Brevet FR2269813A1 — publié le 19751128

La présente invention concerne les parafoudres à valves et, plus exactement, les éclateurs de tels parafoudres utilisés pour la protection contre les surtensions des installations électriques, notamment à courant continu et très haute tension, et aussi pour la protection des installations électriques à courant alternatif de très haute tension. On connaît un éclateur de parafoudre contenant deux plaques en matière isolante réfractaire, résistant aux arcs électriques, formant une chambre, en fente étroite d'extinction de l'arc et possédant au moins deux électrodes, dont les surfaces actives s'écartent l'une de ttau6-e dans le sens de la propagation de l'arc, et une bobine de souf fluage magnétique parcourue par le courant qui a franchi.lintervalle d'eclntement (voir, par exempleS le brevet des Etats-Unis d'Amériue n 3 151.273). Un tel éclateur possède effectivement la particularité de limiter les courants et, de ce fait, peut être utilisé dans les parafoud-es pour la protection contre les surtensions des installations à courant continu à haute. tension, mais le champ d'utilisation d'un tel éclateur est extrêmement limité La difficulté de construction des parafoudres, pour la protection contre les surtensions des installations à courant continu, sous hautes et très hautes tensions, consiste en ce que ces parafoudres doivent couper un courant continu de fuite dans des circuits à inductance relativement élevée, après l'action de courants très élevés en amplitude et en durée qui apparaissent lors de 1' éclatement dans l'éclateur sous l'influence de l'onde de surtension. C'est ainsi que, par exemple, les valeurs calculées des cou rants agissant sur les parafoudres à éclateurs pour la protection de l'isolement principal des sous-stations de réseaux de distribution à courant continu de + 750 ka pour des lignes de transport d'électricité de 2 500 km de longueur atteignant 2 à 3 kA, avec une durée atteignant 40 ms. De plus, le faible niveau de l'isolement de telles installations de transport du courant conduit à des valeurs extrSrnement faibles du rapport de la tension d'amorçage U1 à la tension U2 d'extinction de l'arc, ce qui soulève des difficultés supplémentaires dans la construction de tels parafoudres. Le limiteur de courant éclateur décrit ci-dessus n'est absolument pas adapté au fonctionnement dans les conditions des lignes de transport de l'énergie à grande distance par courant continu à haute tension parce que, dans ce modèle, I'exinotion active de l'arc, c'est- 3-dire l'élongation de l'arc dans la fente étroite de la chambre d'extinction, commence presque immédiatement après l'amorçage du parafoudre, avec un retard de 0,5 ms.Soumis à l'action des ondes de longue durée du courant, du.fait des surtensions dans les circuits à grandie induotance, les parafoudres ordinaires, équipés de tels éclateurs, conduisent à des surtensions inadmissibles pendant l'extinction de l'arc et les éclateurs sont mis hors service. Pour utiliser de tels éclateurs, m8me pour des lignes de transport de plus faible longueur et de plus faible tension (+ 400 kV, 1 000 km), on a recours à des schémas extrêmement compliqués avec branchement en parallèle de 2 ou 3 parafoudres à fonc tionnement alternatif, comme, par exemple, dans le parafoudre du brevet .des Etats-Unis d'Amérique nO 3 513 354. Pour les parafoudres des installations à courant continu de haute et très haute tension, il faut considérer comme la plus avantageuse l'application des éclateurs où l'extinotion active de l'arc commence seulement après la fin de l'action des ondes de surtension et de la dissipation de leur énergie dans la résistance non linéaire du parafoudre, lorsqus la tension à L'endroit du parafoudre devient voisine de la tension nominale. Il existe plusieurs moyens de résoudre le problème posé. Dans le cas le plus simple, on fait retarder le début du soufflage électromagnétique qui déplace 1'arc dans la fente de l'éclateur du type indiqué plus haut, de façon que le retard initial augmente de 0,5 ms jusu'b 2 à 3 ms (voir, par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 611 045). Des solutions plus intéressantes sont celles où le début de l'extinction active de l'arc est contrôlé d'après l'intensité du courant qui passe par le parafoudre.Un tel contrôle peut être assuré, par exemple, à l'aide d'amorçages réitérés multiples à travers l'éclateur et provoqués par le soufflage, dans la zone d'amorçage, de gaz ionisés, apparaissant à oet endroit, avant l'allongement de l'arc, dans le cas de courants suffisamment grands; l'extinction de l'arc dans un tel éclateur s'achève seulement lorsque le courant atteint les valeurs pour lesquelles la tension dans le limiteur atteint la valéur U2 (le courant dit courant d'extinction 12). De tels limiteurs sont décrits, par exemple, dans le brevet suédois nO 328 932. Une autre conception de l'éclateur, avec contrôle du début de l'extinction active de l'arc, d'après le courant qui traverse le parafoudre, est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'4mérique n 3 553 856. Selon cette conception, la chambre d'extinction de l'arc est divisée en deux compartiments: le compartiment d'extenslon préalable de l'arc et le compartiment d'extinction proprement dite, avec fente étroite et avec, entre les compartiments, un canal étroit de communication.Le passage de l'arc au compartiment d'extinction à fente étroite, c'est-j-dire l'extinction active de l'arc, n'est alors possible que pour dQs courants r,, ou d'intensité moindre, étant donné que pour des courants plus intenses, l'arc ne peut passer du premier compartiment d'extension préalable au second par ledit canal étroit. Toutefois, aucun des perfectionnements ment ondés ci-dessus, dans le brevet des Etats-Unis d'sérique n 3 151 273, de l'éclateur limiteur de courant, ne résout pleinement le problème posé, étant donné que tous ces dispositifs ne peuvent fonctionner que pour des courants d'extinction très faibles (150 à 400 A), oo qui ne permet pas de construire des parafoudres à niveau de protection U2/U1 suffisamment bas; de plus, ces parafoudres n'ont pas une capacité de passage suffisante, crest-S-dire qu'ils ne supportent pas le passage de l'onde du courant pendant plus de 10 à 15 ms, étant donné que l'arc à courant élevé dans tous les cas mentionnés d'éclateurs, circule à l'intdrieur de la chambre d'extinction. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients cités. Le problème de base a résoudre par l'invention est l'élabora- tion d'un éclateur pour parafoudre qui permette le choix de l'instant de début de l'extinction active pour des courants d'intensité inférieure à une valeur donnée et independamment de l'instant ou cette intensité est atteinte. Le problème posé est résolu par le fait que l'éclateur de parafeudre, qui comporte deux plaques en matière isolante, réfractaire et résistant aux arcs électriques, formant une chambre d'extinction en fente étroite, avec au moins deux électrodes, dont les surfaces actives s'écartent l'une de l'autre dans le sens de la propagation de l'arc, et une bobine de soufflage magnétique parcourue par le courant passant par l'éclateurS est pourvu, conformément à l'invention, de deux électrodes supplémentaires dont la première est reliée électriquement à la première électrode de la chambre et est en forme d'anneau ouvert prolongeant la première électrode et qui ocoupe la plus grande partie du périmètre de la chambre, tandis que la deuxième électrode supplémentaire est en forme d'anneau fermé, disposé coaxialement à la première électrode supplémentaire, délimitant avec elle un espace intorèlectrodes annulaire où, dans les environs immédiats de l'extrémité libre de la première électrode supplémentaire, se trouve une zone d'amorçage de l'éclateur;; de plus, la seconde électrode supplémentaire est couplée électriquement à la seconde électrode de la chambre d'extinction de façon que l'arc électrique,apparaissant périodiquement entre elles,assure le choix de l'instant de début de l'extinction active de l'arc pour des courants inférieurs à une limite donnée. I1 est avantageux que le couplage électrique de la seconde électrode de la chambre aveo la seconde électrode supplémentaire soit assuré au moyen d'une bobine supplémentaire disposée et enroulée de façon à engendrer dans l'intervalle interéleotrodesun champ magnétique en sens inverse, mais de même valeur que le champ de la bobine de soufflage magnétique pour le courant limite donné. -I1 est également avantageux que le couplage électrique de la seconde électrode de la chambre avec la seconde électrode supplémentaire soit assuré au moyen d'une résistance dont la valeur est choisie de façon à assurer l'extinction de l'arc entre ces deux électrodes pour des courants égaux ou plus faibles que le courant limite donné. Les parafoudres pour courant continu de très haute tension, qui utilisent l'éclateur proposé, assurent la protection des installations électriques comportant des lignes à courant continu, d'une longueur de plus de 3 000 km, et pour des tensions atteignant + 750 kV. Ces parafoudres ont un niveau de protection U1 2 extr8mement bas et voisin de 1,75r du fait que leurs éclateurs fonotionnent pour des ondes de courant de n'importe quelle durée et pour des courants d'extinction de n'importe quelle intensité, sans exiger le fonctionnement en parallèle de plusieurs parafoudres en un point donné ds sous-stations de transformation. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre de réalisations préférées et des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue synoptique en plan d'un éclateur de parafoudre, suivant l'invention, aveo plaque supérieure enlevée; - la figure 2 est une coupe longitudinale de l'éclateur de parafoudre en état assemblé; - la fifre 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la- figure 1 dc- l'éclateur de parafoudre; - la figure 4 est un schéma électrique d'une première réalisation d'éclateur, suivant l'invention;; - la figure 5 est un schéma,analogue à la figure 4, d'une variante de réalisation de l'éclateur de parafoudre1 suivant l'invention. L'éclateur de parafouire proposé comporte une chambre en fente étroite 1 (figure 1), pour l'extinction de l'arc, à l'intérieur de laquelle sont disposées deux électrodes 2 et 3 dont les surfaces actives s'écartent l'une de l'autre dans le sens de la propagation de l'arc électrique à l'intérieur de la chambre laticours de son extinction. La chambre 1 est formée par deux plaques 4 et 5 (figure 2) en matériau isolant, réfractaire, résistant aux arcs électriques, par exemple en céramique poreuse à base de Au203 La plaque 4 a une saillie annulaire 6 qui limite la chambre 1 à sa périphérie; à cette saillie correspond une rainure 6' pratiquée dans la plaque 5. La saillie 6 a la forme d'un anneau ouvert et l'intervalle des extrémités de la saillie annulaire sert d'entrée 7 dans la chambre 1 (figure 1). Les particularités constructives de la chambre 1 décrite ci-dessus, comme par exemple la largeur de la fente étroite, le matériau dont sont faites les plaques 4 et 5 la forme exacte des électrodes 2 et 3, dont le nombre peut être supérieur à deux, sont choisies pour assurer les conditions optimales d'extinction de l'arc. L'éclateur est doté de deux électrodes supplémentaires 8 et 9 disposées à l'extérieur de la chambre 1 d'extinction de l'arc. L'6leo- trode 8 a la forme d'un anneau ouvert et oonstitue le prolongement de l'électrode 2 qui, dans la réalisation décrite de l'éclateur, fait saillie hors de la chambre 1. L'électrode 8 entoure la chambre 1 sur presque tout son périmètre et est couplée électriquement à l'électrode 2 de la chambre. L'électrode 9 qui est en forme d'anneau fermé et conoentrique de l'électrode 8, se trouve dans le même plan que l'électrode 8 et, de plus, a des dimensions assurant,entre les électrodes 8 et 9, un intervalle interélectrodes constant, annulaire, 10, de l'ordre de 2 à 3 mm. Dans le voisinage immédiat de l'extrémité de l'électrode 8 se trouve la zone 11 où se produit l'amorçage de l'arc.L'endroit d'amor çage dans cette zone il est déterminé par la réduction de l'intervalle interélectrodes 10 de la valeur de 2 à 3 mm à 1 mm. I1 convient de noter que les électrodes 8 et 9, avec l'extré- mité de l'électrode 3 qui fait saillie en dehors de la chambre 1, forment un second intervalle d'éclatement où l'arc électrique amorcé à l'endroit d'amorçage tourne sous l'effet du soufflage magnétique. En d'autres termes oes électrodes forment une chambre dite de rotation de l'arc. Les parois qui limitent cette chambre vers le haut et vers le bas peuvent faire corps avec les plaques 4 et 5 (comme représenté sur la figure 2) ou être fabriquées séparément en une autre matière. L'électrode 9 (figure 1) est couplée électriquement à l'élec- trode 3 de la chambre 1 au moyen d'une bobine 12 (figure 3) de self-induction qui est fixée à la plaque 5 directenent sous la portion de l'intervalle 10 (figure 1), formée entre les électrodes 3 et 9 et dont l'enrou- lement est tel qu'elle engendre, dans l'intervalle entre ces électrodes, sous l'influence de la tension à l'arc 13 qui apparaît entre elles, un champ magnétique de sens inverse et égal,en grandeur, au champ d'une bobine 14 (figure 4) de soufflage magnétique,pour un courant limite déterminé, c'est-à-dire 12. L'apparition de l'arc 13 (figure 1) entre les électrodes 3 et 9 est accompagnede l'amorçage d'un aro 15 entre les électrodes 2 et 3, ce qui assure la fermeture du circuit au travers de l'intervalle d'gcla- tement. La bobine 14 (figure 4) relie 1 'éclateur de parafoudre à un conducteur d'amenée de courant extérieure 16 et un conducteur 17 est relié à l'électrode 9. La bobine 14 peut être d'une conception quelconque assurant le champ magnétique indispensable dans la chambre 1 (figure 1) pour l'extinction de l'arc et dans la chambre de rotation de l'arc entre les électrodes 8 et 9. Elle doit comporter un élément qui la protège contre les ondes à front raide de la tension, par exemple, un éclateur de protection (non représeIté). Une variante d'exécution de l'éclateur est possible, analogue a' celle décrite ci-dessus, mais dont la différence réside en ce que le couplage électrique entre les electrodes 3 et 9 est assuré au moyen d'une résistance 18 (figure 5). La valeur de cette résistance doit être telle que le courant qui la traverse, dd à la tension de l'arc électrique 13 amorcé entre les électrodes 3 et 9 soit égal à I2, c'est-à-dire au courant d'extinction. L'emplacement de la résistance 18 par rapport aux électrodes 3 et 9 est sans importance et n'influe pas sur le fonctionnement de l'eclateur. I1 est bien entendu que le parafoudre utilisant les éclateurs décrits ci-dessus, oomporte un grand nombre d'éclateurs reliés en série, ce nombre étant déterminé par la tension U2 d'extinction. Le principe du fonctionnement de 1'éclateur proposé est le suivant. Apres amorçage d'un arc dans la zone d'amorçage 11 (figure 1), l'arc électrique qui apparat entre les électrodes 8 et 9, sous l'action du champ magnétique de la bobine 14 (figure 4), amorce un déplacement en sens inverse des aiguilles d'une montre, dans l'intervalle interélectrodes annulaire 10 (figure 1) de la chambre de rotation. Pendant le temps que met l'arc pour atteindre l'entrée 7 de la chambre d'extinction 1, temps que l'on appelle le retard initial, le courant créé par l'onde de surtension atteint une valeur appréciable qui dépasse le courant choisi 12 pour l'extinction de l'arc. A l'entrée 7 de la chambre 1 l'arc se divise en deux arcs 13 et 15 reliés en série.L'arc 15, amorcé entre les électrodes 2 et 3 commence à se déplacer vers l'intérieur de la chambre 13 l'arc 13, amorcé entre les électrodes 3 et 9,continue son mouvement dans la chambre de rotation et arrive dans la zone d'action de la bobine 12 (figure 4). Etant donné que l'intervalle entre les électrodes 3 et 9 est de l'ordre de 2 mm, la tension de l'arc 13 est de l'ordre de 40 à 50 V et ne dépend pas du courant I passant par l'éclateur. Il s'ensuit que le champ de la bobine 12 (figure 4), dans l'intervalle entre les électrodes 3 et 9 est également indépendant du courant I. Etant donné que I > 12, comme indiqué plus haut, le champ de la bobine de soufflage magnétique 14, dans l'intervalle des électrodes 3 et 9 est supérieur à celui de la bobine 12 en grandeur et le champ résultant communique à l'arc 13 (figure 1) un déplacement dans le sens précédent. Cet arc parcourt l'espace de freinage et court-circuite l'intervalle 10 entre les électrodes 8 et 9, près de la zone d'amorçage 11. L'arc 15 amorcé entre les électrodes 2 et 3 et qui nta pas encore, pendant ce temps, pénétré profondément dans la chambre 1, ni atteint une grande tension, s'éteint, et le cycle de rotation de l'arc 13 est répété. Au fur et à mesure de la dispersion de l'énergie de l'onde de surtension, l'intensité du courant qui traverse le parafoudre, pendant les ~yofess successifs ae rotation, tombe à la valeur I2, due a i :aetion de la tension de service normale U2. Lors du passage suivant de l'arc 13 dans la zone de freinage, cet arc y sera retenu, puisque, à ce moment, le champ y est nul pour I = 120 Alors, l'arc 15 qui existe entre les électrodes 2 et 3, en s'étendant, passe dans la chambre 1 et le prooessus d'extinction actIf de l'arc se produit de façon habituelle par suite de l'allongement de l'arc 15, de son refroidissement accru et de sa déionisation sur les parois de la chambre étroite 1. I1 faut ajouter qu'avec l'allongement de l'arc 15 et l'augmentation de la tension de cet arc, le courant dans le parafoudre et le champ de la bobine 14 (figure 4) diminuent et, qu'en conséquence, le champ freinant dans l'intervalle entre les électrodes 3 et 9 augmente, puisque le champ de la bobine 12 ne dépend pas du courant et reste constant. Le choix des paramètres R et Z de la bobine 12 est conditionné par la nécessité d'avoir un nombre déterminé d'ampères-tours pour la tension de 40 à 50 V. De plus, le courant dans la bobine 12 doit être de beaucoup inférieur à 1.2 et la oonstante de temps R/Z aussi réduite que possible. Une particularité du fonctionnement de l'éclateur représenté sur la figure 5, consiste en ce que, pour I > I2, comme dans les schémas précédents, apparaissent les deux arcs 13 et 15 (figure 1),le courant dans l'arc 13 qui apparat entre les électrodes 3 et 9 étant égal à la diffé- rence: 40 à 50 113 = I - R ' la mise de 1'éclateur au régime de rotation de l'arc se produit de la même façon qu'antérieurement. Quand le courant devient égal à 12, l'arc 13 disparaits étant donné que le courant I2 tout entier passe par la résistance dûment choisie: R = 40 à 50 . I2 Le cycle de rotation s'arr8te et l'arc 15 entre les électrodes 2 et 3 passe dans la chambre d'extinction 1 et s'éteint, comme décrit ci-dessus. Il convient de noter que pour R = 0 0, l'extinction après le premier cycle de rotation est assurée pour tous les courants, ce qui permet, dans toute une série de cas, de concevoir un éclateur de construc- tion plus simple. L'éclateur décrit ci-dessus, avec temporisation et contre du début de l'extinction active Ae l'arc er fonction de la grandeur du courant, a la propriété de laisser passer des courants de forte intensité, os qui est caractéristique pour les éclateurs à arc tournant, et, en mdme temps, la particularité marquée de limiter les courants et l'assureur l'extinction de l'arc, notamment pour le courant continu de fuite, ce qui est caractéristique des éclateurs limiteurs de courant à fente étroite, et réunit en un seul dispositif ces deux particularités. L'éclateur proposé peut être utilisé pour les parafoudres à courant continu et très haute tension, de même que pour les parafoudres à courant alternatif, dans les cas où apparaissent des problèmes analogues pour ces derniers courants. De plus, il n'est pas limité par l'amplitude ni la durée des effets du courant, c'est-à-dire qu'il peut être utilise dans le système de n'importe quelle puissance des lignes de transport d'électricité de toute longueur. REVENDICATIONS 1 - Eclateur de parafoudre comportant deux plaques isolantes en matière réfractaire,résistant aux arcs électriques, délimitant une chambre d'extinotion d'arc en fente étroite avec au moins deux électrodes, dont les surfaces actives s'écartent l'une de l'autre dans le sens de la pro pagation de l'arc, et une bobine de soufflage magnétique parcourue par le courant pansant par I 'éclateur, cet éclateur étant caractérisé par le fait qu'il est pourvu de deux électrodes supplémentaires, dont la première est couplés électriquement à la première électrode principale de la chambre d'extinction d'arc et est en forme d'anneau ouvert prolongeant cette première électrode, et qui occupe la plus grrzane partie du périmètre de la chambre, tandis que la deuxième électrode supplémentaire est en forme d'anneau fermé, disposé coaxialement à la première électrode supplémentaire et délimitant avec elle un intervalle interélectrodes annulaire où, dans les environs immédiats de l'extrémité libre de la première électrode supplémentaire, se trouve une zone où se produit l'amorçage de l'inter- valle d'éclatement, la seconde électrode supplémentaire étant couplée électriquement à la seconde électrode principale de la chambre d'extinc- tion d'arc, de façon que l'arc apparaissant périodiquement entre elles assure le choix de l'instant du début de l'extinction active de l'arc pour clec courants inférieurs à une limite déterminée. 2 - Eclateur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le couplage éleotrique de la seconde électrode principale de la chambre d'extinction d'arc, avec la seconde électrode supplémentaire, est assuré par une bobine supplémentaire disposée et enroulée de façon b engendrer, dans l'intervalle de ces électrodes, un champ magnétique de valeur égale et de sens inverse du champ de la bobine de soufflage ma8ne- tique en présence du courant limite déterminé. 3 - Eclateur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le couplage électrique de la seconde électrode principale de la chambre d'extinction d'arc, avec la seconde électrode slly,plémentaires est assuré au moyen d'une résistance dont la valeur est choisie pour assurer l'extinotion de l'arc entre ces électrodes en présence des courants égaux ou plus faibles que le courant limite déterminé.