Brevet FR2545259A1 — publié le 19841102

_ 1- Isolateur électrique présentant une insensibilité améliorée à la Dollu- tion L'invention concerne les isolateurs électriques et plus particu- lièrement ceux dont les diélectriques sont en verre ou en porcelaine. On sait que les pollutions atmosphériques peuvent conduire, sur la surface des isolateurs, à la formation de dépôts conducteurs. La résistance électrique au niveau de la couche superficielle de l'isolateur n'étant pas uniforme, on constate en milieu humide, la pré- sence de zones sèches en série avec des zones humides. Au niveau de ces zones sèches, il peut alors se produire des gradients de tension, bien plus élevés qu'au niveau des zones humides, et susceptibles d'atteindre le seuil de claquage dans l'air. De plus lorsque l'étendue des zones sèches atteint une certaine proportion de la longueur de l'isolateur, il se produit alors un contour- nement complet de ce dernier entraînant un court-circuit pour le réseau et sa mise hors service. Afin de pallier ces inconvénients, il a déjà été proposé de revêtir la surface du diélectrique par une couche semi-conductrice, de résisti- vité ne variant pas en fonction du courant, par exemple un émail semi-conducteur, de façon à juxtaposer à la couche polluée de résis- tivité irrégulière une couche sous-jacente de résistivité constante afin de maîtriser la répartition de potentiel le long de l'isolateur. Toutefois cette solution n'est pas pleinement satisfaisante. En effet, si le courant passant dans la couche semi-conductrice n'est pas nettement supérieur à celui qui passe dans la couche polluée, la couche semi-conductrice ne joue pratiquement pas de rôle; car c'est la couche polluée qui fixe la répartition du potentiel, de façon irrégu- lière. Par contre, si le courant passant dans la couche semi-conductrice est nettement plus important que celui passant dans la couche polluée, les phénomènes résultant de la juxtaposition des zones sèches et des zones humides ne peuvent se produire, mais les pertes d'énergie sont alors trop élevées pour que cette solution soit économiquement accep- table De plus, cette solution n'est pas fiable dans le temps. On est donc obligé-d'adopter une solution de compromis, qui n'est en fait satisfaisante que pour les cas de pollution légère. -2 - Aussi, avec un revêtement semi-conducteur de résistivité définie, on ne peut, dans les cas de pollution importante, qu'atténuer les défauts explicités ci-dessus mais non pas les supprimer. La présente invention permet de remédier à ces inconvénients. Elle a pour objet un isolateur électrique présentant une insensi- bilité améliorée à la pollution comprenant un corps en un matériau diélectrique comportant un revêtement extérieur semi-conducteur carac- térisé par le fait que ledit revêtement est constitué par une céramique frittée comprenant essentiellement de l'oxyde de zinc additionné d'au moins un oxyde métallique créant une non linéarité dans la caractéris- tique tension-courant dudit oxyde de zinc, l'épaisseur dudit revêtement étant comprise entre 0,05 et 0,5 mm. Dans le revêtement conforme à l'invention, la relation entre la densité de courant et le gradient de tension est de la forme I = k V " y la plage utilisée étant telle qu'à une variation de la densité de courant de l'ordre de 106 corresponde une variation du gradient de tension voi- sine de 2 Les coefficients k et c sont caractéristiques du matériau et des dimensions géométriques (notamment ligne de fuite de l'isolateur, épaisseur du revêtement). La teneur en oxyde de zinc dans le revêtement est avantageusement supérieure à 90 %. Ledit oxyde métallique est choisi avantageusement dans le groupe formé par l'oxyde de bismuth, l'oxyde de manganèse, l'oxyde de cobalt, l'oxyde de chrome, l'oxyde d'antimoine. La caractéristique particulière du revêtement à base d'oxyde de z Inc utilisée dans le cadre de la présente invention est qu'il évite la formation locale d'arcs au niveau des zones sèches La répartition du champ électrique à la surface de l'isolateur est améliorée et on prévient ainsi l'arc de contournement. Ainsi, en cas de pollution importante, compte tenu des caracté- ristiques électriques de la couche à base d'oxyde de zinc, lorsque l'in- tensité augmente très fortement dans la couche d'oxyde de zinc, la ten- sion peut être stabilisée au-dessous du seuil de contournement dans l'air. Dès que les troubles résultant de la pollution diminuent, le cou- rant revient à une valeur très faible ne créant pas de perte d'énergie -3sensible. Ce fonctionnement se retrouve en cas de pollution légère, entrai- nant alors un très faible courant dans les zones polluées; le courant dans la couche superficielle à base d'oxyde de zinc est également très faible, ne créant pas de perte d'énergie sensible. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la des- cription qui va suivre et du dessin annexé dans lequel: La figure 1 représente schématiquement en coupe partielle une partie d'un isolateur conforme à l'invention. La figure 2 est représentative des caractéristiques électriques de l'oxyde de zinc dopé entrant dans la constitution du revêtement conforme à l'invention et d'un émail semi-conducteur utilisé selon l'art anté- rieur pour le revêtement des isolateurs. Sur la figure 1, on a représenté un tronçon 1 d'un isolateur constitué par un assemblage d'éléments isolants tels que 2 Chaque élé- ment 2 comprend substantiellement un diélectrique 3 en verre ou en por- celaine par exemple, muni d'un oapot métallique 4 et d'une tige métal- lique de solidarisation 5 Selon l'invention, le diélectrique 3 est revêtu extérieurement par une mince couche 6 à base d'oxyde de zinc dopé par au moins un autre oxyde métallique. La couche 6 peut présenter une épaisseur comprise entre 0,05 et 0,5 mm. On donnera ci-après, à titre illustratif et nullement limitatif, trois exemples de composition d'une couche de revêtement: Pour 10 grammes de matériau de revêtement 1 er exemple Zn O 9,6682 g % en mole 99 Bi O 0,2796 g % en mole 0,5 Mn O 2 0,0522 g %en mole 0,5 _ 4 - 2 ème exemple Zn O 9,1171 g % en mole 97,0 Bi 203 0,2691 g % en mole 0,5 Mn O 2 0,0502 g % en mole 0,5 Co 304 0,1391 g % en mole 0,5 Cr 203 0,0878 g % en mole 0, 5 Sb 203 0,3367 g % en mole 1 3 ème exemple Zn O 9,1171 g % en mole 97,0 Bi 203 0,2691 g % en mole 0,5 Mn 02 0,0502 g % en mole 0,5 Co 304 0,1391 g % en mole 0,5 Cr 203 0,0878 g % en mole 0,5 Sb 203 0,3367 g % en mole 1 Le mélange est fritté à 1250 C puis, pour 10 grammes de produit, on ajoute 0,5 mole de Bi 203 ( 0,2691 g de Bi 203). La composition et l'épaisseur de la couche de revêtement sont ajustées en fonction des caractéristiques électriques désirées pour ladite couche. La forme de l'isolateur intervient également. La mise en place du revêtement à base d'oxyde de zinc peut être réalisée selon différents procédés. Ainsi, avec un isolateur comportant un diélectrique en porcelaine, on commence par réaliser ledit diélectrique. Le matériau destiné à constituer le revêtement est préparé ainsi: Le mélange pulvérulent d'oxyde de zinc et des oxydes métalliques additionnels est homogénéisé et broyé, puis subit un préfrittage à l'air ambiant vers 7000 C pendant deux heures; le mélange calciné est rebroyé. De préférence on y incorpore ensuite un liant organique; on sèche l'en- semble par des moyens conventionnels et on rebroie le mélange obtenu: la granulométrie est alors de l'ordre du micron. La poudre est mise en forme, par exemple par compression, par sérigraphie, par projection ou par dép 8 t sous vide, sous forme d'une couche sur la surface externe du diélectrique L'épaisseur de la couche est choisie suffisante pour être compatible avec les échauffements qu'elle aura à subir au cours du fonctionnement de l'isolateur et en fonction des caractéristiques électriques recherchées. On réalise ensuite un frittage de l'ensemble vers 12001 C, le liant organique s'évaporant durant cette opération. Bien entendu la température utilisée pour ce traitement doit être inférieure à la température de cuisson du diélectrique, sinon on défor- merait ce dernier. Pour un isolateur en verre, qui ne peut supporter un traitement de frittage à une telle température, le dép 8 t de la couche à base d'oxyde de zinc peut être réalisé par d'autres procédés et notamment par les techni- ques de dép 8 t sous vide et de dép 8 t par projection. Sur la figure 2, on a porté en ordonnée le logarithme du gradient de tension E en k V/cm et en abscisse le logarithme de la densité de courant J en ampères/cm 2. Les mesures ont été faites à 250 C La courbe (A) est relative à un matériau répondant à la composition du premier exemple précité et la courbe (B) à un émail semiconducteur utilisé selon l'art antérieur pour le revêtement d'un isolateur. Comme on peut le constater très clairement sur la courbe (A), lorsque la densité de courant varie de 10 a 4 à le 2, c'est-à-dire dans un rapport 106, la tension ne varie même pas dans un rapport 2, alors que dans le cas de l'émail semi-conducteur (courbe B) lorsque l'intensité varie dans le rapport 10, la tension varie également dans le même rapport 10. Pour l'oxyde de zinc additionné d'oxydes métalliques, la courbe (A) répond à l'équation: I = k V t% étant compris entre 30 et 50. Si de telles propriétés électriques ont déjà été utilisées dans le domaine des parafoudres, il y a lieu de souligner que cette application diffère totalement de celle décrite dans la présente demande et que les résultats observés dans le cas des parafoudres ne peuvent être trans- posés aux isolateurs objet de la présente demande. En effet, dans les parafoudres, l'intensité du courant qui tra- verse l'oxyde de zinc est très importante, supérieure à 1000 ampères et 6 - pouvant atteindre 30000 ampères, alors que dans l'isolateur conforme à l'invention, l'intensité se situe entre le milliampère et l'ampère. Il s'ensuit en particulier, que la section d'oxyde de zinc dopé traversée dans un parafoudre est beaucoup plus importante que la section du revêtement de l'isolateur conforme à l'invention. Dans le cas de l'isolateur conforme à l'invention, l'action de la couche à base d'oxyde de zinc est locale et se manifeste en plusieurs endroits selon des intervalles de temps assez courts sans entrainer l'interruption du service. Par contre, dans les parafoudres, l'action est instantanée; elle concerne la totalité du parafoudre, qui est traversé entièrement, et entraîne l'arrêt du service par ouverture des disjoncteurs de protection de la ligne. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode de réali- sation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple, en particulier elle peut s'appliquer à des isolateurs du type support ou d'autres types. -7- REVENDICATIONS 1/ Isolateur électrique présentant une insensibilité améliorée à la pol- lution comprenant un corps en un matériau diélectrique comportant un revêtement extérieur semi-conducteur, caractérisé par le fait que ledit revêtement est constitué par une céramique frittée comprenant essentiellement de l'oxyde de zinc additionné d'au moins un oxyde métallique créant une non-linéarité dans la caractéristique tension-courant dudit oxyde de zinc, l'épaisseur dudit revêtement étant comprise entre 0,05 et 0,5 mm. 2/ Isolateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la teneur en oxyde de zinc dans le revêtement est supérieur à 90 %. 3/ Isolateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'oxyde métallique est choisi dans le groupe formé par les oxydes de bismuth, manganèse, cobalt, chrome et antimoine.