Brevet FR2680041A1 — publié le 19930205

PIECE DIELECTRIQUE EN VERRE POUR ISOLATEUR RTXRCTRIQUE La présente invention concerne le domaine des isolateurs électriques destinés à maintenir en suspension des lignes de transport d'énergie électrique. Elle concerne plus particulièrement les isolateurs électriques du type "capot et tige" qui, emboîtés en files isolantes fixées à des pylônes, permettent de maintenir en suspension dans l'air des lignes sous haute tension, notamment dans des atmosphères à pollution élevée. L'invention a plus précisément pour objet la pièce diélectrique en verre trempé équipant ce type d'isolateur celle-ci est constituée, de manière connue, d'un corps creux dont on peut distinguer deux parties : une partie évasée en forme de "jupe" dominée d'une "tête". La surface extérieure de cette tête est scellée à un capot métallique évidé en son sommet, et la cavité interne de celle-ci est reliée à une tige métallique dont l'extrémité est susceptible de s'emboîter sur le sommet du capot d'un isolateur contigu. Cette pièce diélectrique est usuellement caractérisée dimensionnellement par son diamètre maximum de jupe et par son pas, qui correspond à la distance verticale entre deux points similaires de deux pièces diélectriques successives d'une file isolante. On indique son pouvoir d'isolation électrique par la mesure de sa ligne de fuite, égale au chemin le plus court parcouru à sa surface entre deux pièces métalliques, soit le capot d'une part, la tige métallique dans la cavité de la tête d'autre part. Tant la pièce diélectrique à proprement dit que l'isolateur, jusqu'à la file isolante dans son ensemble, doivent respecter des exigences aussi bien d'ordre électrique que mécanique et chimique, ainsi que des exigences dimensionnelles, afin d'être conformes aux normes en vigueur. On se rapportera aux normes établies par la Commission Electrotechnique Internationale (CEI), notamment dans ses publications nO 120, 372, 815, 385, 305, 437 et 575, prenant notamment en compte à la fois la tension électrique du câble à soutenir et le lieu de son implantation. On s'attachera ici plus particulièrement aux lignes à très haute tension, notamment de l'ordre de 90 kV et plus, et à des emplacements fortement pollués, correspondant au niveau normé 3 ou 4 de pollution. Les niveaux 3 et 4, dans l'échelle de pollution croissante qui en comporte 4, sont représentatifs des zones à forte densité industrielle et/ou de population, ainsi que des zones à proximité de la mer ou soumises à des vents marins; ce qui exige des isolateurs des performances accrues, comme le précise la publication 815 de la CEI. Notamment, la ligne de fuite nominale minimale exigée selon cette publication passe en effet d'une valeur de 16 mm/kV pour un niveau de pollution 1, à une valeur de 25 mm/kV pour le niveau 3 et 31 mm/kV pour le niveau 4. Dans le cas d'un câble électrique d'une tension de 90 kV et d'un niveau de pollution 3, il faut donc que la file isolante présente une ligne de fuite totale d'au moins 2250 mm, égale à la somme des lignes de fuite de chacun de ses isolateurs. Il s'agit donc à la fois de profiler de manière appropriée le diélectrique de chaque isolateur et d'en utiliser un nombre suffisant, mais en tenant compte des contraintes spatiales. En effet, une fois mise en place, la file isolante est usuellement, soit suspendue à la verticale au pylône auquel elle est rattachée, se retrouvant quasiment parallèle à celui-ci, soit ancrée au pylône de manière semi-horizontale. Mais dans un cas comme dans l'autre, des distances minimales de sécurité entre file et pylône ainsi qu'entre file et sol sont prévues, de manière à préserver une sécurité maximale même dans des conditions atmosphériques ex trêmes, telles que le vent, la neige. Cela signifie que quel que soit le niveau de pollution, on ne peut augmenter sans limite la longueur de la file, directement liée au nombre d'isolateurs employés, ni même sa largeur, directement définie par le diamètre de la jupe des diélectriques. On constate donc que pour concevoir un nouvel isolateur électrique spécifique pour haute tension et forte pollution, une multitude de conditions doivent être remplies, notamment concernant le profil de la pièce diélectrique, souvent le résultat d'un compromis entre une ligne de fuite suffisamment importante et un encombrement spatial réduit, aussi bien défini par son diamètre de jupe que par son pas. On connaît déjà un type d'isolateur électrique à diélectrique en verre, utilisable dans des files isolantes pour câbles à haute tension et dans une atmosphère de niveau 3 ou 4 de pollution, fabriqué par la société Vicasa sous la référence E-160 P correspondant à la dénomination U-160 P de la C.E.I. Mais, aussi bien la mesure du pas du diélectrique (170 mm) que celle de sa ligne de fuite (545 mm),impliquent que l'on ne peut envisager de substituer une file constituée de ce type d'isolateurs à une file constituée d'isolateurs conçus seulement pour un niveau de pollution 1 ou 2 sans provoquer un allongement non négligeable de celle-ci. Quant au diamètre maximal de la jupe de ce diélectrique, égal à 320 mm, il correspond à un diamètre standard. Le problème technique abordé par l'invention consiste alors à mettre au point une nouvelle pièce diélectrique d'un isolateur type "capot et tige" d'une file isolante, adapté à une tension de 90 kV ou plus et à une atmosphère de niveau 3 ou 4 de pollution, de manière à pouvoir substituer cette file isolante à une file isolante constituée d'isolateurs électriques adaptés à un niveau 1 de pollution, et ceci sans augmentation sensible du volume global de la file, et notamment sans en augmenter la longueur. La solution apportée par les auteurs de l'invention consiste, à partir du profil d'un diélectrique adapté au niveau 3 ou 4 de pollution mais de dimensions inadéquates, notamment par exemple celui appartenant à l'isolateur dont on a précédemment indiqué la référence, à proposer un nouveau profil tel qu'il offre à l'isolateur une ligne de fuite plus grande, mais sans pour autant augmenter très sensiblement le diamètre de sa jupe et même en réussissant à diminuer fortement son pas. Cette augmentation de la valeur de la ligne de fuite accompagnée d'une baisse de celle du pas se conjuguent pour améliorer à la fois la propriété isolante de chaque isolateur et celle de la file globale, en permettant d'emboîter davantage d'isolateurs à longueur totale de file constante. En outre, le diamètre peu élargi de la jupe ne modifie pas de manière considérable la largeur de la file. Ainsi, avec la pièce diélectrique selon l'invention on parvient à proposer des files isolantes atteignant la ligne de fuite totale exigée pour des niveaux de pollution 3 ou 4 et présentant malgré cela un encombrement spatial sensiblement identique à celui des files isolantes de longueur nécessaire seulement pour un niveau de pollution 1. L'avantage majeur de l'invention est que l'on peut donc procéder extrêmement aisément à la substitution d'une file isolante standard de niveau de pollution 1 par une file isolante selon l'invention adaptée au niveau de pollution 3 ou 4, lorsque les circonstances l'exigent, et ceci sans avoir à remplacer ou modifier notamment tous les accessoires métalliques permettant la fixation de la file au pylône, dont le coût est loin d'être négligeable. Cette opération de substitution ne nécessite donc aucun remodelage de l'installation, et conserve inchangé le profil général de la "caténaire", soit l'ensemble, de pylône à pylône, du câble électrique et des files isolantes qui le soutiennent. L'invention consiste donc dans la réalisation d'une pièce diélectrique en verre trempé, de révolution autour d'un axe, comportant une jupe nervurée surmontée d'une tête, qui puisse équiper un isolateur électrique destiné aux lignes de transport d'électricité et conforme aux exigences requises pour des lignes sous haute tension atteignant 90 kV et plus et pour une pollution ambiante pouvant atteindre le niveau normé 3 ou 4. Son profil offre une ligne de fuite d'au moins 550 mm, et de préférence comprise entre 550 et 575 mm, et un diamètre de jupe d'au plus 350 mm, et de préférence compris entre 320 et 340 mm. En outre, ladite pièce diélectrique présente un pas d'au plus 150 mm, et de préférence compris entre 140 et 150 mm. Sa jupe possède trois nervures, interne, intermédiaire et externe, et un ressaut placé à l'intérieur de celle-ci à l'endroit de rattachement de la jupe à la tête. Les hauteurs et diamètres "médians" de ces nervures et de ce ressaut, dont les termes seront explicités ultérieurement, sont avantageusement ajustées de manière à permettre l'accrochage mécanique par emboîtement des deux isolateurs électriques munis chacun d'une pièce diélectrique selon l'invention. Ainsi, à la fois pour permettre cet emboîtement ultérieur tout en garantissant la ligne de fuite suffisante, lesdites hauteurs respectent de préférence les rapports suivants : le rapport de la hauteur de la nervure interne sur celle de la nervure intermédiaire est compris entre 0,70 et 0,75 et de préférence 0,72 ; le rapport de la hauteur de la nervure interne sur celle de la nervure externe est compris entre 0,75 et 0,80 et de préférence d'environ 0,77 ; le rapport de la hauteur de la nervure intermédiaire sur celle de la nervure externe est compris entre 1,05 et 1,1 et de préférence d'environ 1,07 ; le rapport de la hauteur de la nervure interne sur celle du ressaut est compris entre 1,45 et 1,50 et de préférence d'environ 1,47. De même, les diamètres "médians" des trois nervures et du ressaut respectent de préférence les rapports suivants le rapport du diamètre de la nervure interne sur celui de la nervure intermédiaire est compris entre 0,63 et 0,69 et de préférence d'environ 0,66 ; le rapport du diamètre de la nervure interne sur celui de la nervure externe est compris entre 0,45 et 0,50 et de préférence d'environ 0,47 ; le rapport du diamètre de la nervure intermédiaire sur celui de la nervure externe est compris entre 0,70 et 0,75 et de préférence d'environ 0,72, le rapport du diamètre de la nervure interne sur celui du ressaut est compris entre 2,80 et 3,10 et de préférence d'environ 3. La tête de la pièce diélectrique est crantée sur une certaine hauteur, et présente une hauteur totale de préférence comprise entre 57 et 63 mm. L'invention concerne également les isolateurs électriques du type "capôt et tige" comportant des pièces diélectriques selon l'invention, aptes à porter des câbles d'une tension électrique jusqu'à 90 kV et plus et dans une atmosphère correspondant à un niveau normé 3 ou 4 de pollution. L'invention a également pour objet les files isolantes munies de tels isolateurs électriques emboîtés, notamment les files isolantes présentant une longueur d'au plus 765 mm et une ligne de fuite totale d'au moins 2500 mm. Les détails et caractéristiques avantageuses de l'invention ressortent de la description détaillée de l'isolateur électrique comportant la pièce diélectrique selon l'invention, faite en référence aux dessins annexés qui représentent - En figure 1 : une coupe transversale d'une pièce diélectrique selon l'invention. - En figure 2 : une coupe transversale d'un isolateur muni du diélectrique selon la figure 1, avec la représentation du capot de l'isolateur électrique contigu dans une file isolante, également en coupe transversale. La figure 1 représente une pièce diélectrique en coupe transversale : c'est un corps creux en verre de révolution par rapport à l'axe (00'), composé d'une jupe 1 dominée par une tête crantée 2. Ladite jupe 1 présente trois nervures la nervure dite "externe" 3, la nervure dite "intermédiaire" 4 et la nervure dite "interne" 5, ainsi qu'un ressaut interne 6 au niveau de la zone de rattachement de la jupe 1 à la tête 2. Toute la pièce est moulée d'un bloc, puis trempée. Pour plus de précision sur la composition du verre utilisé, ainsi que l'opération de moulage puis de traitement thermique, on se reportera notamment à l'article "les verres en électrotechniquel' de J.C. Breton et D. Rivière, publié dans le numéro de décembre 1976 des techniques de l'ingénieur. Alors qu'une pièce diélectrique standard avec le même type de jupe à trois nervures comme celle de l'isolateur E-160 P de la société Vicasa (référence U-160 P selon la C.E.I.) présente une ligne de fuite d'au plus 545 mm pour un pas de 170 mm et un diamètre de jupe maximal de 320 mm, le profil du diélectrique représenté à la figure 1 et conforme à l'invention permet d'obtenir une ligne de fuite de 563 mm, avec un diamètre maximal de jupe dl de 330 mm et un pas (représenté en figure 2) de 146 mm. Pour cela, le profil de la jupe 1 a été profondément remanié, essentiellement quand à la disposition et à la taille de chacune des nervures 3, 4, 5 et du ressaut 6. Pour en évaluer la taille, on indique sur la figure 1 leurs hauteurs respectives h(3), h(4), h(5) et h(6), correspondant à la distance séparant leurs extrémités du plan passant par la base 7 de la tête 2, perpendiculairement audit plan. Ces valeurs sont les suivantes h(3) = 153 mm h(4) = 164 mm h(5) = 118,5 mm h(6) = 80,5 mm Pour préciser l'écartement relatif des nervures 3, 4, 5 et du ressaut 6, on indique leurs diamètres "médians tels qu'explicités sur la figure 1, c'est-à-dire en prenant les mesures entre deux points opposés placés à leurs extrémités arrondies pour les trois nervures, et pour le ressaut 6 entre deux points opposés placés au milieu de sa section respectivement, les valeurs sont les suivantes:: d(3) = 317 mm d(4) = 227 mm d(5) = 150 mm d(6) = 50 mm Si le ressaut 6 et les nervures intermédiaire 4 et interne 5 ne présentent aucune inclinaison par rapport à l'axe de révolution (00') de la pièce diélectrique, par contre la nervure externe 3 est inclinée d'un angle a ici égal à 150 calculé d'après la figure 1 d'après un plan orthogonal à l'axe (00') et passant par l'extrémité de la nervure intermédiaire 4. Ces nervures sont avantageusement suffisamment écartées les unes des autres pour permettre un lavage efficace à l'intérieur de la jupe, ce lavage pouvant être effectué soit par un opérateur, soit de manière naturelle sous l'action du vent et/ou de la pluie notamment. De plus, la partie rectiligne 8 de la surface extérieure de la jupe 1 présente un angle B d'inclinaison de 15 par rapport à un plan orthogonal à son axe de révolution (00') comme l'indique la figure 1. L'épaisseur de verre de la jupe 1 est d'au plus 13 mm et d'environ 10 mm pour cette partie rectiligne. Quant aux nervures 3, 4, 5, elles ont une épaisseur variable qui diminue régulièrement jusqu'à leurs extrémités arrondies, contrairement au ressaut 6 à l'extrémité plane. La tête 2 a une hauteur h(2) de 61,5 mm, et présente des crans 9 sur une hauteur h(9) de 43,5 mm, crans facilitant le scellement ultérieur du capot. La figure 2 représente l'isolateur électrique muni du diélectrique précédent, de son capot métallique 10 coiffant la tête 2 du diélectrique et fixée par scellement à celle-ci. Le capot présente une cavité 11 et une goupille anti-décrochage 12. A l'intérieur de la tête 2 du diélectrique, est fixée également par scellement une tige métallique 13 terminée par un renflement 14. Celle-ci peut s'accrocher dans la cavité 15 du capot 16 de l'isolateur contigu représenté en pointillés. Ainsi, on constitue une file isolante par em boîtements successifs d'une pluralité d'isolateurs similaires. Le profil du diélectrique selon l'invention, et plus particulièrement le profil de la jupe de celui-ci, permet d'obtenir des performances d'isolation électrique nettement suffisantes pour l'application envisagée, tout en permettant un montage sans encombres des isolateurs en file. En effet, par un écartement et une taille adéquate des nervures et malgré une ligne de fuite allongée donc un profil plus sinueux, on peut aisément accrocher la tige de l'isolateur dans le capot du diélectrique suivant. On ajoute que l'isolateur ainsi décrit est conforme à la norme CEI 815 précédemment citée de la Commission Electrotechnique Internationale relative aux isolateurs en atmosphère polluée : les paramètres imposés spécifiques au profil du diélectriques sont parfaitement respectés. La norme préconise notamment une distance minimale entre deux jupes, notée c, d'au moins 30 mm, cette valeur selon l'invention est de 82,5 mm. De même, la norme indique que le rapport entre le pas de la jupe s et la profondeur E de celle-ci, (indiqués à la figure 2), doit être supérieur ou égal à 0,8. Ce rapport selon l'invention est de 0,94. La norme préconise une inclinaison de la jupe d'au moins 5 afin d'en faciliter l'auto-nettoyage, on a vu précédemment que cette valeur est égale à 150 selon l'in invention Elle préconise un facteur de ligne de fuite noté CF, égal au rapport de la ligne de fuite de l'isolateur sur la distance d'arc (soit la plus courte distance dans l'air extérieure à l'isolateur mesurée entre les parties métalliques auxquelles est appliquée la tension, sans tenir compte des cornes de garde) tel que ce rapport pour une pollution de niveau 3, soit inférieur ou égal à 4. L'isolateur selon l'invention présente une valeur de CF de 3,04. Toutes les autres caractéristiques mécaniques, électriques, chimiques, ici non précisées, de l'isolateur électrique selon l'invention, sont conformes aux normes en vigueur pour une tension de 90 kV et un niveau de pollution 3 ou 4. Une file isolante appropriée pour une tension de 90 kV et un niveau de pollution 3, comportant des isolateurs électriques selon 1'invention ainsi que, de manière usuelle, deux cornes de garde, doit garantir une ligne de fuite totale minimale de 2250 mm (90 kV x 25 mm/kV), comme exposé précédemment. Le nombre d'isolateurs nécessaires est obtenu en divisant la ligne de fuite totale (soit 2250 mm) nécessaire sur la ligne de fuite de chaque isolateur (soit 563 mm), puis, lorsque ce rapport n est inférieur à 10, en choisissant le chiffre nl tel que n.-1 soit le nombre entier immédiatement supérieur à 0,9 n. La file isolante comporte n1 éléments, ici 5 éléments. La ligne de fuite totale est donc de 2815 mm (563 mm x 5). Si jamais un des isolateurs de la file venait à se détériorer, la file conserverait néanmoins une valeur de ligne de fuite totale de 2252 mm (563 mm x 4) suffisante. La longueur de la file correspond à cinq fois la valeur du pas de la pièce diélectrique, soit 730 mm ; ce qui permet de la substituer sans problème à des files adaptées à des tensions de 90 kV mais seulement à des niveaux de pollution 1 ou 2, qui, constituées également de cinq isolateurs, présentent des longueurs généralement inférieures ou égales à 765 mm. Il va de soi que si la tension est supérieure à 90 kV, le nombre d'isolateurs de la file est à adapter en conséquence, et que la file isolante décrite ci-dessus n'est 'un non qu exemple non limitatif d'utilisation d'isolateurs équipés chacun de la pièce diélectrique selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Pièce diélectrique en verre trempé de révolution autour d'un axe (00') et comportant une jupe (1) nervurée surmontée d'une tête (2), caractérisée en ce qu'afin d'équiper un isolateur électrique destiné aux lignes de transport d'électricité et conforme aux exigences requises pour des lignes sous haute tension atteignant 90 kV ou plus et pour une pollution ambiante pouvant atteindre le niveau normé 3 ou 4, le profil de ladite pièce diélectrique offre une ligne de fuite d'au moins 550 mm avec un diamètre de jupe d'au plus 350 mm. 2. Pièce diélectrique selon la revendication 1, ca ractérisée en ce que le profil de la pièce diélectrique offre une ligne de fuite comprise entre 550 et 575 mm pour un diamètre (dl) de jupe (1) compris entre 320 et 340 mm, et de préférence une ligne de fuite d'environ 563 mm pour un diamètre d'environ 330 mm. 3. Pièce diélectrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le pas (s) de la pièce diélectrique est d'au plus 150 mm, de préférence compris entre 150 et 140 mm, notamment d'environ 146 mm. 4. Pièce diélectrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la jupe (1) de la pièce diélectrique présente trois nervures (3, 4, 5) et un ressaut (6) dont les hauteurs par rapport à la base de la tête de la pièce diélectrique ainsi que les diamètres médians sont ajustés de manière à permettre l'accrochage mécanique par emboîtement des deux isolateurs électriques munis chacun d'une telle pièce diélectrique. 5. Pièce diélectrique selon la revendication 4, ca ractérisée en ce que les hauteurs par rapport à la base (7) de la tête (2) des trois nervures (3, 4, 5) et du ressaut (6) de la jupe (1) respectent les rapports suivants : le rapport de la hauteur de la nervure interne (5) sur celle de la nervure intermédiaire (4) est compris entre 0,70 et 0,75 et de préférence d'environ 0,72 ; le rapport de la hauteur de la nervure interne (5) sur celle de la nervure externe (3) est compris entre 0,75 et 0,80 et de préférence d'environ 0,77 ; le rapport de la hauteur de la nervure incermédiaire (4) sur celle de la nervure externe (3) est compris entre 1,05 et 1,1 et de préférence d'environ 1,07 ; le rapport de la hauteur de la nervure interne (5) sur celle du ressaut (6) est compris entre 1,45 et 1,50 et de préférence d'environ 1,47. 6. Pièce diélectrique selon la revendication 5, ca ractérisée en ce que les hauteurs respectives des nervures interne (5), intermédiaire (4), externe (3) et du ressaut (6) de la jupe (1) par rapport à la base (7) de la tête (2) sont approximativement de 118,5 rmn ; 164 mm ; 153 mm et 80,5 mm. 7. Pièce diélectrique selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que les diamètres "médians" des trois nervures (3, 4, 5) et du ressaut (6) de la jupe (1) respectent les rapports suivants : le rapport du diamètre de la nervure interne (5) sur celui de la nervure intermédiaire (4) est compris entre 0,63 et 0,69 et de préférence d'environ 0,66 ; le rapport du diamètre de la nervure interne (5) sur celui de la nervure externe (3) est compris entre 0,45 et 0,50 et de préférence d'environ 0,47; le rapport du diamètre de la nervure intermédiaire (4) sur celui de la nervure externe (3) est compris entre 0,70 et 0,75 et de préférence d'environ 0,72, le rapport du diamètre médian de la nervure interne (5) sur celui du ressaut (6) est compris entre 2,80 et 3,10 et de préférence d'environ 3. 8. Pièce diélectrique selon la revendication 7, ca ractérisée en ce que les diamètres "médians" des nervures interne (5), intermédiaire (4), externe (3) et du ressaut (6) sont respectivement de 150 mm ; 227 mm ; 317 mm ;50 mm. 9. Pièce diélectrique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'angle d'inclinaison (B) de la jupe (1) par rapport à un plan perpendiculaire à son axe de révolution (00') est de 150. 10. Pièce diélectrique selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisée en ce que l'angle d'inclinaison (a) de l'extrémité de la nervure externe (3) par rapport à llex- trémité de la nervure intermédiaire (4), rapportée à un plan perpendiculaire à l'axe de révolution (00') de la pièce et passant par l'extrémité de la nervure intermédiaire (4) est de 15 . 11. Pièce diélectrique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que l'épaisseur du verre de la jupe (1) est d'au plus 13 mm. 12. Pièce diélectrique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que la tête de ladite pièce est crantée (9) et a une hauteur comprise entre 57 et 63 mm et de préférence d'environ 61,5 mm. 13. Isolateur électrique du type "capot et tige" comportant une pièce diélectrique conforme aux revendications 1 à 12 et adapté au transport de lignes sous haute tension de 90 kV ou plus sous une pollution ambiante du niveau normé 3 ou 4. 14. Isolateur électrique selon la revendication 13 comportant un capot métallique (10) évidé en son sommet dans lequel est scellée la tête (2) extérieure de la pièce diélectrique ainsi qu'une tige métallique (13) fixée à l'intérieur de la tête de la pièce diélectrique, ladite tige métallique se terminant en un renflement (14) conçu de manière à pouvoir s'emboîter dans le sommet évidé d'un capot métallique (16) d'un isolateur similaire. 15. File isolante électrique comportant une pluralité d'isolateurs électriques emboîtés conformes à la revendication 14. 16. File isolante électrique selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'elle a une longueur d'au plus 765 mm et une ligne de fuite totale d'au moins 2800 mm.