Brevet FR2658656A1 — publié le 19910823

VARISTANCE A HAUTE TENSION La présente invention concerne une varistance à haute tension, du type constitué par un empilage de disques à base d'oxyde de zinc, placé dans une colonne isolante rempli d'un gaz d'isolement sous pression. Le fonctionnement des varistances constituées de disques en oxydes métalliques à base d'oxyde de zinc dépend beaucoup de la température des disques. Lorsque la tension aux bornes d'une varistance reste inférieure à une valeur de seuil donnée caractéristique de la varistance considérée, sa résistance ohmique est élevée et la varistance est traversée par un faible courant; toutefois, la valeur de ce courant est une fonction croissante de la température, de sorte que si la température s'élève le courant croît, entraînant un échauffement par effet Joule qui a pour effet d'accroître le courant; il peut en résulter un emballement thermique nuisible conduisant à la destruction de la varistance. I1 est donc important de pouvoir refroidir la varistance. On connaît des méthodes de refroidissement par vaporisation de liquides ayant une chaleur de vaporisation élevée, par exemple les fluocarbones de formule C2C13F3, appelés commercialement fréons. On pourra se reporter à cet égard à la communication CIGRE Symposium mai 1987 à Vienne, The fluorcarbon, C2C13F3 as a boiling cooling and insulating medium in traction inverters, par Th. FACKLAM, D. KÔNIG et G. WIEGNER. On connaît aussi des dispositifs appelés caloducs (en anglais "heat pipes"), pour refroidir les points chauds, sous tension ou non. On pourra consulter l'article IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-lOl, N"9 septembre 1982, "Feasability of an insulating heat pipe for high voltage applications" par R. DETHLEFSEN, A. EGLI et K.T. FELDMAN,Jr. Un but de l'invention est de réaliser une varistance refroidie efficacement et économiquement par une combinaison nouvelle des moyens de l'art antérieur précités. L'invention a pour objet une varistance constituée d'un empilement de disques à base d'oxydes de zinc, placé dans une colonne isolante remplie d'un gaz d'isolement, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un réservoir disposé au sein de l'empilement, ledit réservoir communiquant par au moins un tube isolant avec un condenseur disposé à l'extérieur de la colonne, ledit réservoir contenant un fluide ayant une température d'ébullition faible, une grande chaleur latente de vaporisation et une bonne tenue diélectrique. Dans un premier mode de réalisation, les disques comportent un trou central définissant un canal dans lequel est placé ledit tube isolant relié directement audit condenseur. Avantageusement, la portion d'empilement situé sous ledit réservoir est placée entre deux disques métalliques munis chacun d'un trou central et de canaux radiaux. Dans un second mode de réalisation, les disques ne comportent pas de trou central, et lesdits tubes isolants sont disposés à l'extérieur de l'empilement et se rejoignent sur un collecteur relié audit condenseur. Avantageusement, la varistance comprend deux réservoirs disposés respectivement au tiers et aux deux tiers de la hauteur de l'empilement d'éléments de varistance. Le réservoir est réalisé en cuivre ou en laiton et est en bon contact thermique avec les éléments de varistance qui lui sont contigus. Lesdits tubes isolants sont par exemple réalisés en polytétrafluoroéthylène. Le condenseur est protégé des rayons du soleil par un écran isolant et est percé de trous. Le fluide est avantageusement un fréon, tel que le fréon 113, de formule C2C13F3, éventuellement additionné d'hexafluorure de soufre ou d'azote. Le gaz d'isolement est choisi parmi l'air sec et l'hexafluorure de soufre pur ou mélangé d'azote. L'invention sera bien comprise à la lumière de la description donnée ci-après de deux modes de réalisation, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une varistance selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe axiale d'une varistance selon un second mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe axiale d'une varistance selon une variante de réalisation de la figure 2. Dans les deux modes de réalisation décrits, il est tenu compte d'une observation qui a été faite par les utilisateurs de parafoudres: le point le plus chaud est le plus souvent au milieu de la colonne de varistances. La figure 1 représente une vue en coupe axiale d'une varistance utilisant des éléments à base d'oxydes de zinc qui se présentent sous la forme de disques percés en leur centre d'un trou, de telle sorte qu'un empilage de tels disques présente un canal axial mis à profit comme il est indiqué plus loin. Dans la figure 1, la référence 1 désigne une colonne en matériau isolant tel que la porcelaine, fermée à chacune de ses extrémités par des couvercles métalliques 2 et 3, constituant les prises de courant de la varistance. Un empilement 4, constitué d'éléments de varistances 5 ayant un trou central 9, est disposé dans l'axe de la colonne. A peu près au milieu de la colonne est disposée une enceinte fermée 6, en matériau ayant une bonne conductivité thermique, par exemple en cuivre; l'enceinte étanche est en bon contact thermique avec l'élément de varistance 26 situé juste au-dessus d'elle; l'enceinte étanche est surmontée d'un tube isolant 23, par exemple en polytétrafluoroéthylène, connu sous la marque déposée Téflon. Le tube 23 traverse de manière étanche le couvercle 2 et est relié, à l'extérieur de la colonne de porcelaine, à un condenseur 8. L'enceinte 6 est en contact à sa partie inférieure avec un disque métallique 11, de préférence en cuivre, ayant un trou central 17 communiquant avec des canaux radiaux 17A. Le disque 11 est en bon contact thermique avec l'élément de varistance 27 situé juste au-dessous de lui. L'enceinte 6 est remplie d'un fluide 7 qui s'évapore à une température basse, par exemple comprise entre 45 et 50 degrés Celsius, et qui possède une grande chaleur latente de vaporisation. On demande par ailleurs à ce fluide d'avoir une température d'ébullition faible et une bonne tenue diélectrique. Ce fluide peut être par exemple le fréon 113, de formule C2C13F3. On remplit l'enceinte à température ambiante, la varistance étant hors service, et on choisit un niveau 10 de fluide, alors complètement liquide, un peu au-dessus de l'enceinte 6. La colonne de varistance est posée sur un socle 12 en cuivre, ayant un trou central 16 communiquant avec des canaux radiaux 16A ; cette disposition assure une circulation du gaz d'isolement 30 qui remplit l'intérieur de la porcelaine; cette circulation s'effectue par les canaux radiaux 16A, par le trou 16, par le canal 20 formé par les trous alignés des éléments de varistance, par le trou 17 et par les canaux radiaux 17A; le gaz 30 peut être de l'air sec ou de l'hexafluorure de soufre sous une pression de quelques bars, pur ou mélangé d'azote. La colonne 4 est tenue serrée à l'aide d'un ressort 13 par l'intermédiaire d'une plaque métallique 14 reliée électriquement au couvercle 2 par des tresses métalliques 15. Le fonctionnement est le suivant: - les éléments de varistance cèdent de la chaleur à l'enceinte 6 dont le liquide 7 s'échauffe; lorsque la température du liquide 7 dépasse la température de vaporisation, le liquide s'évapore et le gaz 18 ainsi produit monte vers le condenseur 8 qui se trouve à une température plus basse. Le gaz se condense à l'intérieur du condenseur 8, et le liquide 19 ainsi formé descend le long du tube 23, à contre-courant du gaz 18. Pendant ce fonctionnement, le niveau 10 est très fluctuant, en raison de l'ébullition dans l'enceinte 6. Grâce à cette vaporisation active, suivie de recondensation, on arrive à maintenir la température des disques 5 à une valeur très acceptable. Par le canal 9 et les canaux 16 et 17A, il se crée une circulation de gaz qui favorise les échanges de chaleur et assure une meilleure répartition de la température des disques. Un écran isolant 22 permet d'éviter que le soleil frappe directement le condenseur 8. L'écran est maintenu par des pattes 25. Des ouvertures 24 permettent d'évacuer le gaz chaud au-dessus du condenseur 8. Grâce à la diminution de la température à l'intérieur de la colonne 1, il est possible d'utiliser des fibres optiques fluorescentes 31 pour détecter des décharges partielles à l'intérieur de l'enveloppe de porcelaine 1, en particulier sur les éléments de varistance 5, ou tout fonctionnement de la varistance pendant une décharge électrique (foudre par exemple). La fibre 31 est reliée à une traversée étanche 32 traversant le couvercle 3; une fibre plastique 33, reliée à la fibre 31, sert à la transmission des informations. La figure 2 est une variante de réalisation utilisée lorsque les disques constituant les éléments de varistance ne possèdent pas de trou central. Les éléments communs aux figures 1 et 2 ont reçu les mêmes numéros de référence. A peu près au milieu de la colonne d'éléments 5 est placé un réservoir 46, en cuivre ou en laiton en bon contact thermique avec les éléments de varistances qui lui sont contigus. Des tubes en matériau isolant, de préférence au nombre de deux, référencés 40 et 41, sont reliés d'une part au réservoir 46 et d'autre part à un collecteur métallique 43; le collecteur 43 est relié au condenseur 8 par un tube métallique 48 traversant le couvercle 2 de manière étanche. Le fonctionnement est tout à fait analogue à celui qui a été décrit en référence à la figure 1. Dans la figure 3, on a représenté une variante de réalisation de la figure 2, dans laquelle on a placé deux réservoirs 46A et 46B, respectivement au tiers et aux deux tiers de la hauteur de la colonne. Le réservoir 46A est relié au collecteur métallique 43 par des tubes en matériau isolant 40A et 41A; le réservoir 46B est relié au collecteur 43 par des tubes isolants 50B, 51B. Le fonctionnement du dispositif de la figure 3 est identique au fonctionnement des dispositifs précédemment décrits. Dans les trois exemples de réalisation décrits et représentés, il est possible d'augmenter la tenue diélectrique du fluide de refroidissement (de préférence du fréon) le long des tubes 23 ou 40, 41 ou 40A, 41A, ou 50B,51B, en le mélangeant à de l'hexafluorure de soufre à 1 bar par exemple ou avec de l'azote. REVENDICATIONS 1/ Varistance à haute tension constituée d'un empilement (4) de disques (5) à base d'oxydes de zinc, placé dans une colonne isolante (1) remplie d'un gaz d'isolement (30), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un réservoir (6, 46, 46A, 46B) disposé au sein de l'empilement, ledit réservoir communiquant par au moins un tube isolant (23, 40, 41, 40A, 41A 50B, 51B) avec un condenseur (8) disposé à l'extérieur de la colonne, ledit réservoir contenant un fluide (7) ayant une température d'ébullition faible, une grande chaleur latente de vaporisation et une bonne tenue diélectrique. 2/ Varistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que les disques comportent un trou central définissant un canal dans lequel est placé ledit tube isolant (23) relié directement audit condenseur (8). 3/ Varistance selon la revendication 2, caractérisée en ce que la portion d'empilement situé sous ledit réservoir (6) est placée entre deux disques métalliques (11, 12) munis chacun d'un trou central (17, 16) et de canaux radiaux (17A, 16A). 4/ Varistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que les disques ne comportent pas de trou central et que lesdits tubes isolants ( 40, 41, 40A, 41A, 50B, 51B) sont disposés à l'extérieur de l'empilement (4) et se rejoignent sur un collecteur (43) relié audit condenseur (8). 5/ Varistance selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend deux réservoirs (46B, 46A), disposés respectivement au tiers et aux deux tiers de la hauteur de l'empilement (4) d'éléments de varistances. 6/ Varistance selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le réservoir est réalisé en cuivre ou en laiton et est en bon contact thermique avec les éléments de varistance qui lui sont contigus. 7/ Varistance selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que lesdits tubes isolants (23, 40, 41, 40A, 41A, 50A, 50B) sont réalisés en polytétrafluoroéthylène. 8/ Varistance selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit condenseur (8) est protégé des rayons du soleil par un écran isolant (22). 9/ Varistance selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit écran (22) est percé de trous (24). 10/ Varistance selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ledit fluide (7) est un fréon, tel que le fréon 113, de formule C2C13F3. 11/ Varistance selon la revendication 10, caractérisée en ce que ledit fréon est additionné d'hexafluorure de soufre ou d'azote. 12/ Varistance selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit gaz d'isolement (30) est choisi parmi l'air sec et l'hexafluorure de soufre pur ou mélangé d'azote.