Brevet FR2209236A1 — publié le 19740628

L'invention concerne un parafoudre comportant une enveloppe tubulaire en matière isolante dont les deux extrémités sont fermées au moyen d'armatures métalliques ; l'enveloppe contient des éléments d'amorçage, de protection et de répartition de tension. Dans une des armatures métalliques au moins, il existe un canal d'échappement séparé de l'interieur de l'enveloppe par un dispositif de fermeture qui s 'ouvre lorsque la pression à l'intérieur de l'enveloppe est très c levée. Un orifice du canal d'échappement débouchant à l'air libre permet, en cas de défaut dans le parafoudre, de diriger les gaz chauds qui s'échappent alors à l'extérieur de l'enveloppe, vers l'autre armature métallique, le long de la paroi extérieure de L'enveloppe. Les parafoudres sont en général fermés hermétiquement pour éviter toute formation d'humidité à l'intérieur, ce qui pourrait avoir une influence perturbatrice sur les caractéristiques électriques des éléments de protection et de répartition de tension, constitués la plupart du temps par des résistances, ainsi que sur les éléments d'amorçage, constitués très souvent par des éclateurs. I1 arrive parfois que le parafoudre n'arrive pas à couper le courant de suite. Dans ce cas, le courant de court-circuit total du réseau se dirige vers la terre en passant à travers le parafoudre. Les résistances de protection non-linéaires, semi-conductrices, sont perforées, donnant naissance à un court-circuit de la ligne vers la terre. Le courant de court-circuit provoque la formation de gaz en quantité très importante à partir de la matière des résistances. Etant donné que l'enveloppe du parafoudre est fermée hermétiquement, la pression des gaz devient très élevée à l'intérieur. Ceci peut avoir comme conséquence l'éclatement de l'enveloppe, si la pression n' est pas diminée rapidement et si la formation de gaz n'est pas arrêtée ou ralentie.L'éclatement peut se produire avec une telle violence que les parties de l'enveloppe projetées ainsi dans toutes les directions endommagent les appareils ainsi que les personnes se trouvant à proximité. On connaît déjà un certain nombre de dispositions permettant la commutation du courant de court-circuit sur un trajet à l'extérieur de l'enveloppe. On peut citer comme premier exemple d'une telle disposition les membranes de rupture employées pour l'obturation de l'enveloppe. Ces membranes coopèrent avec des organes de déviation, de manière que les gaz chauds et ionises s' échappent à l'extérieur de l'enveloppe parallèlement à la paroi et amorcent un arc à l'extérieur de l'enveloppe. Selon les données de l'expérience, la conductibilité électrique de ces gaz chauds est plus importante que celle des gaz se trouvant dans l'enceinte déjà en état de surpression à l'intérieur de l'enveloppe.L!arc amorcé à l'extérieur permet de commuter le courant sur la paroi extérieure de l'enveloppe, et le développement des gaz à l'intérieur est ainsi interrompu. Dans cette solution, une grande partie de l'énergie de pression est tout d'abord transformée en énergie cinétique. L'écoulement des gaz accélérés est ensuite dévié. Des tourbillons très violents, absorbai.: une grande partie de l'énergie cinétique, se produisent lors de l'échappement des gaz et de la déviation de l'écoulement. Les gaz (après déviation) s'écoulent à une vitesse subsonique et sont ltobjet de forts tourbillons. Ils se mélangent avec les gaz froids, ce qui conduit à un refroidissement. Il stécoule alors un laps de temps relativement long avant que la ligne de fuite extérieure ne deviennne un conducteur suffisamment bon poser permettre la commutation de l'arc. Une commutation de l'arc trop lente a comme conséquence un danger d'explosion. On connaît une autre solution pour obtenir une comxutation de l'arc plus rapide. Elle consiste à prévoir d'autres moyens pour ouvrir les membranes dans les armatures du parafoudre, permettant ainsi l'échappement du gaz déjà produit.Parmi ces moyens figure en particulier le dispositif suivant : le montage d'un tube cylindrique avec un conducteur fusible en série avec Tes éléments de protection. Les extrémités du tube sont fermées au moyen de goujons tenus par des ressorts. Lorsque le courant de court-cîrcuit s'écoule, le conducteur fusible se volatilise et les goujons frappent alors contre les membranes et les déchirent. Le gaz est dévié et soufflé de façon à produire ainsi un trajet extérieur de l'arc. Cette solution présente pourtant des inconvénients du fait de la forme mal adaptée des passages d'écoulement et des orifices d'échappement. Dans cette solution également, la commutation de l'arc ne se réalise pas avec la rapidité désirée. Le but de cette invention est de développer un parafoudre, permettant d'obtenir une commutation plus rapide de l'arc qui apparaît à l'intérieur de l'enveloppe lors d'une perturbation dans le parafoudre, sur un trajet d'arc extérieur, et de donner une longueur plus importante à ce trajet d'arc extérieur. Le problème a été résolu en munissant l'orifice du canal d'échappement débouchant à l'air libre d'une buse de Laval dirigée vers l'autre armature métallique. La zone la plus étroite de la buse de Laval ne doit, au plus, correspondre qu'à 70X de la surface de passage de la zone la plus étroite du canal d'échappement. On va décrire de manière plus détaillée, à l'aide des figures schématiques ci-jointes, un exemple de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 représente une coupe longitudinale d'un parafoudre et les figures 2 et 3 deux variantes d'armatures métalliques avec des buses de Laval. Sur la figure 1, l'enveloppe 1 du parafoudre est en porcelaine. La porcelaine peut être remplacée par d'autres matières isolantes convenables. Une armature métallique 2 est scellée sur l'extrémité supérieure de l'enveloppe 1. L'armature métallique inférieure 3 est fixée sur la bride métallique 5 scellée et pourvue de pieds 4. La partie active du parafoudre est constituée par l'empilement d'éléments formés d'un éclateur 6, d'une résistance de protection 7 et d'une résistance de répartition de tension 8. La partie active est posée axialement sur un tube central 9 et maintenue en place par un ressort 10 Un petit sac 11 est rempli de silicagel, évitant ainsi l'humidité à l'intérieur du parafoudre. Entre la partie active et l'enveloppe 1 se trouve un cylindre 12 en matière isolante ayant pour but de protéger l'enveloppe 1 en porcelaine contre l'onde de pression qui se produit lors d'un défaut dans le parafoudre. Dans l'armature métallique inférieure 3 se trouve un canal d'échappement 13, séparé de l'intérieur de l'enveloppe 1 par une membrane de rupture annulaire 14. Le bord de la membrane de rupture 14 est coincé au-dessous du joint 16 ; la membrane de rupture 14 n'est percée que par un tuyau 15'd'évacuation et de remplissage de gaz. Le canal d'échappement 13 conduit à l'air libre en passant par une buse de Laval 17. La zone la plus étroite de la buse de Laval 17 est suivie d'une partie élargie. Le contour de la buse de Laval forme une ligne continue dont les première et deuxième dérivées sont également des fonctions continues. La figure 2 représente l'armature métallique inférieure 3. Après l'apparition de l'arc à l'intérieur de l'enveloppe 1, la membrane de rupture 14 est percée par suite de l'augmentation de pression. Des arêtes coupantes 19, réalisées sur des nervures 18, favorisent la rupture de la membrance 14. Le gaz s'échappant de l'intérieur de l'enveloppe 1 provoque une augmentation de pression dans le canal d'échappement 13 et le gaz est ainsi expulsé à l'extérieur par la buse de-Laval 17. Lorsqu'il existe une pression suffisante dans le canal d'échappement 13,-un flux supersonique se produit après la zone la plus étroite de la buse de Laval 17. Les gaz sont alors expulsés à une très grande vitesse et sans aucun tourbillon, sous forme d'un jet sensiblement conique.Les gaz se dirigent vers l'autre arcature métallique 2, la vitesse du flux supersonique diminuant continuellement et passant le long d'une surface limite, avec un choc de pression, d'un écoulement supersonique à un écoulement subsonique. Aucune formation de tourbillon ne peut avoir lieu dans le domaine supersonique ; ainsi, le flux de gaz n'est pas ralenti, et un mélange avec les gaz froids de 1 'environ- nement est également rendu impossible. L'espace entre les deux armatures métalliques 2 et 3 est de ce'fait, dans un laps de temps très court, rempli de gaz ionisés, ce qui permet la commutation rapide de l'arc de l'intérieur de 1'enveloppe 1 sur un trajet extérieur. Pour obtenir une commutation rapide de l'are et pouvoir choisir une distance assez langue entre les deux armatures métalliques, la quantité de gaz s'échappant de la buse de Laval doit etre assez importante. :Jrifi a ors tce choji assez grand. Mais, la qçJaaiita te gaz s'échappant de la buse de Laval est également déterminée par la pression régnant dans le canal d'échappement 13 avant la buse de Laval. Dans le but de maintenir cette pression à une valeur très élevée, la zone la plus étroite de la buse de Laval doit, avec un écart suffisant, être inférieure à la surface de passage de la zone la plus étroite du canal d'échappement 13. Cette condition est également valable pour les autres passages, par exemple l'orifice de la menbrane de rupture 14. La valeur limite de la zone la plus étroite de la buse de Laval ne doit correspondre, au maximum, qu'à 70% de la surface de passage de la zone la plus étroite du canal d'écoulement 13. La buse de Laval doit de plus être très courte.La réduction de section de 110% à 100% et l'augmentation qui suit immédiatement à 110% peuvent se produire sur une distance de 2 em. Dans le but d'augmenter la conductibilité du jet de gaz d'extinction, on place dans le canal d'échappement 13 une matière 20 qui se volatilise aux températures élevées du gaz s'échappant de l'interieur de l'enveloppe 1 et ionise les gaz. Cette matière 20 doit etre placée en un endroit où elle peut se volatiliser dans un laps de temps correspondant à celui nécessaire à la commutation de l'arc. La matière 20 peut être par exemple du césium. Pour éviter la volatilisation du césium à des températures ambiantes élevées, il est enveloppé dans une couche de protection en chlorure de polyvinyl. On fixe la matière 20 dans le canal d'échappement en tendant un.grillage 21. Dans l'exemple de la figure 2, l'orifice de la buse de Laval 17 est rectangulaire et deux surfaces de délimitation situees l'une en face de l'autre 22 forment des plans parallèles. Sur la figure 3, l'armature inférieure 23 est munie d'une buse de Laval 24 ronde. Le choix entre une buse de Laval rectangulaire et une buse ronde dépend du problème à résoudre. Pour des enceintes très hautes, on peut équiper les armatures métalliq-oes supérieure et inférieure de buses de Laval se faisant face. REVENDICATIONS 1/ Parafoudre à enveloppe tubulaire en matière isolante fermée à ses deux extrémités au moyen d'armatures métalliques et contenant des éléments d'amorçage de protection et de répartition de tension, l'une au moins de ces armatures métalliques étant munie d'un canal d'échappement qui est séparé de l'intérieur de l'enveloppe par un dispositif de fermeture s'ouvrant lorsque la pression intérieure de l'enveloppe est très élevée, et qui dirige par son orifice débouchant à l'air libre les gaz chauds s'échappant en cas de défaut dans le parafoudre, le long de la paroi extérieure de l'enveloppe vers l'autre armature métallique, caractérisé en ce que l'orifice du canal d'échappement débouchant à l'air libre est muni d'une buse de Laval dirigée vers l'autre armature métallique. 2/ Parafoudre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone la plus étroite de la buse de Laval nycorrespond, au maximum, qu'à 70% de la surface de passage de la zone la plus étroite du canal d'échappement. 3/Parafoudre selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'a l'intérieur du canal d'échappement se trouve une matière qui se volatilise aux tepératures élevées du gaz s'échappant de l'enveloppe et qui ionise les gaz. 4/ Parafoudre selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite matière est du césium enveloppé dans une couche de protection en chlorure de polyvinyl. 5/ Parafoudre selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la buse de Laval a un orifice rectangulaire. 6/ Parafoudre selon la revendication 5, caractérisé en ce que deux des surfaces situées l'une en face de l'autre et délimitant l'écoulement dans la buse de Laval sont des plans parallèles. 7/ Parafoudre selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la buse de Laval a un orifice rond.