Brevet FR2314566A1 — publié le 19770107

L'invention concerne un isolateur pour l'isolement de deux électrodes portées à un potentiel électrique différent et pour leur appui, l'une contre l'autre, en particulier pour l'isolement et l'étayage réciproque de conducteurs intérieurs et extérieurs dans les installations de distribution électriques isolées au gaz. Pour la fixation de conducteurs électriques à l'intérieur d'un blindage et pour leur isolement réciproque, on utilise des isolateurs qui, outre une solidité mécanique suffisante, do-ivent aussi présenter une rigidité diélectrique suffisante. Tandis que dans ltespace compris entre un conducteur intérieur et un conducteur extérieur, il est prévu un gaz isolant, par exemple du SF6, ou un liquide isolant, de sorte que des amorçages ne peuvent s'y produire que dans des conditions particulières, avec les isolateurs supports il risque de se produire, par suite de souillures, également des décharges superficielles ou de cheminement, susceptibles le cas échéant d'entraîner la détérioration de l'isolateur. Pour cette raison, les isolateurs sont conçus selon certains critères, parmi lesquels on a choisi parfois des mesures pour l'sllongement des distances de cheminement ou lignes de fuite; dans une réalisation ceci est obtenu en prévoyant des nervures sur le pourtour de l'isolateur (voir Elektrizitàtswirtschaft, 73e année, 1974, fascicule 5, pages 124 à 128). D'autres isolateurs ont une structure telle, que la composante tangentielle du champ est maintenue approximativement constante le long de l'isolateur (ISH, Vol. 1972, pages 1 à 8). D'autres isolateurs encore, ont été construits de telle manière, que les valeurs maximales de la composante tangentielle et/ou normale du champ et/ou le vecteur champ lui-même ntexcident pas une valeur limite donnée. Dans les solutions connues il n'a pas été tenu compte du fait qutil existe des lignes de force qui commencent sur l'une des deux électrodes opposées l'une à l'autre et portées à un potentiel différent, dans l'espace occupé par le gaz ou par le liquide, qui rencontrent la surface de l'isolateur et qui pénètrent dans l'isolateur. S'il existe sur l'une des électrodes une légère souillure, il se forme des décharges qui, suivant les lignes de force aboutissent sur la surface de l'isolateur et là, du fait connu que l'intensité du champ nécessaire pour déclencher le mécanisme des décharges de cheminement est faible, cela peut entraîneur facilement un amorçage sur l'isolateur. Contrairement à un amorçage se produisant sur une distance d'isolement linre, dans le gaz ou dans le liquide, l'amorçage par cheminement, ainsi déclenché sur l'isolateur, conduit facilement à une détérioration permanente du comportement isolant. Le but de l'invention consiste à réaliser, pour un isolateur du genre mentionné dans le préambule, une structure permettant de réduire encore le risque d'amorçages par cheminement. Selon l'invention, ce problème est résolu par le fait que l'on donne, à la surface de l'isolateur qui s'étend le long de la distance d'isolement, une forme telle que les lignes de champ lec- trique issues des électrodes restent toujours en dehors de l'isolateur. On améliore encore le système, si l'on arrive à obtenir que la surface de l'isolateur le long de la distance d'isolement ait une forme telle, que l'intégrale de la composante normale du champ le long de la surface limite, entre l'isolateur et le gaz qui l'entoure, soit approximativement égale à zéro. L'objet de l'invention est ainsi l'élaboration d'une règle de profilage, définissant le profil qu'il faut donner à la surface d'un isolateur afin qu'aucune des lignes de force qui partent des électrodes, dans l'espace occupé par le gaz, n'aboutisse à la surface de l'isolateur et ne pénètre dans celui-ci. Il est évidemment possible d'appliquer la même règle de profilage également dans le cas ou au lieu d'un gaz, on utilise un liquide pour l'isolement entre les deux électrodes.Le contour est obtenu essentiellement au moyen d'un calcul numérique des champs électriques, l'ensemble du dispositif constitué par l'isolateur et les électrodes étant amélioré par itération, en utilisant le calcul numérique du champ. I1 faut tenir compte, pour ce faire, de tous les facteurs qui ont une influence, tels que les valeurs relatives des constantes diélectriques, les contours de la couche limite, les potentiels et les contours des électrodes. L'objectif du calcul peut être considéré comme atteint, lorsqu'un calcul mathématique des lignes de force donne une ligne de champ passant par les points de contact des bords de l'isolateur avec les- électrodes qui n'a pas de contact avec la surface de l'isolateur, compte tenu de tolérances admises. Avec cette règle de profilage, l'isolateur est considérablement amélioré, en particulier pour ce qui concerne ses caractéristiques d'isolation, comparativement à un isolateur à nervures par exemple, ou à d'autres isolateurs connus. Il faut de plus, tenir compte de la règle, colon laquelle l'intégrale de la composante normale du champ, étendue à la surface, est approximativement égale à zéro; cette dernière règle sert quasiment de règle de contrôle et de règle d'optimalisation. L'esprit de l'invention est aussi applicable dans une grande mesure à des dispositions quelconques d'électrodes, les réalisations concevables n'étant pas seulement bi-dimensionnelles mais pouvant être aussi tri-dimensionnelles. De plus, il est possible d'appliquer l'esprit de l'invention à des dispositifs d'isolation à deux ou à plusieurs électrodes, et ceci avec des potentiels égaux, différents ou s'établissant d'une manière arbitraire. A l'aide du dessin, nous allons expliquer plus en détail des exemples de réalisation de l'invention. Les différentes figures montrent respectivement Figures 1 et 2, deux exemples de réalisation d'isolateurs connus, Figure 3 et 3a, un isolateur, également connu, Figures 4 à 6, un isolateur selon l'invention, Figure 7, l'évolution de la composante normale du champ le long du contour développé de l'isolateur et, Figure 9, la forme des lignes de force du champ électrique avec un isolateur selon l'invention. Entre deux électrodes disposées en regard et à une certaine distance l'une de l'autre, la chiffre repère 1 désigne toujours 11 électrode qui est portée au potentiel élevé, et l'électrode dési gnée par le chiffre 2 est celle qui est portée au potentiel le plus bas. Dans l'espace compris entre les électrodes 1 et 2, est disposé un isolateur qui, dans les différentes figures, porte des repères différents. Dans les domaines situés à droite et à gauche de l'iso- lateur, il y a dans les exemples considérés, un gaz isolant, à savoir du SF6. L'isolateur de la figure 1, désigné par le chiffre repère 3, a une forme plus large dans la zone située b mi-distance entre les électrodes 1 et 2 qu'aux points de jonction de l'électrode 1 avec l'isolateur 3 ou de l'isolateur 3 avec l'électrode 2. Nous avons représenté là deux lignes de force du champ électrique, 4 et 5, qui sortent des électrodes 1 et 2 dans des zones situées en dehors de ltisolateur 3 et qui pénètrent dans l'isolateur aux points I et II. La figure 2 montre un isolateur 6 incliné à peu près en forme de S, qui présente partout approximativement la même épaisseur. Une ligne de force 7, qui a été choisie ici plus ou moins arbitrairement, entre dans l'isolateur ou sort de celui-ci, respectivement aux points III et IV. La figure 3 montre un isolateur 8 dont les faces latérales sont exactement parallèles entre elles et perpendiculaires aux surfaces des électrodes 1 et 2. I1 est possible ici, que les lignes de force ne pénètrent pas dans l'isolateur, comme on l'a représenté par exemple dans les figures 1 et 2. Comme dans la pratique il n'est pas possible, avec des isolateurs en résines moulées, d'obtenir une surface absolument lisse, on n1 est pas certain qu'il n'y aura pas néanmoins une ligne de force qui pénétrera dans l'isolateur, par exemple à cause d'une inégalité de la surface, donnant ainsi naissance à une décharge par cheminement. Une telle possibilité est représentée dans la figure 3a.Cette figure montre la vue en coupe d'un tel isolateur, à une échelle fortement agrandie, faisant apparaître deux points en saillie 10 et 11, dont les pointes sont déterminées par la profondeur de rugosité admise lors de la fabrication de l'isolateur. Une ligne de champ électrique, située à une très petite distance de la surface de l'isolateur et qui est désignée par le repère 12 pénètre dans la saillie 10 et dans la saillie 11 et provoque le cas échéant des décharges par cheminement aux points V et VI (les points correspondants de la saillie 10 n'ont pas été repérés.) Si lton conçoit maintenant un isolateur selon l'invention, on arrivc à un isolateur tel que celui qui a été représenté dans les figures 4 et 5.Ici, le long de la distance d'isolement entre les électrodes 1 et 2, l'isolateur comporte au total trois domaines différents 13, 14 et 15, les domaines 13 et 14 étant plus larges que le domaine 15. Si l'on suit une ligne de force du champ électrique 16, qui sort de l'électrode 1 ou 2 à l'intérieur de l'isolateur 12, cette ligne de force 16 sort de l'isolateur 12 aux points VII et VIII. Si lton considère une ligne de force 17, qui sort de l'électrode 1 et 2 respectivement au point où le contour de l'isolateur 12 rencontre l'électrode 1 ou 2, c'est-à-dire aux points B et A, on constate que cette ligne de force se trouve toujours en dehors de l'isolateur. I1 en est de même pour la ligne de force 18.En cas de souillure sur la surface de l'électrode 1 ou 2, il peut bien se produire une décharge; si cependant cette décharge suit la ligne de champ électrique 17, elle ne rencontre plus l'isolateur 12 en aucun autre point, de sorte qu'il ne se produit pas d'amorçage par cheminement. Mais alors, le contour de l'isolateur 12 est optimal, comme on l'a représenté dans la figure 4. Même en cas de légères déviations du contour par rapport à la figure 4 (voir figure 5), celles-ci peuvent-elles tout au plus faire que la ligne de force qui sort de l'électrode 2 au point B rencontre la surface de l'isolateur au point IX après un long parcours dans le gaz ou dans le liquide, de sorte que l'avantage selon l'invention de la solution représentée dans la figure 4 reste intégralement conservé.Au point IX, du fait de la longueur du parcours dans le gaz ou dans le liquide, il ne peut plus se produire de décharge par cheminement. La figure 6 nous montre maintenant un dispositif d'isolement où ltélectrode 2 qui est portée au potentiel le plus bas a la même forme que l'électrode 2 des figures 1 à 5; l'électrode 25 qui est portée au potentiel le plus élevé a une section qui rappelle celle d'une aile portante; cette forme ne résulte que d'un choix purement fortuit. A l'isolateur 26, disposé entre les deux électrodes 2 et 25 on a donné une forme telle, qu'une ligne de force qui commence et qui finit respectivement aux points A et B sur les électrodes 2 et 25 ne pénètre en aucun point dans la surface de l'isolateur. La figure 7 nous montre à son tour la valeur de la composante normale du champ le long d'une surface limite de la figure 8; cette surface limite est désignée par le chiffre repère 30. L'espace 31 qui se trouve à droite de la surface limite est à l'extérieur de l'isolateur, l'espace repéré 32 est à l'intérieur de celui-ci. Si l'on examine la variation de la composante normale du champ le long du contour 30, on obtient une évolution telle qu'elle a été représentée dans la figure 7. Le contour 30 est maintenant optimal, si l'intégrale de la composante normale du champ, le long du développement, est égale à zéro, c'est-è-dire si la surface marquée +, repérée 33 dans la figure 7, est égale à la surface repérée 34 située en-dessous de l'axe des abscisses. La règle de profilage, prescrivant de réaliser l'isolateur de manière que l'intégrale de la composante normale du champ, étendue 8 la surface limite entre l'isolateur et le gaz isolant SF6 qui l'entoure, soit approximativement égale à zéro, ne doit cependant être utilisée que sous réserve d'une condition. Si l'on considère en particulier l'isolateur 3 selon la figure 1, on constate qu'également avec le gonflement correspondant dans la partie médiane, c'est-à-dire avec cette forme convexe, la courbe de variation de la composante normale du champ présente une forme analogue à celle qui est représentée dans la figure 7, avec cependant une inversion des signes. Si l'on veut par conséquent donner la forme optimale à un isolateur, il faut que les deux règles soient observées simultanément : d'une part, les lignes de force ne doivent pas pénétrer dans l'isolateur (comme avec l'isolateur 12 dans la figure 4), d'autre part, l'intégrale de la composante normale du champ étendue à la surface limite doit être approximativement égale à zéro. Cette dernière règle ne constitue donc qu'unie sorte de "contrôle", permettant de vérifier que la forme de 1'isolateur est optimale. - REVNflICATION5 1.- Isolateur pour l'isolement l'une de l'autre de deux électrodes portées à un potentiel électrique différent et pour l'appui réciproque de celles-ci, en particulier pour l'isolement et l'éta- yage des conducteurs intérieur et extérieur dans des installations de distribution électriques blindées, isolées de préférence au SF6, caractérisé par le fait que la surface (15, 26) de l'isolateur, qui s'détend le long de la distance d'isolement, a une forme telle que les lignes de champ électrique (17, 18) issues des électrodes et s'tendant entre celles-ci en dehors de ltisolateur, restent à l'extérieur de l'isolateur sur toute leur longueur. 2.- Isolateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la surface de l'isolateur, le long de la distance d'isolement, 8 une forme telle que l'intégrale de la composante normale du champ, étendue à la surface limite de l'isolatsur par rapport au gaz environnant, est approximativement égale à zéro.