Brevet FR2629263A1 — publié le 19890929

La présente invention concerne un dispositif de protection contre les surintensités et la foudre, destiné à être installé sur chaque phase en amont d'un appareil électrique tel qu'un transformateur de distribution à moyenne tension. On sait qu'il faut protéger les installations électriques contres les surintensités et la foudre. Dans les zones rurales, dans lesquelles les réseaux de distribution sont en général aériens, les transformateurs de moyenne tension en basse tension, le plus souvent montés sur poteaux, sont protégés sur chaque phase contre la foudre par des dispositifs qui sont encore le plus souvent des éclateurs dans l'air. Ceux-ci provoquent toutefois des courts-circuits chaque fois qu'ils fonctionnent, soit à l'occasion d'un coup de foudre, soit pour des causes externes de défauts telles que la neige, les oiseaux, la paille, les branches, etc. La protection contre les surintensités est, conformément en particulier aux règles imposées par Electricité de France, assurée au niveau des postes sources, par des disjoncteurs-shunt à réenclenchement automatique. Si le court-circuit est dû à l'éclateur, le défaut disparait à la coupure, et le courant est rétabli durablement par le réenclenchement automatique après ce que l'on appelle une coupure brève. Si le court-circuit est réellement dû à un défaut interne d'un consommateur ou du transformateur de distribution, le disjoncteur redéclenche et le courant reste coupé pour l'ensemble des consommateurs alimentés par le transformateur source.Toutefois, l'impédance de la ligne entre le poste source et le transformateur étant importante, un court-circuit au niveau du transformateur risque de passer inaperçu au niveau du poste source pendant un délai qui peut être long et entrainer au bout d'un temps fonction de la surintensité, l'explosion du transformateur. On utilise depuis quelques années des parafoudres constitués d'empilages de blocs en matériau semi-conducteur à résistance variable appelés également varistors. Ces parafoudres sont capables, après le passage de l'onde de foudre, de limiter très fortement et d'éliminer trés rapidement le courant de suite, comme les appareils conventionnels au carbure de silicium, ou même d'interdire l'établissement de ce courant, comme les parafoudres à l'oxyde de zinc. Dans les deux cas, le disjoncteur d'amont n'est pas sollicité et il n'y a donc pas de coupure brève résultante. De plus, du fait de la présence d'une enveloppe isolante externe, les parafoudres sont insensibles aux causes externes de défauts. On sait monter de tels parafoudres par groupes de trois sur un support à la masse, à côté d'un transformateur à moyenne tension triphasé sur poteau, et les brancher respectivement en amont du transformateur en parallèle entre chacune des phases et la masse. Mais cela complique sensiblement l'environnement d'un transformateur. On sait également installer un fusible sur chacune des phases de l'alimentation d'un transformateur, le fusible pouvant être logé dans la borne même du transformateur. On évite alors le risque signalé plus haut d'explosion de celuici. On peut ainsi concevoir de monter un fusible et un parafoudre respectivement en série et en parallèle sur l'alimentation moyenne tension d'un transformateur de distribution, ce qui présente l'avantage de constituer une protection locale non seulement contre la foudre, mais également contre les surintensités dues à des courtscircuits internes. Mais cela nécessite la mise en place à l'extérieur du transformateur des équipèments correspondants qui sont encombrants et constituent chacun des causes possibles de défauts externes. De plus, il faut prendre énormément de précautions pour éviter le phénomène de décharge partielle entre parties sous tension et parties à la masse, en particulier lorsque certaines de ces parties sont plus ou moins mobiles, de telles décharges se produisant lors d'une concentration de champ entre des parties sous tension et à la masse trop proches. Cette sujétion amène en particulier à écarter le plus possible l'un de l'autre les deux modes de protection, ce qui n'est pas compatible avec des appareils pour lesquels l'espace disponible est limité. La demanderesse s'est donc fixée pour but de perfectionner les matériels existants et de proposer un dispositif simple et peu encombrant permettant de pallier les inconvénients de ceux-ci. Suivant l'invention, le dispositif de protection contre les surintensités et la foudre pour appareil électrique à moyenne tension, tel qu'un transformateur de distribution, est caractérisé en ce qu'il comprend, à l'intérieur d'une même enveloppe isolante, un fusible monté en série avec l'appareil et un parafoudre constitué par un empilage de blocs semi-conducteurs à résistance variable, monté en dérivation entre la phase et la masse, des moyens étant prévus pour interdire toute décharge entre les parties voisines du fusible et du parafoudre pouvant présenter des potentiels électriques différents. La combinaison de moyens ainsi réalisée permet d'éviter tous les défauts externes rencontrés avec les dispositifs connus puisque le parafoudre est logé dans une enceinte isolante. De plus, une protection complète de l'appareil électrique peut être obtenue. D'autre part l'ensemble de protection constitue une unité aisément interchangeable avec le minimum de manipulation, ce qui accroit aussi la sécurité pour le personnel d'entretien. Selon une version préférée de l'invention, l'enveloppe isolante contenant le fusible et le parafoudre est étanche, ce qui permet de diminuer les niveaux de protection, et les moyens pour éviter toute décharge partielle entre ces deux éléments sont constitués par des écrans équipotentiels répartiteurs de champ. Suivant un premier mode de réalisation de l'invention, le fusible et le parafoudre sont disposés coaxialement à l'intérieur de l'enveloppe isolante. Cette disposition permet de minimiser l'encombrement tant radial que longitudinal du dispositif. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, le fusible a une forme sensiblement cylindrique, le parafoudre est constitué de blocs semi-conducteurs de forme annulaire, par exemple à base d'oxyde de zinc, disposés autour du fusible à l'intérieur de l'enveloppe isolante, et cette dernière est montée sur une douille isolante répartitrice du champ électrique fixée à la paroi de l'appareil et présentant une partie supérieure en forme de tulipe insérée entre le fusible et le parafoudre, la douille étant traversée axialement par une broche conductrice reliée au fusible et assurant l'alimentation électrique de l'appareil. Cette disposition permet une réalisation très simple du dispositif selon l'invention, et s'accompagne d'une répartition du champ électrique qui présente sensiblement une symétrie de révolution, ce qui permet de donner à la douille isolante et en particulier à la partie supérieure de celle-ci formant tulipe une forme simple pour répartir régulièrement les lignes de champ électrique. Selon une caractéristique intéressante de l'invention, la douille constitue une borne de l'appareil et présente une partie inférieure qui pénètre à l'intérieur de celui-ci. Le dispositif de protection peut donc être fixé simplement lors du montage d'un appareil neuf ou lors du remontage après entretien ou réparation d'un appareil existant. Selon une autre caractéristique de l'invention, la douille présente une partie inférieure conformée de façon à pouvoir s'adapter à'une des bornes de l'appareil. On peut ainsi adapter de façon simple, le dispositif selon.l'invention sur un appareil existant déjà en place sans aucun démontage de celui-ci. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la douille comporte un écran de masse et un écran de potentiel affleurant respectivement la surface intérieure et la surface extérieure d la tulipe et présentant des surfaces sensiblement parallèles dans la zone où les lignes de champ électrique sont les plus resserrées. La présence de ces écrans permet de maîtriser parfaitement la forme des lignes de champ électrique dans la zone où celles-ci sont les plus resserrées, de façon à éviter toute concentration ponctuelle de ces lignes. D'autres particularités et avantages de l'invention apparattront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs - la figure l est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de protection conforme à l'invention - la figure 2 est une vue en coupe transversale suivant II-II de la figure l ; - la figure 3 est une demi-vue semblable à la figure l montrant schématiquement la disposition des lignes de champ à l'intérieur et autour du dispositif de protection dans des conditions normales de fonctionnement de celui-ci - la figure 4 est une vue partielle semblable à la figure l représentant schématiquement la partie inférieure d'un dispositif conforme à l'invention comportant un emmanchement femelle pour s'adapter à une borne d'un transformateur existant - la figure 5 est une vue partielle agrandie en coupe de la partie supérieure du dispositif. Dans la réalisation représentée aux figures, le dispositif de protection l contre les surintensités et la foudre, destiné à être installé sur chaque phase en amont d'un appareil électrique tel qu'un transformateur de distribution 2 à moyenne tension, par exemple entre 15 KV et 36 KV, comprend un fusible 3, monté en série sur la ligne d'alimentation du transformateur 2, et un parafoudre 4 monté en dérivation par rapport au fusible 3. Le parafoudre 4 est constitué d'un empilage de blocs annulaires semi-conducteurs à résistance variable 5. Une de ses extrémités 5a est reliée électriquement à ladite ligne d'alimentation en amont du fusible 3, et son autre extrémité 5b est reliée électriquement à la masse du transformateur 2. Le fusible 3 et le parafoudre 4 sont disposés coaxialement et logés à l'intérieur d'une même enveloppe isolante et étanche 6 également coaxiale aux deux éléments 3 et 4. L'enveloppe 6 est montée sur une douille isolante 7, répartitrice du champ électrique, formant pied de borne, coaxiale aux éléments 3, 4 et 6 et fixée sur la paroi 16 du transformateur 2. La partie inférieure 25 de la douille 7 pénètre dans la cuve du transformateur 2 et la partie supérieure 30 en forme de tulipe est logée dans l'enveloppe 6 remplissant une partie de l'espace libre entre le fusible 3 et le parafoudre 4. On va maintenant détailler certains aspects préférés des composants précédents. Le fusible 3 peut présenter toute structure interne connue, à condition d'être adapté à la tension d'utilisation et d'avoir une caractéristique de coupure déterminée en fonction de la puissance du transformateur 2 ainsi équipé. A titre d'exemple (non représenté), le fusible 3 peut être constitué de filaments d'argent bobinés en hélice sur un support en céramique. Cette partie active est placée dans un tube 8 en fibres de verre/résine rempli de silice sous pression atmosphérique. Le tube 8 est fermé de façon étanche à chaque extrémité par des bouchons métalliques 9, 10 qui permettent le raccordement électrique à l'amont et à l'aval. Le parafoudre 4 est constitué d'un empilage d'anneaux 5 à base d'oxyde de zinc fritté, selon une technique connue. L'oxyde de zinc peut être soit pur, soit mélangé à de faibles quantités d'autres oxydes métalliques. Dans l'exemple représenté, l'empilage du parafoudre 4 comprend cinq anneaux 5 ayant un diamètre intérieur d'environ 120 mm, une épaisseur radiale d'environ 6 mm et une hauteur d'environ 40 mm. L'enveloppe 6 du dispositif de forme cylindrique est constituée d'un tube 11 en fibres de verre imprégnées de résine époxyde ou résine polyester. Ce tube 11 est lui-même entouré d'une gaine isolante thermorétractable 12 en EPDM (Ethylêne-Propylène-Di-Monomère), sur laquelle sont collées des jupes 13 moulées dans le même matériau, au nombre de 4 dans l'exemple représenté. L'enveloppe 6 est raccordée de façon étanche à sa partie inférieure à une embase cylindrique 14 présentant une partie étranglée 15 qui permet la fixation du dispositif 1 sur la paroi 16 du transformateur 2 au moyen de pattes en équerre 17 boulonnées sur celle-ci. A sa partie supérieure, l'enveloppe 6 se termine par une bague métallique annulaire 18 (figure 6) insérée de façon étanche entre le tube 11 et la gaine 12. Cette bague présente un bord plat 19 creusé d'une gorge annulaire 20 dans laquelle est placé un joint d'étanchéité 21. La surface supérieure 19 de la bague 18 sert d'assise à un couvercle métallique 22 fermant de façon étanche l'enveloppe 6. Ce couvercle 22 est pressé contre la bague 18 au moyen d'un écrou 23,vissé sur une tige filetée 24 solidaire du bouchon-amont 9 du fusible 3. La tige 24 sert également à relier de façon connue, par exemple par une cosse tenue par un écrou (non représentés) le dispositif 1 à un des câbles de la ligne d'alimentation du transformateur 2 Le couvercle 22 assure également le serrage des pastilles annulaires 5, par exemple par l'intermédiaire d'un ressort hélicoïdal métallique 27 qui assure également la liaison électrique entre le couvercle 22 et le premier anneau 5a du parafoudre 4. L'embase 14 enserre également la partie médiane de la douille 7 répartitrice de champ dont la partie inférieure 25 de forme conique est traversée axialement par une broche métallique de connexion 26 qui aboutit au fond de la cuvette de la tulipe 30. Le fusible 3 pénètre dans cette cuvette qui assure son centrage et sa retenue. Le bouchon 10 vient en contact avec l'extrémité 26a de la broche 26, assurant ainsi la continuité électrique, l'autre extrémité 26b de la brohe 26 étant reliée électriquement de façon connue à l'un des enroulements moyenne tension du transformateur 2. La douille 7 est avantageusement réalisée à partir d'une résine époxyde chargée coulée sous vide (donc exempte d'inclusions gazeuses). Comme représenté en détail à la figure 3, la douille 7 comporte un écran de masse 28 et un écran de potentiel 29 qui affleurent respectivement la surface extérieure et la surface intérieure de la tulipe 30 et présentent des surfaces sensiblement parallèles dans la zone où les lignes de champ électrique sont les plus resserrées. Les écrans de masse 28 et de potentiel 29 sont réalisés, d'une façon connue quelconque, par exemple en treillis métallique ou par une couche semi-conductrice, par exemple en graphite peint. Ces écrans, qui ont chacun une forme de révolution, sont placés sensiblement au niveau de la partie étranglée 15 de l'embase 14 de l'enveloppe 6. Ils assurent à ce niveau une répartition homogène et régulière des lignes de champ électrique pour éviter tout risque de décharge. L'écran de masse 28 est en contact avec la paroi métallique de l'embase 14, laquelle est mise à la masse du transformateur par les pattes 17 et met à la masse la base de l'anneau inférieur 5b. L'écran de potentiel est en contact avec le bouchon aval 10 du fusible et avec la broche 26 qui sont sous tension. Dans leur partie supérieure, les écrans 28 et 29 assurent, en combinaison avec la forme biconique de la tulipe 30, l'épanouissement régulier du champ électrique. La figure 3 montre schématiquement cet épanouissement au-dessus des écrans 28 et 29 dans des conditions de service normales du dispositif 1. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 4, la douille 107 présente une partie inférieure 125 sensiblement cylindrique, percée d'un évidement axial ouvert vers le bas 31 constituant un emmanchement femelle permettant la fixation du dispositif 101 sur la partie cylindrique 32 d'une borne 33 d'un transformateur existant 2. Dans ce mode de réalisation, le dispositif 101 est fixé sur la borne 33 par deux tirants 34 terminés par des crochets 35 qui s'engagent dans des pattes 36 fixées sur la borne 33. L'extrémité droite-37 des tirants 34 est filetée et traverse une ouverture ménagée dans une patte 38 faisant partie de l'embase 114 du dispositif, le serrage étant réalisé par un écrou 39 prenant appui sur la patte 38. L'écran de masse 128 est prolongé par un chemisage 40 qui recouvre la paroi de la partie inférieure 125 de la douille 107, ce qui met celle-ci à la masse. Une tresse 41 est d'autre part installée entre la patte 17 de fixation de la borne 33 et la partie supérieure de l'embase 114 pour assurer la mise à la masse de l'anneau inférieur 5b du parafoudre 4. Le dispositif conforme à l'invention ainsi constitué est étanche et démontable. Il est facile, la tension étant coupée, de dévisser l'écrou 23, d'enlever le couvercle 22 et de remplacer le fusible 3 et/ou les blocs 5 du parafoudre 4. Il suffit ensuite de remettre én place le ressort 27, le couvercle 22 et l'écrou 24 après avoir changé si nécessaire le joint 21. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention résulte également de la structure que l'on vient de décrire. La phase moyenne tension arrivant sur la tige 24 et le couvercle 9 traverse le fusible 3, et est transmise par le bouchon 10 et la broche 26 à l'enroulement moyenne tension du transformateur 2. La moyenne tension est également transmise par le ressort 27 à la partie supérieure du premier anneau 5a. L'écran 29 en contact avec le bouchon 10 du fusible 3 est éga-lement sous-tension. Par contre, la partie inférieure de l'anneau 5b et l'écran 28 sont mis à la masse par l'embase métallique 14 et la patte métallique 17 en contact avec la carcasse 16 du transformateur 2. En cas de surintensité provoquée par un défaut interne du transformateur ou un court-circuit à l'intérieur d'un appareil situé en aval du transformateur, le fusible 3 saute, ce qui évite le déclenchement en amont au niveau du transformateur source ou, dans le cas contraire, l'explosion du transformateur. Le fusible peut être aisément changé comme décrit plus haut. En cas de foudre, les blocs d'oxyde de zinc fonctionnent de manière connue comme un semi-conducteur et laissent passer l'onde de foudre,-qui est évacuée par le circuit de masse, mais interdisent l'établissement du courant de suite. Il n'y a donc pas de court-rircuit. Les enroulements du transformateur ne sont pas non plus atteints par la foudre, puisque leur impédance est pratiquement infinie vis-à-vis de l'onde de foudre compte tenu de la durée extrèmement brève de celle-ci. Par ailleurs, la disposition de ces blocs annulaires d'oxyde de zinc, présente par rapport aux blocs pleins habituels-deux avantages importants - à superficie de section droite comparable, les blocs annulaires présentent une surface latérale totale très supérieure à celle des blocs cylindriques pleins, ce qui facilite la dissipation de la chaleur absorbée par ces éléments en cas de coup de foudre - la dimension radiale est, pour des raisons de tenue mécanique, supérieure à celle nécessaire pour obtenir la section droite requise. En cas de coup de foudre, la densité de courant à l'intérieur des blocs annulaires est donc sensiblement plus faible que celle traversant les pastilles cylindriques. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples que l'on vient de décrire, et on peut apporter à ceux-ci de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, le dispositif peut être muni de moyens connus de signalisation locale et/ou à distance de l'état du fusible et du parafoudre. De même, le dispositif selon l'invention peut être monté sur d'autres transformateurs que les transformateurs moyenne tension/basse tension installés sur poteaux en zone rurale, et peut être monté sur n'importe quel autre type de transformateur et sur tout appareil électrique nécessitant une protection contre les surintensités et la foudre, les caractéristiques du fusible, du parafoudre, de la douille et du dispositif dans son ensemble étant adaptées aux conditions d'utilisation extrèmes envisagées. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection (1, 101) contre les surintensités et la foudre pour appareil électrique (2) à moyenne tension, tel qu'un transformateur de distribution, caractérisé en ce qu'il comprend, à l'intérieur d'une même enveloppe isolante (6), un fusible (3) monté en série avec l'appareil (2) et un parafoudre (4) constitué par un empilage de blocs semi-conducteurs à résistance variable (5) monté en dérivation entre la phase et la masse, des moyens étant prévus pour interdire toute décharge entre les parties voisines du fusible et du parafoudre pouvant présenter des potentiels électriques différents. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe isolante (6) contenant le fusible (3) et le parafoudre (4) est étanche et en ce que les moyens pour éviter toute décharge partielle entre ces deux éléments sont constitués par des écrans équipotentiels répartiteurs de champ (28). 3. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le fusible (3) et le parafoudre (4) sont disposés coaxialement à l'intérieur de l'enveloppe isolante (6). 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que le fusible (3) a une forme sensiblement cylindrique, et en ce que le parafoudre (4) est constitué de blocs (5) annulaires disposés autour du fusible (3) à l'intérieur de l'enveloppe isolante (6). 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que l'enveloppe isolante (6) est montée sur une douille isolante (7, 107) répartitrice du champ électrique fixée à la paroi (16) de l'appareil (2) et présentant une partie supérieure (30) en forme de tulipe insérée entre le fusible (3) et la parafoudre (4), la douille (7, 107) étant traversée axialement par une broche conductrice (26) reliée au fusible (3) et assurant l'alimentation électrique de l'appareil (2). 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que la douille (7) constitue une borne de l'appareil (2) et présente une partie inférieure (25) qui pénètre à l'intérieur de celui-ci. 7. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que la douille (107) présente une partie inférieure (125) pourvue de moyens permettant sa liaison électrique et sa fixation mécanique à l'une des bornes (33) de l'appareil (2). 8. Dispositif conforme à l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la douille (7, 107) -comporte un écran de masse (28, 128) et un écran de potentiel (29) affleurant respectivement la surface intérieure et la surface extérieure de la tulipe (30) et présentent des surfaces sensiblement parallèles dans la zone où les lignes de champ électrique sont les plus resserrées. 9. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les blocs semi-conducteurs (5) sont à base d'oxyde de zinc. 10. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est démontable et en ce que le fusible (3) et le parafoudre (4) sont montés de manière amovible à l'intérieur de l'enveloppe isolante (6). 11. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 10, caractérisé én ce qu'il est muni de moyens de signalisation de l'état du fusible (3) et de l'état du parafoudre (4).