Brevet FR2487109A1 — publié le 19820122

Domaine technique. L'invention concerne des perfectionnements aux di- viseurs de tension capacitifs moyenne tension comprenant un condensateur dont les armatures sont moulées dans une matière isolante et évitant les saillies à faible rayon de courbure dirigées l'une vers l'autre. Problème posé. Il s'agit de prévoir des appareils dans les réseaux électriques moyenne tension, pour détecter la valeur ou la présence de tension sur des parties d'appareils, de lignes ou de ca^bles. La présence de courant peut être simplement constatée (voyant de signalisation) ou peut actionner un relais de télécomonde ou de protection des installations électriques. Etat de la technique antérieure et inconvénients. On utilise, à cet effet, des diviseurs de tension à condensateur moyenne tension d'une capacité de quelques dizaines de picofarads branches entre l'une des phases du réseau moyenne tension et la terre et placés en série avec une impédance basse tension combinant résistances, capacité, ampoules lumineuses, enroulement de relais ou de transformateurs, etc... Le condensateur moyenne tension lui-meme est souvent constitué par une pastille de céramique à très haut pouvoir inducteur spécifique, moulée à l'intérieur d'une masse de résine isolante thermodurcissable constituant, par ailleurs, un autre élément de l'appareillage électrique, par exemple un Isolateur support, un transformateur de courant, un Isolateur de traversée etc... Cette disposition actuelle de l'état de la 2 2487109 technique est représentée schématiquement à la figure 1 des dessins Joints dans lesquels le repère 1 désigne une barre sous une tension de 20 kV par rapport à la masse 2 qui est supportée par un isolateur support dans lequel se trouve un condensateur 3 de très haute capacité capable de résister à une tension peu différente de 20 kV, ainsi qu'une résistance 4 en parallèle avec un voyant 5; de meme un autre exemple d'Isolateur support comprend un conden- sateur 6, similaire au condensateur 3, en série avec un enroulement 7 d'un relais ou d'un transformateur. La figure 2 représente une première version d'un condensateur moyenne tension, tel que 3 ou 6, constitué par une pastille de céramique 8, à très haut pouvoir induc- teur spécifique, moulée à l'intérieur d'une masse de résine 9 isolante et thermodurcissable qui constitue l'élément mécanique de l'appareillage électrique considéré, à savoir support, transformateur de courant, isolateur de traversée, etc... La pastille 8 est comprise entre deux éléments insérés et 11 coulés dans la résine 9, en métal et comportant des filetages 12, 13 qui servent non seulement de supports mais aussi de bornes et d'armatures du condensateur ainsi réalisé. A la figure 3, on a représenté une autre réalisa- tion qui consiste à remplacer la pastille de céramique 8 par deux électrodes 14, 15 cylindriques découpées dans des feuilles ou du grillage métalliques et qui sont mainte- nues à une distance convenable l'une de l'autre pendant le moulage de la masse de résine 16. L'électrode 14 est reliée à l'élément inséré 10 avec son filetage 12 tandis que l'électrode 15 est reliée à l'élément inséré 11 avec son filetage 13. Les deux réalisations des figures 2 et 3 présente] les inconvénients de développer des contraintes électriques très élevées dans certaines régions de la masse moulée ainsi que des contraintes mécaniques importantes du fait des coefficients de dilatation différents des éléments constitutifs. Dans le cas de la réalisation de la figure 3, on a remédié aux contraintes diélectriques élevées à l'aide d'anneaux -de garde 17 et 18 dont la courbure est calculée de façon classique pour obtenir des contraintes acceptables dans les zones soumises aux effets de pointes. Toutefois, on se heurte toujours à des difficultés de mise en oeuvre notamment pour maintenir la bonne position relative des deux électrodes 14 et 15 pour qu'elles soient parfaite- ment concentriques. Comme cela est difficile à réaliser, le diviseur capacitif ainsi fabriqué demeure peu fiable. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en apportant une solution économique à la fabrication des diviseurs capacitifs qui sont beaucoup plus fiables, moins encombrants et adaptés à la fabrication en grande quantité. Exposé de l'invention. Le diviseur capacitif de l'invention est carac- térisé principalement par la combinaison a) d'une première armature constituée par au moins un disque épais généralement plan, à bords arrondis de rayon de cour- bure supérieur en tous points à la valeur susceptible d'amener une surcharge diélectrique dangereuse de l'isolant et qui est fonction du gradient électrique admissible dans celui-ci, ladite première armature étant supportée par une tige coaxiale cylindrique conductrice reliée à une borne correspondante à la première armature, éventuellement par au moins une deuxième tige reliée par vissage à la première; b) d'une masse de matière diélectrique solide moulée autour de ladite première armature et de la naissance de la tige support à partir du disque, la paroi externe de ce diélectrique étant en tous points à une distance à peu près constante de cette première armature et de sa tige, saut au niveau de la partie médiane de la tige support o cette masse forme un col avec des ombelles arrondies entourant ladite tige et un rentrant le long de la tige, la section comprenant l'axe de la tige d'arrondi raccordant la masse de diélectrique avec la première ombelle ayant un rayon de courbure supérieur à celui susceptible d'amener une surcharge diélectrique dangereuse de l'isolant; c) d'une deuxième armature constituée par une couche conduc- trice recouvrant la surface externe de la masse de la matière diélectrique, à l'exception du col comportant les ombelles, et s'arrêtant après une première gorge, au début de la zone convexe de la première ombelle, constituant ainsi un déflecteur de champs électrique, ladite deuxième armature étant connectée à un fil conductueur relié à une deuxième borne correspondant à la deuxième armature; d) d'une masse isolante extérieure solide en résine synthé- tique ou élastomère recouvrant par surmoulage la masse de matière diélectrique et la deuxième armature et laissant apparaître extérieurement - les deux bornes d'armature, dont l'une, axiale sert de support avec filetage, - ainsi qu'un support axial avec filetage noyé dans la masse isolante, cette masse isolante faisant partie d'une pièce d'appareil- lage électrique telle qu'un isolateur support, un trans- formateur de courant ou de tension ou tout autre appareil. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront au cours de la description ci-après qui en donne quelques exemples non limitatifs de réalisation Pratique et qui sont illustrés par les dessins joints. BriYe description des figures. Dans ces dessins: - Les figures 1, 2 et 3 ont déjà servi ci-dessus à expliquer l'état de la technique, à savoir: La figure 1 est une vue schématique montrant la disposition de diviseurs capacitifs entre une ligne sous tension et la masse. La figure 2 est une coupe verticale axiale d'un premier exemple de diviseur capacitif avec pastille de céramique en tant que diélectrique. La figure 3 est une coupe verticale axiale d'un deuxième exemple de diviseur capacitif existant avec des armatures cylindriques. Les figures 4 et 5 représentent deux premières formes de réalisation de diviseur capacitif suivant l'in- vention en coupe verticale axiale. La figure 6 représente en coupe verticale axiale une troisième forme de diviseur capacitif de l'invention dont l'armature extérieure est réalisée en tôle emboutie. La figure 7 est une vue en plan de l'armature extérieure du diviseur capacitif représenté à la figure 6.- La figure 8 est une vue en coupe verticale 6 2487109 axiale d'une quatrième forme de réalisation du diviseur capacitif de l'invention constitué de trois éléments similaires à ceux qui sont représentés dans l'une ou l'autre des réa- lisations représentées aux figures 4 à 6. Les figures 9 à 14 représentent, en coupe diamé- trale et suivant l'axe de la tige, différentes formes de réalisation de la première armature en forme de disque. Description de quelques modes de réalisation. En se reportant à la figure 4, le diviseur capacitIf est composé d'une première armature 19, supportée Par une tige coaxiale 20, d'une masse de matière diélectrique solide 21, moulée autour de l'armature 19 et de la tige , d'une deuxième armature 22 et d'une masse isolante extérieure 25. L'armature 19 est constituée par un disque épais généralement plan, à bords arrondis tandis que l'armature 22 entoure l'armature 19 de façon à constituer un espace rempli par la masse de matière diélectrique 21 moulée au- tour de l'armature 19 et de la naissance de la tige 20 support. La paroi externe de la masse de matière diélectrique 21 est en tous points à une distance à peu près constante de l'armature 19 et de sa tige 20. Par conséquent, l'arma- ture 22 s'arrête en 24 o elle forme un col arrondi suivant un rayon de courbure maintenant le gradient électrique à l'intérieur de la masse 21 à un niveau admissible. Comme au niveau 24, à l'extrémité du col, l'armature 22 forme une arête vive, on s'arrange pour que cette arête soit dirigée vers l'extérieur sous une première ombelle 25 cons- tituée à l'aide de la masse de matière diélectrique 21. On prévoit aussi une deuxième ombelle 26 après laquelle 7 - 2487109 la masse de matière diélectrique 21 constitue un rentrant 27 au fond duquel se trouve noyé un écrou 28 vissé sur le haut de la tige coaxiale 20 et dans lequel se visse une autre tige coaxiale 29. La tige 29 est solidaire d'une pièce insérée 30, située dans l'axe du diviseur capacitif, et comportant un filetage 31. La pièce 30 constitue l'une des bornes extérieures, celle relative à l'armature 19. L'armature 22 est reliée à la borne extérieure 32, sur le coté du diviseur, par un fil conducteur 33 qui s'enroule autour du col 24 en serrant convenablement la deuxième armature 22 à cet endroit pour assurer le contact approprié. Une deuxième pièce insérée 34, avec un filetage , est moulée dans la masse isolante extérieure 23 de façon à être coaxiale aux tiges 20 et 29 ainsi qu'avec l'autre pièce Insérée 30. La pièce insérée 34 est complè- tement isolée des autres éléments du diviseur capacitif et elle est aussi complètement isolée de la masse, c'est-à-diz de la borne extérieure 32 du fil 33 et de l'armature 22. En fait, le diviseur capacitif a une forme de révolution comme tous les éléments qui le constituent. En particulier, la première armature 19 a la forme d'un disque circulaire; les tiges 20 et 29 sont cylindriques tout comme les pièces insérées 30 et 34; l'armature 22 a une forme aplatie ronde tout comme les ombelles 25 et 26. Les masses isolantes 21 et 23 sont, de pré- férence, en résine époxy et le disque ou armature 19 ainsi que les tiges 20 et 29 tout comme l'écrou 28 et les pièces insérées 30 et 34 sont en aluminium ou un alliage à base de ce métal car l'aluminium et la résine époxy ont des coefficients de dilatation proches l'un de l'autre si bien 8 2487109 que les contraintes mécaniques sont réduites en cas-de variations de température en particulier lors du moulage. Il y a plusieurs manières de réaliser la deu- xième armature 22. Une première manière, représentée à la figure 4, consiste à appliquer sur l'extérieur de la masse de matière diélectrique 21 une couche conductrice par dépot de métal ou de peinture conductrice, à base de carbone, par exemple. Cette application peut se faire au pistolet, par trempage ou autre. On peut aussi réaliser une métalli- sation sous vide ou encore une électrophorèse de métal, ou tout autre moyen similaire. Une deuxième façon de réaliser l'armature exté- rieure 22 est illustrée à la figure 5 o l'on surmoule autour de la masse de matière diélectrique 21 une couche relativement épaisse de matière semi-conductrice 36 dans laquelle est noyé le fil conducteur 57 relié à la borne 38. 3(figure 6) Une troisième manière 'de réaliser l'armature 22 consiste à prévoir deux coupelles de métal 39 et 40 de meme diamètre que l'on assemble par leur bord extérieur 41 par soudure, rivetage ou autre, lesdites coupelles 39 et 40 constituant une boite enfermant la première armature 19 et la masse de matière diélectrique 21. Pour faciliter la pénétration de celle-ci, outre le col 42 réalisé dans la coupelle 39 autour de la tige 20 avec des formes simi- laires à celles du col 24, on prévoit des ouvertures médianes 43 qui sont poinçonnées avec leurs bords 76 rabattus vers l'extérieur avec un rayon suffisant qui tourne sa convexité vers l'armature 19 toujours de façon à éviter toutes sur- charges diélectriques dangereuses dans l'isolant 21. Dans cette forme de réalisation, on est obligé, pendant le moulage, de maintenir l'ensemble des coupelles 39 et 40 par des griffes ou au moins un support axial 44 similaire à la pièce insérée 34. Le support 44 maintient convenablement la deuxième armature par rapport à la première armature 19 lors de la coulée de la matière isolante diélectrique qui est la meme entre les deux armatures 19 et 39-40 qu'à l'extérieur de cette dernière armature. On prévoit de relier les coupelles 39, 40 à la borne extérieure (non représentée) par un fil conducteur 45. La figure 8 représente une autre forme de réa- lisation dans laquelle on a voulu augmenter la capacité de l'appareil en augmentant la surface des armatures. Cette augmentation de surface est réalisée en prévoyant une pre- mière armature constituée de plusieurs disques 46, 47, 48 régulièrement espacés sur une mêime tige 49, et une deu- xième armature 50 conformée à la distance voulue de la première armature 46 à 49 par une masse de matière diélec- trique 51 se prolongeant par des ombelles 52, 53, -le tout étant surmoulé par une masse isolante 54 dans laquelle sont noyées les pièces insérées 55 et 56 ainsi qu'une borne 57. La pièce insérée 55 est reliée à la tige 49 par une tige 58 et un écrou 59 tandis que la borne 57 est reliée à l'armature 50 par un fil conducteur 60. La pièce insérée 56 est totalement isolée des autres éléments de l'appareil par la masse isolante 54. Les techniques de fabrication des appareils représentés aux figures 4 à 8 sont bien connues. Elles appartiennent, en ce qui concerne les coupelles 39 et 40, à la technique de l'emboutissage ou du formage. Les autres pièces constitutives sont réalisées par des techniques habituelles de moulage de matières plastiques ou de la fonderie en général. Le bon résultat que l'on obtient du diviseur constitué suivant l'invention dépend, en parti- culier, du maintien en bonne position relative des deux armatures du diviseur capacitif. Il faut, notamment, que les distances entre les armatures 19 et 22 (ou 36 et 39-40 ou 50) soient rigoureusement constantes. En général, toutes les pièces de l'appareil sont de révolution et en particulier, les deux armatures, ce qui facilite le maintien à bonne distance des deux arma- tures. Les techniques de fabrication de la première armature 19 sont très variées et vont maintenant être expli- quées ainsi qu'illustrées par les figures 9 à 14. La façon la plus simple (figure 9) consiste à prévoir un disque plein en aluminium dans lequel se rive ou se visse l'extrémité de la tige 20. La figure 10 a représenté la coupe d'un dis- que 191 en élastomère semi-conducteur emmanché sur la tige 20. Le disque 191 est renforcé à l'endroit du contact avec la tige 20, par une rondelle 61 sur laquelle s'appuie un épaulement de la tige 20. De l'autre côté du disque, on prévoit un évidement 62 pour loger la tête 63 d'un rivet constitué à l'extrémité de la tige 20. A la figure 11, on a représenté deux coupelles identiques 64 et 65 en métal embouti avec bords extérieurs 66 et 67 rabattus vers l'intérieur et dirigés l'un vers 301'autre de façon à ce qu'ils soient en contact l'un de l'autre. L'extrémité de la tire 20 comporte une partie de diamètre plus petit 68 qui forme un épaulement 69 sur lequel reposent les bords d'un trou central de la coupelle 64. Un trou similaire est prévu dans la coupelle 65 sur les bords duquel s'appuie un rivet 70 constitué dans l'extré- mité de la partie 68. La figure 12 représente-une configuration simi- laire avec deux coupelles 641 et 651 s'appuyant respectivemen sur un épaulement 691 et un rivet 701 avec leurs bords 671 et 661 tournés l'un vers l'autre mais les rebords sont Ici écartés l'un de l'autre par un anneau ou jonc 71 en élastomère semi-conducteur à profil circulaire bien lisse, faisant saillie sur la périphérie. La figure 13 représente une autre configuration apparentée à celle de la figure 12 avec la seule différence que les bords 662 et 672 sont parallèles à l'axe de la tige 20 et s'encastrent dans un anneau ou jonc 72 en élas- tomère semi-conducteur qui a un profil extérieur circulaire bien lisse faisant saillie sur la périphérie. La figure 14 représente un disque 73 en matière moulée isolante qui est bien fixé à l'extrémité de la tige comportant une tête 74. Le disque 73 en matière moulée isolante est métallisé extérieurement par une couche conduc- trIce que l'on a repéré par 75, ladite couche étant convena- blement mise en contact électrique avec la tige axiale 20. On a constaté dans la pratique que la réalisa- tion de l'invention permettait une fabrication en série de l'appareillage avec une grande constance de la qualité et des performances. L'appareil constitué de cette façon est très fiable car les contraintes électriques et mécaniques sont réduites. Les surfaces arrondies évitent la formation de fissures et améliorent la répartition du champs électrique. On peut d'ailleurs choisir les rayons de courbure des arma- tures ou électrodes à volonté. La forme du diviseur de l'invention donne la maximum de capacité pour le minimum d'encombrement. Tout cela offre un certain nombre d'avantages qui évitent les inconvénients qui ont été indiqués au début du présent mémoire. 2 2487109 REVENDICATIONS 1. Perfectionnements aux diviseurs de tension capacitifs moyenne tension comprenant un condensateur dont les armatures sont moulées dans une matière isolante et évitant les saillies à faible rayon de courbure dirigées l'une vers l'autre, c a r a c t e r i s é s par la combi- naison a) d'une première armature (19) constituée par au moins un disque épais généralement plan, à bords arrondis de rayon de courbure supérieur en tous points à la valeur susceptible d'amener une surcharge diélectrique dangereuse de l'isolant et qui est fonction du gradient électrique admissible dans celui-ci, ladite première armature (19) étant supportée par une tige coaxiale (20) cylindrique conductrice reliée à une borne correspondante à la première armature (19), éventuellement par au moins une deuxième tige (29) reliée par vissage à la première; b) d'une masse de matière diélectrique solide (21) moulée autour de ladite première armature (19) et de la naissance de la tige support à partir du disque, la paroi externe de ce diélectrique étant en tous points à une distance à peu près constante de cette première armature et de sa tige,. sauf au niveau de la partie médiane de la tige support o cette masse forme un col (24) avec des ombelles (25, 26) arrondies entourant ladite tige et un rentrant (27) le long de la tige, la section comprenant l'axe de la tige d'arrondi raccordant la masse de diélectrique (21) avec la première ombelle (25) ayant un rayon de courbure supérieur à celui susceptible d'amener une surcharge diélectrique dangereuse de l'isolant; c) d'une deuxième armature (22) constituée par une couche conductrice recouvrant la surface externe de la masse de la matière diélectrique (21), à l'exception du col (24) comportant les ombelles (25, 26). et s'arrêtant après une premire gorge, au début de la zone convexe de la première ombelle (25), constituant ainsi un déflecteur de champs électrique, ladite deuxième armature (22) étant connectée à un fil conducteur (33) relié à une deuxième borne (32) correspondant à la deuxième armature (22); d) éventuellement d'une masse isolante extérieure (23) solide en résine synthétique ou élastomère recouvrant par surmoulage la masse de matière diélectrique (21) et la deuxième armature (22) et laissant apparaître extérieurement: - les deux bornes d'armature, dont l'une, axiale, sert de support avec filetage, ainsi qu'un support axial avec filetage noyé dans la masse isolante, cette masse isolante faisant partie d'une pièce d'appa- reillage électrique tel qu'un isolateur support, un trans- formateur de courant ou de tension ou tout autre appareil. 2. Diviseur de tension capacitif, tel que défini dans la revendication 1, c a r a c t é r i s é par le fait que la couche conductrice constituant la deuxième armature est réalisée par dépôt extérieur de métal ou de peinture conductrice par projection au pistolet, métallisation sous vide, électrophorèse, ou tout autre moyen similaire. 3. Diviseur capacitif, tel que défini dans la revendication 1, c a r a c t é r i s é par le fait que la couche conductrice est réalisée par un surmoulage de matière semi-conductrice autour de la masse de matière diélectrique. 4. Diviseur capacitif, tel que défini dans la revendication 1, c a r a c t é r i s é par le fait que la deuxième armature (22) est réalisée par deux coupelles de métal (59, 40) de même diamètre assemblées par leurs bords extérieurs par soudure, rivetage ou autre. lesdites coupelles comportant des ouvertures médianes, pour laisser le passage à la matière isolante moulée, et centrales pour laisser le passage au support (20) de première armature o (19), lesdites ouvertures étant poinçonnées avec leurs bords rabattus vers l'extérieur avec un rayon suffisant tournant sa convexité vers la première armature (19) et sa tige (20) de façon à éviter toute surcharge diélectirique dangereuse de l'isolant, ladite deuxième armature (22) comportant au moins un support dont l'un est axial, avec filetage, restant visible de l'extérieur et servant à maintenir l'armature, lors du moulage de l'ensemble avec une matière isolante recouvrant l'extérieur et pénétrant à l'intérieur de la deuxième arma- ture (22) par les ouvertures des coupelles (59, 40), Jusqu'à la première armature (19) pour noyer l'ensemble mais maintenl en bonne position relative les deux armatures. 5. Diviseur capacitif, tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes, c a r a c t é r i s é par le fait qu'on prévoit une première armature constituée de plusieurs disques (46, 47, 48) régu- lièrement espacés sur une meme tige (49) et une deuxième armature (50) conformée à la distance voulue de la première armature. 6. Diviseur capacitif tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes. c a 16 2487109 r a c t é r i s é par le fait que la première armature constituée par au moins un disque emmanché sur une tige axiale est pleine en aluminium. 7. Diviseur capacitif, tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes, c a r a c t é r 1 s é par le fait que la première armature constituée par au moins un disque emmanché sur une tige axiale est pleine en élastomère semi-conducteur. 8. Diviseur capacitif, tel que défini dans 10. l'une quelconque des revendications précédentes, c a r a c t é r i s é par le fait que la première armature constituée par au moins un disque emmanché sur une tige axiale est faite de deux coupelles (64, 65) identiques en métal embouti avec bords extérieurs (66, 67) rabattus vers l'intérieur et en contact l'un de l'autre. 9. Diviseur capacitif, tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes, c a r a c t é r i s é par le fait que la première armature constituée par au moins un disque emmanché sur une tige axiale est faite de deux coupelles (641, 651) identiques en métal embouti avec bords extérieurs (661, 671) rabattus vers l'intérieur et dirigés l'un vers l'autre en étant écartés l'un de l'autre par un anneau ou jonc (71) en élas- tomère semi-conducteur à profil circulaire bien lisse, faisant saillie sur la périphérie. 10. Diviseur capacitif, tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes, c a r a c t é r i s é par le fait que la première armature constituée par au moins un disque emmanché sur une tige axiale est faite de deux coupelles (642, 652) identiques 2 4 2487109 en métal embouti avec bords extérieurs (662, 672) rabattus vers l'intérieur parallèlement à l'axe et dirigés l'un vers l'autre pour s'encastrer dans des encoches d'un anneau ou Jonc (72) en élastomère semiconducteur à profil circulaire bien lisse faisant saillie sur la périphérie. 11. Diviseur capacitif, tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes, c a r a c t é r i s d par le fait que la première armature constituée par au moins un disque emmanché sur une tige axiale est faite d'une pièce isolante moulée, métallisée extérieurement, ladite métal isation étant reliée électri- quement à la tige axiale. 12. Diviseur capacitif, tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes, c a r a c t 4 r i a d par le fait que les pièces métalliques sont en métal dont le coefficient de dilatation est le plus voisin possible de celui de la matière isolante ou diélectrique, tel que de l'aluminium, par exemple, quand l'isolant est une résine époxy. 13. Diviseur capacitif, tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes, c a r a c t é r i s é par le fait que les armatures ont des formes de révolution.