Brevet FR2232048A1 — publié le 19741227

L'invention se rapporte à un procédé pour la fabrication d'un isolateur de traversée pour installations haute tension, avec un corps isolant qui est sont d'artatures de condensateur dont au moins une extrémité est placée dans un milieu liquide et constitue une zone de transition de potentiel. Des installations électriques à très haute tension1 par exemple 200 kv, sont fréquemment entourées de milieux liquides ou gazeux qui doivent refroidir les pièces conductrices à haute tension ou améliorer la rigidité diélectrique des installations. En pareil cas, le fluide doit être amené de l'extérieur à l'installation électrique, par exemple un câble haute tension ou un transformateur. I1 doit donc se produire sur un trajet isolé électriquement et suffisamment long un gradient de potentiel jusqu'à ce que ce fluide parvienne aux pièces conductrices de courant à très haute tension. On peut ainsi éviter des amorçages dans le fluide. C'est pourquoi, pour des amenées de courant refroidies à l'huile, on a développé des traversées haute tension à cylindres creux avec des corps isolants qui provoquent une décroissance de la tension dans l'huile sans que puissent se produire dans le fluide des claquages ou des effets de couronne. Un isolateur de traversée connu d'après le brevet allemand 853 027 possède à l'intérieur un boulon cylindrique. Ce boulon en forme de cylindre est fabriqué dans un matériau bon conducteur de courant, par exemple du cuivre, et représente le conducteur d'amenée haute tension. En plus, il sert de support mécanique pour le corps isolant haute tension disposé concentriquement sur sa paroi extérieure. Ce corps isolant qui peut être par exemple un bobinage en papier bakélisé est muni d'armatures en feuilles disposées concentriquement dites armatures de condensateurs.Le bobinage cylindrique est tourné en forme de cône à la partie inférieure du corps isolant dans l'huile de telle sorte que les bords des armatures en feuilles reposent sur une surface conique, donc sont dans l'huile . les armatures de condensateur provoquent donc sur la surface conique de la pièce tournée conique une zone de passage continu dans 'huile du potentiel de terre existant sur rna bride contre la paroi extérieure du corps isolant, à la très haute tension qui règne sur le boulon métallique. Egalement dans les traversées haute tension dans des fluides cryogéniques comme l'azote, l'hydrogène ou l'hélium, on trouve des gradients de potentiel de 40 kv et plus. Pour la montée ou la descente entensiam on dispose du procédé connu par les traversées dans l'huile, à savoir créer au moyen d'armatures de condensateur une zone de transition de potentiel dans un fluide cryogénique contre un isolateur de traversée ; les rigidités diélectriques sont à peu près les mêmes pour l'hélium liquide et l'huile. Des isolateurs de traversée sont nécessaires par exemple pour les câbles, les bobines ou machines supra-conductrices ou pendant la marche il faut maintenir les supra-conducteurs à une température inférieure à celle du point de changement brusque de conductivité. Dans de telles installations électriques, le fluide réfrigérant doit se trouver en contact étroit avec les conducteurs d'amenée du courant qui se trouvent sous haute tension. I1 faut donc en un point, par exemple dans une botte d'extrémité de câble, passer du potentiel de terre des installations frigorifiques, par exemple une installation de liquéfaction d'hélium, à la haute tension régnant sur le conducteur d'amenée de courant. On a cependant reconnu que l'isolateur de traversée connu avec corps isolant en résine époxy ne peut être utilisé dans ce but, car en raison de la forte chute de température entre la température ambiante et la température du supra-conducteur, il peut se produire des contraintes mécaniques qui conduisent à des fissurations du corps isolant. Ces contraintes mécaniques surgissent parce que le tube intérieur métallique qui sert aussi de conducteur de courant, refroidi à par exemple 4,2 K, a une contraction 5 à 10 fois plus faible par rapport à la résine époxy d'où fissuration du corps extérieur en résine époxy. C'est pourquoi l'invention se donne pour tâche d'améliorer l'isolateur de traversée connu pour installations électriques et notamment de rendre possible son utilisation aux températures cryogéniques. L'invention repose sur l'idée que les caractéristiques structurelles de l'isolateur de traversée connu conviennent aussi pour des fluides cryogéniques si le corps métallique support n'existe pas. Le problème énoncé @st résolu conformément l'invention par le fait que le corps support est muni d'un corps isolant conçu comme auto-porteur, puis est retiré immédiatement après. Les avantages obtenus avec cette invention consist@nt principalement en ce que les contraintes mécaniques dans le corps isolant peuvent être évitées dans une large me s@re, surtout lorsque le coefficient de dilatation des armatures de condensateur soïncide avec celui du matériau isolant. Ainsi, il ne peut pas se produ@re de cavités au refroidissement du corps isolant et on @vite des décharges partielles qui pouvent amener la d@strution @@ @orpe @@olent dans son ensemble. C'est pourq@o@ l'isola@ion convient aussi pour les très hautes tensions. Pour une explication plus détaillée de l'invention, on se reportera au dessin annexé sur lequel la figure 1 représente schématiquement en coupe longitudinale une moitié de l'isolateur de traversée pour installations électriques haute tension conformes à l'in- vention la figure 2 représente, à titre d'exemple d'application une botte d'extrémité avec amenée du courant et du réfrigérant à une phase de courant triphasé supraconductrice et avec isolateur de traversée suivant l'invention. On a représenté sur la figure 1 une moitié d'un isolateur de traversée en forme de cylindre creux conçu suivant l'invention, cet isolateur étant placé, au moins par son extrémité conique, dans un fluide cryogénique, par exemple de l'hélium liquide. Il contient comme matériau isolant par exemple de la résine époxy ou bien du papier special imprégné de résine époxy sous vide et peut être prévu pour traversées en très haute tension, par exemple 200 kv, 50 Hz. Son corps isolant 2 comporte des armatures de condensateurs 3 à 15 @@sposées concentriquement par rapport à l'axe A du corps cy @@@drique creux 2, comme cela e@@ esqui@sé sur la figure par @@ lignes en tr@ite interr@@@@ @@@leles a @'axe. Il est @@@@ vége@@ @@@ @@@@@@@@@@ @@@@@ @@@@@@@@@@@ @@@@atér@@@ @@@@@@@ @@@@ @@@@@ @@@@@ @@@@@@@@@@@@@@@ @@@@ @@@@@@@@@ @@@@@@@@@@ @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@ @@@@@@ r r. aux températures cryogéniques. Les armatures de condensateurs sont avantageusement disposées en gradins l'une par rapport a 7'autre a une de leur extrémité de sorte qu'il se forme une chute de poteatiel à peu près linéaire le long du côté en biseau 16 du corps isolant 2 de l'intérieur vers l'extérieur dans le fluide cryogénique qui entoure ce côté, lorsque l'ar- mature de commande la plus interne 3 par exemple est mise sous tension et que l'armature de commande la plus externe 15 est mise à la terre.A cet effet, l'armature de -commande 15 est munie d'un raccordement électrique 17 et l'armature de commande 3 est reliée par exemple à une bride métallique 18 placée à l'extrémité du corps isolant 2 La caractéristique approximativement linéaire de la chute de potentiel de l'isolateur sur son côté en biais 16 peut être obtenue d'une manière connue par un choix judicieux des distances radiales entre les armatures élémentaires de condensateur 3 à 15 et par la longueur de ces der nières. C'est pourquoi on les a reproduit dans la figure avec des longueurs différentes. De tels isolateurs de traversée pour ina- tallations haute tension peuvent, par exemple, être fabriqués en revêtant concentriquement une ame mécaniquement solide Considérée comme corps support, par exemple un tube métallique, d'un matériau isolant par exemple de couches élémentaires d'un papier spécial, en introduisant entre les couches élémentaires de papier et l'une après l'autre les feuilles du condensateur, puis, finalement en imprégnant sous vide le bobinage ainsi constitué d'une matière plastique, par exemple de la résine époxy.Après solidification du matériau, l' & e qui servait seulement de corps support pour le matériau isolant avec les armatures de commande de condensateur, est enlevée par exemple par alésage et ainsi l'isolateur se compose seulement d'un corps isolant auto-porteur, solide mécaniquement avec les armatures de commande qui y ont été introduites. Le corps isolant peut aussi consister en rubans de polyéthylène auto-soudables, entre lesquels on place les armatures élémentaires de condensateur. Ben entendu le biais d coté 16 de l'i isolateur peut aussi être prévu sur son côté tourné vers il axe1 au cas où avec un tel isolateur, une transition de potentiel en milieu cryogénique est nécessaire de ce c8té.Les isolateurs correspondant à la figure 1 peuvent entre employés partout où on doit faire face à une grande différence de potentiel en milieu cryogénique, par exemple l'hélium. Cela concerne par exemple les alimentations en fluide réfrigérant pour cabales électriques à basse température, surtout les câbles haute ten Sion supraconducteurs, pour électro-aimants supra-conducteurs et aussi pour des machines à enroulements supra-conducteurs. Sur la figure 2, on a représente une boîte d'extrémité, disposée verticalement, d'un conducteur de phase 21. de préférence supra-conducteur, d'un cable triphasé, avec un isolateur de traversée pour installations à haute tension conformément à 11 invention. L'isolateur est désigné par 20. La boîte d'extrémité est entourée par un cylindre 22 creux étanche au vide. Le conducteur de phase 21 contient un conducteur intérieur 23 ayant la forme d'un cylindre creux porté à un potentiel élevé, ce conducteur étant entouré concentriquement par un conducteur extérieur 24 mis à la terre. Les conducteurs sont constitués par exemple par un grand nombre de fils individuels supraconducteurs. Le conducteur intérieur 23 est mis en contact, à son extrémité supérieure, avec une plaque de contact en forme de disque 25 dont le diamètre est supérieur à celui du conducteur intérieur. Au bord extérieur de cette plaque de contact 25 on a relié électriquement la partie inférieure d'un conducteur électrique normal 26 de forme tubulaire. Autour de ce conducteur intérieur normal 26, on a disposé concentriquement, isolé et à une distance déterminee à l'avance un conducteur extérieur 27 correspondant au conducteur normal intérieur 26. L'extrémité inférieure du conducteur normal ex térieur tubulaire 27 est fixée par le dispositif conducteur au côté intérieur d'une plaque de contact 28 concentrique de forme annulaire. L'extrémité supérieure concentrique élargie vers l'extérieur du conducteur extérieur 24 est reliée électriquement avec le bord extérieur de cette plaque de contact 28- La plaque de contact 28 entoure la plaque de contact in extérieure 25 en forme d'anneau. Le courant amené par les conducteurs normaux 26, 27 va au conducteurs 23, 24 en passant par les plaques de contact 25, 28.Les parties 23, 25, 26 sont au potentiel élevé, les parties 24, 28, 27 qui entourent les premières sont au potentiel de la terre. L'extrémité froide 29 formée par les plaques de contact disposées sur un plan représente le couvercle d'un réservoir creux cylindrique 30 pour un fluide frigorifique A. Un corps creux tubulaire qui représente la paroi extérieure 31 du réservoir 30 est constitué en étages se rétrécissant vers le bas. Entre ce corps creux renfermant le conducteur de phases 21 qui lui est réuni et le cylindre creux 22 résistant au vide qui les entoure on a esquissé un bouclier de protection 32 contre les rayonnements qui par exemple peut être refroidi à l'azote. La paroi intérieure du réservoir 30 est constituée par un corps isolant 33 qui entoure concentriquement le conducteur intérieur 23, toutefois en laissant libre l'extrémité supérieure du conducteur intérieur 23.Du fait de la fente annulaire existant entre la plaque de contact 25 et l'extrémité du corps isolant 33 le fluide frigorifique A parvient à l'intérieur du conducteur intérieur 23 perméable au fluide frigorifique. Le corps isolant 33 est entouré par un bobinage haute tension 34 qui, en vue de la commande de la transition de potentiel dans le fluide réfrigérant A peut être muni d'armatures de condensateur comme l'isolateur 20, conformément à l'invention. Dans le réservoir 30 on a disposé un récipient 35 constitué à peu près de la même manière que le réservoir 30 pour un autre fluide frigorifique B. Sa paroi extérieure 36 est fixée à la plaque de contact extérieure 28, sa paroi intérieure 37 à la plaque de contact intérieure 25, ces fixations étant étanches au gaz. Le récipient 35 est coordonné au réservoir 30 de telle manière qu'entre les parois 36 et 31 d'une part et les parois 37 et 34 ou 33 d'autre part, il subsiste un espace intermédiaire suffisant pour le guidage du fluide frigorifique A. Dans le récipient 35 plonge librement la partie intérieure 39 de l'isolateur de forme cylindrique creuse conformément à l'invention. Cet isolateur 20 dans la partie supérieure de la boîte d'extrémité entre le conducteur normal 26 ou 27 intérieur et extérieur et entre les deux plaques de contact 25 et 28 est disposé de telle manière que le gaz d'échappement se produisant dans le récipient 35 peut monter le @@ @@@@@@@@@@@ @@rmau@ @@@ @@ @@@@ @@ @@@@@llèlement des @@@ @@@ @@@@@@@@ @@@@@@r@é@@@ure @@ @@ li@@@@@ @ur 2@ @@ trouva@ @@@@ @@i@ie@t @5 possèd@. @@ @@@ @@@ @@@é @@térieur, une @ @@@@@ @@ @@@@@@@@@@ @@@@@@ @@@ @@@@issant @ers l'inté @@@@@ @@@@o@@ément @ @@ @@pré@@@@@@@ @@ de la figure 1. 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La transition du potentiel de terre au potentiel élevé a lieu régulièrement dans l'bélium 3 sur un trajet d'une longueur convenable à l'aide de la partie inférieure 39 commandant le potentiel, de l'isolateur 20 conçu suivant ltinvention avec sa caractéristique de potentiel à peu près linéaire. Les oscillations de ''hélium B provoquées par des différences de pression dans l'espace intérieur et exté- rieur des deux côtés de l'isolateur 20 peuvent être avantageusement amorties par un filtre à pores fine 40 qui est disposé entre l'extrémité inférieure de la partie inférieure 39 de l'isolateur 20 et le fond du récipient 35. Dans la boâte d'extrémité du câble, les conducteurs extérieur et intérieur 23 et 24 sont perméables à l'hélium de sorte que l'amenée de l'hélium aux circuits fermés d@ r@@migération peut @e fair@ @@@@@@ntiel de la terre. @a @@@@ar@ition du @ou@@@@ d'hélium @ p@@@@ @a @@@rigérati@@ @@@@ @@@@@@ @@@@@@@@ @@@@ du @@@@@@@@@ @@ @@@@@ @@ @@ @@@@@@ élevé au cours de son parcours dans l'espace situé entre le bobinage 34 autour du corps isolant 33 et la paroi 37; cela veut dire que la montée en tension entre le conducteur intérieur et extérieur dans la boîte d'extrémité a lieu par l'in- termêdiaire du bobinage 34 qui peut être muni avantageusemènt d'armatures de condensateurs. Pour ne pas détériorer la ri gidité diélectrique du fluide réfrigérant A, la vitesse d'écoulement doit être relativement faible. Ce résultat est obtenu par une distance adéquate entre le bobinage 34- et la- paroi 37 . L'amenée d'hélium pour le refroidissement du conducteur extérieur 24 et le conducteur extérieur 24 lui-même traversent le bain d'hélium À pour le conducteur intérieur 23. L'isolateur 20, 39 peut être introduit librement avec cette structure de boîte d'extrémité. A son extrémité supérieure à la température ambiante, il est étanche au gaz hélium sortant du récipient 35 et il est fixé de sorte qu'il n'y a pas de difficultés provenant de la contraction thermique de sa partie 39 à très basse température. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de fabrication d'un isolateur de traversée pour installations à haute tension avec un corps isolant pourvu d'armatures de condensateur dont au moins une extrémité est disposée dans un milieu liquide et forme une zone de transition de potentiel, caractérisé par le fait que l'on pose le corps isolant à structure autoporteuse sur un corps support que l'on extrait ensuite du corps isolant. 2. Procédé de fabrication d'un isolateur de traversée pour installations à haute tension avec un corps isolant pourvu d'armatures de condensateurs dont une extrémité au moins est disposée dans un milieu liquide et forme une zone de transition de potentiel, caractérisé par ie fait que, sur un corps support dont le matériau a à peu près le même coeffichent de dilatation que celui du corps isolant, on pose le corps isolant et que, immédiatement après, on extrait le corps support au moins partiellement du corps isolant. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'on fabrique le corps isolant en résine coulée et/ou en matière plastique autodurcissanteO 4. Procédé suivant la revendication 2, caractérisée par le fait que l'on munit le corps support alternativement d'une couche d'un ruban de polyéthylène autosoudable et d'une armature de condensateur. 5. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on emploie une matière thermoplastique. 6. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'on munit le corps support alternativement d'une couche de papier spécial et d'une armature de condensateur et que, immédiatement après on imprègne sous vide le bobinage ainsi obtenu de résine coulée et/ou de matière plastique. 7. Isolateur de traversée suivant l'une quelconque des revendicatlons 1 à 6 caractérisé par le fait qe le corps isolant est autoporteur et que son extrémité munie d'une zone de transition de potentiel est placée dans un fluide cryogénique. 8. Isolateur dv traversée suivant la revendication 7 caractérisé par le fait que la zone de transit Ion de potentiel présente une caractéristique de potentiel à peu près linéaire. 9. Isolateur de traversée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les coefficients de dilatation du matériau du corps iso- lant et du matériau des armatures de condensateur sont égaux au moins approximativement.