Brevet FR2498023A1 — publié le 19820716

Dispositif de protection d'une ligne électrique contre des perturbations à front très raide La présente invention concerne un dispositif de protection d'une ligne électrique à basse tension contre des perturbations à front très raide, comprenant un coffret à plusieurs étages en série muni de composants limiteurs, et disposé en amont de la ligne à protéger. On a déjà proposé des dispositifs de ce genre, notamment pour la protection de lignes électriques à basse tension, d'énergie, de mesure ou de transmission, contre les effets électromagnétiques d'explosions nucléaires. Ils ne permettent cependant de protéger la ligne électrique que contre des impulsions d'une vitesse de montée en tension d'au plus 1kV/nanoseconde. Or, on peut concevoir que des explosions nucléaires de forte puissance puissent induire des perturbations d'une vitesse de montée de l'ordre d'une dizaine de kilovolts par nanoseconde ou plus. Les éclateurs de ces dispositifs risquent de ne pas amorcer quand ils sont soumis à des perturbations d'un temps de montée aussi bref, ou d'amorcer à des tensions très élevées, et ne jouent donc plus leur r8le de protection. La présente invention a donc pour but de procurer un dispositif qui assure une protection efficace de lignes à basse tension contre des perturbations d'une vitesse de montée de l'ordre d'une ou plusieurs dizaines de kilovolts par nanoseconde, correspondant à un niveau d'énergie de l'ordre de centaines de kilojoules et à des puissances permanentes de l'ordre de la centaine de Kw, avec des intervalles de temps très rapprochés, qui présente une impédance shunt élevée et ne laisse des perturbations résiduelles que de quelques centaines de volts. Le dispositif de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend en amont du coffret un conducteur électrique de longueur notable, entouré par un tube métallique clos à ses extrémités par des fenêtres isolantes, et séparé de celui-ci par un isolant solide ou gazeux. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéris- tiques suivantes: - Au moins certains étages du coffret, contenant des éclateurs, comportent deux enceintes concentriques, une enceinte externe en acier et -2 - une enceinte interne en un métal bon conducteur non magnétique, à l'intérieur de laquelle sont disposés le ou les éclateurs. - un plancher ou une barre en métal bon conducteur non magnétique forme terre pour l'ensemble des étages du coffret. - le coffret comprend au moins trois étages, un premier étage comportant un ou plusieurs éclateurs répartis symétriquement, un deuxième étage comportant un ou deux éclateurs en parallèle et un troisième étage comportant un seul éclateur ou une résistance variable croissant avec la tension appliquée (VDR). - les deuxième et troisième étage comportent chacun une bobine de self-induction en amont du ou des éclateurs. - les éclateurs d'un étage ont une tension d'amorçage plus basse que celle des éclateurs de l'étage précédent. - Il comprend en outre un quatrième étage comportant un thyristor de puissance commandé par un circuit relié à l'entrée du deuxième étage et lui amenant une impulsion de commande d'ouverture, ou bien comportant des diodes de puissance et un filtre. Il est décrit ci-après à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, deux dispositifs de protection de lignes d'énergie à basse tension contre des perturbations à front très raide, d'une vitesse de montée en tension d'environ 20kV/nanoseconde. La figure 1 représente un dispositif à quatre étages, pour la protection d'une phase d'une ligne d'énergie à basse tension dont le quatrième étage comporte un thyristor d'ouverture du circuit pendant le passage de la perturbation. La figure 2 représente un dispositif analogue à celui de la figure 1, mais dans lequel le quatrième étage ne comporte pas de moyens d'ouverture du circuit pendant le passage de la perturbation. La figure 3 représente la variation de la tension d'amorçage des éclateurs en fonction de leur position dans les étages du dispositif. Dans la figure 1, l'impulsion perturbatrice, ainsi que la tension normale de fonctionnement, parviennent dans une zone perturbée par une borne 1, à la borne d'entrée 2 du dispositif de protection de la phase en cause. On comprendra que les deux autres phases comportent des dispositifs de protection identiques, non représentés. -3 - L'impulsion perturbatrice de pente et de tension de crête pouvant atteindre 20kV/nanoseconde et 500 kV, se propage le long d'un conducteur de phase 3 qui est entouré par un tube métallique 4 celui-ci est obturé à ses deux extrémités par les fenêtres d'étanchéité isolantes 5 et 6 en alumine ou en verre. Le conducteur 3 est isolé du tube 4 par un isolant 7, qui peut être gazeux ou solide; l'isolant est gazeux (SF 6) lorsque la tension de la perturbation incidente atteint plusieurs centaines de kV; il est solide (par exemple polyéthylène ou alumine) pour des tensions crêtes inférieures à 200 kV. Un conduit 8 permet l'intro- duction de l'hexafluorure de soufre dans le tube 4. La longueur du conducteur 3 et du tube 4, qui constituent une ligne coaxiale, a une valeur 1 telle que le pente P0 de l'impulsion perturbatrice incidente descende à une valeur P1 à la sortie du conducteur C1. La pente P1 est aussi fonction de l'impédance de charge du circuit d'utilisation. Pour une pente Po de 20 kV/ns, la pente P1 tombe à 3 à 5 kV/ns pour une longueur de 2m. L'impulsion perturbatrice de pente P1, issue du conducteur 3, pénètre dans le premier étage 10 du coffret métallique 9, par une traversée isolante 10A. Des éclateurs 12A, 12B et 12C sont disposés en shunt d'une façon symétrique, entre le conducteur de phase et la terre, constituée par un plancher en grille de cuivre 13; ils sont enfermés dans un coffret en cuivre 11, lui-même disposé dans le compartiment en acier 10, de façon à blinder à la fois électriquement et magnétiquement les éclateurs. Le nombre de ces éclateurs est fonction de l'énergie de l'impulsion incidente, et pourrait être réduit si celle-ci était plus faible. Lorsque plusieurs éclateurs sont en parallèle, et soumis à une tension à front raide, l'un des éclateurs amorce le premier, un très court instant avant les autres. La tension de décharge de cet éclateur déclenche à son tour un deuxième éclateur et ainsi de suite. Le conducteur de phase passe ensuite par une traversée isolante 14 dans un second compartiment blindé 15. La pente de l'impulsion perturbatrice est réduite à l'entrée dans ce compartiment à environ 1 kV/lOns, et la tension de crête à 10 à 20 kV. Il s'y trouve disposé - 4 - une self- inductance 16, pouvant atteindre une valeur de 30 à 50 microhenrys puis, après une traversée isolante 17, un coffret 18 blindé comme le coffret 11, o se trouvent deux éclateurs 19A et 19B qui sont disposés en shunt et symétriquement entre le conducteur de phase et la terre. Dans les compartiments 10 et 15 sont disposés des absorbants H.F.20 qui ont pour objet d'amortir les cavités qu'ils constituent, et formés par exemple d'une matière plastique chargée de noir de carbone. Par une traversée isolante 21 on parvient ensuite à un troisième compartiment blindé 22. La pente de l'impulsion est réduite à l'entrée de celui-ci à environ lkV/lOOns et la tension de crête à 3 à 5kV. Il s'y trouve disposé une self-inductance 23 d'une valeur de 10 à 20 microhenrys, puis un éclateur 24 en shunt. Les éclateurs 12A, 12B, 12C, 19A, 19B et 24 sont des éclateurs du type à amorçage sous des fronts d'onde très rapides. Les éclateurs 19A, 19B amorcent de préférence pour une tension plus basse que 12A, 12B, 12C de même que l'éclateur 24 amorce de préférence pour une tension plus basse que 19A et 19B. Une traversée isolante 25 permet ensuite d'accéder à un quatrième compartiment blindé 26. La pente de l'impulsion est réduite à son entrée à environ 1kV/microseconde et la tension de crête à environ 1kV Il s'y trouve une self-inductance 27 de valeur inférieure à 10 microhenrys et un thyristor de puissance 28, qui est commandé par un circuit 29 relié à l'entrée du compartiment 15 par un câble coaxial 29A. Le thyristor 26 est normalement conducteur et il interrompt le circuit pendant le passage de la perturbation sous l'effet du signal transmis par le câble coaxial. Un condensateur 29B évite une chute brutale de la tension. Une traversée isolante 30 constitue enfin la borne de sortie du dispositif de protection. La pente de la perturbation y est réduite à environ 1kV/10 microsecondes et la tension de crête à 100-200v. La charge utile est représentée ici par une résistance 31 disposée entre la borne de sortie et la terre. Elle peut être enfermée dans un ouvrage blindé. L'impédance entre le conducteur de phase et le neutre peut présenter une valeur supérieure à 0,1 Mégohm. -5- Le dispositif de protection représenté en figure 2 est identique à celui de la figure 1 en ce qui concerne la ligne coaxiale d'entrée et les deux premiers étages à éclateurs, et ces parties ne seront pas décrites à nouveau. Dans le compartiment 22, l'éclateur est remplacé par une résistance variable sensible à la tension 24A, dont la résistance augmente lorsque la tension appliquée s'élève. Celle-ci joue le même r8le que l'éclateur 24, mais peut supporter une intensité plus élevée. Dans le compartiment 26, du fait que l'on ne désire pas interrompre le circuit à l'arrivée de la perturbation, le thyristor 28 est remplacé par des diodes Zener ou trans-Zorb en parallèle 26A, elles- mêmes en parallèle avec un filtre 32, à capacité 33 et self 34. La figure 3 représente la courbe 40 donnant les tensions d'amorçage V des étages successifs en fonction de leur position dans le dispositif des figures 1 ou 2, les droites 41, 42, 43, 44 correspondant à des pentes déterminées de la perturbation incidente. L'on obtient par exemple des tensions d'amorçage de 7kV, 2kV, 1200v et 1100 volts pour des pentes de 1kV/ns, 1kV/lOns, lkV/100ns et 1kV/microseconde. L'on peut donc déterminer en fonction de la pente de la perturbation incidente et de son affaiblissement dans les étages successifs, la tension pour laquelle les éclateurs amorceront. Bien que les dispositifs de protection qui viennent d'être décrits en référence aux figures 1 et 2 du dessin paraissent les formes de réalisation préférables de l'invention, on comprendra que diverses modifications peuvent leur être apportées sans sortir du cadre de l'invention, certaine de leurs organes pouvant être remplacés par d'autres qui joueraient un r8le technique analogue. En particulier, le nombre d'éclateurs par étage peut être modifié. La mise à la terre des coffrets peut être réalisée par une barre de cuivre s'étendant à travers ceux-ci. -6- REVENDICATIONS 1/ Dispositif de protection d'une ligne électrique à basse tension contre des perturbations à front très raide, comprenant un coffret (9) à plusieurs étages en série (10, 15, 22, 26) muni de composants limiteurs, et disposé en amont de la ligne à protéger, caractérisé en ce qu'il comprend en amont du coffret un conducteur électrique de longueur notable (3), entouré par un tube métallique (4) clos à ses extrémités par des fenêtres isolantes (5, 6) et séparé de celui-ci par un isolant solide ou gazeux (7). 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins certains étages du coffret contenant des éclateurs comportent deux enceintes concentriques, une enceinte externe (10, 15) en acier et une enceinte interne un métal bon conducteur non magnétique (11, 18), à l'intérieur de laquelle sont disposés le ou les éclateurs (12A, 12B, 12C, 19A, 19B). 3/ Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un plancher ou une barre en métal bon conducteur non magnétique (13) forme terre pour l'ensemble des étages du coffret. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le coffret comprend au moins trois étages, un premier étage (10) comportant un ou plusieurs éclateurs répartis symétriquement (12A, 12B, 12C), un deuxième étage (15) comportant un ou deux éclateurs en parallèle (19A, 19B) et un troisième étage comportant un seul éclateur (24, figure 1) ou une résistance variable croissant avec la tension appliquée (24A, figure 2). / Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deuxième et troisième étage comportent chacun une bobine de self- induction (16, 23) en amont du ou des éclateurs. 6/ Dispositif selon les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les éclateurs d'un étage ont une tension d'amorçage plus basse que celle des éclateurs de l'étage précédent. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un quatrième étage (26, figure 1) comportant un thyristor de puissance (28) commandé par un circuit (29, 29A) relié à l'entrée du deuxième étage et lui amenant une impulsion - 7 - de commande d'ouverture. 8/ Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un quatrième étage (26, figure 2) comportant des diodes de puissance (26A) et un filtre (32).