Brevet FR2485245A1 — publié le 19811224

La présente invention concerne l'emploi de varistances à l'oxyde de zinc dans les parafoudres utilisés dans les sousstations isolées au gaz. Les brevets des Etats-Unis NO 2.936.703, 3.767.973 et 3.842.318 divulguent l'utiliaation de parafoudres dans les sous-stations isolées au gaz, caractérisée en ce que les parafoudres sont entourés d'un gainage de protection métallique mis à la terre. Dans certaines sous-stations, l'enveloppe du parafoudre est mise en communication avec les canalisations de la sousstation de manière que le gaz isolant SF6 vienne au contact direct des varistances à l'oxyde de zinc à l'intérieur de l'enveloppe du parafoudre. L'emploi de varistances à l'oxyde de zinc dans un milieu ambiant non-oxydant tel que le gaz SF6 ou une huile minérale de transformateur, affecte défavorablement la stabilité thermique de ces varistances ainsi que le divulgue la spécification du brevet japonais NO 957.072 publié le 14 juin 1979. Le brevet japonais signale que des effets chimiques se produisant à la surface du pourtour de l'élément à l'oxyde de zinc lui enlèvent de l'oxygène, ce qui entraine une diminution de la résistance et se traduit par un accroissement correspondant du courant de la varistance vers la terre.Le brevet propose.l'addition d'une quantité de gaz contenant de I'oxygène et occupant de 10 à 30 % du volume de l'espace délimité par l'enveloppe du parafoudre. On a découvert depuis lors que les milieux isolants nonoxydants utilisés dans les parafoudres des sous-stations dif tussent rapidement à travers la bague poreuse en céramique appliquée sur le pourtour des varistances à l'oxyde de zinc pour éviter les arcs électriques. Les liquides et gaz isolants employés diffusent rapidement à travers le revêtement poreux en céramique et provoquent la réaction décrite dans le brevet japonais précité.Les disques de varistance munis de la bague isolante en céramique, ayant présenté une instabilité indiquée par des pertes de puissance élevées dans des conditions d'essai accéléré, ont été retirées de l'essai et traitées de la manière suivante - les bagues en céramique ont été enlevées avec précau tion et on a prélevé des couches d'cxyde de zinc de quelques microns du pourtour de chaque varistance. On a ensuite reconstitué une bague en appliquant une nouvelle couche de matériau céramique et soumis de nouveau les varistances à desessais de stabilité. la perte de puissance (en watts) constatée pour chaque disque a été aussi faible que pour les disques lors de l'essai initial mais a augmenté au bout de quelques centaines d'heures de manière si considérable qu'ils n'étaient plus utilisables comme varistances. La présente invention a pour objet un procédé et des moyens destinés à rendre les varistances à l'oxyde de zinc stables lorsqu'elles sont utilisées dans des atmosphères isolantes non-oxydantes. L'invention comprend une bague isolante non perméable sur le pourtour des disques de varistance à l'oxyde de zinc, destinée à protéger ce pourtour contre les pertes de stabilité qui se produisent lorsque les disques sont utilisés en atmosphère non-oxydante. Une réalisation comprend un matériau en verre "basse température contenant plusieurs oxydes, noam- ment de l'oxyde de cuivre et d'autres oxydes comme les oxydes de Pb, zn, B et Si. D'autres 'réalisations font appel à des revêtements organiques imperméables aux gaz à température relativement élevée. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement - Fig. 1, une vue de face, partiellement en coupe, d'un parafoudre compris dans une enceinte métallique isolée au gaz pour utilisation avec des varistances présentant la bague isolante imperméable au gaz de l'invention - Fig. 2, une vue de dessus en perspective d'une varistance pour utilisation dans le parafoudre représenté sur la figure 1 ; - Fig. 3, une représentation graphique de la perte de puissance (en watts) en fonction temps ; et - Fig. 4, une vue de coté en coupe de la varistance de la figure 2 représentée dans une atmosphère de SF6. La figure 1 représente un parafoudre 10 du type comprenant une enveloppe en porcelaine 11 enfermée dans une enceinte métallique 12 remplied'un gaz isolant tel que le SF6. Le pararoudre 10 contient plusieurs disques de varistance à l'oxyde de zinc 13 empilés sans intervalle de manière que chaque varistance individuelle soit électriquement en série avec les autres varistances de l'empilement. L'énergie électrique est amenée par une canalisation 14 passant dans un tube métallique 9 contenant aussi du SF6 gazeux. L'enveloppe en porcelaine 11 est d'ordinaire mise en communication avec l'enceinte métallique 12 de manière que le SF6 gazeux soit en équilibre à l'intérieur de llenvelopne en porcelaine il et de 1 'enceintemé- tallique 12. La varistance 13 représentée sur la figure 2 comprend un disque en oxyde de zinc 8 revêtu sur les deux faces opposées d'une électrode métallique 14 et fretté d'une bague 15 en matériau imperméable aux gaz. Comme matériau disposant des propriétés requises d'imperméabilité aux gaz, -citons une composition de verre à bas point de fusion tel que celui qui est dé cris dans le brevet des Etats-Unis NO 3.959.543. Parfiles autres matériaux possibles imperméables aux gaz, on trouve des polymères organiques tels que le "Glyptal" qui est une marque de fabrique de la General Electric Company pour une résine alkyde synthétique préparée à partir de polyol et d'anhydride phtalique, ainsi qu'un-vernis de revêtement des conducteurs, au polyamide.imide (P.A.I.), tel que decrit dans les brevets des Etats-Unis NO 3.661.852 et 3.862.092. La stabilité du disque deuaristance à l'oxyde de zinc est définie dans le présent brevet comme le taux de variation des pertes de puissance de la varistance (en watts) en fonction du temps lorsqu'une tension de varistance spécifiée est appliquée à ses bornes. Pour accélérer la perte de puissance en watts dans le temps, les varistances sont géné-lement testés autour de 1150C, étant donné que la- stabilité des disques décroît ra pidement quand la température augmente. En conséquence, un disque stable présentera une perte de puissance en watts de valeur sensiblement égale à celle de sa perte de puissance (en watts) initiale après plusieurs-centain-es d'heures d'utilisation à la température de 115 C. La figure 3 montre la relation qui existe entre la puis sance (en watts) perdue et le temps pour un certain nombre de disques à l'oxyde de zinc ayant deux bagues isolantes différentes et soumis à deux atmosphères différentes. Les varistance ces dotées de bagues en céramique et testés sous atmosphère de SF6 sont représentés en A. Aux fins de comparaison, un même nombre de disques à 1'oxyde de zinc munis de bagues en cérami- que et soumis à l'atmosphère normale sont représentés en B. La grande différence de stabilité que l'on peut voir entre varis tances munies de bagues en céramique semblables met clairement en évidence les effets néfastes de l'atmosphère de SF6 sur la stabilité des varistances. Les varistances réalisées suivant l'invention et munies d'une bague en verre imperméable aux gaz sont représentés en C comme ayant une très bonne sta bilité. Les varistances réalisées suivant les indications du brevet japonais précité, caractérisées en ce que 10 à 30 % du volume de l'espace de retenue dugaz est rempli d'un gaz contenant de l'oxygène, doivent aussi être stables. L'utilisation d'un gaz à teneur d'oxygène à l'intérieur d'une sous-station isolée au SF6 gazeux n'est pas une solution entièrement réalisable étant donné que l'oxygène peut perturber les propriétés d'isolement du gaz isolant. L'utilisation d'autres gaz non-oxydants tels que l'argon et l'azote se traduit par l'instabilité des varistances à l'oxyde de zinc dotées de bagues en céramique au bout de quelques heures de fonctionnement. On a également déterminé que les varistances à bague en céramique deviennent instables lorsqu'on utilise de l'huile minérale et des fluides aux silicones.Les varistances avec bague en céramique placées dans une huile minérale ont présenté des accroissements de perte de puissance semblables à celles montrées en A avec le SF6 gazeux.- > es varistances ayant une bague enP.A.I. (polyamide~imide) doivent aussi, lorsqu'elles sont testées dans l'huile minérale ou le SF6, montrer un accroissement de perte de puissance (en watts) semblable à celui du verre dans le SF6, représenté en C, par suite des propriétés d'imperméabilité du matériau au P.A.I. La figure 4 est une vue en coupe agrandie d'une Varistan- ce à l'oxyde de zinc 13 placée dans une atmosphère de SF6 caractérisée en ce qu'un trajet d'arc 18 est représenté à travers la bague 15 entre les électrodes supérieure et inferieure 14. Dans certaines applications, où le matériel électrique est conçu pour être isole et refroidi, un hydrocarbure halogéné, tel qu'un hydrocarbure chloré ou fluoré, est utilisé pour satisfaire à la fois les conditions de refroidissement et d'isolement. On postule que les varistances à l'oxyde de zinc dotées de bagues isolantes en céramique e;L immergées dans un tel milieu se comportent de manière semblable à celle décrite en A dans la figure 3 pour une atmosphère de SF6. La raison exacte de l'instabilité qui se produit avec l'huile minérale et d'autres fluides et gaz non-oxydants n'est pas encore bien comprise. L'addition de 10 % à 30 % en volume d'un gaz contenant de l'oxygène n'est pas réalisable avec l'huile ni avec les hydrocarbures chlorés ou fluorés qui sont d'ordinaire des liquides, étant donné que des poches de gaz pourraient se former et endommager le matériel électrique isolé. On a -constaté que les varistances munies d'une bague isolante en verre imperméable aux gaz, tels que décrits en C dans la figure 3, présentent une très bonne stabilité lorsqu'elles sont soumises à des essais accélérés de stabilité dans un mi- lieu d'huile minérale ou sous atmosphère de SF6, N2 ou d'argon. On estime que ces varistances seraient également stables sous atmosphère d'hydrocarbures chlorés ou fluorés. Comme décrit plus haut, la raison pour laquelle les disques de varistance à l'oxyde de zinc deviennent instables quand ils sont utilisés dans un milieu non-oxydant n'est pas bien comprise. Cependant, on a déterminé que l'instabilité se produit au voisinage du périmètre du disque recouvert par la bague 15 lorsque cette bague n'est pas imperméable aux gaz. Des disques ayant présenté une instabilité lors des essais sous SF6, comme représenté en A dans la figure 3, ont été retirés de l'essai et leur bague en céramique a été-enlevée laissant voir le pourtour du disque à l'oxyde de zinc, d'une manière semblable à celle déjà décrite. Une couche de î'oxydede zinc de quelques microns aété enlevée sur le pourtour des disques par décapage au sable puis les disques ont été à nouveau frettés d'une bague constituée d'une nouvelle couche d'isolant en céramique. Au cours de nouveaux essais sous SF6, les disques ont reproduit sensiblement la même courbe que celle décrite'en A dans la figure 3 qui représente l'accroissement de la perte de puissance (en watts) en fonction du temps sous atmosphère de SF6.Théoriquement, il se pourrait que le fonctionnement des varistances en oxyde de zinc dans une atmosphère non-oxydante, provoque la réduction à un état d'oxydation moindre d'une partie du matériau d'addition à l'oxyde de zinc au voisinage du pourtour des disques et, de ce fait, les rende plus conducteurs. On n'est pas en mesure, à l'heure actuelle, de déterminer le mécanisme exact grâce auquel le revêtement isolant propose empêche le pourtour à l'oxyde de zinc de réagir avec les atmosphères non-oxydantes. Une explication possible serait le transport d'ions oxygène en provenance du revêtement isolant vers le bord du disque, afin de reconstituer l'oxyde de zinc ou d'autres additifs d'oxydes métalliques sur le bord devenant instable du fait de l'épuisement en atomes d'oxygène de sa surface pendant le fonctionnement de la varistance dans une atmosphère non-oxydante. Ceci est conforme aux explications données dans la spécification du brevet japonais, selon lesquelles l'addition d'une quantité significative d'oxygène ou d'un gaz contenant de l'oxygène à des diélectriques gazeux non-oxydants tels quelle SF6 améliore la stabilité des varistances en oxyde de zinc. Une autre explication proposée pour le phénomène d'instabilité dont les varistances à l'oxyde de zinc font l'objet quand on les utilise dans une atmosphère non-oxydante, serait la réaction chimique qui peut se produire entre l'atmosphère et la surface d'oxyde de zinc. Une réaction chimique provoquerait la réduction partielle de la partie externe du matériau à l'oxyde de zinc à un état plus conducteur. L'état de plus grande conduction accroit les pertes de puissance (en watts) de la varistance et accélère le processus d'instabilité par le mécanisme de dérive thermique. L'application d'un matériau isolant organique qui soit stable à haute température et im- perméable aux gaz empêche l'interaction entre le matériau à oxyde de zinc et l'atmosphère non-oxydante. Des revêtements préparés à partir de vernis au P.A.I. (polyamide.imide) pour fils conducteurs, tels que ceux décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique précités NO 3.661.852 -et 3.862.092., devraient aussi se traduire par une bonne stabilité des disques de varistances à l'oxyde de zinc lorsqu'ils sont utilisés dans des atmosphères non-oxydantes. Cependant, les vernis organiques de revêtement de conducteurs, stables à haute température, ne sont pas connus comme fournissant des ions oxygène comme cela se produit avec des verres à teneur en oxydes. La composition des vernis organiques de revêtement des conducteurs semblerait ne fournir qu'une barrière entre l'atmosphère non- oxydante et le matériau à l'oxyde de zinc.D'autres matériaux organiques tels que. les composés époxydes et silicones haute température se sont avérés inefficaces pour améliorer la sta bilité des varistances à l'oxyde de zinc quand on les a utilisés pour réaliser des bagues isolantes et testés sous atmosphère res non-oxydantes. Le matériau époxyde a même été à l'origine de problèmes d"instabilité des -varistances quand on l'a utilisé comme bague isolante sous atmosphère oxydante. Bien que les varistances de 1 invention, munies de.bagues imperméables aux gaz, soient décrites de manière spécifique pour utilisation dans des parafoudres de sous-stations, ceci n'est fait qu'à titre d'exemple seulement. Les varistances de l'invention trouvent leur application partout où des milieux non-oxydants peuvent être utilisés. REVENDICATIONS 1 - Varistance à l'oxyde de zinc pour utilisation dans des atmosphères non-oxydantes caractérisée en ce qu'elle com prend - un disque fritté (8) à base de plusieurs oxydes métal iiques et comprenant essentiellement de l'oxyde de zinc - une couche métallique (14) servant d'électrode sur chacune des faces opposées du disque a l'oxyde de zinc ; et - une bague isolante (15) imperméable aux gaz disposée sur le pourtour du disque à l'oxyde de zinc, cette bague étant constituée d'un polymère organique ou de verre contenant des oxydes. 2 - Varistance selon la revendication 1 caractérisée en ce que le polymère organique est choisi dans le groupe constitué de résines alkydes et de-polyamide-imides. 3 - Varistance selon la revendication 1 caractérisée en ce que le verre comprend des oxydes de Pb, Zn, Si et Cu. 4. - Parafoudre comprenant une enveloppe (11) réalisée en substance isolante, et dans cette enveloppe, plusieurs varistances selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, une certaine quantité de substance non-oxydante a 1'intérieur de l'enveloppe pour l'isolement électrique des varistances. 5 - Parafoudre selon la revendication 4, caractérisé en ce que la substance non-oxydante est choisie dans un groupe comprenant SF6fet N2. 6 - Parafoudre selon la revendication 4, caractérisé en ce que la substance non-oxydante est choisie dans le groupe comprenant des huiles minérales, des fluides aux silicones et des hydrocarbures halogénés. 7 - Parafoudre selon l'une quelconquè des revendications 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que l'enveloppe est en porcelaine.