Brevet FR2681734A1 — publié le 19930326

"DISPOSITIF DE CONNEXION ENTRE UN CABLE HAUTE TENSION ET UN SYSTEME D'UTILISATION DE LA HAUTE TENSION INCLUANT UN CIRCUIT ELECTRONIQUE DE PROXIMITE" L'invention concerne un dispositif de connexion entre un câble coaxial très haute tension (THT), et un système d'utilisation de la très haute tension, ce dernier ayant un circuit électronique de proximité. Par circuit électronique de proximité il faut entendre un circuit électrique d'alimentation haute tension ayant des caractéristiques particulières vis-à-vis de la très haute tension transportée par le câble. Il est connu de l'homme du métier que les câbles très haute-tension (T.H.T) sont de type coaxial, et que l'âme du câble est formée de plusieurs brins centraux, par exemple trois, pour un câble utilisé entre O et 225 kV. Dans le genre de dispositifs de connexion très haute-tension décrits dans le préambule se posent à l'homme du métier plusieurs problèmes techniques - rapprocher une électronique d'alimentation du système d'utilisation - assurer la continuité électrique du potentiel de référence - réaliser des éléments mécaniquement solides et faciles à mettre en oeuvre de manière à constituer un dispositif peu onéreux pour la fabrication à grande échelle - réaliser un dispositif fiable - prévoir outre l'électronique de proximité, un circuit électronique de protection du circuit d'utilisation et la mise à disposition aisée à la fois du système électronique de proximité et du circuit de protection vis-à-vis du système d'utilisation ; notamment il devra être envisagé que le connecteur peut être mis dans toutes les positions verticales ou non et que les circuits de proximité et de protection sont protégés mécaniquement et faciles à relier mécaniquement parlant, au système d'utilisation. Selon l'invention ces problèmes sont résolus au moyen d'un dispositif de connexion tel que décrit dans le préambule et en outre caractérisé en ce qu'il comprend une cavité équipotentielle dans laquelle sont intégrés, à la fois le circuit électronique de proximité et un circuit de protection de ce dernier et du dispositif de connexion. L'invention est décrite ci-après en détail, en référence avec les figures schématiques annexées, parmi lesquelles - la figure 1 représente en coupe simplifiée le principe de fonctionnement d'un dispositif de connexion haute-tension selon l'invention - la figure 2 représente un élément de connexion d'entrée à trois contacts, vu de l'extérieur - la figure 3a représente en coupe simplifiée le dispositif de connexion dans une variante où tous les éléments sont à l'état solide - la figure 3b représente en coupe simplifiée le dispositif de connexion dans une variante où un fluide peut être utilisé pour le refroidissement - la figure 4 représente un schéma équivalent simplifié de l'électronique de proximité et d'un circuit de protection - la figure 5a représente une variante du circuit de protection possible - la figure 5b représente une autre variante du circuit de protection possible Tel que représenté schématiquement sur la figure 1, en coupe selon l'axe d'un câble très haute-tension, un dispositif de connexion 100 entre ce câble très haute tension 10 et un système d'utilisation de la très haute tension (T.H.T)200 comprend - une structure coaxiale 30, 31, 50, - une embase de connexion 20 "standard* pour le câble à haute tension 10 ; par standard il faut entendre tout système connu de l'homme du métier pour remplir la fonction choisie, par exemple une embase C.1311.815 de CLAYMOUNT - un système de raccordement 80 avec le système d'utilisation très haute tension 200, permettant d'assurer l'isolement très haute tension (T.H.T) - une cavité équipotentielle 40 dans la structure coaxiale - un circuit 70 comprenant à la fois une électronique de proximité et un circuit de protection de l'électronique de proximité contre les décharges brutales ou les claquages qui peuvent apparaître dans la très haute tension, et qui pourraient la détruire ou l'endommager, disposé dans la cavité équipotentielle 40. Selon l'invention, pour réaliser la fonction de connexion mécaniquement fiable et fournir le circuit de protection utilisable d'une manière aisée vis-à-vis du système d'utilisation, le dispositif de connexion 100 comprend une structure coaxiale ayant une enceinte extérieure 30, un tube métallique par exemple, reliée à la masse et une enceinte conductrice intérieure 50 formant une cavité équipotentielle 40 pour recevoir le circuit électrique de proximité et éventuellement de protection 70. Les parois 50 de l'enceinte conductrice sont portées à la THT. La surface conductrice 50 de la structure coaxiale est isolée de la masse 30, par un matériau isolant 31. A chaque extrémité de ce corps sont disposés d'une part l'embase standard de connexion 20, et d'autre part le système de raccordement 80 avec le système d'utilisation. En référence avec la figure 2, on décrit une embase standard 20, par exemple du type CLAYMOUNT. L'homme du métier sait que le câble 10 très haute tension comprend au moins 3 brins centraux. Pour conserver la symétrie de révolution de ce câble, l'extrémité de ce dernier peut offrir trois prises de contact - par un contact central 11, - par deux bagues de contact 12 et 13 isolées entre elles et isolées du contact central 11. Dans des variantes les bagues de contact pourraient être plus nombreuses pour assurer des contacts avec des brins centraux plus nombreux du câble coaxial 10 THT. Le câble 10 est amené en position de contact électrique dans l'embase de connexion d'entrée 20. Si le câble comprend les 3 contacts 11, 12, 13 décrits précédemment, l'em- base 20 comprend trois prises respectivement 21, 22 et 23 pour venir en contact physique avec les trois contacts du câble 11, 12 et 13. C'est ainsi que le dispositif selon l'invention peut être installé vis-à-vis d'une embase standard, ce qui est très important sur le plan industriel. Sur la figure 1 l'embase 20 est représentée placée axialement par rapport au corps 100 du dispositif de connexion. Mais dans une variante rien n'empêche cette embase 20 d'être disposée radialement par rapport au corps 100. Cette variante n'est pas représentée. Les trois signaux délivrés par les prises 21, 22, 23 sont respectivement disponibles aux points A, B et C représentés sur la figure 2. L'embase 20 pour un dispositif de connexion 100 haute tension est prévue pour être mécaniquement solide. Un matériau adéquat pour remplir cette fonction dans la réalisation de l'embase 20 est en général choisi parmi un polymère tel que la résine époxy, ou bien une céramique à base d'alumine. Le système de prises multicontact 21, 22, 23 etc. est implanté dans l'embase isolante 20, ce qui permet d'utiliser les différents brins centraux du câble THT séparément. Même si seulement deux contacts ayant la THT pour mode commun suffisent, on peut néanmoins utiliser un câble triaxial (à 3 brins centraux). Selon l'invention, pour résoudre les problèmes de la connexion THT, le corps 100 du connecteur comprend alors une cavité équipotentielle 40 et un circuit spécifique de proximité et de protection 70. Cette cavité sera réalisée - soit au moyen d'une boîte métallique 50 cylindrique à extrémités 41, 42 hémisphériques ou sans arêtes marquées (pour tenir compte des champs électriques à ce niveau), qui est placée à la THT grâce à l'un des contacts de l'embase 20 décrite plus haut - soit au moyen d'une cavité 40 dans la pièce isolante 31 ayant une métallisation interne 50. La cavité 40 ne présentera pas d'arêtes vives pour des raisons de champ électrique. La métallisation 50 sera alors placée à la THT, grâce à l'un des contacts de l'embase 20 décrite précédemment. Ainsi, lors de la définition de l'électronique 70 placée dans ce volume 40, l'aspect THT n'aura pas à être pris en compte, mais uniquement la présence d'un plan de "masse" qui l'englobe. Des ouvertures 43, 44 aux deux extrémités 41, 42 de cette cavité 40 permettent de faire arriver l'énergie et les signaux nécessaires à l'électronique 70 intégrée dans la cavité, et de sortir les signaux issus de celle-ci, à travers le circuit de protection. Le corps 100 du dispositif de connexion comprend en outre un système de raccordement 80 avec le système d'utilisation. Ce système de raccordement ou connectique de sortie peut présenter des structures différentes selon que - la sortie se fait sur câble, et de ce fait, une structure 80 du même type que celle 20 retenue pour l'entrée, peut être utilisée, c'est-à-dire une structure standard - la sortie se fait directement sur la charge utile 200 et doit donc être adaptée au plan frontière de celle-ci. Le circuit 70 doit pouvoir être isolé vis-à-vis de la cavité à parois conductrices 40. Compte tenu du fait que l'embase 20 et la connectique de sortie 80 doivent être rigides, il est préférable que la cavité interne 40 soit constituée, pour sa partie externe au moins, d'un matériau rigide pour réaliser la face 50 conductrice. Ainsi le circuit 70 peut être fixé rigidement dans la cavité 40 par des entretoises isolantes. Cependant il ntest pas exclu d'enfermer ou de faire circuler dans la cavité 40 un fluide isolant1 qui peut être préféré à l'air, pour pouvoir refroidir facilement l'électronique intégrée, notamment. Ce fluide peut être une huile du type de celle qui est utilisée pour les transformateurs (par exemple commercialisé par SHELL sous la référence SHELL DIALA D), ou bien du fréon, ou bien du fluorinert (par exemple commercialisé par 3M) ou du SF6. Vis-à-vis de l'élément de sortie 80, le même choix de solutions existe - pièce isolante solide avec gestion de l'interface ou inclusion de l'embase de sortie et assemblage avec la pièce précédente en utilisant un système par serrage de parties élastiques (principe d'un câble THT serré dans son embase), - gestion directe de l'interface solide de la charge 200 en utilisant un principe d'entretoise et des fluides. On peut alors établir différents types de structure isolante 31 dont quelques exemples sont présentés en figures 3a et 3b. Tel que représenté sur la figure 3a dans un exemple de mise en oeuvre, le corps 100 du dispositif de connexion comprend - à une extrémité l'embase 20, - à la seconde extrémité la connectique de sortie 80, - entre les deux, des parties 31a, 31b en matériau isolant solide, raccordées selon l'interface 105 (solide-solide) sous-pression par exemple au moyen d'un joint élastique disposé à l'interface, les deux parties 31a et 31b étant maintenues appliquées l'une contre l'autre par tout moyen de liaison connu de l'homme du métier (serre-joint, bague de serrage, etc..), - formée dans le centre des parties jointes 31a, 31b, la cavité 40 dont les parois périphériques sont revêtues d'un conducteur 50, relié à au moins 1 brin du câble 10 par l'une des prises de l'embase 20 ; les extrémités 41 et 42 de la cavité étant arrondies pour les raisons citées précédemment - dans les pièces 31a et 31b peuvent en outre être prévus des passages 103, 104 soit pour l'introduction de fluide soit pour l'introduction de fibres optiques ou pour tout autre usage envisagé - le circuit 70 est fixé d'une manière stable dans l'enceinte équipotentielle 40 par tout moyen habituellement employé par l'homme du métier : entretoises etc.. Tel que représenté sur la figure 3b dans un second exemple de mise en oeuvre, le corps 100 du dispositif de connexion comprend - à une extrémité l'embase 20, - à la seconde extrémité la connectique de sortie 80, - entre les deux, disposées dans un conteneur rigide 30, une première partie en un isolant rigide 31a, et. une seconde partie en un liquide ou fluide diélectrique 31b. Dans ce cas l'interface entre les deux parties 31a, 31b est solide-fluide, et une autre interface fluide-solide 81 doit être prévue pour y placer la connectique de sortie 80. La cavité 40 est formée dans la pièce solide 31a et munie sur sa périphérie du conducteur 50 tel que décrit précédemment. Les extrémités 41 et 42 de la cavité 40 sont arrondies comme précédemment mais la partie 42 disposée du côté de la partie fluide 31b est formée par exemple par des électrodes rapportées. La figure 4 montre un schéma équivalent simplifié de l'ensemble, permettant de faire comprendre l'intérêt du circuit de protection. Sur la figure 4, Ea représente un générateur de très haute tension et Ra son impédance interne ; C représente la capacité équivalente au câble arrivant sur l'embase 20 ; ZTHT représente l'impédance nominale de la partie THT du système d'utilisation ; I est un interrupteur de simulation des phénomènes de claquage, par la mise en court-circuit brutale de l'impédance du circuit de THT au niveau du système d'utilisation ; Eb et Rb sont respectivement un générateur de tension et son impédance interne pris comme exemple de circuit de proximité ; Z5 est l'impédance de charge de ce générateur dans le cas où l'impédance de la charge utile deviendrait infinie ; Zc est la charge utile du circuit de proximité ayant la T.H.T. pour mode commun ; et la référence 71 correspond au circuit de protection permettant de maîtriser le potentiel aux bornes de la charge Zc. L'électronique de proximité, qui de préférence selon l'invention est intégrée dans le dispositif de connexion, est portée à un mode commun et présente au moins une entrée et une sortie distinctes de ce mode commun. Il en résulte que s'il apparaît accidentellement des variations brutales de ce mode commun, (suite à des claquages par exemple) cela risque de conduire à des réjections vers cette électronique, susceptibles de l'endommager. C'est pourquoi, il est souhaitable d'adjoindre à cette électronique, un circuit de protection 71. Ce dernier a pour fonction de maîtriser les variations de potentiels aux entrées et sorties spécifiques de l'électronique de proximité. En référence avec la figure 4, le circuit de protection 71 protège vis-à-vis des claquages à la fois l'électronique de proximité, et le dispositif de connexion 100 dans lequel l'électronique de proximité est intégrée. En considérant le circuit T.H.T., il apparaît que si l'on veut éviter des oscillations d'amplitude en hautes fréquences, sur la valeur de la T.H.T., le circuit mettant en oeuvre la capacité C et le court-circuit de claquage doit être amorti. A cet effet, en référence avec l'une des figures 5a ou 5b qui représentent des exemples de réalisation du circuit de protection 71, on disposera une résistance R1 en série entre les bornes B2 et B4. La résistance R1 ainsi disposée permettra en outre de limiter le courant de claquage dans la charge utile. Cette résistance sera prévue pour tenir la tension de mode commun durant un temps avoisinant 5R1C. Aux bornes de la charge Zc, on placera un élément Z limitant la surtension à ses bornes et/ou présentant une impédance dynamique faible vis-à-vis de cette constante de temps R1C. Cet élément Z devra, éventuellement, être lui-même protégé en courant. A cet effet, on placera une résistance R2 en série avec l'élément Z et avec la charge Zc. La résistance R2 devra tenir la tension de mode commun lors des claquages, à la valeur près de la tension maximale acceptée aux bornes de Zc. En ce qui concerne l'électronique de proximité, cette dernière peut avoir selon le système d'utilisation, deux formes de structures possibles. En effet a) ou bien l'électronique de proximité est une alimentation de haute tension continue (H.T), par exemple ayant des caractéristiques dans les domaines compris entre O et 7 kV pour la tension et compris entre O et 50 mA pour le courant b) ou bien l'électronique de proximité permet la génération d'impulsions H.T, par exemple avec une largeur comprise entre 0 et 10 ms, une amplitude comprise entre 0 et 6 kV, et une fréquence pouvant aller de 0,1 Hz à 20 kHz. L'intérêt d'une telle électronique de proximité est de permettre l'obtention d'une large bande passante au niveau des signaux appliqués sur la charge utile Zc. Si la sortie du circuit de proximité présente un comportement capacitif, on verra une faible sollicitation aux bornes de cette sortie lors d'un claquage. Dans ce cas, on pourra adopter comme circuit de protection, celui qui est proposé à titre d'exemple sur la figure 5a, et qui comporte une résistance R1 entre les bornes B2 et B4, une résistance R2 entre les bornes B1 et B3 et l'élément Z entre les bornes B3 et B4. Par contre, si la sortie du circuit de proximité présente un comportement dynamique, c'est-à-dire un comportement selfique ou bien résistif de haute impédance, on verra une forte sollicitation aux bornes de cette sortie lors d'un claquage, c'est-à-dire des transitoires rapides au niveau de la T.H.T. Dans ce cas, le circuit de protection représenté sur la figure 5b est préconisé. Ce circuit comporte une résistance R1 entre les bornes B2 et B4, une résistance R2 entre les bornes B1 et B3, un élément Z entre les bornes B1 et B2, et un élément Z entre les bornes B3 et B4. Exemple d'utilisation Le dispositif de connexion T.H.T. capable de résoudre le problème d'intégration d'une électronique de proximité et d'un circuit de protection a été testé dans l'exemple où la charge utile 200 est un tube neutronique TN46 fabriqué par la société SODERN (FR). Un tube neutronique est un système de production de neutrons par bombardement ionique d'ions deutenium et/ou tritium d'une cible hydrurée en deutenium et/ou en tritium. L'originalité de ce dispositif de connexion réside dans le fait de réussir une telle intégration dans un volume considéré comme petit compte-tenu des contraintes d'environnement qui sont très sévères. En tenant compte du tube neutronique et de son dispositif de connexion, cette miniaturisation conduit à un volume de 1m en haut, 25cm en diamètre, et à un poids de 75kg. Dans cet exemple de mise en oeuvre, la cavité 40 est formée soit au moyen d'un tube 50 métallique en aluminium (référence de l'aluminium AU4G), soit au moyen d'un matériau isolant 31 par exemple en résine époxy dont la paroi interne 50 est métallisée par du zinc, ou de l'aluminium ou tout autre métal bon conducteur et facile à mettre en forme. Comme on l'a dit, il est préférable que la face externe 30 soit métallique et rigide par exemple en aluminium (par exemple AU4G). Aux extrémités 43 et 44 de la cavité, on peut placer des inserts en aluminium pour raccorder les masses des embases 20 et 80 à la métallisation 50. L'intérieur de la cavité 40 peut être emplie d'huile pour condensateur (par exemple SHELL DIALA). Cette huile est mise en circulation et sert aussi au refroidissement de l'électronique et des pièces de la source d'ions du tube neutronique. Pour une charge neutronique, un câble THT (225 kV) avec trois brins est utilisé. - L'un des brins sert pour le potentiel de mode commun (variable de O à 225 kV) - les deux autres pour la fourniture de tensions alternatives de t3OOV et +50V. Dans ce cas, l'électronique de proximité consiste en une alimentation haute tension (0 à 6kV) qui est utilisée pour alimenter la source d'ions du tube neutronique. Dans le circuit équivalent de la figure 4a, l'élément ZTHT correspond à la structure d'accélération d'ions et Zc à la source d'ions. Le circuit de protection comprend les résistances de limitation R1=11kQ R2= 7kQ permettant de limiter le courant de claquage à 50A et le courant dans les écréteurs Z à 40A. L'élément Z est de préférence une varistance fonctionnant en écrétage pour 45A et 15kV à ses bornes. Lors du claquage, on accepte au maximum 15kV, de ce fait on limite la tension aux bornes de la charge utile Zc à 15kV. Le but du circuit de protection est ainsi atteint. S'il en était autrement, lors d'un claquage, on ne maitriserait pas la tension qui apparaitrait aux bornes ; du fait d'éléments capacitifs on aurait des transitoires d'amplitudes redhibitoires. D'une manière générale, l'élément Z peut être - une capacité, par exemple dans le cas d'une bande passante faible, car cette capacité doit être chargée et déchargée à chaque impulsion - une zener ou transorb, qui ont une gamme de tension limitée, mais des capacités plus faibles et permettent donc une bande passante plus grande - un éclateur à gaz qui permet le fonctionnement très haute tension avec une capacité limitée - une varistance, comme décrit plus haut, qui est une bonne capacité d'absorption d'énergie miniaturisée, qui présente une capacité parasite faible, et permet donc une large bande passante avec une grande gamme de tension possible, et qui de plus supporte environ de 10.000 décharges. En outre, une varistance ne nécessite pas de polarisation. Dans le cas de l'exemple de mise en oeuvre qui concernait l'alimentation continue d'une source d'ions, un seul écréteur a été utilisé car l'alimentation présente une capacité de sortie faible (faible impédance dynamique). D'une manière générale, pour déterminer les valeurs des résistances de limitation R1 et R2, l'homme du métier prendra en compte - les caractéristiques du câble THT afin d'éviter l'onde inverse qui peut conduire au claquage des isolements du système de connexion ou du câble (valeur de Ri) - le courant maximal de claquage acceptable pour la charge THT (valeur de R1) i - l'impédance de la charge Zc et les limitations acceptables sur l'alimentation E2 (du fait de la mise en série des résistances R1 et R2) - les limitations en courant des éléments écréteurs Z (valeur de R2). Les caractéristiques de Z devront tenir compte de la constante de décharge retenue par le câble THT, de la tension crète maximale acceptée aux bornes de Zc et Z5 et du courant crète qui les parcourt. REVENDICATIONS 1. Dispositif de connexion entre un câble coaxial très haute tension (THT), et un système d'utilisation de la très haute tension, ce dernier ayant un circuit électronique de proximité, caractérisé en ce qu'il comprend une cavité équipotentielle dans laquelle sont intégrés, à la fois le circuit électronique de proximité et un circuit de protection de ce dernier et du dispositif de connexion. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité équipotentielle est formée par une structure coaxiale présentant une partie externe métallique ou métallisée, une partie interne métallique ou métallisée formant une cavité, ces parties étant séparées par un isolant, la partie interne étant portée à la THT et la partie externe étant portée à la masse. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que des ouvertures sont disposées dans la partie interne pour permettre l'introduction et la sortie des signaux nécessaires aux circuits électroniques intégrés dans la cavité. 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il est muni d'une embase isolante solide dotée de connecteurs multicontacts pour relier la cavité équipotentielle et les circuits intégrés au câble THT. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il est muni d'une seconde embase isolante solide dotée de connecteurs multicontacts pour relier la cavité équipotentielle et les circuits intégrés au système d'utilisation par un câble de sortie. 6. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il est muni d'une seconde embase isolante solide dotée de connecteurs multicontacts et appropriée à servir d'interface direct avec le système d'utilisation. 7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'isolant entre la partie externe et la partie interne est solide, par exemple une résine époxy. 8. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6 caractérisé en ce qu'une partie de l'isolant entre la partie externe et la partie interne est un fluide diélectrique maintenu dans un logement dont les parois sont solides. 9. Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8 caractérisé en ce que la cavité contient en outre un fluide diélectrique éventuellement identique et en contact avec le fluide de la partie isolante. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ce fluide est soumis à une circulation. 11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10 caractérisé en ce que la partie solide de l'isolant et les parties externe et interne métalliques ou métallisées correspondantes comprennent au moins un passage par le fluide. 12. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 10 caractérisé en ce que la partie solide de l'isolant et les parties externe et interne métalliques ou métallisées correspondantes comprennent au moins un passage pour une fibre optique. 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12 dans lequel le circuit de proximité intégré est une alimentation en continu. 14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12 dans lequel le circuit de proximité intégré est une alimentation impulsionnelle. 15. Dispositif selon la revendication 13 caractérisé en ce que le circuit de protection comprend un élément Z écréteur aux bornes de la charge utile symbolisée par Zc, une résistance R2 en série avec cet élément écréteur Z pour le protéger en courant lors d'éventuels claquages et une résistance R1 en série avec le circuit de proximité pour limiter le courant de claquage dans la charge utile Zc. 16. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le circuit de protection comprend un premier élément Z écréteur aux bornes de l'alimentation impulsionnelle, un second élément Z écréteur aux bornes de la charge utile symbolisée par Zc, une résistance R2 en série avec cet élément écréteur Z pour le protéger en courant lors d'éventuels claquages, et une résistance R1 en série avec le circuit de proximité pour limiter le courant de claquage dans la charge utile Zc. 17. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 16, pour alimenter un tube à neutrons en THT.