Brevet FR2501931A1 — publié le 19820917

Dispositif de protection contre les impulsions électromagnétiques à front raide La présente invention concerne un dispositif de protection contre les impulsions électromagnétiques à front raide en provenance d'une ligne électrique à deux conducteurs, soit électrique à basse tension, soit une ligne téléphonique, ou de télécommande, dispositif comprenant un coffret blindé en acier à plusieurs étages séparés par des écrans non magnétiques, disposé en amont de la ligne à protéger. L'ordre de grandeur des perturbations éventuelles, contre lesquelles on veut se protéger est de l'ordre de la dizaine de kilovolts. On a déjà proposé des dispositifs de ce genre dans la demande de brevet francais nO 81 00538 pour la protection des lignes électriques à basse tension, d'énergie, de mesure ou de transmission contre les effets électromagnétiques d'explosions nucléaires pouvant induire des perturbations d'une vitesse de montée de l'ordre d'une dizaine de kilovolts par nanoseconde ou plus et des puissances permanentes de l'ordre de la centaine de kilowatts. Pour cela le dispositif est prévu pour un conducteur uniquement et comporte un coffret dont l'enceinte externe en acier contient plusieurs étages protégés chacun par une enceinte interne en métal bon conducteur non magnétique.A l'intérieur du coffret sont disposés entre le conducteur d'entrée et la masse, des éclateurs , une résistance variable croissant avec la tension appliquée et en série sur le conducteur en amont et en aval des éclateurs, des bobines de self-induction et un filtre passe-bande entre la masse et le conducteur. Ce dispositif n'est pas transposable tel quel pour les faibles puissances contre lesquelles on veut se protéger. Un but de l'invention est de réaliser un dispositif de protection, pour lignes bifilaires, appelé à subir des impulsions de puissance faible, ayant un volume réduit et par conséquent un faible prix de revient. La présente invention a pour objet un dispositif contre les impulsions électromagnétiques à front raide en provenance d'une ligne électrique à deux conducteurs, dispositif comportant un coffret à plusieurs étages en série, protégés par une enceinte externe en acier commune à tous les étages et des enceintes internes en métal bon conducteur non magnétique constituant la masse et entourant chaque étage, les différents étages comportant des composant électroniques tels que des éclateurs de puissance, des organes limiteurs de tension, des inductances de découplage et un filtre, caractérisé en ce que la totalité desdits composants est montée symétriquement en série et en parallèle par rapport à ladite masse, les bras série étant au nombre de deux et les bras parallèles joignant chacun des bras série à ladite masse étant egalement au nombre de deux. Selon une particularité de l'invention lesdits composants comportent deux bornes d'entrée en provenance de ladite ligne électrique, deux premiers conducteurs série partant de chacune de ces deux bornes' deux éclateurs de puissance disposés chacun en paraI- lèle entre chacun desdits premiers conducteurs et un point de l'écran de masse, deux self-inductances série prolongeant chacune chacun desdits premiers conaucteurs, deux seconds conducteurs série prolongeant chacune desdites self-inductances, deux organes limiteurs en parallèle disposés chacun entre chacun desdits seconds conducteurs et deux points de l'écran de masse, un filtre passe-bas symétrique avec une plUralité d'inductances série et de capacités en parallèle dont la fréquence de coupure est supérieure à celle de l'utilisation normale du dispositif, les points communs aux capacités du filtre étant reliés à deux points d'écran de masse et les bras série du filtre étant reliés par deux troisièmes conducteurs série à deux bornes de sortie. Selon une autre particularité de l'invention lesdits composants comportent deux bornes d'entrée en provenance de ladite ligne électrique, deux premiers conducteurs série partant de chacune de ces deux bornes, deux éclateurs de puissance disposés chacun en parallèle entre chacun desdits premiers conducteurs et un point de l'écran de masse, un enroulement primaire d'un transformateur de rapport de transformation unité étant disposé aux bornes desdits premiers conducteurs, des extrémités d'un enroulement secondaire dudit transformateur étant reliées à deux seconds conducteurs série, deux organes limiteurs en parallèle disposés chacun entre chacun desdits seconds conducteurs et deux points de l'écran de masse, un filtre passe-bas symétrique avec une pluralité d'inductances série et de capacités en parallèles dont la fréquence de coupure est supérieure à celle de l'utilisation normale du dispositif, les points communs aux capacités du filtre étant reliés à deux points d'écran de masse et les bras série du filtre étgant relies par deux troisièmes conducteurs série à deux bornes de sortie. En se référant aux figures schématiques 1 et 2 ci-jointes on va décrire ci-après un exemple de mise en oeuvre de la présente invention, exemple donné à titre purement illustratif et nullement limitatif. Les mêmes éléments portent sur les deux figures les mêmes références. La figure 1 représente un schéma de principe électrique d'une réalisation du dispositif de protection pour un circuit symetrique. La figure 2 représente un schéma d'une variante d'un dispositif analogue mais comportant un transformateur d'isolement à la place des deux inductances de la figure 1. Dans la figure 1, l'impulsion perturbatrice, (par exemple de tension 20 kilovolts, ainsi que la tension normale de fonctionnement (soit 220 volts, 50 hertz, 100 ampères par exemple, pour une ligne monophasée d'énergie électrique, ou une ligne téléphonique ou de télécommande dont la fréquence d'utilisation peut être supérieure à 1000 hertz) parviennent par des bornes 1 et 2 d'un caisson susceptible de se trouver dans la zone perturbée. Sur la figure, le caisson ou enceinte externe en acier n'est pas représenté, mais entoure entièrement les différents étages 3, 4, 5, 6 délimités par des écrans ou enceintes internes telles que 7 réalisées en métal bon conducteur non magnétique, en cuivre par exemple. Deux conducteurs 8 et 9 reliés respectivement aux bornes 1 et 2 sont disposés à l'intérieur des étages 3 et 4. Les conducteurs 8 et 9 constituent des conducteurs symétriques. Deux éclateurs de puissance 10 et 11 du type à amorçage sous des fronts d'onde très rapides sont disposés respectivement entre les conducteurs 8 et 9 et l'écran tel que 7 relié à la masse. Les éclateurs sont disposés ainsi symétriquement en parallèle entre les conducteurs et la masse. En cas de perturbation, la tension crête, réduite à 5 kilovolts environ, parvient à l'étage 5 par des traversées isolantes 12 et 13. Dans l'étage 5, les conducteurs série 8 et 9 sont prolongés par des inductances 14 et 15 disposées dans les bras série d'une façon sZmé- trique ainsi que les conducteurs 16 et 17 prolongeant respectivement les inductances 14 et 15 et traversant l'écran tel que 7 par des traversées isolantes 18 et 19 pour parvenir dans l'étage 6. Les inductances servent au découplage des tensions et ont pour but de réduire la pente du front de montée de l'impulsion. L'étage 6 comporte deux organes limiteurs 20, 21 en parallèle sur chacun des conducteurs 16 et 17 et deux points 22 et 23 de l'écran tel que 7. Les organes limiteurs 20, 21 peuvent être soit des diodes MENER soit des résistances variables croissant avec la tension appliquée (VDR) et ont pour but d'abaisser la tension des impulsions qui parvient aux bornes de sortie 33 et 31. En série avec les conducteurs 16 et 17 est disposé un filtre passe-bas 24. Sa fréquence de coupure dans le cas d'une ligne d'énergie électrique est de 50 Hertz. Il permet ainsi de laisser passer la tension normale d'utilisation sans distorsion et de réduire fortement les fréquences supérieures en cas de perturbation. En effet, un front raide d'une impulsion engendre un spectre de fréquences supérieures et un filtre passe-bas a pcur rôle de réduire fortement l'amplitude de celles-ci et par conséquent le front de montée de l'impulsion perturbatrice. Le filtre passe-bas 24 est constitué d'inductances telles que 25 en série et de capacités telles que 26 en parallèle. Les points communs 27, 28 des capacités sont reliés à deux points 29, 30 d'écran de masse. A la sortie du filtre 24, les bras série du filtre sont prolongés par des conducteurs 31, 32 lesquels parviennent à deux bornes de sortie 33, 34 de la ligne d'utilisation ainsi protégée. Ce mode de réalisation par compartiments blindés les uns par rapport aux autres s'applique à des dispositifs de protection pour des lignes d'énergie basse tension aussi bien que pour des paires téléphoniques destinées soit à la transmission de fréquences vocales ou plus élevées, soit à la transmission de signaux de télécommande ou de télésignalisation. Dans le cas de lignes téléphoniques, la fréquence de coupure du filtre passe-bas 24 pourrait être de 10000 Hertz. De même, on utilisera avantageusement non pas deux éclateurs 10 et 11 monopolaires mais un éclateur unique tripolaire dont les deux pôles sont reliés aux conducteurs 8 et 9 et le troisième pôle central est mis à la masse commune. Une onde impulsionnelle incidente entre les bornes d'entrée 1 ou 2 parvient aux bornes de sortie 33 ou 34 avec un très fort affaiblissement. Par exemple une onde de temps de montée 10 nanosecondes et d'amplitude de crête 10 kilovolts donnera une tension résiduelle inférieure à 100 volts avec une pente de 1 kilovolt par microseconde. Dans la figure 2, dont le dispositif est analogue à celui de la figure 1 sauf en ce qui concerne l'étage 5 dans lequel est disposé un transformateur d'isolement T de rapport de transformation unité, dont l'enroulement primaire 140 est disposé en parallèle sur les conducteurs 8 et 9 et l'enroulement secondaire 150 étant relié à deux conducteurs 16 et 17. Un écran 141 entoure le transformateur T cet écran étant relié à l'enceinte interne telle que 7 par un conducteur 142. On obtient avec le transformateur T un affaiblissement souvent plus élevé encore entre l'impulsion incidente entre les bornes 1 ou 2 et la masse, et la tension résiduelle entre les bornes de sortie 33 ou 34 et la masse. Avec une onde impulsionnelle identique à la précédente, la tension résiduelle est seulement ici de l'ordre de 2 volts ou parfois même moins encore avec une pente de 1 kilovolt par microseconde. Le nombre des compartiments qui est de quatre sur la figure 1 n'est pas limitatif. Il peut être de cinq ou même six lorsque le temps de montée de l'impulsion est si élevé que la tension d'amorçage des éclateurs atteint des valeurs telles que quatre compartiments successifs ne suffisent pas pour apporter un affaiblissement convenable. Les applications du dispositif de l'invention concernent la protection des lignes à deux conducteurs contre les effets électro tromagnétiques d'explosions nucléaires. REVENDICATIONS 1/Dispositif de protection contre les impulsions électromagnétiques à front raide en provenance d'une ligne électrique à deux conducteurs, dispositif comportant un coffret à plusieurs étages (3, 4, 5, 6)en série, protégés par une enceinte externe en acier commune à tous les étages et des enceintes (7) internes en métal bon conducteur non magnétique constituant la masse et entourant chaque étage; les différents étages (3, 4, 5, 6) comportant des composants électroniques tels que des éclateurs (10, 11) de puissance, des organes limiteurs de tension (20, 21), des inductances de découplage (14, 15, 140, 150) et un filtre (24), caractérisé en ce que la totalité desdits composants (10, 11, 14, 15, 20, 21, 140, 150, 24) est montée symétriquement en série et en parallèle par rapport à ladite masse, les bras série étant au nombre de deux et les bras parallèles joignant chacun des bras série à ladite masse étant également au nombre de deux. 2/ Dispositif selon la revendiation 1, caractérisé par le fait que lesdits composants comportent deux bornes d'entrée (1, 2) en provenance de ladite ligne électrique, deux premiers conducteurs série (8, 9) partant de chacune de ces deux bornes (1, 2) deux éclateurs de puissance (10, 11) disposés chacun en parallèle entre chacun desdits premiers conducteurs (8, 9) et un point de l'écran de masse, deux self inductances série (14, 15) prolongeant chacune, chacun desdits premiers conducteurs (8,9), deux seconds conducteurs série (16, 17) prolongeant lesdites self inductances (14, 15), deux organes limiteurs (20, 21) en parallèle disposés chacun entre chacun desdits seconds conducteurs (16, 17) et deux points de l'écran de masse (22, 23), un filtre passe bas (24) symétrique avec une pluralité d'inductances (25) série et de capacités (26) en parallèle dont la fréquence de coupure est supérieure à celle de l'utilisation normale du dispositif, les points communs aux capacités (26) du filtre étant reliés à deux points (29, 30) d'écran de masse et les bras série du filtre étant reliés par deux troisièmes conducteurs série à deux bornes de sortie (33 34). 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits composants comportent deux bornes d'entrée (1, 2) en provenance de ladite ligne électrique, deux premiers conducteurs série (8, 9) partant de chacune de ces deux bornes (1, 2), deux éclateurs de puissance (10, 11) disposés chacun en parallèle encre chacun desdits premiers conducteurs r;;8 9) et un point de l'écran de masse, un enroulement primaire (140) d'un transSormateur (T) de rapport de transformation unité étant disposé aux bornes desdits premiers conducteurs (8, 9), des extrémités d'un enroulement secondaire (150) dudit transformateur (T) étant reliées à deux seconds conducteurs série (16, 17), deux organes limiteurs f2Q, 21) en parallèle disposés chacun entre chacun desdits seconds conducteurs (16, 17) et deux points de l'écran de masse (22, 23) un filtre passe-bas (24) symétrique avec une pluralité d'inductances (25) série et de capacités (26) en parallèle dont la fréquence de coupure est supérieure à celle de l1utilisation normale du dispositif, les points communs aux capacités (26) du filtre étant reliés à deux points (29, 30) d'écran de masse et les bras série du filtre étant reliés par deux troisièmes conducteurs série à deux bornes de sortie (33, 34).