Brevet FR2589015A1 — publié le 19870424

La présente invention concerne un parafoudre pour l'écouw lement de courants forts en réponse è des signaux rapides et, plus particulièrement, un parafoudre capable d'écouler des courants forts sans dommage, avec un temps de réponse compatible avec la protection contre les Impulsions Electromagnétiques Nucléaires. On connait déjà des parafoudres bipolaires comprenant une première électrode conductrice reliée s!ùn conducteur de transport d'énergie électrique, une deuxième électrode conductrice reliée a la terre et disposée à une certaine distance de la première électrode et des entretoises isolantes permettant de maintenir les deux électrodes à une distance prédéterminée l'une de l'autre. La présence d'un gaz rare dans l'espace situé entre les deux électrodes permet, par ionisation de ce gaz lorsque la tension entre les deux électrodes dépasse un seuil donné, de réaliser 11 écoulement vers la terre des charges liées à une surtension accidentelle temporaire due, notamment, à des perturbations atmosphériques. Un tel type d'éclateur de protection d'une installation électrique contre les surtensionsne permet pas de répondre de façon optimum à tous les cas de fonctionnement possibles et, notamment, ne permet pas un écoulement suffisamment rapide de charges électriques importantes vers le sol en cas d'apparition de signaux de surtension rapides, notamment parce que le seuil de déclenchement entre les electrodes est trop élevé. La présente invention vise à améliorer les dispositifs parafoudres déjà connus et à permettre, en particulier, ltecoulement efficace de courants forts en réponse à des signaux très rapides conduisant à des surtensions entre une ligne d'alimentation en énergie électrique et le sol. L'invention a, plus particulièrement, pour objet de réduire le seuil d'amorçage d'un parafoudre, tout en maintenant une possibilité d'écoulement de charges importantes. Ces buts sont atteints grâce à un parafoudre caractérisé en ce que les première et seconde électrodes définissent des parties centrales qui sont placées en regard l'une de l'autre à une distance prédéterminée l'une de l'autre, en ce qu'il comprend, en outre, une troisième électrode en forme d'anneau qui est interposée entre les première et seconde électrodes autour des parties centrales de cellesci, et dont le rebord interne est situé à une plus faible distance de la partie centrale de l'électrode reliée au conducteur de transport d'énergie électrique que de la partie centrale de 11 électrode reliée à la terre, et en ce que la troisième électrode annulaire et la seconde électrode reliée à la masse sont reliées entre elles par un condensateur. La troisième électrode constitue, avec la première électrode, un éclateur dont la tension d'amorçage est relativement basse et qui assure, de façon rapide, l'amorçage d'une petite charge dans un espace réduit, lequel amorçage crée rapidement une ionisation de l'ensemble du gaz compris entre les première et deuxième électrodes massives à plus fort pouvoir d'écoulement qui assurent l'évacuation effective vers le sol des charges liées aux surtensions transitoires. Le rebord interne de l'électrode annulaire centrale peut présenter la forme de dents de scie ou toute autre configuration visant à multiplier les points d'amorçage, tout en minimisant la capacité parasite résiduelle entre cette électrode annulaire et la pre mière électrode. D'une manière générale, le rebord interne de l'électrode annulaire centrale est situé le plus près possible de la première électrode, par exemple à une distance comprise entre environ 0,2 et 0,5 mm de la partie centrale de la première électrode. Selon un mode de réalisation particulier, les première et seconde électrodes présentent chacune une partie annulaire péri phérique en forme de bride isolée de la partie annulaire périphérique de l'autre électrode par lesdits moyens d'entretoise et d'isolation électrique. La distance entre les parties centrales des première et seconde électrodes est très nettement inférieure à la distance qui sépare les parties annulaires périphériques des première et seconde électrodes. Selon une caractéristique particulièreD les moyens d'entretoise et d'isolation électrique comprennent une première bague annulaire en matériau céramique interposée entre la partie périphérique de la première électrode et la troisième électrode annulaires et une seconde bague annulaire en matériau céramique interposée entre la troisième électrode annulaire et la partie périphérique de la seconde électrode. De preférence, les première et seconde bagues annulaires en céramique sont identiques entre elles et la partie centrale de la premiere électrode est située a une distance h1 par rapport à la partie périphérique de cette première électrode qui est supérieure à la distance h2 séparant la partie centrale de la seconde électrode et la partie périphérique de cette seconde électrode. D'autres caractéristiques et avantages de 11 invention ressortiront de la description suivante d'un mode particulier de réalisation donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexes9 sur lesquels - la fig. 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un parafoudre selon l'invention, - la fig. 2 est une vue en coupe selon la ligne Il-Il de la fbg, 1, - la fig. 3 est une représentation symbolique équivalente du para foudre de la fig. 1 en cas de surtension transitoire rapide et, - la fig. 4 montre, en coupe axiale, une variante de réalisation du parafoudre de la fig. 1. On voit, sur la fig. 1, un parafoudre 10 selon l'invention interposé entre une ligne conductrice 1 de transport d'énergie électrique et la terre. Le parafoudre 10 comprend deux électrodes métalliques massives 11, 12 en forme de coupelles disposées en regard ltune de l'autre et maintenues écartées par des anneaux isolants en céramique 14, 15 formant entretoises. Les première et deuxième électrodes conductrices 11, 12 présentent chacune une partie périphérique annulaire 111, 121 formant bride qui repose sur les anneaux de céramique 14, 15, une partie centrale plane en forme de disque 113, 123 et une partie tronconique 112, 122 de liaison entre la partie périphérique annulaire 111, 121 et la partie centrale plane 113, 123. Les parties centrales 113, i23 des première et seconde électrodes 11, 12 peuvent être écartées l'une de l'autre d'une distance d de l'ordre de 1 à 1,5 mm par exemple, pour une gamme de produits dont la tension d'amorçage statique s'étale de 200 à 400 volts. Cette dimension peut être différente pour d'autres applications, notamment pour des basses tensions de l'ordre de 90 volts où cette valeur pourrait être comprise entre environ 0,5 et 0,7 mm. Comme on peut le voir sur la fig. 1, les première et seconde électrodes 11, 12 en forme de coupelles sont dissymétriques, la première électrode 11 présentant une partie de liaison tronconique 112 s'étendant dans le sens axial sur une distance h1 plus importante que la partie de liaison tronconique 122 de la seconde électrode qui s'étend sur une distance h2. Par ailleurs, les deux anneaux isolants 14, 15, formant entretoises entre les parties périphériques formant brides 111, 121 des électrodes 1 et 2, sont identiques et servent, en outre, au maintien d'une troisième électrode métallique 13 en forme de rondelle qui est enserrée entre les anneaux isolants 14, 15 de manière à présenter un rebord interne 130 qui est situé le plus près possible de la périphérie de la partie centrale 113 de l'électrode supérieure 11 reliée à la ligne d'alimentation 1. Le rebord interne 130 de l'ouverture de l'électrode centrale annulaire 13 peut ainsi etre situé à une distance e comprise entre environ 0,2 et 0,5 mm de la périphérie-de la partie centrale 113 de l'électrode 11. Le rebord interne 130 de l'électrode centrale 13 peut présenter des pointes 131 grâce à une découpe en forme de dents de scie, comme représenté sur la fig. 2. L'électrode centrale 13 peut etre réalisée, par exemple, en un alliage de ferro-nickel et comporte un appendice 132 permettant la connexion à l'une des armatures d'un condensateur 17 dont l'autre armature est reliée à la masse. Les entretoises 14, 15, formant une paroi cylindrique extérieure pour le dispositif parafoudre, ou une enceinte extérieure indépendante 16, sont réalisées de manière à assurer une étanchéité entre l'environnement extérieur et l'espace interne 18 compris entre les électrodes 11 et 12 et les entretoises 14, 15, de telle sorte que cet espace interne 18 du parafoudre 10 peut être rempli d'un gaz, par exemple un gaz rare, tel que de l'argon, de l'hélium ou du néon, ou d'un mélange de ces gaz. Les électrodes il et 12, qui peuvent être réalisées, par exemple, en ferro-nickel ou en d'autres métaux ou alliages åppropries, sont assemblées sur les anneaux tubulaires 14, 15 en céramique par brasage ou thermo-compression, les anneaux 14, 15 pouvant être noétal- lisés ou non. L'ensemble du parafoudre 10 présente une symétrie de révolution avec une section circulaire et la coaxialité des électrodes supérieures 11, inférieure 12 et centrale 13, ainsi que des entretoises en céramique 14, 15 peut être réalisée grâce à un moule extérieur 16 en graphite ou en matériau réfractaire dans lequel sont disposés les différents composants du dispositif parafoudre. L'électrode centrale 13 présente une relativement faible épaisseur, tandis que l'électrode inférieure 12, reliée à la masse, est plus massive. Le condensateur 17 connecté, entre 11 électrode centrale 3 et l'électrode inférieure 12 reliée à la terre, peut être intégré dans la structure du parafoudre 10 selon différentes techniques qui peuvent inclure, par exemple, a mise en oeuvre d'un disque de titanate de baryum métallisé ou d'une varistance ou, encore, d'un élé- ment réalisé par sérigraphie. A titre d'exemple, pour répondre à l'arrivée d'une transitoire rapide de l'ordre de 10 kV/r s, par exemple, le condensateur 17 peut présenter une capacité de l'ordre de 150 pF. Les électrodes 11 et 12, constituant un éclateur principal, peuvent être adaptées pour créer un amorçage en statique pour une tension de l'ordre de 200 ou 250 volts, tandis que l'électrode centrale 13 peut être située par rapport à l'électrode supérieure 11 reliée à la ligne électrique 1, de manière à définir un éclateur auxiliaire créant un amorçage pour une tension de l'ordre de 80 volts. Toutefois, l'éclateur principal peut, également, s'adapter à des tensions inférieures ou supérieures à la plage de 200-250 volts pour des applications particulières. Ainsi, le parafoudre selon l'invention pourrait être adapté, par exemple, pour des tensions d'amorçage statique de l'ordre de 400 volts ou 90 volts. La troisième électrode 13 constitue, avec la première électrode 11, un éclateur auxiliaire de démarrage ou d'auto-déclenchement qui permet d'accélérer l'amorçage d'une petite charge dans un espace réduit, créant une ionisation du gaz qui, par effet d'avalanches, permet ensuite de créer un écoulement des charges vers la seconde électrode massive 12 à fort pouvoir d'écoulement, reliée à la terre. La valeur de la capacité du condensateur 17 est choisie en fonction de la pente des transitoires auxquelles le dispositif doit réagir. En régime normal, de non amorçage, la présence du condensateur 17 reste masquée vis-à-vis du réseau d'alimentation auquel est reliée la ligne 1, de sorte que ce condensateur ne crée pas d'amortissement supplémentaire sur la ligne 1. En cas d'apparition d'un signal transitoire créant une surtension, le schéma équivalent du parafoudre 10 de la fig. 1 est celui représenté sur la fig. 3. Le parafoudre 10 présente, au front d'onde du signal transitoire, un court-circuit et le signal transitoire se retrouve alors entièrement-aux bornes de l'éclateur constitué par les électrodes 11 et 13. Cette ionisation locale crée une avalanche générale dans le gaz entre les électrodes massives 11 et 12, laquelle avalanche a été initiée par l'éclateur constitué des électrodes 11 et 13. Dans cette nouvelle étape d'avalanche générale, le condensateur 17 se vide vers la terre par le canal du plasma d'arc et l'ensemble est prêt à recevoir une nouvelle impulsion de quelque polarité que ce soit. Dans la description qui précède, on a considéré le cas de coupelles dissymétriques constituant les première et seconde électrodes 11, 12. On notera que, dans un but de simplification d'outillage, les coupelles 11, 12 peuvent etre symetriques et correspondre à la forme de la plus petite coupelle 12. Dans ce cas, il est cependant nécessaire de rapporter par soudure électrique, une pièce métallique 19 sur la partie centrale 113 de l'une (1) de ces coupelles symétriques de faible hauteur, afin de recréer une disymétrie (fig. 4). La pièce rapportée 19 peut favoriser la mise en court-circuit lors de la destruction du composant, si ce paramètre est exigé et sinon se comporte de manière équivalente à la partie centrale 113 de l'électrode 11 de la fig. 1. REVENDICATIONS : 1 - Parafoudre pour l'écoulement de courants forts en reponse à des signaux rapides, comprenant une première électrode conductrice (11) reliée à un conducteur (1) de transport d'énergie électrique, une seconde électrode conductrice (12) faisant face à la première électrode (11) et reliée à la terre, des moyens (14, 15) d'entretoise et d'isolation électrique pour maintenir à une distance prédéterminée l'une de l'autre les première et seconde électrodes (11, 12) et des moyens d'étanchéité pour obturer de façon étanche l'espace compris entre les première et seconde électrodes (11, 12) et les moyens (14, 15) d'entretoise et d'isolation électrique, caractérisé en ce que les première et seconde électrodes (11, 12) définissent des parties centrales (113, 123 ; 19, 123) qui sont placées en regard l'une de l'autre à une distance predéterminée (d) l'une de l'autre, en ce qu'il comprend, en outre, une troisième électrode (13) en forme d'anneau qui est interposée entre les première et seconde électrodes (11, 12) autour des parties centrales (113, 123 ; 19, 123) de celles-ci, et dont le rebord interne est situé à une plus faible distance de la partie centrale (113 ; 19) de l'électrode (11) reliée au conducteur de transport d'énergie électrique que de la partie centrale (123) de l'électrode (12) reliée à la terre, et en ce que la troisième électrode annulaire (13) et la seconde électrode (12) reliée à la masse sont reliées entre elles par un condensateur (17). 2 - Parafoudre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rebord interne (130) de l'électrode annulaire (13) présente la forme de dents de scie (131). 3 - Parafoudre selon la revendication 1 ou 2, caractérise en ce que le rebord interne (130) de l'électrode annulaire (13) est situé à une distance comprise entre 0,2 et 0,5 mm de la partie centrale (113 ; 19) de la première électrode (11). 4 - Parafoudre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les première et seconde électrodes (11, 12) présentent chacune une partie annulaire périphérique (111, 121) en forme de bride isolée de la partie annulaire périphérique (121, 111) de l'autre électrode (12, 11) par lesdits moyens (14, 15) d'entretoise et d'isolation électrique. 5 - Parafoudre selon la revendication 4, caractérisé en ce que la distance entre les parties centrales (113, 123 ; 19, 123) des première et seconde électrodes (11, 12) est très nettement inférieure à la distance qui sépare les parties annulaires périphériques (111, 121) des première et seconde électrodes (11, 12). 6 - Parafoudre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens (14, 15) d'entretoise et d'isolation électrique comprennent une première bague annulaire (14) en materiau céramique interposée entre la partie périphérique (111) de la première électrode (11) et la troisième électrode annulaire (13), et une seconde bague annulaire (15) en matériau céramique interposée entre la troisième électrode annulaire (13) et la partie périphérique (121) de la seconde électrode (12). 7 - Parafoudre selon la revendication 6, caractérisé en ce que les première et seconde bagues annulaires (14, 15) en matériau céramique sont identiques entre elles. 8 - Parafoudre selon la revendication 4 et l'une quelconque des revendications 6 et 7, caracterise en ce que la partie centrale (113 ; 19) de'la première électrode (11) est située à une distance (h1) par rapport à la partie périphérique (111) de cette première électrode (11) qui est supérieure à la distance (h2) séparant la partie centrale (123) de la seconde électrode (12) et la partie périphérique (121):de cette seconde-electrode (12). 9 - Parafoudre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'espace compris entre les première et seconde électrodes (11, 12) et les moyens (14, 15) d'entretoise et d'isolation électrique est rempli d'un gaz rare, tel que de l'argon, de l'hélium, du néon, ou d'un mélange de ces gaz. 10 - Parafoudre selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il présente une symétrie de révolution. 11 - Parafoudre selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la distance entre les parties centrales (113, 123 ; 19, 123) des première et seconde électrodes (11, 12) est comprise entre environ 0,5 et 1,5 mm.