Brevet FR2388426A1 — publié le 19781117

L'invention concerne un appareil de protection contre les surtensions comportant un varistor et un parafoudre branché électriquement en parallèle à celle-ci. On entend par varistor un élément de résistance dépendant de la tension et dont la résistance diminue à mesure que la tension s'élève. En général, les varistors ont une courbe tension-résistance brisée de telle sorte qu'entre la valeur zéro et une valeur déterminée de la tension, la résistance est très grande et qu'au-dessus de la tension déterminée, la résistance est très petite. On entend par parafoudre un éclateur rempli dtair ou de gaz, et qui présente, à ltétat non amorcé, une résistance de l'ordre du gigaohm et après 11 amorçage, une résistance de l'ordre de ltohm. I1 est connu de brancher électriquement en parallèle un varistor et un parafoudre du type à décharge dans un gaz. Il s t agit par lâ d'atteindre deux buts. Le varistor entre en action dans la gamme des nanosecondes (courant conduit par un solide) et donc notablement plus vite que le parafoudre (courant conduit par un gaz), de sorte que le retard d'amorçage est évité par l'écoulement plus rapide assuré par le varistor.Aussitot qutil apparat une surtension et qu'un courant correspondant passe donc par le varis;tor, il apparat sur celui-ci une chute de tension qui, si les composants de l'appareil de protection sont convenablement conçus, atteint dans le cas normal la tension d'amorçage du parafoudre. I1 s'ensuit que la majeure partiezdu courant résultant de la sur tension passe par le parafoudre qui peut supporter une plus grande charge électrique qu'un varistor.Il s'agit par lâ 'éviter une surcharge électrothermique du varistor Les parafoudres à décharge dans un gaz ont un défaut, à savoir que le courant passe à l'intérieur, sous forme de disruption et que donc, ils ne peuvent pas faire face rades courants intenses comme ceux qui résultent de la foudre.C'est pourquoi, avec l'appå- reil de protection défini plus haut, souvent dès l'apparition du premier courant partiel d'un éclair habituellement multiple, mais certainement lors des courants partiels suivants, il ne peut plus y avoir de protection car le parafoudre d'abord, et le varistor ensuite, sont déteints. I1 faut ajouter que dans cette disposition connue, le varistor et le parafoudre à décharge dans un gaz.sont deux blocs distincts. disposes côte à côte et reliés électriquement entre eux par des conducteurs appropriés.Outre le fait qu'une telle disposition est encombrante et, aussi, couteuse à fabriquer, un incon véniel$ notable est que lorsqu'il passe des courants intenses, les conducteurs de liaison subissent des forces électromagnétiques relativement grandes. En outre, les inductivités des conducteurs de liaison augmentent le temps de transit entre varistor et parafoudre, diminuant ainsi l'effet de protection. Enfin, dans le cas de parafoudres remplis de gaz que l'on peut aussi appeler éclateurs à décharge dans un gaz, un autre inconvénient est qu'ils ont des temps de décharge trop longs avant qu'il n'apparaisse de hautes tensions de réponse. Autrement dit, ils ont une courbe de choc raide. Ceci n'a pourtant pas pour effet de limiter à une valeur constante la tension à l'appareil consommateur et au varistor.Un autre problème dans les parafoudres à décharge dans un gaz est que le gaz inerte vieillit et s'échappe lentement. L'invention a donc pour but de perfectionner un appareil de protection contre les surtensions comportant un varistor et un parafoudre de façon telle que le parafoudre puisse supporter même des courants plus forts {amplitude plus grande, charge plus grande et plus grande impulsion quadratique î2dt), en particulier, qutil puisse supporter des fractions appréciables du courant d'éclair résultant de la foudre qui tombe à proximite. En outre, l'invention vise à réaliser une construction ramassée, donc peu encombrante et à faible inductivité et aussi, économique. Il faut que la tension à l'appareil consommateur et au varistor soit toujours limitee a une valeur à peu près constante. Pour résoudre ce problème, l'invention propose tout d'abord un appareil caracterisé en ce que le parafoudre est un éclateur à air dont le point de décharge se trouve hors de ses électrodes et en ce qu'â cet éclateur est intégré physiquement un varistor. Tout en conservant le temps de réponse remarquablement court du varistor, l'appareil de protection contre les surtensions selon l'invention assure, grâce à éclateur à air, l'écoulement de courants même très forts comme ceux qui apparaissent lorsque tombe la foudre.Dans un éclateur à air, contrairement au parafoudre à décharge dans un gaz, le courant s'écoule à l'extérieur sous forme dlétincelle. Par suite, un éclateur à air peut conduire sans inconvénient le courant fort da à une foudre très rapprochée, par exemple dans un bâtiment, et éventuellement même conduire de nouveaux courants partiels de foudre à éclairs multiples, le varistor étant largement épargné par le courant, donc non surchargé. I1 ne se produit ni une destruction comme dans les parafoudres à gaz connus, ni encore un soudage de ltéclateur. Lorsqu'il apparat de légères surtensions et lorsque par suite les courants à conduire sont moins forts, le varistor entre seul en action comme premier étage de protection.En pareil cas, la chute de tension qui.s'y produit n'est pas assez forte pour causer un jaillissement dans éclateur à air. C'est seulement sous de plus fortes charges que éclateur entre en action en tant que deuxième étage de protection (protection du varistor contre la surcharge). Les eclateurs à air ont une courbe de choc pratiquement horizontale, puisque leurs tensions de réponse n'augmentent que legèrement à mesure que les temps de décharge deviennent plus courts. Par suite, il est possible de toujours bien protéger l'appareil consommateur et le varistor branché en parallèle à celui-ci, car dans la disposition selon l'invention, éclateur à air limite toujours la tension à l'appareil consommateur et au varistor à une valeur à peu près constante, autrement dit cette tension n'est que très légèrement ou pas du tout influencée par le temps.de de charge dans le cas d'espèce. I1 faut ajouter un autre avantage, à savoir qu'un éclateur à air peut être conçu sous la forme d'un éclateur à grande puissance, par exemple de 100 kA, 8/20, qui peut donc être chargé avec des courants de forte intensité. Ici 8/20 signifie une forme d'onde normalisée-ayant un temps de montée frontal de 8 pts et un temps de demi-valeur dorsal de 20 ases. Ainsi, l'appareil selon l'invention peut servir de façon générale, mais son domaine d'application préférentiel est le cas où il faut s'attendre à des coups de foudre directs. Ces appareils peuvent s'installer par exemple dans des batiments qui sont munis d'un paratonnerre, et dans lesquels des fractions notables des courants d'éclair peuvent passer par les installations à protéger. Grâce à l'intégration physique du varistor å l'éclateur à air, l'invention permet, en outre, une construction très ramassée et donc peu encombrante , et, en outre, économique. Les effets de temps de transit entre varistor et parafoudre sont réduits au minimum puisque les cablages entre cers éléments physiquement intégrés sont évités. Au contraire, les courants provoqués par la surtension peuvent passer? sans formation de boucles et essentiellement en ligne droite, travers le varistor et l'éclateur à air. Grâce à cela et aussi à la construction ramassée déjà mentionnée, on peut mécaniquement faire face même à des courants très forts comme ceux qui résultent de coups de foudre rapprochés.On signalera ici qu'en outre, il est connu de brancher en parallèle une résistance dépendant de la tension (varistor) et un parafoudre à résistance variable, ce dernier étant formé d'un éclateur et d'une résistance limitrice reliée électriquement en série à l'éclateur. On dispose dans un boîtier commun le varistor, l'éclateur et la résistance limitrice, habituel- lement on établit des connexions entre ces composants et on coule une résine synthétique pour noyer tout l'intérieur du boîtier. Il est vrai que la résine synthétique contribue à maîtriser les courants qui apparaissent. Cependant, cette disposition aussi a le défaut d'être très encombrante et coûteuse. En outre, la résine synthétique coulée empêche ou du moins retarde la dissipation de la chaleur engendrée par effet Joule, en particulier au varistor, en cas de surtension.Ces inconvénients aussi sont évités grâce à l'appareil selon l'invention. Selon un mode d'exécution préférentiel et particulièrement simple de l'invention, l'éclateur à air est sous la forme d'un éclateur à air et à disques. Un autre mode d'exécution préférentiel est caractérisé en ce que les deux éléctrodes de l'éclateur à air entourent le varistor et sont en liaison conductrice avec celui-ci, le trajet conducteur passant d'une part, -a peu près suivant l'axe longitudinal de l'appareil de protection contre les surtensions, à travers les électrodes de l'éclateur et à travers le varistor, et/ou, d'autre part, par les deux électrodes et leur point de décharge dans l'air. Avec cette disposition, les deux électrodes entourent le varistor à la façon d'un boîtier. Non seulement cela renforce l'avantage susdit qui est le faible encombrement, mais en outre, un autre avantage est que le trajet du courant est aussi direct et rectiligne que possible, sans formation de boucles ni dinductivités. On peut se passer complètement de connexions entre le varistor et le parafoudre. Le courant peut passer des électrodes au varistor par exemple grâce à des lames ou plaquettes de contact. Un autre mode d'exécution est caractérisé en ce que plusieurs dispositions comprenant chacune un éclateur à air et un varistor intégré sont physiquement superposés et électriquement en série, par exemple empilées dans un boîtier commun. Ainsi, en partant d'appareils de protection contre les surtensions conçus pour une tension déterminée, on peut, suivant un système par éléments normalisés, réaliser un appareil de protection convenant à une tension multipliée en conséquence. On conserve complètement l'avantage visé qui est un passage aussi linéaire que possible du courant sans formation de boucles et sans qui apparaisse de grandes inductivités. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention sont indiqués dans la description ci-après, portant sur des exemples d'exécution et se référant aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est un schéma électrique de principe la figure 2 est une vue en coupe essentiellement schématique d'un appareil de protection contre les surtensions selon l'invention la figure 3-montre, à plus petite échelle que la figure 2 et également sous forme essentiellement schématique, plusieurs appareils de protection contre les surtensions empilés l'un sur l'autre, et les figures 4 à 6 montrent différentes possibilités d'exécution de 1 'éclateur. La figure 1 montre le montage électrique en parallèle d'un varistor 1 et d'un éclateur à air 2. Les connexions-3 et 4 sont placées entre les conducteurs à protéger, par exemple entre le conducteur de phase et le neutre. Comme on l'a dit plus haut, le varistor 1 répond immédiatement et empêche l'apparition d'une surtension inadmissible. L'éclateur 2 n'entre en action quten cas de courants extrêmement forts comme ceux qui sont å prévoir en cas de coups de foudre proches et avec un certain retard d'amorçage et assume alors, pour protéger le varistor, à peu près tout l'écoulement du courant. On annexe des appareils de ce genre-, -par. exemple, aux bornes de transformateurs, de génératrices, de moteurs et de commutateurs, car dans ce cas des pointes de lension se produisent par suite~des manoeuvres de couplage. En outre, ils peuvent servir à protéger. des circuits ou appareils électriques contre les surtensions. Toutefois, le domaine d'application préférentiel de l'invention est d'assurer en toute sécurité l'écoulement de surtensions et de surintensités résultant d'éclairs Selon la figure 2, les deux électrodes 5, 6, qui présentent dans cet exemple une forme cylindrique creuse ou une forme en cuvette, entourent le varistor 1, cylindrique dans cet exemple. On a désigné par 7 l'isolation (par exemple en mica) entre les électrodes 5, 6, de sorte que leur point de décharge est formé en 8, hors des éléctrodes. Pour éviter des conducteurs ou des câblages,le passage du courant des électrodes 5, 6 ou varistor 1 a lieu par des plaquettes ou lamelles de contact 9 qui se trouvent entre les surfaces frontales intérieures des cavités intérieures cylindriques des électrodes et les surfaces frontales extérieures du varistor, et sont soumises à une pression correspondante. On voit que 1'on obtient ainsi les trajets conducteurs les plus courts, indiqués schématiquement en trait mixte sur la figure 2. Le trajet conducteur 10 passe par la première électrode 5, par le varistor I et la deuxième électrode 6, et se répartit à peu près sur toute l'aire de section de ceux-ci Dans la mesure où l'éclateur répond, les autres trajets conducteurs Il se répartissent sur les électrodes 5, 6 et les points de décharge dans l'air 8.On obtient ainsi, comme expliqué plus haut, un comportement dynamique avantageux sous courant fort. La structure ramassée et solidaire de l'appareil selon l'invention permet de façon simple l'empilage de plusieurs appareils semblables et donc, une multiplication correspondante de la tension de réponse ou de protection. A ce sujet, la figure 3 montre à titre exemple un boîtier 12 muni d'un couvercle 13 et des conducteurs d'entrée et de sortie 3, 4, et dans lequel sont superposés quatre appareils de protection contre les surtensions. A leurs surfaces adjacentes 14, ils sont reliés électriquement, donc en série, soit par le fait qu'ils s'appliquent directement l'un contre l'autre soit par des moyens separés non représentés. Ici encore, on obtient un passage pratiquement rectiligne du courant. Pour ménager la place nécessaire aux points de décharge 8, entre les électrodes cylindriques à peut près en forme de disque et la surface intérieure du boîtier également cylindrique 12 est prévu un interstice annulaire cylindrique correspondant 15. Des bras ou ailes de centrage 16 des électrodes assujettissent leur position centrée dans le boîtier 12. La structure des électrodes et en particulier la disposition ou l'emplacement du point de décharge peuvent être différents. Les électrodes peuvent être en cuvette, comme on l'a représenté, mais elles peuvent aussi être sous la forme de blocs ou de barreaux. En outre, on peut donner aux électrodes une forme de disque et disposer leurs points de décharge dans l'air conformément aux exemples des figures 4 à 6 dans lesquels tous les autres composants sont omis. A l'éclateur peut être relié en série un coupe-circuit comportant un ou deux fusibles. Par exemple, l'un des fusibles peut être une brasure en mou répondant lentement à de petits courants de défaut et l'autre un fusible obligatoire (non représenté) répondant immédiatement à des courants de défaut plusibrts. - R E V E N D I C A T I o N S 1. Appareil de protection contre les surtensions comportant un varistor et un parafoudre branché électriquement en parallèle à celle-ci, appareil caractérisé en ce que le parafoudre est un éclateur à air dont le point de décharge se trouve hors de ses électrodes et en ce qu'a cet éclateur est intégré physiquement un varistor. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'éclateur à air est sous la forme d'un éclateur à électrodes en disque. 3. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux électrodes de l'éclateur à air entourent le varistor et sont en liaison conductrice avec celui-ci, le trajet conducteur passant d'une part, à peu près suivant l'axe longitudinal de l'appareil de protection contre les surtensions, à travers les électrodes de l'éclateur et à travers le varistor, et/ou, d'autre part, par les deux électrodes et leur point de décharge dans l'air. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le varistor est disposé avec centrage à l'intérieur des électrodes et que la liaison conductrice est constituée par des plaquettes ou lames de contact prévues entre les électrodes et le varistor. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1, 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comporte des électrodes présentant une cavité intérieure cylindrique dans laquelle se trouve le varistor de forme cylindrique, et en ce que les plaquettes ou lames de contact sont prévues entre les surfaces frontales des cavités intérieures cylindriques des électrodes et sont soumises à une pression. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce quplusieurs dispositions comprenant chacune un éclateur à air et un varistor intégré sont physiquement superposées et électriquement en série. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les dispositions sont empilées danstun boîtier commun. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les dispositions sont espacées de la paroi intérieure du boîtier et centrées relativement à celui-ci. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'à l'éclateur est relié électriquement en série un coupe-circuit comportant un ou deux fusilles dont l'un est une brasure en mou répondant lentement a de petits courants de défaut et l'autre un fusible obligatoire répondant immédiatement à des courants de défaut plus forts.