Brevet FR2563058A1 — publié le 19851018

DISPOSITIF DE PROTECTION D'UN EQUIPEMENT ELECTRIQUE RELIE A UN ROSEAU BASSE-TENSION CONTRE LES FORTES IMPULSIONS ELECTROMAGNETIQUES, NOTAMMENT DUES A LA FOUDRE La présente invention a pour objet un dispositif de protection d'un équipement électrique relié à un réseau basse-tension contre les fortes impulsions électromagnétiques. Le dispositif de L'invention vise à la protection contre des impulsions électromagnétiques intenses telles que celles produites par La foudre. A fortiori, le dispositif de l'invention peut être utilisé pour se protéger d'un champ électromagnétique perturbateur moins intense. De façon globale, on peut considérer que les effets perturbateurs sur les équipements électriques sont provoqués par deux causes qui sont d'une part le couplage direct d'un champ électromagnétique avec L'équipement électrique et d'autre part L'injection par Les liaisons (de télécommunications, électriques, ...) dont est pourvu cet équipement. Cette injection est elle-même due au couplage des Liai sons avec le champ électromagnétique. Le couplage direct peut être éliminé de manière connue, en disposant L'équipement à protéger dans une enceinte radioélectriquement blindée (cage de Faraday). Cette protection est toutefois inefficace si L'équipement disposé dans la cage de Faraday est relié à un autre équipement extérieur à la cage de Faraday, par exemple le réseau basse-tension, par une liai son non protégée. L'injection d'une impulsion électromagnétique sur la liaison se traduit par une impulsion parasite de tension etSou de courant de valeur maximale très importante. Dans le cas de la foudre, la tension peut atteindre 10 kV et l'intensité 20 kA. Une tel le impulsion se propageant sur le réseau électrique basse-tension, atteint l'équipement électrique sur une entrée ou iL reçoit normalement un signal de tension inférieur à 500 V. Cette impulsion a donc de fortes chances d'endommager très sérieusement cet équipement électrique. Il est difficile de se protéger d'une telle perturbation à cause des niveaux de tension et d'intensité atteints, mais surtout à cause de la très grande vitesse de montée de cette impulsion. La pente de celle-ci peut en effet atteindre plusieurs kilovolts par nanoseconde dans le cas de la foudre. Un dispositif de protection contre une impulsion à temps de montée aussi bref doit donc être très rapide. L'invention a précisément pour objet un tel dispositif de protection. -Ce dispositif est relié en entrée à une liaison électrique non protégée, donc susceptible de véhiculer une impulsion électromagnétique perturbatrice de forte intensité. Il délivre en sortie, sur une liaison située dans la cage de Faraday, donc protégée, un signal filtré ayant un niveau compatible avec le bon fonctionnement de L'équipement électrique relié à cette liaison. De manière plus précise, L'invention a pour objet un dispositif de protection d'un équipement électrique relié à un réseau basse-tension contre les fortes impulsions électromagnétiques, ledit équipement étant contenu dans une enceinte radioélectriquement isolée et étant relié au réseau par une ligne d'alimentation, le dispositif de protection, disposé dans une enceinte radioélectriquement isolée, comprenant en série au moins un écrêteur et un moyen de filtrage composé d'au moins un filtre passe-bas en L. Un filtre passe-bas en L comprend une inductance en série sur la Ligne suivie d'un condensateur en dérivation. Selon un mode avantageux de réalisation, le moyen de filtrage comprend une inductance en amont des filtres passe-bas. Selon un autre mode avantageux de réa I i s-a- tion, le moyen de filtrage comprend un transformateur d'isolement en aval des filtres passe-bas. De manière préférée, chaque écrêteur du dispositif de protection comprend un éclateur. De manière préférée, chaque écrêteur comprend en outre une varistance. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente un synoptique du dispositif de protection de l'invention et, en correspondance, l'allure d'une impulsion électrique véhiculée par la liaison, - la figure 2 illustre schématiquement un mode de réalisation du dispositif de protection selon l'invention, - la figure 3 représente un mode de réalisation du filtre passe-bas, - les figures 4a et 4b illustrent respectivement une application du dispositif de l'invention au réseau monophasé et au réseau triphasé, - les figures 5a et 5b illustrent un mode d'implantation du dispositif de l'invention sur une cage de Faraday. La figure 1 est un synoptique du dispositif de protection de l'invention. Sur cette figure, on a représenté un équipement électrique 2 disposé dans une cage de Faraday 4 et relié à l'extérieur par une liaison 6. Une ouverture 8 pratiquée dans la cage de Fara day 4 permet Le passage de cette liai son. Cette ouverture est réalisée selon des règles connues de l'homme de l'art de manière à maintenir l'isolement radioélectrique de t'équipement 2. Le dispositif de protection 10 est placé en série sur la liaison 6. Il est disposé relativement à la cage de Faraday 4 selon des règles également connues de l'homme de l'art afin que la Liaison 6 soit protégée des perturbations électromagnétiques. Il est disposé dans une enceinte radioélectriquement isolée (non représentée). Il reçoit sur son entrée 12 un signal électrique basse-tension auquel est éventuellement superposée une impulsion électromagnétique perturbatrice. Il délivre sur sa sortie 14 un signal électrique dans lequel les impulsions parasites sont suffisamment atténuées pour ne pas perturber l'équipe- ment. Le dispositif de protection 10 est constitué de deux parties : un ensemble d'écrêteurs 16 et un moyen de filtrage 18, disposés en série. L'ensemble d'écrêteurs comprend un ou plusieurs écrêteurs en pa allèle. Il a pour rôle de dériver le maximum de courant et/ou d'énergie vers la terre et d'amener le niveau de tension de l'impulsion à une valeur minimale. La qualité essentielle demandée à l'ensemble d'écrêteurs est la rapidité, afin de~ dériver de la liaison le maximum d'intensité d'une impulsion électromagnétique. Le moyen de filtrage 18 a également pour rôle d'écouler du courant et/ou de l'énergie non derivé à l'écrêtage, mais aussi celui d'atténuer le niveau de tension de l'impulsion apres l'écrêtage notamment dans la partie haute fréquence du spectre de L'impulsion. A cet effet, il comprend un filtre passe-bas. Il va de soi que la sortie 14 du dispositif de protection 10 est protégée contre les perturbations électromagnétiques. Ceci est facilement réalisable par L'homme de L'art par exemple en fixant le dispositif de protection 10 sur la paroi externe de la cage de Faraday 4. La figure 2 est un dessin schématique d'un mode de realisation du dispositif de protection. Dans ce mode de réalisation, l'ensemble d'écrêteur comprend un seul écrêteur 17 constitué d'un éclateur 20 en série avec une varistance 22. Les caractéristiques de cet écrêteur sont sa rapidité et sa faible tension résiduelle. L'éclateur doit être trés rapide afin d'écrêter des impulsions dont la pente peut atteindre quelques kilovolts par nanoseconde. L'ajout de la varistance 22 en série avec l'éclateur présente des avantages mais n'est cependant pas absolument nécessaire. Cette varistance permet l'extinction de l'écla- teur après sa commutation sur l'impulsion perturbatrice. L'écrêteur peut être notamment un parafoudre de type 8134 produit par la Société SOULE, Issy les Moulineaux, France.Cet écrêteur comporte un éclateur 20 préionisé et une varistance 22 constituée d'une résistance de Carbosial. L'éclateur préionisé est constitué par deux disques métalliques, l'un embouti, l'autre plan séparés par une cale isolante assurant l'ionisation de l'intervalle explosif. Ces éléments constitutifs sont assemblés par collage à la presse et forment ainsi un éclateur clos. Lorsqu'une surtension arrive sur l'écrêteur, la préionisation de l'éclateur est assurée par formation d'effluves périphériques à une tension nettement inférieure à la tension disruptive. L'amorçage se produit donc sans retard appréciable quelle que soit La raideur du front de l'onde incidente. Le courant de décharge s'écoule à la terre à travers la ré sistance semi-conductrice du Carbosial. Celle-ci a une résistivité qui décroit très rapidement en fonction de la tension qui lui est appliquée Lorsque, après le passage de ta surtension, la tension décroît et se rapproche de la valeur de la tension de service, la déionisation dans la résistance semi-conductrice de Carbosial est à peu près instantanée et le courant prend une valeur si faible que le courant de suite est pratiquement nul et que l'arc dans l'éclateur s'éteint spontanément. La varistance peut écouler une intensité de 10 kA. La tension résiduelle à la sortie de L'écrêteur peut ainsi être limitée à environ 2 kV. L'impulsion perturbatrice résiduelle peut donc être encore relativement importante. Une grande partie de cette énergie résiduelle est concentrée dans la partie haute fréquence du spectre de l'impulsion car L'écrêteur, dont le temps de montée est faible mais non nul, ne peut annuler totalement le front montant de l'impulsion. Le moyen de filtrage 18 comprend une inductance 24, un filtre passe-bas 26 composé d'une inductance 28 et d'un condensateur 30 formant un filtre en L, et un transformateur d'isolement 32. Ce moyen de filtrage en 3 élements est particulièrement efficace pour atténuer le signal délivré par I'écrêteur et notamment les hautes fréquences de ce signal. Cependant, le coût et l'encombrement de cet ensemble sont également élevés. On pourra donc,-selon les applications supprimer l'inductance 24 et/ou le transformateur d'isolement 32, ce dernier entrant pour une part importante dans l'encombrement du dispositif et dans son coût. L'utilisation d'une inductance 24 en tette du moyen de filtrage 18 permet de diminuer la tension et surtout le courant injectés dans le filtre 26. Par con séquent, ceci conduit à réduire la tension résiduelle en sortie du moyen de filtrage 18. Son adjonction en tre L'écrêter et le filtre passe-bas contribue égale ment à l'optimisation de l'association écrêteur-fil tre passe-bas en renforçant la structure en L du fil tre passe-bas. Cette inductance 24 peut être avanta geusement une inductance à air qui a de bonnes carac téristiques d'atténuation aux hautes fréquences. Le filtre 26 est un filtre passe-bas qui permet de laisser passer sans atténuation le signal nominal du réseau. Ce filtre doit avoir une impédance d'entrée la plus élevée possible pour les fréquences élevées du spectre afin que le maximum de courant soit écoulé par l'écrêteur lorsque celui-ci est amorcé et que son impédance est faible. A titre d'exemple, le filtre représenté sur la figure comporte une seule cellule inductance-con densateur en L. On peut également utiliser plusieurs cellules en série si on désire une atténuation plus importante. Un filtre selon ce mode de réalisation sera décrit en référence à La figure 3. Sur la figure 2, le dernier élément du moyen de filtrage 18 est un transformateur d'isolement 32. Celui-ci permet de diminuer les couplages. On a représenté sur la figure 3 un mode de réalisation du filtre passe-bas 26 comprenant deux cellules de filtre en L. La première cellule comporte une inductance 34 et un condensateur 36, la seconde une inductance 38 et un condensateur 40. Ces deux cel lules peuvent être identiques. Chaque cellule est placée dans un caisson radioélectriquement protége (non représenté). Les capacités coaxiales 42 et 44 permettent la liaison des cellules sans détruire leur isolement. Pour avoir une impédance élevée aux hautes fréquences, on peut utiliser une inductance à circuit magnétique constitué de feuilles de faible épaisseur en fer-silicium à grains orientés. Le demandeur a réalisé un filtre conforme à la figure 3 dont les caractéristiques sont : inductances 34, 38 : 205 pF condensateurs 36, 40 : 12 pF 270V condensateurs coaxiaux 42, 44 : 1 pF L'atténuation obtenue avec ce filtre est de 40 dB à la fréquence de 10 kHz et est supérieure à 80 dB au-delà de 30 kHz. On a représenté sur les figures 4a et 4b l'application du dispositif de l'invention à la protection d'un équipement électrique relié au réseau monophasé et au réseau triphasé. Sur les deux figures, l'équipement électrique 2 est disposé dans une cage de Faraday 4. Un dispositif de protection 10 est disposé sur chacune des deux Lignes d'alimentation dans le cas monophasé de la figure 4a et sur-chacune des trois lignes d'alimentation de phases 01, 2 et 3 dans le cas triphasé de la figure 4b. -Les dispositifs de protection disposés sur les différentes lignes d'un même réseau sont identiques. Sur les figures 4a et 4b, chaque dispositif comprend un ensemble d'écrêteurs 16, une inductance 24 et un filtre passe-bas 26 comprenant au moins un filtre passe-bas en L. On va maintenant décrire l'implantation d'un ensemble de dispositifs de protection, dans le cas d'un réseau basse-tension triphasé. Ces dispositifs de protection sont disposés dans une armoire métallique qui constitue un premier isolement radioélectrique. Les figures Sa et 5b montrent respectivement une vue de face et une coupe de côté de cette implan station. L'armoire métallique 46 comporte une ouverture 47 pour le passage des Lignes d'alimentation 1, 02 et 3. Elle est également pourvue d'une porte 48 permettant l'accès aux dispositifs de protection. Cette armoire comporte trois écrêteurs 16 disposés chacun sur une ligne d'alimentation et trois boitiers 50 contenant un moyen de filtrage muni d'au moins un filtre passe-bas en L. Ces éléments sont fixés sur un support 52. L'armoire comprend également un caisson de sortie 54 pour isoler les lignes d'alimentation 561 562 et 563 entre la sortie des boîtiers 50 et la cage de Faraday 4. Ce caisson de sortie est disposé directement à la sortie des boîtiers 50. Il comporte une partie tubulaire 58 traversant le fond de l'armoire et la cage de Faraday 4. Il peut comporte une face avant amovible 60 pour faciliter la vérification des connexions. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection d'un équipement électrique relié å un réseau basse-tension contre les fortes impulsions électromagnétiques, ledit équipement étant contenu dans une enceinte radioélectrique- ment isolée et étant relié au réseau par une ligne d'alimentation, ledit dispositif de protection (10), étant dans une enceinte radioélectriquement isolée et étant caractérisé en ce qu'il comprend en série au moins un écrêteur (16)- et un moyen de filtrage (18) composé d'au moins un filtre passe-bas en L. 2. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de filtrage comprend une inductance (24) en amont des filtres passe-bas. 3. Dispositif se protection selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de filtrage comprend un transformateur d'isolement (32) en aval des filtres passe-bas. 4. Dispositif de protection selon L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque écrêteur (17) comprend un éclateur (20). 5. Dispositif de protection selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque écrêteur (17) comprend en outre une varistance (22) en série avec l'éclateur (20).