Brevet FR2544923A1 — publié le 19841026

Dispositif de protection d'une ligne contre les surtensions L'invention coneerne la protection d'une ligne électrique contre les surtensions, notamment mais non exclusivement contre les surtensions dues à la foudre. Les dispositifs de protection contre les surtensions sont généralement constitués par un éclateur bipolaire connecté entre un fil de ligne et la terre ; un dispositif de découplage constitué par un enroulement est inséré dans le fil de ligne, entre l'éclateur et l'utilisation ; du coté utilisation, après le dispositif de découplage, un élément dont la résistance varie en fonction de la tension est connecté entre le fil de ligne et la terre ; cet élément est par exemple du type varistance ou diode zener. On utilise également des éclateurs tripolaires, ayant une électrode de commande et deux électrodes principales, pour la protection d'une ligne bifilaire ; chaque fil de ligne est alors relié à une électrode principale de l'éclateur dont l'électrode de commande est reliée à la terre ; un dispositif de découplage est inséré dans chaque fil de ligne. Le dispositif de découplage a pour but de permettre l'amorçage de l'éclateur, amorçage qui nécessite que la tension aux bornes de l'écla- teur atteigne une certaine valeur Vo appelée tension d'amorçage. Cette tension d'amorçage doit etre suffisamment élevée par rapport à la tension du fil de ligne pour que l'éclateur ne fonctionne pas de manière intempestive ; elle ne doit pas non plus être trop élevée afin que l'éclateur joue son rôle de protection lors de surtensions parasites. L'invention a pour but d'améliorer la protection d'une ligne en provoquant l'amorçage de l'éclateur à une tension inférieure à sa tension d'amorçage. L'invention a pour objet un dispositif de protection dsune ligne contre les surtensions, comportant un éclateur connecté entre un fil de ligne et la terre et un dispositif de découplage, caractérisé par le fait que l'éclateur comporte une électrode de commande et que le dispositif de découplage comporte au moins un circuit de découplage ayant deux enroulements couplés magnétiquement, un premier enroulement étant parcouru par un courant de surtension lorsqu'une surtension est appliquée au fil de ligne, un deuxième enroulement étant relié d'une part au fil de ligne et d'autre part à l'électrode de commande. L'invention va etre décrite à l'aide d'exemples de réalisation illustrés par les figures annexées dans lesquelles - la figure 1 représente une première forme de réalisation d'un dispositif de protection de l'invention, - la figure 2 représente une seconde forme de réalisation d'un dispositif de protection de l'invention - la figure 3 représente une troisième forme de réalisation d'un dispositif de protection de l'invention - la figure 4 représente une impulsion parasite et les tensions d'amor çage d'un éclateur avec un dispositif de protection de l'art antérieur et avec un dispositif de protection de l'invention Le schéma électrique de la figure 1 représente une première forme de réalisation d'un dispositif de protection de l'invention.Un éclateur tripolaire 1, de tout type connu, a une électrode principale reliée à un fil de ligne F et une autre électrode principale reliée à la terre. Un circuit de découplage 2 est constitué d'un premier enroulement L1 en série avec le fil de ligne F, et d'un deuxième enroulement L2, couplé magnétiquement avec le premier enroulement et relié d'une part au fil de ligne F, et d'autre part à une électrode de commande g de l'éclateur 1 le circuit de découplage 2 peut également comporter, comme représenté figure 1 une résistance R1 en série avec le deuxième enroulement L2. Les deux enroulements L1 et L2 sont deux bobines portées par un mandrin et de préférence l'une sur l'autre afin d'avoir un excellent coefficient de mutuelle inductance.Un élément 4, ayant une résistance variable avec la tension, tel qu'une diode zéner ou une varistance, est reliée d'une part, côté utilisation, à une extrémité du premier enroulement L1 et d'autre part à la terre, l'ensemble premier enroulement et élément 4 étant en parallèle sur l'éclateur 1. L'élément 4 présente une tension VT à ses bornes pour laquelle sa résistance baisse fortement. Quand le fil de ligne F est soumis à une surtension, et en négligeant la chute ohmique dans le premier enroulement, l'élément 4 devient fortement conducteur lorsque la tension V du fil de ligne atteint la valeur VT.Le courant dans le premier enroulement augmente, puisqu'au courant normal s'ajoute un courant du à la surtension, et en désignant par M le coefficient de mutuelle inductance entre les premier et deuxième enroulements, et par V2 la tension entre l'électrode de commande g et le fil de ligne, on a V2 = - M dI/dt Dans un éclateur tripolaire l'amorçage entre les électrodes principales est obtenu en portant l'électrode de commande à une tension suffisante pour provoquer un arc entre cette électrode et une électrode principale , dans le cas d'un éclateur tripolaire symétrique l'arc peut avoir lieu entre l'électrode de commande et l'une ou l'autre des éleotro- des principales selon le sens de la tension, l'arc étant obtenu pour une même différence de potentiel entre l'électrode de commande et une des électrodes principales. Quel que soit le type d'éclateur tripolaire utilisé, symétrique ou dissymétrique, la tension V1 entre l'électrode de commande g et ltéleo- trode principale reliée à la masse est : V1 : V - V2 - V 9 MdI/dt, en désignant par V la tension du fil de ligne par rapport à terre.Cette relation montre que V1 est dans tous les cas au moins égal à V meme si le couplage magnétique statténue avec la fréquences Cette tension V1 peut etre égale à la tension d'amorçage Vo de l'éclateur pouV une valeur de la tension V inférieure -à Vo ; on obtient donc l'amorçage de l'éclateur pour une tension à ses bornes V inférieure à Vo, ce qui permet d'abaisser le seuil d'amorçage de l'éclateur comme représenté figure 4. Dans cette figure la courbe S représente l'allure d'une surtension, Vo est la tension d'amorçage de l'éclateur et Vi est la tension à laquelle l'amorçage de l'éclateur est obtenu par le dispositif d'amorçage de l'invention. La zone hachurée z permet l'évaluation du gain en énergie dissipée dans l'éclateur, puisque celui-ci s'amorce à une tension inférieure à la tension Vo. La figure 2 represente une deuxième forme de réalisation d'un dispositif de protection de l'invention. Comme précédemment l'éclateur tripolaire 1 a deux électrodes principales reliées l'une au fil de ligne F et l'autre à la terre. Un circuit de découplage 3 comporte un condensateur C et un premier enroulement L3 en série, l'ensemble étant connecté entre le fil de ligne F et la terre ; il comporte également une résistance R2 en série avec un deuxième enroulement L4 l'ensemble étant connecté entre le fil de ligne F et l'électrode de commande de l'éclateur 1. Les enroulements L3 et L4 sont couplés magnétiquement, comme dans le circuit de découplage 2 de la figure 1. Une surtension appliquée sur le fil de ligne F, entraine une variation de courant dI1/dt dans l'enroulement L3 qui engendre une tension V3 = - M1 dI1/dt dans l'enroulement L4, tension qui permet l'amor- çage de l'éclateur 1 à une tension inférieure à sa tension d'amor çage Vo, M1 étant le coefficient de mutuelle inductance entre les enroulements L3 et L4. La figure 3 représente une troisième forme de réalisation d'un dispositif de protection de l'invention Comme dans les deux formes de réalisation précédentes l'éclateur tripolaire 1 a deux électrodes principales reliées l'une au fil de ligne F et l'autre à la terre Dans cette figure il y a deux circuits de découplage 2 et 5 ; le circuit de découplage 2, identique à celui de la figure 1 et le circuit de découplage 5, pratiquement identique à celui de la figure 2 à l'exception de la résistance R2 qui est supprimée. L'enroulement LI du circuit de découplage 2 est donc en série dans le fil de ligne F ; l'ensemble enroulement L3 du circuit de découplage 5 en série aveo le condensateur C est connecté entre le fil de ligne F et la terre.Les enroulements L2 et L4 des circuits de découplage 2 et 5 sont en série avec la résistance R1, l'en- semble étant connecté entre le fil de ligne F et ltélectrode de commande g de l'éclateur. L'élément 4, a variation de la résistance avec la tension, est connecté côté utilisation, entre le fil de ligne et la terre. La mise en série des enroulements L2 et L4 permet d'obtenir une tension -V4, entre l'électrode de commande &commat; g et le fil de li- gne F : V4 - M dI/dt - M1 dil/dt, ce qui permet d'obtenir l'amorçage de l'éclateur à une tension inférieure à celle des dispositifs des figures 1 et 2. il est bien connu que la tension d'amorçage d'un éclateur est liée à la rapidité de l'impulsion ; plus la pente de montée de la tension appliquée aux bornes de l'éclateur est élevée plus la tension d'amorçage est élevée. A titre d'exemple et dans le cas d'un éclateur tripolaire.pouvant supporter une tension continue de 375 volts, et qui amorce pour une tension Vo = 600 volts, pour une pente de 1 kV par microseconde. - entre l'électrode centrale et une électrode extrême, on va comparer le fonctionnement d'un éclateur utilisé dans le dispositif de l'invention avec celui d'un éclateur bipolaire de mêmes caractéristiques que ci-dessus et soumis au même type d'agression. Le type d'agression est une onde de choc normalisée 1,2/50 microsecondes, c'est-à-dire ayant un temps de montée de 1,2 microseconde et un temps de descente de 50 microsecondes, et une amplitude de 1200 volts ; on a d V/dt = 1000 V par microseconde. - L'éclateur bipolaire amorce 0,6 microseconde après le début de l'impulsion, à une tension V de 600 volts. - Dans le dispositif de l'invention représenté figure 1, la tension V1 a pour expression dans laquelle VT est la tension aux bornes de l'élément It, et li et 12 sont les self inductances des enroulements L1 et L2 du circuit de décou- plage 2. On en déduit qui donne la pente de la tension V1 lorsqu'une surtension est appliquée sur le fil F. Avec 11 = 1,6 microhenry, 12 = 50 microhenrys il vient d V1 dV = 6,6 = 6,6 kV par microseconde. dt dt Les caractéristiques de l'éclateur tripolaire donnent, pour une pente de montée en tension de 6,6 kV par microseconde, une tension d'amorçage de l'ordre de 700 volts. Avec V-T = 20 volts par exemple, et en reportant ces valeurs dans l'équation (1) on obtient V1 = 120 volts. L'éclateur amorce donc à 120 volts au lieu de 600 volts dans le cas d'un éclateur bipolaire. Le dispositif de l'invention procure donc une protection meilleure que celle qu'on obtiendrait avec un éclateur bipolaire de memes caractéristiques que l'éclateur tripolaire. Le dispositif de la figure 2 donne un résultats analogue à celui du dispositif de la figure 1. Dans les trois cas, les résistances R1 ou R2 servent à limiter le courant lorsqu'il y a amorçage entre l'électrode de commande g et l'électrode principale reliée à la terre, cet amorçage déclenchant l'amorçage de l'éclateur entre ses électrodes principales. Dans le cas d'une ligne bifilaire, chaque fil de ligne sera équipé d'un dispositif de protection de l'invention. L'invention s'applique bien entendu aux lignes électriques et aux lignes téléphoniques, et d'une manière générale à la protection de toute ligne soumise à des surtensions. Le dispositif de l'invention fonctionne dans une large plage de fréquence dont la valeur limite est déterminée par le type de transformateur utilisé (enroulements L1, L2). Lorsque la fréquence de la surtension dépasse la fréquence de coupure du transformateur les caractéristiques du dispositif sont identiques à celle d'un montage ou le fil de ligne F est relié directement à l'électrode de commande de l'éclateur tripolaire ; le dispositif de l'invention devient alors identique à l'art antérieur, pour les hautes fréquences supérieures à quelques MHz. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de protection d'une ligne contre les surtensions, comportant un éclateur connecté entre un fil de ligne (F) et la terre, et un dispositif de découplage, caractérisé par le fait que l'éclateur (1) comporte une électrode de commande (g) et que le dispositif de découplage comporte au moins un circuit de découplage (2) ayant deux enroulements (L1, L2) couplés magnétiquement, un premier enroulement (L1) étant parcouru par un courant de surtension lorsqu'une surtension est appliquée au fil de ligne, un deuxième enroulement (L2) étant relié d'un part au fil de ligne et d'autre part à l'électrode de commande (g). 2/ Dispositif de proteetion selon la revendication i, caractérisé par le fait que le deuxième enroulement (L2) est en série avec une resis- tance (R1). 3/ Dispositif de protection selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le premier enroulement (lui) du circuit de décou- plage (2) est en série avec le fil de ligne (F) et qu'un élément (4) dont la résistance varie avec la tension est connecté d'une part au fil de ligne, côté utilisation et d'autre part à la terre, le circuit formé par le premier enroulement (L1) et l'élément (4) étant en parallèle avec l'éclateur. 4/ Dispositif de protection selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que jazzle premier enroulement (L1) du circuit de décou- plage (3) est en série avec un condensateur (C), l'ensemble condensateur premier enroulement étant connecté entre le fil de ligne (F) et la terre. 5/ Dispositif de protection selon la revendication i, caracterise-par le fait qu'il comporte dewc circuits de découplage (2, 3)D que le premier enroulement (L1) de l'un des circuits de découplage (2) est en série avec le fil de ligne, que le premier enroulement (L3) de l'autre circuit de découplage (3) est en série avec un condensateur (c) l'ensemble étant connecté entre le fil de ligne et la terre, que les deuxièmes enroulements (L2, L4) des deux circuits de découplage sont reliés en série l'ensemble ainsi formé étant connecté entre le fil de ligne et l'éleetrode de commande (g), et qu'un élément (4) dont la résistance varie avec la tension est connecté d'une part au fil de ligne, côté utilisation, et d'autre part à la terre. 6/ Dispositif de protection selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les deuxièmes enroulements (L2, L4) sont en série avec une résistance CRi). 7/ Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'éclateur (1) est un éclateur tripolaire symétrique. 8/ Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'éclateur (1) est un éclateur tripolaire dissymétrique.