Brevet FR2635609A1 — publié le 19900223

CONDENSATEUR BASSE TENSION AUTO-PROTEGE La présente invention concerne les condensateurs de puissance basse tension généralement utilisés pour la correction du facteur de puissance dans la distribution électrique basse tension. On connaet déjà de tels condensateurs de puissance basse tension constitués d'un ou plusieurs éléments condensateurs, chaque élément comportant un enroulement cylindrique de couches isolantes et de couches conductrices de l'électricité formant une première et une seconde électrode de type auto-cicatrisant isolées l'une de l'autre. En pratique, un élément condensateur est réalisé par l'enroulement de films plastiques métallisés, et le condensateur consiste en un assemblage d'éléments bobinés, connectés selon un arrangement série et/ou parallèle en fonction de la puissance désirée. Le condensateur est dit auto-cicatrisant lorsque la présence de défauts mineurs dans le film diélectrique entraîne un claquage localisé qui conduit à l'évaporation des électrodes au voisinage du défaut, sans dommages pour le film adjacent. Lors de sollications anormales, notamment de surtensions ou d'élévations de température, un claquage diélectrique peut détériorer les qualités d'auto-cicatrisation du condensateur. L'augmentation résultante du courant qui traverse l'élé- ment provoque une évolution de température au voisinage du défaut et une production de gaz de décomposition du film plastique. L'élément étant généralement disposé dans un bottier étanche, le bottier peut éclater sous l'effet de la pression produite par le gaz. Pour éviter les risques d'explosion, plusieurs solutions ont été proposées dans le passé. Une première solution consiste à placer les éléments dans des bottiers métalliques étanches imprégnés avec des huiles diélectriques. Sous l'effet des gaz, le bottier se déforme et provoque l'arrachement de connexions qui relient le condensateur au réseau électrique. Aucun risque d'explosion n'est alors susceptible de se produire car aucun réamorçage n'est possible dans de l'huile. Une telle solution présente toutefois de nombreux inconvénients: elle nécessite d'utiliser de grandes quantités d'huile, ce qui augmente les risques d'incendie; un seul défaut provoque la mise hors service de l'ensemble du condensateur. D'autre part, l'utilisation de l'huile en tant que diélectrique susceptible d'emp&cher les réamorçages électriques s'avère peu adaptée à une solution dans laquelle l'élément de condensa- teur est noyé dans une résine formant un enrobage complet. Il apparalt en effet difficile de maintenir l'huile en forme et en place avant et pendant formation de l'enrobage en résine. On est donc conduit à préférer les condensateurs dits "secs". Une seconde solution consiste à introduire chaque élément dans un pot métallique ou plastique individuel, le tout étant enrobé de résine bicomposant. L'augmentation de pression provoque alors une déformation du bottier, et l'on prévoit un couvercle déformable ou éjectable sous l'effet de la pression, cette déformation ou éjection arrachant un fil de connexion de l'élément pour assurer sa déconnexion électrique. La protection ainsi obtenue est efficace pour les faibles surintensités, mais elle présente l'inconvénient d'une possibilité de réamorçage quand la déconnexion a lieu avec des courants de court- circuit importants. Un tel réamorçage provoque l'ouverture ou l'explo- sion du bottier, avec des risques d'incendie ou tout au moins un fort dégagement de fumées endommageant les équipements voisins. Le brevet FR-A-2 598024 décrit une troisième solution dans laquelle on introduit chaque élément dans un pot plastique et on utilise la déformation d'une membrane qui provoque la fermeture d'un contact court-circuiteur mettant en court-circuit franc l'élément du condensa- teur. On provoque alors le fonctionnement d'un appareil de protection disposé en amont dans le circuit électrique, par exemple un disjoncteur ou un fusible, éliminant le court-circuit. Une telle solution nécessite de prévoir des pièces en mouvement relativement nombreuses, ce qui augmente sensiblement le coût de production d'un tel condensateur. D'autre part, la durée de vie d'un tel condensateur se trouve limitée par le fait que la protection mécanique externe des éléments est très faible. La présente invention a notamment pour objet de permettre la réalisation d'un condensateur de puissance basse tension auto-cicatri- sant, équipé d'une protection efficace et peu onéreuse, dans lequel chaque élément est enrobé sous vide dans de fortes épaisseurs de résine. Dans un tel condensateur, l'apparition de claquages localisés d'impor- tance déterminée provoque la coupure du circuit électrique de l'élément tout en évitant les phénomènes de réamorçage. Dans un tel condensateur, l'élément est mécaniquement bien maintenu dans la résine, ce qui augmente sensiblement la durée de vie du condensateur. La structure de condensateur selon l'invention permet, lors de la construction, de noyer et surmouler sous vide un élément dans la résine tout en évitant de manière trs simple la pénétration de résine dans les zones dans lesquelles elle serait indésirable. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, le condensateur selon la présente invention comprend au moins un élément à enroulement cylindrique de couches isolantes et de couches conductrices de l'élec- tricité formant une première et une seconde électrodes de type auto- cicatrisant isolées l'une de l'autre; la première électrode est connectée électriquement à un premier conducteur d'entrée du condensa- teur; la seconde électrode est connectée électriquement à un second conducteur d'entrée du condensateur par l'intermédiaire d'un fil fusible susceptible de fondre et de couper la circulation de courant électrique lorsque le condensateur est traversé par une intensité supérieure à un seuil déterminé; l'élément de condensateur est inséré dans une enceinte étanche, les conducteurs d'entrée traversant de manière étanche la paroi de l'enceinte; une membrane déformable divise l'espace intérieur de l'enceinte en deux compartiments, un premier compartiment contenant l'élément à enroulement cylindrique d'électrodes, un second compartiment contenant un gaz tel que l'air, la membrane étant susceptible de se déformer sous l'action de la pression de gaz produits par la décomposi- tion d'une portion de l'élément à enroulement cylindrique en cas de claquages auto-cicatrisants; la membrane est reliée mécaniquement à une portion de premier conducteur d'entrée pour provoquer le déplacement de ladite portion de conducteur lors de la déformation de la membrane; une partie cassable de premier conducteur d'entrée est tendue entre un point fixe disposé à l'intérieur du premier compartiment et la portion de premier conducteur reliée mécaniquement à la membrane, de sorte que la déformation de membrane produit une tension de la partie cassable de conducteur d'entrée, ladite partie cassable présentant une résistance mécanique limitée telle qu'elle se rompt sous l'action d'une tension supérieure à un seuil de traction déterminé; la partie cassable de conducteur d'entrée est noyée dans un diélectrique pâteux évitant le réamorçage électrique après rupture de la partie cassable. Selon un mode de réalisation particulier, la partie cassable de conducteur d'entrée est constituée d'un fil fusible de diamètre choisi pour présenter la résistance mécanique limitée appropriée, ledit fil fusible présentant la double propriété d'être cassable sous l'action d'une traction par déformation suffisante de membrane, et d'être fusible sous l'action d'un échauffement provoqué par un courant d'intensité suffisante. Selon un mode de réalisation particulier, le conducteur d'entrée comprend en outre une seconde portion de fil fusible également noyée dans le diélectrique pâteux. Selon un mode de réalisation avantageux, la membrane déformable est associée à une seconde membrane formant avec elle une capsule étanche remplie d'un gaz tel que l'air; la capsule étanche forme le second compartiment de l'espace intérieur de l'enceinte enfermant l'élément à enroulement cylindrique; l'épaisseur de la capsule est choisi suffisante pour autoriser une déformation de membrane déformable telle qu'elle assure la rupture de la partie cassable de conducteur d'entrée. La membrane déformable recouvre de préférence l'une des faces d'extrémité de l'élément à enroulement cylindrique, et une quantité de diélectrique pâteux est disposée dans la zone située entre ladite face d'extrémité de l'élément à enroulement cylindrique et la membrane déformable. On constate que, lors de la fabrication du condensateur, la résine diélectrique formant la paroi de l'enceinte vient mouler étroitement l'élément à enroulement cylindrique sans pénétrer dans la zone occupée par le diélectrique pâteux. Cet effet peut être obtenu notamment en utilisant un diélectrique pâteux constitué d'une graisse au silicone. Selon un mode de réalisation particulier, on dispose également une pellicule de diélectrique pâteux sur au moins certaines parties de la face extérieure latérale de l'élément à enroulement cylindrique; lors du surmoulage en résine diélectrique tout autour de l'élément, le diélectrique pâteux forme des zones de cheminement préférentiel des gaz autour de l'élément à enroulement cylindrique, au moins dans certaines portions de la périphérie de l'élément à enroulement cylindrique. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisa- tion particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: - la figure 1 représente une vue schématique en coupe axiale d'un élément de condensateur selon l'invention en position normale de fonctionnement; et - la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1, montrant l'élément lors d'une surpression interne conduisant à l'ouverture du circuit électrique. Comme le représentent les figures, un élément de condensateur selon la présente invention comprend au moins un élément 1 à enroulement cylindrique de couches isolantes et de couches conductrices de l'élec- tricité formant une première et une seconde électrodes de type auto- cicatrisant isolées l'une de l'autre. La première électrode est connectée électriquement à un premier conducteur d'entrée 2 du condensa- teur. La seconde électrode est connectée électriquement à un second conducteur d'entrée 3 du condensateur. Ltélément 1 à enroulement cylindrique présente une première face d'extrémité 4, une seconde face d'extrémité 5, une face latérale cylindrique 6, et un canal axial traversant 7. La première électrode est reliée au premier conducteur 2 par une première soudure 8 disposée en zone périphérique de la première face d'extrémité 4 de l'élément cylindrique 1. La première soudure 8 est connectée électriquement à un fil fusible 9. Le fil fusible 9 comporte une partie radiale 10 suivie d'une partie axiale 11 à laquelle elle est reliée par une portion 160 intermédiaire, l'extrémité de la partie axiale 11 étant solidarisée à un point fixe formé par l'extrémité 12 d'un conducteur axial 13 de forte section traversant le canal 7 et formant le premier conducteur 2. Une membrane déformable 14 recouvre la première face d'extrémi- té 4 de l'élément 1 à enroulement cylindrique, sur laquelle elle est appliquée par un rebord périphérique 15. Le rebord périphérique 15 recouvre partiellement la face latérale 6 de l'élément 1 à enroulement cylindrique. La partie centrale de la membrane 14 est solidarisée au fil fusible 9, par une soudure 16, dans la portion de fil fusible 9 séparant la partie radiale 10 et la partie axiale 11 du fil fusible. La partie axiale 11 de fil fusible 9 se trouve tendue entre l'extrémité 12 du conducteur 13 et la soudure 16 de la membrane 14. La soudure 16 est réalisée par exemple sur un rivet métallique solidaire de la membrane 14. La membrane 14 est solidarisée à sa périphérie à une seconde membrane 17 formant avec elle une capsule étanche et définissant un compartiment 18 enfermant un gaz tel que l'air. Les membranes 14 et 17 peuvent, par exemple, être réalisées en chlorure de polyvinyle. Le canal 7 axial, traversé par le conducteur axial 13, comporte un tube isolant 19, et une pièce d'extrémité 20. La pièce d'extrémité 20 comprend un corps tubulaire axial se terminant vers l'intérieur du canal 7 axial par un rétrécissement 21 destiné à retenir l'extrémité 12 du conducteur 13 axial. L'extrémité 12 de ce conducteur est avantageusement formée en boule, comme le représente la figure, ladite boule venant reposer dans le fond du rétrécissement 21. L'autre extrémité de la pièce comporte une collerette 22 venant en appui sur la première face d'extrémité 4 de l'élément 1 à enroulement cylindrique. Une traction axiale du premier conducteur 2 vers le bas dans le sens représenté sur la figure applique la première extrémité 12 dans le fond du rétrécisse- ment 21, et applique la collerette 22 contre la première face d'extrémité 4 de l'élément 1. Le second conducteur 3 est relié à la seconde électrode par une soudure 23 réalisée sur la deuxième face d'extrémité 5 de l'élément 1. Le rétrécissement 21 de la pièce d'extrémité 20, et l'extrémité 12 du conducteur axial 13, occupent une position intermédiaire dans le canal 7. De préférence, ces éléments sont disposées à une distance de deux à trois centimètres à partir de la première face d'extrémité 4 de l'élément 1. Il en résulte que la longueur de portion axiale 11 de fil fusible est de deux à trois centimètres. - Un espace relativement réduit est ménagé entre la membrane 14 déformable et la première face d'extrémité 4 de l'élément 1 à enroulement cylindrique.- Cet espace est rempli d'un diélectrique pâteux tel qu'une graisse au silicone. On peut, par exemple, utiliser une graisse vendue sous la référence RHODERFIL PATE 4 par la société française RHODERFIL SILICONE. La graisse au silicone remplit également l'espace intérieur de la pièce d'extrémité 20. Il en résulte que la graisse au silicone enrobe la totalité du fil fusible 9, et notamment la partie axiale 11 du fil fusible. L'ensemble formé par la capsule 14-18 et l'élément 1 à enroulement cylindrique est noyé sous vide dans une résine diélectrique durcissable 24 formant la paroi de l'enceinte et enfermant la totalité de l'élément de condensateur. Ainsi, la résine 24 vient en appui contre la seconde face d'extrémité 5 et contre la face latérale 6 de l'élément 1 à enroulement cylindrique, et contre la seconde membrane 17 de la capsule 14-18. La présence du diélectrique pâteux 25 empêche la pénétration de résine 24 dans la zone située entre la membrane 24 et l'élément 1 à enroulement cylindrique. La résine 24 peut, par exemple, itre une résine polyuréthanne chargée. Le fonctionnement du dispositif est le suivant: en position de fonctionnement normal, représenté sur la figure 1, la portion centrale de membrane 14 est en appui sur la collerette 22 de la pièce d'extrémité , la partie axiale 11 de fil fusible étant sous faible tension mécanique. Lorsqu'il se produit des claquages partiels autocicatrisants de l'élément 1 à enroulement cylindrique, des dégagements gazeux interviennent par décomposition des matières constituant l'élément 1 au voisinage de la zone de claquage; les gaz produits tendent à augmenter la pression dans le compartiment formé par l'élément 1, et à repousser la membrane 14 en direction de la seconde membrane 17, comprimant l'air contenu dans le compartiment 18. Le déplacement de la membrane 14 s'effectue à l'encontre de l'effort de retenue exercé par la partie axiale 11 de fil fusible. Lorsque la pression des gaz devient suffisante et dépasse un seuil déterminé, la force de traction exercée sur la partie axiale 11 de fil fusible produit sa rupture, et le dispositif passe- dans un état tel que représenté sur la figure 2. Dans cet état, la partie axiale 11 s'est brisée, et le diélectrique pâteux 25 sépare les deux extrémités de fil fusible, évitant l'apparition d'un réamorçage par arc électrique entre ces deux extrémités. Selon un mode de réalisation perfectionné, on prévoit, sur la face latérale externe 6 de l'élément 1 à enroulement cylindrique, des passages privilégiés pour les gaz produits par les claquages partiels. Ces passages sont réalisés en déposant, sur au moins certaines zones de la face latérale 6, une couche 26 de diélectrique pâteux tel que le diélectrique 25. Dans les zones dans lesquelles a été déposé le diélectrique pâteux, la résine 24 ne vient pas au contact de la face latérale périphérique 6 de l'élément 1, et définit les zones de passage privilégié des gaz. Les gaz produits sont alors conduits jusqu'à l'espace occupé entre la membrane 24 et l'élément 1. On prévoit, en particulier, de déposer le diélectrique pâteux sur les portions d'élément 1 en regard des parois de résine les plus fragiles. Le fil fusible 9 est constitué d'un fil d'alliage de cuivre et d'argent de faible section. Ce fil peut aussi assurer une fonction de fusible en cas de fort courant. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisa- tion qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendica- tions ci-après. REVENDICATIONS i - Condensateur basse tension de puissance auto-protégé, - comprenant au moins un élément (1) à enroulement cylindrique de couches isolantes et de couches conductrices de l'électricité for.ant une première et une seconde électrodes de type auto-cicatrisant isolées l'une de l'autre, - la première électrode étant connectée électriquement à un premier conducteur d'entrée (2) du condensateur, - la seconde électrode étant connectée électriquement à un second conducteur d'entrée (3) du condensateur par l'intermédiaire d'un fil fusible (9) susceptible de fondre et d'interrompre la circulation de courant électrique lorsque le condensateur est traversé par une intensité supérieure à un seuil déterminé, l'élément (1) à enroulement cylindrique étant inséré dans une enceinte étanche, les conducteurs d'entrée (2, 3) traversant de manière étanche la paroi de l'enceinte, - une membrane déformable (14) divisant l'espace intérieur de l'enceinte en deux compartiments, un premier compartiment contenant l'élément (1) à enroulement cylindrique d'électrodes, un second compartiment (18) contenant un gaz tel que l'air, la membrane déformable (14) étant susceptible de se déformer sous l'action de la pression de gaz produit par la décomposition d'une portion de l'élément (1) à enroulement cylindrique en cas de claquage auto- cicatrisant, - la membrane déformable (14) étant reliée mécaniquement à une portion (160) du premier conducteur d'entrée (2) pour provoquer le déplacement de ladite portion (160) du conducteur lors de la déformation de la membrane, caractérisé en ce que une partie cassable (11) de premier conducteur d'entrée (2) est tendue entre un point fixe (12) disposé à l'intérieur du premier compartiment (1) et la portion (160) de conducteur reliée mécaniquement à la membrane (14) déformable, de sorte que la déformation de membrane produit une tension de la partie cassable (11) de conducteur d'entrée, ladite partie cassable présentant une résistance mécanique limitée telle qu'elle se rompt sous l'action d'une tension supérieure à un seuil de traction déterminé, - la partie cassable (11) de conducteur d'entrée est noyée dans un diélectrique pâteux (25) évitant le réamorçage électrique après rupture de la partie cassable (11). 2 - Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie cassable (11) de conducteur d'entrée est constituée d'un fil fusible (9) de diamètre choisi pour présenter la résistance mécanique limitée appropriée. 3 - Condensateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le conducteur d'entrée comprend une seconde portion constituée de fil fusible (10), également noyée dans un diélectrique piteux (25). 4 - Condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que: - l'élément (1) à enroulement cylindrique comporte un canal axial traversant (7) traversé par le premier conducteur d'entrée (2), le premier conducteur d'entrée (2) comprenant un conducteur de forte section (13) axial dont l'extrémité (12) occupe une position intermé- diaire dans le canal axial et forme le point fixe auquel est solidarisée une première extrémité de la partie cassable (11) de conducteur d'entrée, - la membrane déformable (14) recouvre l'une des faces d'extrémité (4) de l'élément à enroulement cylindrique (1), - la partie cassable (11) de conducteur d'entrée est solidarisée par sa seconde extrémité à la zone centrale de membrane déformable (14), - un diélectrique pâteux (25) est disposé dans la portion de canal axial contenant la partie cassable de conducteur d'entrée (11) et dans la zone située entre la face d'extrémité (4) de l'élément i enroulement cylindrique (1) et la membrane déformable (14). - Condensateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la membrane déformable (14) est associée à une seconde membrane (17) formant avec elle une capsule étanche (14-18) remplie d'un gaz tel que l'air, l'épaisseur de la capsule (14-18) étant suffisante pour autoriser une déformation de membrane déformable (14) telle qu'elle assure la rupture de la partie cassable (11) de conducteur d'entrée. 6 - Condensateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la capsule (14, 17) comporte un rebord (15) pour recouvrir partiellement la face latérale (6) de l'élément (1) à enroulement cylindrique. 7 - Condensateur selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'ensemble capsule (14, 18)-élément (1) à enroulement cylindrique est noyé dans une résine diélectrique (24) formant la paroi de l'enceinte, le diélectrique pâteux (25) empêchant la pénétration de résine entre la membrane (14) déformable et l'élément (1) à enroulement cylindrique. 8 - Condensateur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une pellicule (26) de diélectrique piteux est disposée entre la face latérale (6) de l'élément (1) à enroulement cylindrique et la résine (24), pour former des zones de cheminement préférentiel des gaz. 9 - Condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le diélectrique piteux (25) est une graisse au silicone. - Condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que: - la première électrode est relié au premier conducteur (2) par une première soudure (8) disposée en zone périphérique de la première face d'extrémité (4) de l'élément (1) à enroulement cylindrique et connectée au fil fusible (9), - le fil fusible (9) comporte une partie radiale (10) reliant ladite première soudure (8) et la zone centrale de membrane déformable (14) à laquelle il est solidarisé par soudure (16), - la seconde électrode est reliée au second conducteur (3) par une seconde soudure (23) disposée sur la seconde face d'extrémité (5) de l'élément (1) à enroulement cylindrique.