Brevet FR2671670A1 — publié le 19920717

L'invention est relative à une borne haute tension plus particulièrement adaptée aux transformateurs de courant pour l'extérieur en résine moulée Elle intéresse principalement les constructeurs de matériels électriques. La borne de raccordement haute tension est un organe destiné à assurer la jonction avec une ligne extérieure haute tension Quoique la présente invention ait été développée tout spécialement dans le cadre de l'application aux transformateurs de courant, elle pourra néanmoins parfaitement s'appliquer à d'autres types d'appareils électriques. Pour suivre l'exemple des transformateurs secs, ceux-ci comportent des enroulements bobinés autour de noyaux magnétiques mis en place dans une masse isolante fermée moulée autour dudit noyau Ces enroulements sont reliés les uns à une ligne haute tension extérieure, les autres à un réseau secondaire à basse tension. La réalisation des bornes haute tension de raccordement pose quelques difficultés de construction En effet, elles sont généralement constituées en deux parties qui sont la tête raccordée à la ligne haute tension et l'embase au potentiel de la masse Ces deux parties sont séparées par un isolateur tubulaire qui renferme un conduit dans lequel sont placés les conducteurs électriques qui réunissent la partie inférieure de l'appareil au potentiel de la masse recevant les bornes de sortie secondaires et une partie supérieure portant les pièces de raccordement à la ligne haute tension Par conséquent, entre la tête et l'embase règne une différence de potentiel très importante et étant donné leur proximité, cela crée des champs électriques intenses qui favorisent la formation d'arcs électriques et de décharges ionisantes. L'isolateur utilisé est de type à ailettes, c'est-à-dire une série de disques périphériques sont disposés à l'extérieur de l'isolateur, les flancs des disques étant inclinés vers, le bas pour éviter qu'il ne puisse y avoir d'humidité stagnante sur la face inférieure des ailettes De nombreux profils d'isolateur sont connus de l'Homme de l'Art pour allonger le trajet allant de la partie haute tension à la partie à la terre et créer des lignes de fuite s'opposant à la création d'arcs électriques afin d'empêcher le cheminement des étincelles et l'amorçage d'arcs électriques le long de l'isolateur. Lorsqu'il pleut ou lorsque des dépôts atmosphériques plus ou moins conducteurs se forment sur l'appareil électrique, qui favorisent la conduction de type électrolytique, une bonne tenue aux étincelles et aux arcs électriques est exigée de la part du matériau constituant l'isolateur C'est pourquoi on utilise de la porcelaine, des élastomères, des résines synthétiques ou d'autres matériaux similaires pour fabriquer l'isolateur. Par ailleurs, les parties actives de l'appareil électrique, constituées dans le cas des transformateurs de circuits magnétiques, d'enroulements basse et haute tension, sont enrobées par moulage de résine synthétique solide, l'ensemble formant le corps de l'appareil électrique Ainsi, cet appareil se trouve divisé en deux parties, l'une formée par l'ensemble des pièces en contact avec la haute tension, l'autre partie étant constituée de l'ensemble des pièces en contact avec la masse au potentiel de la terre La surface du corps de l'appareil électrique, naturellement isolante, sera soumise au champ électrique régnant entre la partie haute tension et la partie basse tension raccordée à la terre Elle sera donc le siège, comme l'isolateur, de décharges électriques rampantes qui, à la longue, pourront dégrader l'appareil et causer sa destruction. En effet, les différentes régions de la surface d'un matériau isolant sont portées à des potentiels imprévisibles, très difficiles à déterminer, qui dépendent en particulier des champs électriques existant dans le voisinage Lorsque, comme dans le cas des transformateurs électriques haute tension, il règne des champs électriques intenses, ceux-ci se répercutent à la surface des matériaux isolants sans que l'on puisse en déterminer a priori les lieux, d'o la formation de décharges électriques sauvages qui apparaissent aléatoirement à la surface des matériaux isolants et s'amplifient sous l'effet de l'humidité atmosphérique et de la pollution de l'isolateur. Ce problème grave qui est de nature à détruire l'appareil électrique a pu être solutionné en recouvrant le corps de l'appareil électrique d'un dépôt métallique conducteur Il s'agit généralement d'une couche relativement épaisse et solide de métal projeté à chaud tel que du zinc, afin de constituer une couche conductrice qui égalise le potentiel de la surface couverte La couche conductrice est reliée soit au potentiel de la terre, soit à la borne haute tension selon la disposition choisie De la sorte, les potentiels de surface sont fixés et les influences des champs électriques extérieurs sont dominées Les risques de formation d'étincelles électriques rampantes sont totalement écartés De plus, la couche conductrice doit être capable d'écouler le courant électrique dû à un arc éventuel le long de l'isolateur En effet, ce dernier subit alors l'effet de concentration du champ électrique ligne haute tension/terre et par conséquent, c'est à ce niveau que doivent être prises les mesures pour diminuer les risques d'une rupture accidentelle, en cas de surtension instantanée, de l'isolation extérieure ou intérieure, par création d'un arc et simultanément pour interdire la formation de décharges électriques ionisantes à l'intérieur et au voisinage de l'isolateur. Dans ces conditions, la couche conductrice, mince malgré tout, se termine par une arête vive en regard de l'isolateur qui engendrera des étincelles en service et des arcs en cas de surtension sur le réseau, tandis que les courants de fuite le long de l'isolateur, qui prendront naissance sur cette arête, la dégraderont peu à peu en rongeant la couche métallique. Le but principal de la présente invention est de présenter une borne de raccordement haute tension améliorée au niveau de l'isolation A cet égard, l'amélioration a été apportée à deux niveaux D'une part en ce qui concerne l'extérieur de la borne, la surface de la tête de l'appareil ne sera plus le siège de la formation d'étincelles rampantes et par conséquent, sa longévité est assurée Par ailleurs, grâce à des dispositions constructives particulières, la distribution du champ électrique entre les pièces sous tension et la masse à l'intérieur de l'isolateur est totalement maîtrisée pour éviter toute décharge électrique ionisante interne. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n'est cependant donnée qu'à titre indicatif. La borne haute tension de raccordement pour appareils électriques tels que transformateur de courant ou de tension, comprenant au moins deux parties dont l'une, la tête, est raccordée à une ligne haute tension et l'autre, l'embase, avec la masse, toutes deux séparées par un isolateur tubulaire qui renferme un conduit o sont placés les conducteurs reliant la pièce de raccordement haute tension au circuit interne de l'appareil, est caractérisée par le fait que la tête est recouverte d'une couche métallique et qu'un anneau métallique est interposé entre ladite tête et l'isolateur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, accompagnée de dessins en annexe parmi lesquels: la figure 1 schématise en vue de coupe la structure interne de la borne haute tension de raccordement selon la présente invention, la figure 2 représente en vue de détail la liaison entre l'anneau et la broche haute tension. la figure 3 schématise en vue de coupe la structure interne d'une borne haute tension de raccordement à montage inversé. La présente invention vise une borne haute tension de raccordement pour appareils électriques, tels que transformateur sec de courant ou de tension Elle concerne principalement les constructeurs de matériels électriques. Quoique la présente invention ait été développée plus particulièrement dans le cadre de la construction de transformateurs de courant moyenne tension, elle pourra s'étendre pour tous les appareils moyenne et haute tension comportant des organes placés dans un boîtier isolant ou enrobés de résine isolante. Les bornes de raccordement haute tension sont des organes électriques destinés à être branchés sur une ligne extérieure haute tension Dans l'exemple du transformateur de courant pris ici, l'ensemble des organes électriques, c'est- à-dire noyau magnétique et bobinage haute et basse tension, sont noyés dans une résine moulée qui se présente sous la forme d'une tête ( 1) à la figure 1 La tête ( 1) est traversée par une broche ( 2) raccordée directement à la ligne haute tension extérieure La broche ( 2) est fixée sur un support isolant ( 3) creux qui renferme les différents organes électriques Ceci constitue la première partie de l'appareil qui est portée au potentiel haute tension. L'autre partie de la borne haute tension est constituée par l'embase ( 4) de fixation et qui est portée au potentiel de la terre Les bornes basse tension de sortie de l'appareil sont fixées sur l'embase ( 4). La tête ( 1) et l'embase ( 4) sont séparées par un isolateur tubulaire ( 5) à ailettes qui renferme un conduit ( 6) o sont placés les conducteurs non représentés de liaison électrique Une différence de potentiel importante correspondant à la tension d'alimentation de l'appareil électrique en haute tension existe entre la tête ( 1) et l'embase ( 4). L'isolateur à ailettes ( 5) doit présenter une ligne de fuite suffisante pour empêcher le cheminement des étincelles dues au champ électrique régnant entre la tête ( 1) et l'embase ( 4) Lorsqu'il pleut ou lorsque des dépôts atmosphériques plus ou moins conducteurs se forment sur l'appareil électrique, une bonne tenue aux étincelles rampantes et aux arcs électriques est exigée du matériau constituant l'isolateur Ces phénomènes de conduction électrolytique sont très redoutables et ne peuvent totalement être éliminés Un soin tout particulier devra être apporté quant au choix du matériau utilisé pour la fabrication de l'isolateur à ailettes ( 5) afin qu'il ne puisse se détruire sous l'action soit des arcs électriques, soit des étincelles rampantes A titre d'exemple, il est souhaitable d'utiliser de la porcelaine, de l'élastomère, des résines synthétiques ou autres matériaux de nature différente de celle employée pour constituer l'enrobage des parties actives de l'appareil. Ces mêmes parties actives qui, dans le cas des transformateurs, sont constituées de circuits magnétiques, enroulements basse et haute tension, sont enrobées par moulage d'une résine synthétique solide, l'ensemble formant le corps de l'appareil De la sorte, la surface de ce corps naturellement isolante sera soumise à l'action des champs électriques extérieurs Par définition, les potentiels des différentes zones superficielles de ces matériaux isolants seront flottants et varieront en fonction des géométries de construction, de la proximité de conducteurs sous tension et également des conditions atmosphériques Dans ces conditions, on verra apparaître à la surface des matériaux isolants des champs électriques totalement incontrôlables Dans certaines circonstances, ils pourront donner naissance à des décharges ionisantes qui, à la longue, pourront sérieusement endommager l'appareil. Précisément, pour lutter contre ce genre de dégradations, les constructeurs recouvrent le corps de l'appareil d'un dépôt métallique relativement épais et solide Ainsi, les surfaces isolantes sont éliminées et les champs électriques superficiels disparaissent On relie ces couches conductrices soit au potentiel haute tension, soit au potentiel de la masse, pour définir précisément les pièces sous tension et les pièces à la terre et ainsi localiser avec précision les champs électriques En pratique, les dépôts métalliques superficiels sont constitués d'une projection de zinc à chaud sur la résine pour former une couche conductrice égalisant le potentiel de la surface couverte. Dans l'exemple choisi de la figure 1, la partie extérieure de la tête ( 1) est recouverte d'une couche conductrice ( 7) Cette couche conductrice ( 7) est reliée au potentiel de la broche ( 2) et par conséquent à la ligne haute tension Dans ces conditions, le champ électrique dans la partie extérieure de la borne est strictement limité à la partie comprise entre les extrémités supérieure et inférieure de l'isolateur ( 5) à ailettes L'épaisseur de la couche conductrice ( 7) devra être suffisante pour supporter l'écoulement d'un courant électrique de fuite prenant naissance entre la broche ( 2) et l'embase ( 4). Cette disposition donne satisfaction aux utilisateurs dans les premiers temps En effet, la couche conductrice ( 7) est parfaitement à même à répondre aux exigences et en cas de naissance d'arcs électriques accidentels, l'étincelle rampante parcourt la surface extérieure de l'isolateur à ailettes ( 5) depuis la partie inférieure de la couche ( 7), c'est-à-dire la couronne d'appui de la tête ( 1) sur l'isolateur à ailettes ( 5), jusqu'à l'embase ( 4) Précisément, la couche superficielle ( 7) s'arrête au niveau de l'arête vive ( 8) de la couronne d'appui de la tête ( 1) sur l'isolateur ( 5) L'arête vive favorise la formation des étincelles en service et la création des arcs en cas de surtension sur le réseau Les courants de fuite le long de l'isolateur ( 5) prendront également naissance au niveau de cette arête ( 8) et la dégraderont peu à peu en rongeant la couche métallique ( 7) à ce niveau. Selon la présente invention, un anneau ( 9) est interposé entre la tête ( 1) et l'isolateur ( 5) tel que représenté à la figure 1 Dans ces conditions, l'arête vive ( 8) de la couronne d'appui de la tête ( 1) repose sur l'anneau métallique ( 9) et ce sera précisément cet anneau métallique ( 9) qui sera la pièce la plus proche de l'embase ( 4) et o sera concentré le champ électrique maximum En cas de création d'arcs, l'étincelle prendra naissance au niveau de l'anneau ( 9) pour aller jusqu'à l'embase ( 4) et l'arête vive ( 8) de la tête ( 1) sera totalement protégée. La figure 2 représente en vue de détail la mise en place de l'anneau ( 9) à la partie supérieure de l'isolateur ( 5) Cet anneau métallique ( 9) présente un profil à bords arrondis Ceci limite la création d'arcs électriques qui recherchent, pour prendre naissance, des formes anguleuses ou pointues. Le diamètre extérieur de l'anneau ( 9) est supérieur à celui de la couronne d'appui de la tête ( 1) Ceci permet de protéger l'arête vive ( 8) de la couche métallique ( 7) en cas de naissance d'un arc électrique dont la trajectoire doit passer par l'anneau ( 9). Afin de s'assurer que l'anneau ( 9) soit au potentiel haute tension et puisse écouler un courant important, avantageusement on relie l'anneau ( 9) à la broche ( 2) par une tresse ( 10) ou autre élément conducteur tel qu'illustré à la figure 2. Il faut également veiller à ne pas créer ou tout au moins favoriser les décharges ionisantes qui peuvent entraîner la formation d'arcs à l'intérieur de la borne de raccordement haute tension Pour cela, une solution consiste à interposer un écran isolant ( 11) entre le conduit ( 6) et l'anneau ( 9). L'anneau ( 9) pourra également se prolonger à l'intérieur de l'isolateur ( 5) par une surface cylindrique ( 12) telle qu'illustrée à la figure 1 terminée par un. épanouissement ( 13). On pourra également mettre en place un cylindre électrique isolant ( 14) prolongeant l'écran isolant ( 11) dans la partie intérieure de l'isolateur ( 5), qui s'interpose entre le conduit ( 6) et l'anneau ( 9) muni de son prolongement ( 12). Pour assurer l'étanchéité et notamment empêcher la communication vers l'extérieur d'un diélectrique liquides ou gazeux, baignant l'intérieur de l'isolateur, on met en place une série de joints ( 15) entre le cylindre isolant ( 14) et la partie isolante ( 16) de l'embase ( 4) Les deux pièces précédentes sont coaxiales, ce qui permet un coulissement de la pièce ( 14) dans la pièce ( 16). On pourra également mettre en place un joint torique dans l'anneau ( 9) pour assurer l'étanchéité aux gaz ou aux liquides isolants entre la tête ( 1) et l'isolateur ( 5). Dans l'exemple des figures précédentes, le corps de l'appareil renfermant les différents organes électriques tels que bobinage haute tension, basse tension et noyau, était enfermé dans le corps de l'appareil, c'est-à-dire la tête ( 1) en résine moulée placée à la partie supérieure de l'appareil On peut cependant parfaitement envisager la construction inverse, telle qu'illustrée à la figure 3 dans laquelle la tête ( 1) renfermant les différents organes électriques est située dans la partie basse de l'appareil. Dans ce cas, la broche ( 2) de raccordement à la haute tension est remplacée par des plots ( 17 et 18) fixés sur un support isolant ( 19) placé au sommet de l'isolateur ( 5) et relié à la tête ( 1) par des conducteurs électriques introduits dans le conduit central ( 6) de liaison. Les noyaux magnétiques, bobinages primaire et secondaire, sont noyés dans un boîtier moulé ( 3) placé dans la tête ( 1) qui est recouverte d'une couche conductrice ( 7) reliée à la terre. Pour éviter que des arcs électriques puissent prendre naissance entre les plots haute tension ( 17 et 18) et la surface extérieure ( 7) de la tête ( 1), un anneau ( 9) est interposé entre l'isolateur ( 5) et la tête ( 1) à la base dudit isolateur, tel qu'illustré à la figure 3 Cet anneau ( 9) est mis au potentiel de la terre et forme donc un écran de protection vis-à-vis de la pellicule conductrice ( 7). D'autres mises en oeuvre de la présente invention, à la portée de l'Homme de l'Art, pourraient également être envisagées sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1 Borne haute tension de raccordement pour appareils électriques, tels que transformateur de courant ou de tension, comprenant au moins deux parties dont l'une est raccordée à la haute tension et l'autre avec la masse, toutes deux séparées par un isolateur ( 5) tubulaire à ailettes qui renferme un conduit ( 6) o sont placés les conducteurs reliant la tête ( 1) renfermant les bobinages et noyau magnétique aux parties externes de l'appareil, caractérisée par le fait que la tête ( 1) est recouverte d'une couche métallique conductrice ( 7) sur la partie externe et qu'un anneau métallique ( 9) est interposé entre la tête ( 1) et l'isolateur ( 5). 2 Borne haute tension de raccordement, selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'anneau ( 9) présente un profil aux bords arrondis. 3 Borne haute tension de raccordement, selon la revendication 2, caractérisée par le fait que l'anneau ( 9) présente un diamètre extérieur supérieur à celui de la couronne d'appui de la tête ( 1) sur l'isolateur ( 5). 4 Borne haute tension de raccordement, selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'anneau ( 9) est relié par une tresse ou autre élément conducteur à la partie haute tension, en particulier la broche ( 2) de raccordement. Borne haute tension de raccordement, selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'un écran ( 11) est interposé entre l'anneau ( 9) et le conduit ( 6). 6 Borne haute tension de raccordement, selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'anneau ( 9) se prolonge à l'intérieur de l'isolateur ( 5) par une surface cylindrique ( 12) terminée par un épanouissement ( 13). 7 Borne haute tension de raccordement, selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'un joint d'étanchéité est mis en place dans une gorge creusée dans l'anneau métallique ( 9). 8 Borne haute tension de raccordement, selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'un cylindre isolant ( 14) est interposé à l'intérieur de l'isolateur ( 5) 1 1 entre le conduit ( 6) et l'anneau ( 9) et son prolongement ( 12). 9 Borne haute tension de raccordement, selon la revendication 8, caractérisée par le fait que le cylindre isolant ( 14) présente des joints d'étanchéité ( 15) au niveau de sa liaison par emboîtement sur la partie isolante ( 16) de l'embase ( 4).