Brevet FR2310006A1 — publié le 19761126

La présente invention se rapporte d'une manière générale à des dispositif 5 de protection contre des surtensions et plus particulièrement à des dispositifs de protection utilisés Anne Her ennX 3 haute tension en courant continu. Ces dispositifs de protection protègent l'isolement des systèmes électriques en réduisant momentanément à zéro l'impédance de la portion du système subissant une surtension de sorte que la variation indésirée dans l'énergie disponible du système due à la surtension, est drainée sans dommage. Ainsi un dispositif de protection à haute tension peut être considéré comme un interrupteur de courant fort, très rapide, sensible à la tension électrique. La fonction "interrupteur" des dispositifs de protection classiques a été réalisée par une combinaison en série de valves et d'éclateurs. Les unités valves sont des blocs en forme de disque à résistance non linéaire, ou en matériau varistor qui présente une résistance décroissante lorsque la tension croît. Les ensembles à éclateurs comprennent des électrodes en forme de corne à l'intérieur d'une chambre à étincelles spéciale destinée à aider l'extinction de l'arc entre les électrodes. I1 peut y avoir d'autres organes fournis à l'ensemble d'éclatement pour commander l'établissement et l'extinction de l'arc. Pour des dispositifs de protection pour plus haute tension, plusieurs unités valves et éclateurs sont empilées en séries à l'intérieur d'un boîtier isolant, d'ordinaire en tube en porcelaine avec des capuchons d'extrémités métalliques Lorsque ce dispositif de protection classique est soumis à une surtension, il se produit un arc dans un ou plusieurs des éclateurs Le circuit est fermé avec la terre par les valves Le courant s'écoule vers le sol à travers le dispositif de protection jusqu'à ce qu'une tension de système normale s'établisse de nouveau.Pour des tensions normales du système, l'accroissement de la résistance de la section valve fait diminuer le courant du dispositif de protection jusqu'à une valeur insuffisante pour entretenir un arc dans l'espace interélectrode Ainsi, les arcs sont éteints et le dispositif de protection est de nouveau un interrupteur ouvert. Dans les dispositifs de protection présents, les éclateurs occupent une grande partie de l'espace disponible du boîtier et sont devenus plutôt complexes et coûteux. Ceci résulte du fait qu'ils sont essentiels à la fois pour amorcer la fonction d'interruntion par éclatement d'un arc et de l'arrêter par disparition,Les caractéristiques les plus importantes des éclateurs se rapportent à la fonction de disparition qui pose des problèmes particulièrement aux hautes tensions à cause du compromis nécessaire pour la résistance de la partie valve pour une tension du système normale. La résistance du bloc valve est donnée par la relation I=KV où I représente le courant, K est une constante, V la tension aux bornes du bloc et n une grandeur numérique qui, pour des blocs de carbure de silicium conventionnels est environ 4 et qui est appelée "exposant" par les spécialistes des protections contre les surtensions, grandeur qui traduit le degré de non linéarité d'un matériau varistor d'un bloc valve particulier. Il y a les matériaux à "exposant bas" avec un exposant inférieur à 10 environ et les matériaux à "exposant élevé" avec un exposant supérieur à 10. La résistance de la section valve pour une tension de système normale, détermine le courant résiduel qui doit être éliminé par les éclateurs. En général, un faible courant résiduel peut être éliminé rapidement. Cependant, dans les dispositifs de protection classique, il existe une limite pratique à la résistance de la section valve pour une tension de système normale. Si la résistance à une tension de système normale est accrue pour réduire le courant résiduel, alors pour des hautes tensions elle est aussi nécessairement accrue d'une quantité proportionnelle.Durant une surtension de claquage, cependant, le courant du dispositif de protection est si élevé que même un léger accroissement de la résistance de la section valve provoquera une tension de décharge dans le dispositif de protection, et la chute de tension à travers le dispositif de protection, qui est supérieure au niveau de tension de protection voulu pour le système. Ainsi, pour conserver une tension du dispositif de protection inférieure au niveau de protection pour les surtensions d'éclatement, il devient nécessaire de disposer d'un courant résiduel plus important. Les problèmes de la suppression du courant résiduel sont de plus aggravées par le fait que la suppression ne doit pas être trop brutale, sans quoi une surtension secondaire destructrice peut être engendrée dans le système par la suppression de la première surtension. De manière classique, on ajoute des bobines aux éclateurs pour déplacer les arcs et commander la suppression de sorte que le courant est limité à une valeur de sécurité avant qu'une suppression totale n'ait lieu dans les éclateurs. Même des dispositifs de protection avec un grand nombre d'unités d'éclatement à limitation de courant complexes présentent de sérieux inconvénients lorsqu'ils sont utilisés dans des systèmes de transmission de haute tension du type à courant continu. De tels systèmes à courant continu ont généralement de très longues lignes de transmission, ce qui signifie que les surtensions de commutation dans le système peuvent être très longues, supérieures à 10 millisecondes environ.Ces surtensions de longue durée tendent à élever la température des espaces limitant le courant puisque ces espaces tendent à limiter le courant par accroissement de la résistance de l'arc. L'échauffenent des espaces interélectrodes, de la chambre et du gaz qu'elle contient, change les caractéristiques de suppression des éclateurs, ce qui entraîne un défaut de suppression. Les ensembles de valve souffrent aussi du chauffage et il s'ensuit une dégradation de la résistance du sys tème, contribuant par là à la charge de suppression des intervalles.Ainsi, les dispositifs de protection pour ces systèmes de transmission à haute tension de courant continu comportent un nombre plutôt important de séries d'espaces de limitation de courant complexes et coûteux et une section valve relativement complexe ayant des blocs valves supplémentaires qui limitent le courant des surtensions de commutation et abaissent le courant résiduel, mais sont shuntés par des espaces shunt pour les courants plus élevés des surtensions de clacuage pour limiter la tension du dispositif de protection. Selon la présente invention, on réalise un nouveau dispositif de protection contre les surtensions avec une section valve à exposant élevé et une section d'espace interélectrode en série simple. Avec ce nouveau dispositif de protection, le courant résiduel est abaissé à une valeur suffisamment basse pour qu'il puisse être supprimé par une section d'éclatement ayant des espaces interélectrodes simples. Cela donne une amélioration des performances avec une grande diminution de la complexité de la section d'éclatement, même pour des applications à des systèmes à haute tension à courant continu. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement : Figure 1, un diagramme schématique simplifié montrant une section valve et une section d'éclatement d'un dispositif de protection selon la présente invention Figure 2, un diagramme schématique et partiel du circuit d'un module de protection du dispositif de protection de la figure 1 Figure 3, une vue de côté d'un module de protection du dispositif de protection de la figure 1 Figure 4, une vue de l'ensemble de la figure 3, mais vue du côté opposé Figure 5, une vue en perspective d'une coupe d'une unité d'éclatement de l'ensemble des figures 3 et 4 Figure 6, une vue en élévation, en perspective, du couvercle de l'unité d'éclatement de la figure 5. On a représenté schématiquement sur la figure 1 une réalisation recommandée du dispositif de protection 10 selon la présente invention. Le dispositif 10 comporte une section valve 12 et une section d'éclatement 14 à l'intérieur d'un boîtier isolant, non représenté, et relié en série à une ligne sous tension et le sol. La section valve et d'éclatement 12, 14 comportent plusieurs unités valves et unités d'éclatement, respectivement et celles-ci sont entassées en séries entremêlées et en relation pour permettre une graduation de la tension sur toute la longueur du dispositif de protection. Ces empilements entremêlés peuvent être fabriqués aisément en fabriquant des modules protecteurs individuels identiques, et en les empilant en nombre suffisant pour fournir la tension nominale voulue. Dans le dispositif de protection'l0, chaque module de protection est assemblé côte à côte par paire mais est relié en série de façon à former un ensemble unitaire de modules. Ces ensembles unitaires sont alors empilés à l'intérieur du boîtier en nombre suffisant pour atteindre la tension nominale voulue. On a représenté en partie sur le diagramme schématique de la figure 2 et sur les deux vues de côté opposées des figures 3 et 4 un ensemble unitaire 18 de modules du dispositif de protection 10. La vue en partie schématique de la figure 2 permettra une identification rapide des parties constituantes des figures 3 et 4. Les parties sont identifiées par les mêmes numéros de référence sur les figures 2,3 et 4. En se référant maintenant aux figures 2,3 et 4, l'ensemble unitaire 18 comporte un premier module de protection 9 51 7 > *avond module de protection 22 pressés l'un contre l'autre longitudinalement et côte à côte entre deux plaques métalliques terminales 23. Le premier module 20 possède une paire de blocs valves adjacents 24 en forme de disque, avec des faces métallisées, un collier isolant en verre autour de sa circonférence. Une face externe des blocs 24 est espacée de la plaque terminale supérieure 23 par un écarteur en céramique 26. Pressés contre l'autre face externe, on trouve un ensemble de trois unités d'éclatement préionisées 28,3Q, 32 qui sont commandées par l'espace d'éclatement 34 d'un circuit de déclenchement 36 montré à l'intérieur du rectangle en pointillé. La tension du préioniseur du circuit 36 est fournie par la source de tension 38 de l'ioniseur en carbure de silicium. Une résistance principale 40 d'échelonnement de la tension est reliée en parallèle avec à la fois les blocs valves 24 et les unités d'éclatement 28,30,32. Des condensateurs de valeurs échelonnées 42 en série avec une résistance de renversement 44 sont reliés entre les plaques terminales 23. Le second module de protection 22 à côté du premier module 20 est relié en série avec le premier module 20 par une barrette métallique 48. Le second module 22 est à tous points de vue semblable au premier module 20, en ce qu'il comporte les blocs valve 50, les unités d'éclatement 52, une résistance principale 54, toutes ces parties étant essentiellement identiques en structure et en configuration aux parties constituantes correspondantes du premier module 20, mais le second module 22 est physiquement en position inversée. Cependant, les unités d'éclatement 52 du second module 22 fonctionnent comme des éclateurs en cascade, et par suite il n'y a pas d'éclateur de déclenchement avec son circuit associé, comme pour le premier module 20.A la place des résistances de puissance de l'ioniseur 38 du premier module 20, il y a quelque résistances de compensation de différentes valeurs en carbure de silicium 58. Chacun des modules 20 et 22 peut supporter 6 kilovolts. L'ensemble unitaire 18 peut ainsi supporter 12 kilovolts. Les blocs valves 24 de chaque dispositif de protection 10 sont chacun des blocs de céramique frittée drun composé d'oxyde de zinc. te disque est pressé à partir d'une poudre dont la composition en pourcentage molaire est la sui vante 96,55 % ZnO (oxyde de zinc) 0,5 % Bi203 (trioxyde de bismuth? 0,5 % CO203 (trioxyde de cobalt) 0,5 % MnO2 (bioxyde de manganèse) 1,0 % Sb203 (trioxyde d'antimoine) 0,5 % Cr203 (oxyde de chrome) 0,1 % BaCO3 (carbonate de baryum) 0,1 % B203 (oxyde de baryium) 0,25 % SiO2 (bioxyde de silicium) (silice) Après avoir formé par pressage le disque il est communement, fritté de la même façon que les disques de carbures de siliciums utilisés.Les couches métallisées et les colliers isolants anti d ,arc éclatementlsont appliqués dans des étapes ultérieures. Après frittage, le disque a environ 2,19 centimètres d'épaisseur, 6,5 cm de diamètre, et a un exposant d'environ 40. L'unité d'éclatement 32 est illustrée séparément avec plus de détails dans les figures 5 et 6. La figure 5 représente un disque support en céramique 60 dans lequel est monté une paire d'électrodes d'éclatement en forme de corne 62, s'étendant dans une dépression 62 qui forme une chambre d'éclatement. Attaché en travers des électrodes 62, on trouve un préioniseur 66 qui comporte une résistance 68 et un condensateur de renversement 70. La partie appariée de la chambre 64 est fournie par une partie surélevée dans le côté opposé d'un disque support adjacent 74 comme le montre le dessin inférieur en vue de face de la figure 6. Les autres unités d'éclatement sont similaires à l'unité 32, mais le condensateur d'inversion peut faire défaut. On peut voir que l'unité d'éclatement 32 n'a la possibilité de supprimer que des courants résiduels relativement bas, de l'ordre de plusieurs ampères, puisque des organes classiques de limitation du courant tels que des bobines magnétiques ou des extensions de surfaces dans les parois terminales de la chambre d'éclatement 24 sont absentes Mais puisque l'exposant des blocs valves 24 est très élevé, cependant, le courant résiduel est réellement suffisamment bas pour que ces organes de limitation du courant ne soient pas nécessaires, et une simple section d'éclatement comme celle formée par les éclateurs 28, 30, 32 est adéquate. Le dispositif de protection 10 est particulièrement adapté aux hautes tensions en courant continu mais peut être aussi utilisé dans des systèmes à courant alternatif. Le terme "élevé" utilisé pour décrire l'exposant de la caractéristique courant-tension d'une résistance non linéaire d'une telle section valve d'un dispositif de protection, signifie que l'exposant est supérieur à 10 environ. Ceci est généralement très supérieur, par exemple, à l'exposant du matériau en carbure de silicium le plus communément utilisé qui est environ de 4. L'expression "section valve d'exposant élevé" comme utilisée ici décrit une section valve ayant des blocs valves en matériaux à résistance non linéaire à exposant élevé, comme dans le dispositif de protection recommandé dans lequel la section valve a un exposant compris entre environ 25 et 50, l'exposant variant avec la tension. Il faut remarquer, cependant, que l'expression veut aussi décrire une section valve comprenant beaucoup de blocs valves à exposant bas combinés avec des unités d'éclatement formant shunt ce qui accroît effectivement l'exposant de la section valve à une valeur supérieure à 10. Une telle combinaison est décrite, par exemple, dans le brevet U.S. 3.320.482 du 16 mai 1967 dû å E.C.Sakshaug et Coll. L'expression "section d'éclatement simple" utilisée ici se rapporte à une section d'éclatement qui ne supporte pas plus de 20 % environ de la tension totale aux bornes du dispositif de protection durant une décharge. De manière pratique, cela signifie généralement que les unités d'éclatement de la section ne sont pas fournies avec des organes de limitation de courant actifs, fonctionnellement significatifs, comme des bobines d'arrêt ou des dents de paroi terminale de la chambre. Pour les protections antérieures avec une section d'éclatement à limitation de courant, d'autre part, la section d'éclatement supporte environ la moitié de la tension totale du dispositif de protection durant la décharge. Cette proportion plus élevée de tension de décharge pour une protection avec une section d'éclatement à limitation de courant est imputable à la fonction de limitation du courant ellemême.Une limitation minimale, fonctionnellement significative, du courant par une section d'éclatement d'un dispositif de protection a pour résultat de faire supporter au moins 2Q % de la tension de décharge par la section d'éclatement. Pour un dispositif de protection en accord avec la présente invention, cependant, 20 % de la tension du dispositif de protection est environ la plus grande proportion qui pourrait être supportée par la section d'éclatement sans introduire des organes de limitation de courants pour les éclateurs. Du reste, il est même souhaitable d'éviter tout organe de limitation du courant, et ainsi décroître la proportion de tension supportée par le dispositif de protection. Ceci parce que la limitation du courant implique nécessairement un accroissement de l'impédance de la section d'éclatement par augmentation de la résistance de l'arc par allongement de l'arc. Une telle augmentation d'impédance accroît la dissipation totale d'énergie des arcs vers le gaz ambiant et augmente les températures des structures électriques associées. Les températures élevées dégradent alors les fonctions de suppression et d'éclatement des unités d'éclatement de façon connue. Pour le dispositif de protection recommandé, environ seulement 5 z de la tension du dispositif de protection est supportée par la section d'éclatement, minimisant ainsi tout chauffage indésirable. Puisque la configuration en forme de corne des électrodes encourage quelques mouvements de l'arc vers l'extérieur avec l'allongement résultant et l'impédance accrue, le trajet est fait pour minimiser ltérosion locale de l'électrode et non pour limiter le courant. Avec des blocs valves à exposant élevé, le courant résiduel est dès à présent suffisamment bas pour satisfaire les conditions de suppression, recherchées autrement par des organes de limitation de courant dés ensembles d'éclatement. La performance du dispositif de protection pour des surtensions provoquant des éclatements multiples peut être améliorée par l'addition d'une résistance de fuite en parallèle avec les blocs valves 24 de chaque module de protection pour accélérer le retour des faces métallisées des blocs valves à une tension commune après suppression de la surtension initiale. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection contre des surtensions électriques, caractérisé en ce qu'il comprend une section valve à résistance non linéaire reliée en série avec un espace interélectrodes entre deux bornes, la section valve ayant un exposant de caractéristique courant-tension élevé et la section d'éclatement étant une section simple. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section d'éclatement supporte moins d'environ un cinquième de la tension aux bornes du dispositif de protection durant une décharge. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'exposant est compris entre 25 et 50. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la section d'éclatement supporte environ un ving tième de la tension aux bornes du dispositif de protection durant une décharge.