Brevet FR2622043A1 — publié le 19890421

1i 2622043 1 La présente invention concerne un dispositif de stockage d'énergie électrique à très haute tension, particulière- ment, quoique non exclusivement, approprié à être utilisé dans un générateur de Marx. Elle concerne également un procédé pour la réalisation de l'enveloppe étanche d'un tel dispositif. On sait qu'un générateur de Marx est constitué par plusieurs étages de condensateur qui sont chargés en parallèle et déchargés en série. Chaque étage de condensa- teur peut être chargé sous des tensions supérieures à plusieurs centaines de kilovolts, de sorte que la tension et l'énergie disponibles à la sortie dudit générateur peuvent respectivement atteindre quelques mégavolts et quelques dizaines de kilojoules. Par exemple, dans le document JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Vol.20 (1981) Dec.,No.12, Yusuke KUBOTA, Jun-ichi KODAIRA et Akira MIYAHARA décrivent un générateur de Marx, dans lequel l'ensemble des étages de condensateur est enfermé dans une enveloppe métallique étanche emplie d'un gaz diélectrique sous pression. Ledit ensemble des étages de condensateur est relié à ladite enveloppe par des supports. Ainsi, ladite enveloppe métallique réalise les trois fonctions suivantes: a) soutien mécanique de l'ensemble des étages de condensa- teur; b) résistance à la pression (de l'ordre de 3 à 4 bars) du gaz diélectrique; et c) écoulement des charges électriques et faradisation de l'ensemble, afin de fixer le potentiel électrique autour desdits étages de condensateur. Pour pouvoir remplir les fonctions a) et b) ci-dessus, il est nécessaire que ladite enveloppe métallique soit épaisse, de sorte qu'elle est lourde. Son poids représente généralement au moins de 30 à 40% du poids total du générateur de Marx. La présente invention a pour objet principal de remédier à cet inconvénient et de permettre la réalisation d'un dispositif de stockage d'énergie, notamment pour générateur de Marx, qui soit allégé pour pouvoir éventuellement être facilement transportable. A cette fin, selon l'invention, le dispositif de stockage d'énergie électrique à très haute tension, notamment pour générateur de Marx, comportant une pluralité d'étages de condensateur enfermés dans une enveloppe étanche contenant un gaz diélectrique sous pression, ladite enveloppe étanche étant susceptible d'assurer l'écoulement de charges électriques et portant mécaniquement lesdits étages de condensateur par l'intermédiaire de moyens d'appui intérieurs disposés entre la paroi interne de ladite enveloppe et lesdits étages de condensateur, est remarqua- ble en ce que ladite enveloppe étanche est constituée de fibres mécaniquement résistantes enrobées de résine synthétique et en ce que, en regard desdits moyens d'appui intérieurs, mais à l'extérieur de ladite enveloppe étanche, sont prévus des moyens d'appui extérieurs disposés entre la paroi externe de ladite enveloppe étanche et un support devant porter ledit dispositif de stockage d'énergie. On voit ainsi que, grace à l'invention, lesdits étages de condensateur ne sont pas directement portés par ladite enveloppe étanche, mais par lesdits moyens d'appui intérieurs et par lesdits moyens d'appui extérieurs pressant entre eux ladite enveloppe. Celle-ci doit donc être prévue seulement pour résister à la pression du gaz diélectrique et à la pression entre lesdits moyens d'appui intérieurs et lesdits moyens d'appui extérieurs et non pas pour supporter les efforts mécaniques dus au poids desdits 3. 2622043 étages de condensateur. Elle peut donc être réalisée par un matériau composite fibres-résine synthétique. De préférence, on prévoit des moyens de liaison mécanique, par exemple des vis, traversant de façon étanche ladite enveloppe et solidarisant lesdits moyens d'appui intérieurs et lesdits moyens d'appui extérieurs. L'étanchéité des passages desdits moyens de liaison mécanique est de préférence assurée par de la résine synthétique de même nature ou compatible avec celle de ladite enveloppe. De plus, on peut prévoir des moyens de fixation, tels que des sangles ou analogue, pour solidariser lesdits étages de condensateur sur lesdits moyens d'appui intérieurs. Grace à ces mesures, on voit qu'il n'est pas nécessaire que ledit dispositif de stockage d'énergie repose sur un support horizontal, lesdits moyens d'appui extérieurs formant alors un socle: au contraire, le dispositif de stockage d'énergie selon l'invention peut être suspendu ou porté en porte-à-faux par son support. Pour assurer l'écoulement des charges électriques, ladite enveloppe étanche pourrait être constituée de fibres résistantes électriquement conductrices, telles que des fibres de carbone. Toutefois, dans un mode de réalisation avantageux, ladite enveloppe étanche est réalisée en fibres résistantes électriquement non conductrices, telles que des fibres de verre. Dans ce cas, on prévoit une métallisation de la face intérieure de ladite enveloppe. Une telle métallisation peut être obtenue par une feuille de clinquant ou analogue. Par ailleurs, dans les générateurs de Marx connus, tels que celui mentionné ci-dessus, les étages de condensateur sont noyés dans un enrobage de résine synthétique diélectrique. Les résines synthétiques utilisées généralement à cet effet 2C -043 1 ont une densité élevée, de l'ordre de 1,7 g/cm3. Aussi, pour alléger encore le dispositif selon l'invention, selon une autre particularité de celle-ci, on réalise l'enrobage desdits étages de condensateur par une résine polyuréthan- ne, dont la densité est seulement de l'ordre de 1,1 g/cm3. Une telle résine peut être celle connue commercialement sous le nom de DAMIVAL (marque déposée). De plus, afin de réduire autant que possible les coûts du dispositif selon l'invention, au lieu d'utiliser, comme cela est usuel, de l'hexafluorure de soufre comme gaz diélectrique, selon une autre particularité de l'invention, le gaz diélectrique introduit dans ladite enveloppe étanche est un mélange d'hexafluorure de soufre et d'azote. Un tel mélange peut comporter 50% d'hexafluorure de soufre et 50% d'azote, en volume. Des essais ont montré que la rigidité électrique d'un tel mélange n'était pas très inférieure à celle de l'hexafluorure de soufre pur. La présente invention concerne également un procédé pour la réalisation de l'enveloppe étanche dudit dispositif de stockage d'énergie électrique. Selon un mode de mise en oeuvre avantageux, on bobine sur un mandrin des fibres résistantes enrobées de résine synthétique afin de réaliser une enveloppe au moins sensiblement fermée, on polymérise la résine synthétique de ladite enveloppe, puis, après polymérisation de ladite résine, on découpe ladite enveloppe en au moins deux tronçons et on agence des moyens de liaison étanche coopérants sur les bords en regard desdits tronçons. Lorsque, comme mentionné ci-dessus, la métallisation de l'enveloppe est assurée par une feuille de clinquant, ladite feuille est disposée sur le mandrin avant le commencement du bobinage desdites fibres résistantes. 1 Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments identiques. La figure 1 illustre schématiquement, en coupe longitudi- nale, un exemple de réalisation du dispositif selon l' invention. La figure 2 est une coupe selon la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 montre, à plus grande échelle, un détail de l'enveloppe des figures 1 et 2. - L'exemple particulier de réalisation de dispositif de stockage d'énergie électrique à très haute tension 1, notamment pour générateur de Marx à haute densité d'énergie, conforme à l'invention et montré par les figures, présente un axe horizontal H-H et repose sur un support horizontal 2. Il comporte une enveloppe fermée étanche 3, délimitant une enceinte 4, à l'intérieur de laquelle règne une ambiance d'un gaz diélectrique, constituée de 50% d'azote et de 50% d'hexafluorure de soufre (en volume). Dans l'enceinte 4 est agencé un ensemble 5 d'étages de condensateur, noyés dans une résine polyuréthanne diélectrique, de densité voisine de 1,1g/cm3. L'enveloppe 3 est constituée d'un corps principal 6 et d'un couvercle 7, assemblés l'un à l'autre de façon étanche, grâce à un joint 8, par l'intermédiaire de brides métalli- ques coopérantes 9 et 10 et de boulons 11. Les brides 9 et sont respectivement fixées au corps principal 6 et au couvercle 7 par des moyens de fixation 12 et 13. Le corps principal 6 et le couvercle 7 comportent respectivement des embases annulaires 14 et 15, elles-mêmes obturées de façon * (_ _ _ J 1 étanche par un bouchon 16 ou 17. Le corps principal 6 et le couvercle 7 sont réalisés en un matériau composite fibres de verre - résine époxy, comme il sera expliqué ci-après. Une feuille de clinquant 18 recouvre la paroi intérieure du corps principal 6 et du couvercle 7. Des appuis 19 et 20 sont disposés entre les étages de condensateurs 5 et la paroi intérieure du corps principal 6, afin de supporter lesdits étages de condensateurs. A l'extérieur de l'enveloppe 3, un socle 21 reposant sur le support 2 est disposé sous lesdits appuis 19 et 20. Des vis 22,23 traversant de façon étanche le corps principal 6 de l'enveloppe 3 solidarisent les appuis 19 et 20 du socle 21. Des sangles ou analogues 24, prenant appui sur lesdits appuis 19 et 20, entourent les étages de condensateur 5 et les solidarisent de ces derniers. Pour réaliser le dispositif conforme à la présente invention, on peut agir de la façon suivante. On commence par réaliser, en sable ou en métal, un mandrin de bobinage de l'enveloppe 3, c'est-à-dire de l'ensemble du corps principal 6 et du couvercle 7. Sur ce mandrin, on met en place les embases annulaires 14 et 15, ainsi que la feuille de clinquant 18. Ensuite, de façon connue et à l'aide d'une machine de bobinage également connue, on réalise des couches d'enroulements satellites et/ou circon- férentiels de fibres de verre imprégnées de résine synthétique polymérisables. Au cours du bobinage, on peut prévoir des surépaisseurs de renfort 25,26, par exemple destinés à la mise en place ultérieure des brides 9 et 10 et/ou à l'appui de l'enveloppe 3 sur le socle 21. 1 Lorsque le bobinage est terminé, on procède à la polyméri- sation de la résine. L'enveloppe creuse 3 ainsi obtenue est ensuite coupée pour séparer le corps principal 6 du couvercle 7. Les brides 9 et 19 sont alors mises en place respectivement sur le corps principal 6 et sur le couvercle 7. Par ailleurs, le corps principal 6 est posé sur le socle 21 et les appuis 19 et 20 sont disposés à l'intérieur dudit corps principal. Des couches de résines synthétiques 27,28 peuvent être prévues entre le corps principal 6, d'une part, et les appuis 19,20 et le socle 21 d'autre part, de sorte que la traversée des vis 22,23 est étanchéifiée. Ensuite, l'ensemble 5 des étages de condensateur est mis en place sur les appuis 19 et 20, puis fixé à ceux-ci par les sangles 24. Le corps principal 26 est alors fermé par le couvercle 7, grâce à la coopération des brides 9 et 10 et des vis 11, avec interposition du joint 8. La continuité électrique du clinquant 18 entre le corps principal 6 et le couvercle 7 est assurée par lesdites brides 9 et 10. Afin d'assurer l'étanchéité au niveau des vis 12 et 13, du clinquant peut être collé sur les têtes de ces dernières. Bien entendu les appuis 19 et 20, ainsi que le socle 21 sont réalisés en des matières non électriquement conductri- ces, comme par exemple des matériaux composites. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de stockage d'énergie électrique à très haute tension, comportant une pluralité d'étages de condensateur (5) enfermés dans une enveloppe étanche (3) contenant un gaz diélectrique sous pression, ladite enveloppe étanche (3) étant susceptible d'assurer l'écoulement de charges électriques et portant mécanique- ment lesdits étages de condensateur (5) par l'intermédiaire de moyens d'appui intérieurs (19,20) disposés entre la paroi interne de ladite enveloppe et lesdits étages de condensateur, caractérisé en ce que ladite enveloppe étanche est constituée de fibres mécaniquement résistantes enrobées de résine synthétique et en ce que, en regard desdits moyens d'appui intérieurs (19,20), mais à l'extérieur de ladite enveloppe étanche (3), sont prévus des moyens d'appui extérieurs (21) disposés entre la paroi externe de ladite enveloppe étanche (3) et un support (2) devant porter ledit dispositif de stockage d'énergie. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de liaison mécanique (22,23) traversant de façon étanche ladite enveloppe (3) et solidarisant lesdits moyens d'appui intérieurs (19,20) et lesdits moyens d'appui extérieurs (21). 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de fixation (24) pour solidariser lesdits étages de condensateur (5) sur lesdits moyens d'appui intérieurs (19,20). Z622043 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite enveloppe étanche (3) est constituée de fibres résistantes électriquement conductri- ces, telles que des fibres de carbone. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite enveloppe étanche (3) est réalisée en fibres résistantes électriquement non conductrices, telles que des fibres de verre. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite enveloppe étanche (3) comporte une métallisation (18) sur sa face intérieure. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite métallisation est obtenue par une feuille (18) de clinquant ou analogue. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les étages de condensateur (5) sont noyés dans un enrobage de résine synthétique diélectrique, caractérisé en ce que ledit enrobage est en une résine polyuréthane, dont la densité est de l'ordre de 1,1 g/cm3. 9 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel un gaz diélectrique est enfermé dans ladite enveloppe étanche, caractérisé en ce que ledit gaz diélectrique est un mélange d'azote et d'hexafluorure de soufre. 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que, en volume, ledit gaz diélectrique est composé de 50% d'azote et de 50% d'hexafluorure de soufre. 1 11 - Procédé pour la réalisation de l'enveloppe étanche du dispositif spécifié sous l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10, caractérisé en ce qu'on bobine sur un mandrin des fibres résistantes enrobées de résine synthétique afin de réaliser une enveloppe (13) au moins sensiblement fermée, en ce qu'on polymérise la résine synthétique de ladite enveloppe, en ce que, après polymérisation, on découpe ladite enveloppe en au moins deux tronçons (6,7) et en ce que l'on agence des moyens de liaison (9,10) étanche coopérants sur les bords en regard desdits tronçons. 12 - Procédé selon la revendication 11, destiné à l'obtention de l'enveloppe du dispositif spécifié sous la revendication 7, caractérisé en ce qu'une feuille de clinquant (18) est disposée sur le mandrin avant le commencement du bobinage desdites fibres résistantes. 13 - Générateur de Marx, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de stockage d'énergie tel que spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 10. 14 - Générateur de Marx, caractérisé en ce que son enveloppe étanche est obtenue par la mise en oeuvre du procédé spécifié sous l'une des revendications 11-ou 12.