'appareil comporte essentiellement un boîtier sous forme de tube de porcelaine, de verre ou de matière céramique, doté de la protec-40 tion externe usuelle contre les intempéries. Des isolateurs de 72 12640 -3- 2133624 porcelaine, de verre, ou de matière céramique, placés entre les écrans métalliques à ions., séparent les électrodes du déviateur à l'intérieur du boîtier. L'invention va être décrite en détail en se référant aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples, et dans lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un appareil conforme à l'invention pour détourner des surtensions élevées dans une ligne de transport d'énergie électrique ; - la figure 2 est une coupe selon la ligne II-II de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue semblable à la figure 1, représentant une variante de l'invention dans laquelle un déviateur pour hautes tensions fait partie de l'extrémité d'un conducteur isolé pour hautes tensions . La figure 1 représente un déviateur de surtensions élevées 10 pouvant être raccordé à un conducteur de ligne aérienne de transport d'énergie électrique et à la terre pour fonctionner comme parafoudre» Le déviateur 10 comporte essentiellement un boîtier en deux parties m vua tube diélectrique dur 11 joint à un récipient métallique 12. En outre, le déviateur 10 comporte une électrode « 13 pour potentiel élevé et une électrode 14 pour potentiel bas, séparées par une série d'isolateurs diélectriques durs 14 maintenant une série d'écrans à ions 16 entre les électrodes 13 et 14. Le tube 11, de préférence en matière céramique, est pourvu extérieurement des organes habituels 18 de protection contre les intempéries, nécessités par le service extérieur . Les extrémités 19 et 20 du tube 11 sont usinées jusqu'à planéité et scellées, au moyen de bagues métalliques 21 et de bagues de rétention 22, à une calotte 24, à la partie supérieure, et à nnp bride 25, à l'extrémité adjacente ouverte du récipient 12, respectivement. Les joints sont maintenus comprimés par des. brides 26 cimentées aux extrémités 19 et 20 du tube 11 et dans lesquelles se vissent des boulons 27 traversant des perforations dans la périphérie de la calotte 24 de la bride 25. On remarquera que la calotte 24 a une forme généralement hémisphérique et porte en son centre, à l'extérieur, une patte 28 saillant verticalement, formant borne de connexion classi 72 12640 2133624 que avec un conducteur à haute tension de ligne électrique aérienne , et que l'extrémité du récipient 12 éloignée du tube 11 est fermée en 29; de sorte que l'enceinte est étanche sous vide» Un tube de cuivre 30, traversant l'extrémité 29, permet de met-5 tre en communication l'intérieur de l'enceinte du déviateur 10 avec un appareil extérieur à faire le vide. Une fois le vide réalisé dans l'enceinte, le tube 5 est scellé hermétiquement par pincement en 31» Si on considère l'extrémité fermée 29 comme le fond du dé-10 viateur 10, les pièces successivement superposées à l'intérieur de l'enceinte vide d'air sont, de bas en haut : une électrode de potentiel bas 14-, trois isolateurs d'éclatement 15 séparés par deux écrans à ions 16, et une électrode de potentiel élevé 13. Cet organisme est maintenu comprimé ensemble par un ressort 33 15 placé entre l'extrémité supérieure de l'électrode de potentiel élevé 13 et la face inférieure de la calotte 24. Les deux électrodes 13 et 14 sont des pièces pourvues d'ailettes, ainsi que le montre la coupe transversale de l'électrode 14, représentée à la figure 2. Les ailettes ont pour but d'ex-20 poser la plus grande surface métallique possible pour faciliter la condensation rapide de la vapeur métallique engendrée pendant la décharge. Beaucoup de métaux et d'alliages conviennent à cet usage, bien qu'on préfère le titane et l'acide inoxydable. Les ailettes peuvent être réalisées en soudant ensemble des feuilles 25 métalliques. Si on revient à la figure 1, on notera que l'électrode 14 règne sur.toute la longueur du récipient 12 et pénètre dans le tube 11 tandis que l'électrode 13 est entièrement contenue dans l'extrémité supérieure de ce tube, de sorte que les isolateurs 30 13 et les écrans 16 sont placés au centre de ce dernier. On notera en outre qu'à l'intérieur du tube 11 les extrémités des électrodes 13 et 14 se faisant face vont en s'amincissant jusqu'à être à peine plus grosses que le diamètre des isolateurs 15 qui sont généralement de forme cylindrique. Les extrémités en re-35 gard des électrodes 13 et 14 portent des cuvettes métalliques 34 dans lesquelles se logent les isolateurs adjacents 15. De plus, une échancrure semi-circulaire 35 est ménagée à l'extrémité inférieure de l'électrode 14 pour permettre l'évacuation de l'air par le tube 30 qui sert.de conduit d'aspiration jusqu'à 40 ce qu'il soit obturé par pincement. J 72 12640 -5- 2133624 Les écrans métalliques à ions 16 sont des disques métalliques, de préférence en titane ou en acier inoxydable. Dés bagues 36 sont soudées coaxialement aux faces supérieures et inférieures des disques 16 pour constituer des cuvettes où s'ap-5 puieront les isolateurs d'éclatement 15* Les écrans métalliques à ions 16 s'ajustent sans serrage dans le tube 11 et sont pourvus, près de leurs bords, de perforations 37 destinées à faciliter l'évacuation et la diffusion des vapeurs engendrées par la décharge à l'intérieur du déviateur 10. 10 Les isolateurs d'éclatement 15 sont constitués par des piè ces cylindriques circulaires en matière diélectrique dure. Plusieurs matières conviennent à cet usage mais on préfère généralement ,1es matières céramiques à base d'alumine, la porcelaine ou le verre • 15 Pour raccorder le déviateur à un système d'utilisation d'é nergie électrique, la borne 28 doit être raccordée à la ligne électrique et le récipient 12 être raccordé, par un joint métallique, à un conducteur menant "à la terre. Quand le déviateur 10 est monté, vidé d'air et mis en pla-20 ce, l'espace vide d'air séparant les extrémités en regard des électrodes 13 et 14 constitue un entrefer dans lequel une décharge se produira chaque fois que la tension de la ligne de transport d'énergie dépassera un maximum prédéterminé. Cette tension maxima est déterminée avec"précision par la tension 25 d'amorçage électrique dans le vide et par la distance séparant les électrodes 13 et 14. Il est évident que la distance séparant les brides 26 doit être nettement plus grande que la distance nécessaire, dans l'air, pour éviter l'amorçage à cette tension maxima prédéterminée à laquelle le déviateur 10 doit fonctionner. 30 Quaxid une décharge se produit dans le déviateur 10, il ne circule pas de courant de décharge car la décharge est éteinte dès que le processus de déclenchement cesse d'agir parce que les vapeurs métalliques formées pendant la décharge sont retenues sur la surface des électrodes 13 et 14 et ne peuvent pas 35 servir à entretenir un arc continu à une tension inférieure à la tension d'amorçage prédéterminée du déviateur 10. En même temps, pendant le fonctionnement normal où la ligne n'est le siège d'aucune surcharge, les écrans à ions 16 interrompent l'écoulement d'électrons vagabonds s'échappant des électrodes 40 13 et 14, de sorte qu'ils ne peuvent pas parcourir une distan ■ 72 12640 "6" 2133624 ce suffisante pour atteindre, sous l'action du gradient élevé de champ qui règne, des vitesses susceptibles d'ioniser les molécules gazeuses inévitablement présentes dans l'enceinte vide d'air. Le risque de présence de gaz ionisé, qui pourrait tendre 5 à abaisser la tension d'amorçage, est ainsi diminué. Le déviateur 10 constitue donc un parafoudre extrêmement stable dont la tension d'amorçage est sûre et peut être déterminée avec précision. La figure 3 représente une variante de l'invention dans la-10 quelle le déviateur 40 peut être monté à l'extrémité d'un conducteur isolé aérien 39* Le déviateur 40 comporte, en gros, un tube diélectrique dur 41, un isolateur conique creux 42, des écrans à ions 43 et 44,.une membrane métallique 45 et une calotte 49, ainsi que des portions de l'extrémité du conducteur 39» 15 Le conducteur en cuivre pour hautes tensions 39 est isolé par des enroulements de bandes de papier imprégné d'huile 46 et immergé dans l'huile 48. L'huile isolante 48, qui peut être sous pression, est contenue dans une enceinte métallique cylindrique 50 se terminant par une bride de grandes dimensions 51 • L'huile 20 48 est également retenue autour de l'extrémité du conducteur 39 par un isolateur conique 42 en matière céramique, et par la calotte 49, l'isolateur 42 reposant par sa grande base sur la bride 51 cLe façon à correspondre à l'ouverture ménagée dans l'enceinte 50, et le conducteur 39 traversant l'isolateur 42, 25 la calotte 49 reposant sur la petite base de l'isolateur 42. Les joints entre la calotte 49, l'isolateur 42 et la bride 52 sont étanchéisés par des bagues métalliques 54 et 55 et leurs bagues de rétention 56 et 57* Des brides 58 et 59, cimentées à l'isolateur 42, et des boulons servent à serrer les joints 54 et 55* 30 Le tube en matière céramique 41, placé sur la bride 51 et enveloppant l'isolateur 42, porte à sa partie extérieure des ailettes 61 protégeant contre les intempéries. Il est joint de façon étanche, par des bagues métalliques 62, à la bride 51 cLe l'enceinte métallique 50 et à une plaque supérieure annulaire. 35 Des brides 64, cimentées au tube céramique 41 permettent de serrer les joints 62 au moyen de boulons 65. Une membrane métallique 45 est coudée à la plaque supérieure 63 et à la calotte 49 pour clore l'espace situé entre le tube 41- et l'isolateur 42. 3a conformation lui donne une certaine latitude, dans le sens 40 longitudinal, pour corriger les dilatations thermiques et faci- BAD ORIGINAL H COPY 72 12640 -7- 2133624 liter 1'étanchéisation de l'ensemble. L'espace situé entre le tube céramique 41 et l'isolateur 42 est vidé d'air par un tube de cuivre 67 passé dans la bride 51 et qui est obturé par pincement en 68 une fois le vide réalisé. 5 Des écrans métalliques à ions 43 et 44 sont insérés dans des rainures 69 et 70 creusées à diverses distances le long de l'isolateur céramique conique 42. Le montage des écrans 43 et 44 sur l'isolateur céramique 42 exige qu'ils soient faits en deux parties rivées ensemble après mise en place. Des perforation^ 10 45 ménagées dans les écrans à ions 43 et 44 facilitent l'évacuation et la diffusion des vapeurs engendrées pendant les décharges. Les matières constitutives préférées pour toutes les pièces métalliques exposées au vide sont le titane et l'acier inoxydable . 15 En fonctionnement, la borne du déviateur combiné d'extrémi té pour surtensions 40 est l'ex-trémité exposée 71 du conducteur 39 traversant la calotte 49. L'extrémité 71 doit être raccordée à une ligne de puissance aérienne isolée. Le courant de la ligne de transport d'énergie circule dans le conducteur en cuivre 20 39 isolé de papier imprégné. Quand -une surtension élevée atteint la borne 71» elle produit une décharge depuis la calotte 49 jusqu'à la bride 51 de l'enceinte métallique 50 mis à la terre, le long de la surface externe de l'isolateur céramique conique 4-2 et à travers les écrans à ions 43 et 44. 25 D'une façon générale, le comportement du déviateur 40 est identique à celui du déviateur 10 de la figure 1 et ce déviateur 40 remplit également le rôle d'un parafoudre à potentiel de décharge fiable et stable et à minimum de courant de déchar- ^ ge, une fois éliminée la cause du dérangement. Il apparaît net-30 tement que la calotte 49 joue le rôle de l'électrode de potentiel élevé 13 de la figure 1, tandis que la bride 51 joue le rôle de l'électrode de potentiel bas 14 de la même figure. COPYj 72 12640 -8- 2133624 IEVENDICAÏIONS 1.- Dispositif déviateur de charge électrique consécutive à une surtension élevée depuis un conducteur à haute tension jusqu'à un organe mis à la terre, ledit dispositif comprenant : 5 a) des organes définissant un espace vide d'air comportant une enveloppe diélectrique pleine ; b) des organes constituant une électrode à potentiel élevé dans ledit espace ; c) des organes constituant une électrode à potentiel bas 10 , dans ledit espace ; d) lesdites électrodes de potentiels bas et élevé étant espacées l'une de l'autre et se faisant face dans ledit espace de ladite enveloppe de façon à réaliser un entrefer de décharge ; 15 e) des organes constituant un isolateur diélectrique plein placé dans ledit entrefer entre lesdites électrodes ; f) un écran métallique à ions disposé dans ledit espace à l'intérieur de ladite enceinte autour dudit isolateur pour intercepter le trajet naturel d'une décharge électrique 20 sur la surface dudit isolateur dans ledit entrefer; et g) des organes isolés électriquement par ladite enveloppe diélectrique permettant des connexions électriques séparées, de l'extérieur auxdites électrodes de potentiels bas et élevé. 25 2.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les- dits organes constituant les électrodes sont pourvus d'ailettes. 3.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les-dits organes constituant un isolateur comportent une pluralité 30 d'isolateurs séparés, et dans lequel xm desdits écrans à ions est immobilisé entre deux de ces ixolateurs adjacents. 4.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit organe isolateur comporte un isolateur sur lequel peut se fixer un écran à ions. 35 5*- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit organe isolateur est creux et peut être traversé par un conducteur électrique isolé.