Brevet FR2507023A1 — publié le 19821203

La présente invention concerne le domaine de l'électro technique et plus particulièrement les parafoudres prévus pour protéger les réseaux électriques contre les surtensions, et a notanent pour obJet un parafoudre à valve. Le parafoudre à valve proposé peut être utilisé en particulier pour protéger contre les surtensions les équipements électriques et les réseaux électriques à courant continu ou à courant alternatif. Les parafoudres à valve doivent avoir une capacité d'écoulement et un pouvoir d'extinction d'arc suffisant, c'ent--dire qu'ils doivent assurer une dérivation rapide vers la terre de la charge en excès apparaissant dans le réseau à protéger, par exemple en cas de foudre, et limiter ainsi le niveau et la durée de l'iipulsion de surtension (de la tension résiduelle) dans ce réseau. Après la disparition de la surtension, le parafoudre doit assurer la coupure rapide du courant de suite le parcourant et rétablir la rigidité diélectrique de ses éclateurs. On connaît des parafoudres à valve (voir D.V. Shinan et al. "Parafoudres à valve a haute tension1, ed. Energia, Leningrad, 1971, pp. 14-28, 146-177), qui sont pourvus d'éclateurs en série, formés par des paires d'électrodes, et de résistances non linéaires. En même temps qu'un grand nombre de variantes de construction, les éclateurs des parafoudres à valve possèdent différents moyens de coupure du courant de suite survenant après l'amorçage à a arc fixe, à arc tournant, à arc sectionné en plusieurs parties, à arc auto-soufflé et à arc extensible. Le problème que soulève, dans la construction des parafoudres à valve, l'accroissement ininterrompu des exigences relatives à la qualité de la protection des installations électriques, est la réduction du niveau et de la durée de l'impulsion de surtension dans les réseaux à protéger, ce qui nécessite une augmentation de la capacité d'écoulement des parafoudres, ctest-à- dire une augmentation de l'intensité du courant parcourant le parafoudre au cours de l'impulsion de surtension, ainsi qu'une amélioration de leur pouvoir d'extinction d'arc. La manière la plus efficace d'améliorer le pouvoir d'extinction des éclateurs consiste à utiliser l'allonge nuent de l'arc dans ceux-ci sous l'action de la force électromagnétique d'interaction du courant d'arc et du champ magnétique appliqué (soufflage magnétique) On connaît également un parafoudre b valve pourvu d'éclateurs à arc extensible limitant le courant (voir le brevet USA Nv 36111045, cl. 317-74, 1972). Il comporte, reliés en série, au moins une résistance non linéaire et des éclateurs constitués par des paires d'électrodes en corne disposées dans des fentes formant chambres d'extinction à parois en matériau isolant. Dans ce parafoudre, après l'amorçage, l'arc est soufflé hors de l'éclateur et se déplace1en s'allongeant, suivant les électrodes en corne grâce à l'interaction électromagnétique entre le courant d'arc et un champ magnétique. Ce champ magnétique est créez par des bobines de soufflage magnétique reliées en série. Chaque éclateur du parafoudre est disposé dans une chambre d'extinction en fente plate individuelle, réalisée en un matériau électro-isolant. En série avec les éclateurs est insérée une résistance non linéaire supplémentaire, prévue pour limiter le courant de suite surtout au moment de l'amor çage des éclateurs du parafoudre, lorsque la résistance totaledes arcs est encore faible.Afin d'améliorer le pouvoir d'écoulement de l'éclateur, cette résistance a une caractéristique courant-tension non linéaire. Dans ce parafoudre à valve, le pouvoir d'extinction d'arc est limité par la valeur de l'allongement de l'arc dans les chambres d'extinction plates. D'antre part, les bobines de soufflage magnétique insérées dans le circuit du parafoudre pour créer un champ magnétique compliquent ledit circuit et la construction du parafoudre, L'invention vise donc un parafoudre à valve dans lequel la construction des chambres d'extinction d'arc des éclateurs permettrait d'accroître l'allongement des arcs d'extinction, en améliorant ainsi le pouvoir d'extinction du parafoudre. Ce problème est résolu à l'aide d'un parafoudre à valve , du type comportant, reliés en série, au moins une résistance non linéaire et des éclateurs constitués par des paires d'électrodes en corne disposées dans des chambres d'extinction en fente à parois en matériau électriquement isolant, ledit parafoudre étant, selon l'invention, caractérfsé en ce que les parois des chambres d'extinction des éclateurs sont formées par une pale ou analogue unique enroulée en hélice sur un cylindre central, pour former un arc unique hélicoïdal résultant de la réunion, lors de leur déplacement, des arcs apparaissant dans les éclateurs lors de l'amorçage du parafoudre, les électrodes en corne desdits éclateurs étant disposées suivant une ligne en hélice entre les spires de la pale hélicoidale, et étant fixées à la surface du cylindre central. Pour améliorer le pouvoir d'écoulement du p atoudret il est avantageux d'intercaler la résistance non linéaire entre des intervalles d'éclatement voisins,~de manière à assurer son shuntage au moment de la formation de l'arc unique précité. Ainsi, ltéclateur à soupape proposé possède un pouvoir d'extinction plus élevé tout en étant de construction simplifiée et d'encombrement réduit, grâce à la disposition spatiale plus compacte des arcs et à la diminution de la charge sur la résistance non linéaire. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références au dessin unique non limitatif annexé dans lequel - la figure 1 représente schématiquement une vue d'ensemble en perpective, avec coupe partielle, d'un parafoudre à valves conforme à l'invention - la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1 - la figure 3 est une vue en coupe suivant III-III de la figure 1. Le parafoudre à valves proposé comporte des chambres d'extinction 1 (figure 1) d'éclateurs dont les parois sont réunies en une pale ou analogue commune 2 en hélice, enroulée sur un cylindre central 3. Ainsi, les chambres d1extinction 1 sont réunies en une cavité hélicoidale, en formant pour tous les éclateurs une fente d'extinction commune. Le cylindre central 3 est réalisé creux et la pale 2 est enroulée sur sa surface suivant un pas t A n d'environ 0,5 à 2 cm. Le cylindre central 3 et la pale 2 sont fabriqués en un matériau électriquement isolant, par exemple en une matière plastique telle que : polysulfone, polycarbonate, résine polyéthylène téréphtalate ("Lavsan") de coulée en utilisant une méthode telle que la coulée ou l'emboutissage. La pale 2 peut aussi être constituée d'éléments individuels. La largeur td" de la fente d'extinction d'arc est choisie entre environ 1 et 8 mm, en fonction de la valeur théorique (calculée) du courant de suite du parafoudre. L'épaisseur de la pale hélicoldale 2 est égale à la difiérenceX- 4 , dépend de la technologie appliquée pour sa fabrication et de la durée de service théorique ou calculée du parafoudre à valves, et peut atteindre environ de 2 à 10 mi. Les dimensions de la cavité hélicoIdale de la fente d'extinction (diamètre extérieur D, diamètre intérieur d, longueur L) du parafoudre à valves sont déterminées par les relations où E représente l'intensité du champ électrique dans l'arc hélicoldal, rapportée au bord externe de cet arc (à la longueur du front avant de l'arc allant en sélar- gissant dans la direction radiale) ; V(t) est la vitesse radiale de déplacement de l'arc ; (t) est le courant de suite qui est fonction du temps t ; Us représente la valeur d'amplitude de la tension nominale du réseau protégé ; Z est la durée de ltextinction du courant de suite. La valeur "d" détermine la résistance inductive du parafoudre à valves au moment de l'amorçage et, conJoin- tement avec la résistance non linéaire, la valeur du courant de suite à ce moment. On peut utiliser un parafoudre à valves dans lequel d=0, les bornes des delateurspar exemple pour raccorder à ceux-ci les résistances de shuntage ) pouvant alors être réalisées dans le corps de la pale hélicoldale 2. A l'intérieur de la fente de soufflage de l'arc, à la surface du cylindre central 3, sont disposées suivant une ligne hélicoldale des paires d'électrodes en corne 4 formant les éclateurs, qui sont reliées entre elles en série par des conducteurs de courant 5. A titre d'exemple, dans la cinquième spire de la fente de soufflage d'arc est représenté un éclateur avec ses électrodes en corne 4, et dans la troisième spire, le conducteur de courant 5 avec les électrodes en corne 4 des éclateurs voisins. Les électrodes en corne 4 sont prévues pour assigner la direction du mouvement des taches d'appui des arcs 6 du courant de suite apparaissant dans les intervalles d'éclatement et se déplaçant radialement dans la cavité hélicoldale de la fente de soufflage d'arc, sous l'effet de l'lnteraction électromagnétique entre le courant des arcs 6 et le champ magnétique du parafoudre. Quand les arcs 6 individuela des éclateurs atteignent les extrémités de leurs électrodes en corne 4, ils se réunissent en un arc unique hélicoïdal 7. Sur la figure îg les arcs 6 7 sont représentésspour plus de clarté, seulement dans la cinquième spire de la fente de soufflage d'arc. La longueur des électrodes en corne 4 et leur hauteur, c'est-à-dire la distance séparant leurs extrémités de la surface du cylindre 3, déterminent le temps pendant lequel les électrodes en corne 4 et les conducteurs de courant 5 se trouvent en contact avec les taches d'appui des arcs 6 des différents éclateurs jusqu' leur réunion en un arc unique. Pour le déplacement des taches d'appui de l'arc hélicoïdal unique 7 au cours de son élargissement et de son mouvement radial, au commencement et à la fin de la cavité hélicoldale de la fente de soufflage d'arc se trcuvent les électrodes en corne d'entrée 8 et de sortie 9t A l'électrode 8 est raccordée la borne d'entrée 10 du parafoudre , et à l'électrode 9, sa borne de sortie 12, soit directement, soit à travers une résistance non linéaire 11. L'électrode en corne d'entrée 8 du parafoudre est reliée électriquement au conducteur de courant 5 du prerier éclateur, tandis que l'électrode en corne de sortie 9 est reliée électriquement au conducteur de courant 5 du dernier éclateur. La figure 2 représente, pour expliquer le fonctionnement du parafoudre, la position des arcs 6 à deux monents consécutifs "a" et "b". La position 6a de l'arc correspond au moment initial de l'amorçage de l'arc 6, sur les parties initiales des électrodes en corne 4. La position de l'arc 6b correspond au moment où l'arc 6 se rapproche des extrémités des électrodes en corne 4 et où a lieu le saut de l'une de ses extrémités (représentée sur la figure 2 par des hachures) sur l'électrode en corne d'entrée 8 du parafoudre et la réunion de son autre extrémité avec l'arc 6 analogue du deuxième éclateur (sur la figure 2, cette réunion est représentée par des hachures), ce qui entraîne la formation de l'arc unique hélicoldal7. La position de l'arc 7c correspond à un certain moment c de l'élargissement de l'arc hélicoïdal 7, l'une des taches d'appui de cet arc 7c se déplaçant suivant l'électrode en corne d'entrée 8 du parafoudre. A l'intérieur du cylindre central creux 3 se trouvent les résistances déterminant la répartition du potentiel entre les éclateurs et branchées enparallèle sur les éclateurs correspondants. A travers les ouvertures 13 ménagées dans la paroi du cylindre central 3 une résistance de shuntage 14 est raccordée aux conducteurs de courant 5 en parallèle avec le premier éclateur. On rac;corde de la même façon les résistances de shuntage (non représentées) aux autres éclateurs. La figure 3 représente une coupetransversale du parafoudre à valves, montrant la connexion électrique des éclateurs voisins à travers une résistance non linéaire 15 shuntée lors de la formation de l'arc unique hélicoldal 7. A cet effet, aux parties 16 et 17 de l'un des conducteurs de courant 5, comportant une solution de continuité, on raccorde, à travers des ouvertures 18 ménagées dans la paroi du cylindre central 3, des bornes électriques 19, 20 disposées à l'intérieur du cylindre central 3 et prévues pour raccorder la résistance non linéaire 15. Dans la position 6b des arcs 6 des éclateurs, au moment où se produit leur réunion en un arc hélicoIdal unique 7, le passage du courant de suite à travers les éléments du parafoudre se modifie (sur la figure 3 , le sens de passage du courant est représenté par des flèches). Jusqu'au moment de la réunion des arcs 6, le courant passe à travers la résistance non linéaire 15 raccordée aux bornes 19, 20. Après la réunion des arcs 6 et la formation de l'arc unique 7, le courant cesse de passer à travers la résistance 15. Pour exclure tout amorçage entre les électrodes en corne 4 des éclateurs voisins, ou entre les parties 16 et 17, du conducteur de courant 5 reliées électriquement, à travers la résistance non linéaire 15, aux bornes 19, 20 jusqu'au moment de la réunion des arcs 6, il est avantageux de disposer dans la cavité en spirale de la fente de soufflage d'arc, entre les extrémités de ces parties 16, 17 et les électrodes en corne 4 adjacentes, une cloison orientée radialement (non représentée) réalisée en un matériau isolant et dont la hauteur dans le sens radial dépasse la hauteur de ces électrodes en corne 4. Lorsque la résistance non linéaire 15 est disposée à l'extérieur du cylindre central 3 il est avantageux de donner à ses bornes 19, 20 une forme hélicoldale à sens d'enroulement opposé au sens d'enroulement de la pale hélicoldale 2. Ceci permet de renforcer le champ magnétique du parafoudre. Pour améliorer la rigidité diélectrique de ce dernier, la cavité interne du cylindre central 3 peut etre remplie d'un matériau isolant cnulé. La pale hélicoldale 2 de la fente de soufflage d'arc peut être avantageusement réalisée en zig-zag dans le sens radial pour former un écrou de protéction des élcateurs contre le rayonnement de l'arc 7 du courant de suite qui vient de s'écarter. Ceci contribue au rétablissement accéléré de la rigidité diélectrique des éclateurs, c'est-à-dire à l'accroissement de leur tension d'amorçage jusqu'à la valeur nominale. Le parafoudre à valves fonctionne de la manière suivante. Après l'amorçage des éclateurs, lorsque le parafoudre à valves est soumis à une surtension, il est parcouru par un courant de suite qui passe suivant une ligne hélicordale, ce qui fait apparaître un champ magnétique longitudinal par rapport à l'axe du parafoudre à valves. Autrement dit, la disposition des électrodes en corne 4 (figure 1) des éclateurs avec les conducteurs de courant 5 les reliant suivant une ligne hélicoldale permet de combiner leurs fonctions principales avec celles de bobines de soufflage magnétique. Les arcs 6 (figures, 2, 3) s'établissent dans les éclateurs après leur amorçage, par suite de l'interaction du courant de chaque arc 6 avec le champ mangétique longitudinal du parafoudre, se déplacent radialement (vers l'extérieur) et d'une façon azimutale (les extrémités des arcs s'écartant, pour ainsi dire, en sens contraires sur les électrodes en corne 4) , et s'allongeant. Lorsque les arcs 6 atteignent les extrémités des électrodes en corne 4, ils se réunissent en formant un arc unique hélicoldal 7, Le temps entre le moment de l'amorce du parafoudre et le moment de la réunion des arcs 6 dépend de la longueur et de la hauteur des électrodes en corne 4, ce qui détermine la longueur des arcs 6 et leur résistance au moment de leur réunion en un -arc unique 7. La réunion des arcs 6 entraîne le shuntage des résistances non linéaires 15 insérées entre les éclateurs voisins, ce qui provoque une diminution brusque de la résistance du parafoudre au moment de la réunion des arcs 6 et, par conséquent, un accroissement du courant de suite dérivé du réseau à protéger à travers le parafoudre. Ainsi, le pouvoir d'écoulement du parafoudre à valves augmente et de ce fait le temps nécessaire pour faire disparaître la surtension du réseau diminue. L'énergie dissipée dans les résistances non linéaires shuntées diminue, ce qui permet de réduire leur encombrement. En donnant aux diverses paires dtélectrodes en corne 4 une longueur et une hauteur différentes, on peut établir la durée de shuntage de chacune des résistances non linéaires 15 de façon que les paliers correspondants de la courbe tenskm-courant du parafoudre soient disposés presque horizontalement, de sorte que les exigences quant à la non linéarité des résistances non linéaires elles-mêmes deviennent moins rigoureuses. Après la formation de l'arc unique bélicoldal 7, les conducteurs de courant 5 et les électrodes en corne 4 de tous les éclateurs sont mis hors circuit, ce qui réduit leur échauffement et, partant, leur usure. L'arc hélicoldal 7 (solénolde de plasma) qui se forme alors continue, sous l'effet de son propre champ magnétique de s'élargir radialement tout en stallongeant radialement. En conséquence, l'arc hélicodal 7 atteint une longueur i laquelle la tension sur le parafoudre dépasse la tension du réseau à protéger, le courant de suite tombe à zéro et l'arc 7 s'éteint. Si la charge en excbs du réseau n'est pas dérivée et que la surtension ne disparaît pas, l'arc hélicoïdal 7 continue de stélargir et la tension sur le parafoudre augmente Jusqu'à l'apparition d'un nouvel amorçage de ses éclateurs. Alors, dans les dclateurs s'amorcent de nouveau les arcs 6, qui shuntent l'arc 7, de sorte que ce dernier s'éteint.Ensuite le processus de fonctionnement du parafoudre se répète Etant donné que, dans le parafoudre à valves proposé, la présence d'une pause pour la coupure du courant de suite n'est pas nécessaire, il peut être utilisé aussi bien dans les circuits à courant alternatif que dans les circuits à courant continu. L'utilisation du parafoudre à valves proposé permet d'améliorer la fiabilité de la protection des équipements électriques grâce à la réduction de la durée et de l'amplitude des impulsions de surtension. La forme hélicoidale de l'arc 7 allant en s'élargissant radialement, ainsi que son faible pas d'hélice, assurent un allongement plus efficace de l'arc en comparaison de la forme plate de l'arc dans les chambres d'extinction d'arc connues, ce qui améliore sensiblement le pourvoir d'extinction du parafoudre à valves proposé. Ceci permet de simplifier le schéma du parafoudre grâce à l'élimination des bobines de soufflage magnétique avec leurs éclateurs protecteurs de contournement. Dans ces conditions, l'échauffement des conducteurs de courant et l'usure par érosion des électrodes en corne des éclateurs diminuent grace à la réduction de la durée de leur contact avec les taches d'appui des arcs d'extinction. Le shuntage de la résistance non linéaire 15 permet d'améliorer le pouvoir d'écoulement du parafoudre à valves (d'améliorer la non linéarité de sa caractéristique tension-courant) et de réduire 1'énergie dissipée dans cette résistance, grâce à la diminution de sa durée de fonctionnement Bien entendu; l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qutà titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comice revendiquée. REVENDICATIONS 1. Parafoudre à valve, du type comportant, reliés en série, au moins une résistance non linéaire et des éclateurs formés par des paires d'électrodes en corne (4) disposées dans des chambres d'extinction en fente (1) à parois en matériau isolant, caractérisé en ce que les parois des chambres d'extinction d'arc (1) des éclateurs sont formées par une pale unique hélicoldale (2) enroulée sur un cylindre central (3) pour former un arc unique hélicoïdal (7) résultant de la réunion,lors de leur déplacementJdes arcs (6) apparaissant dans les éclateurs lors de l'amorçage du parafoudre, les électrodes en corne (4) desdits clateursdtant disposées suivant une ligne en hélice entre les spires de la pale hélicoldale (2), et étant fixées à la surface du cylindre central (3). 2. Parafoudre à valve selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance non linéaire (15) est insérée entre des éclateurs voisins et est shuntée au moment de la formation de l'arc unique (7).