Brevet FR2684232A1 — publié le 19930528

DISJONCTEUR A VIDE MUNI DE MOYENS D'AUTODIAGNOSTIC La présente invention concerne un disjoncteur à vide muni de moyens d'autodigestions. Dans le brevet français N O 90 13 049, il a été signalé l'utilisation des fibres optiques plastiques fluorescentes pour détecter les durées d'arc des disjoncteurs à gaz, en particulier à hexafluorure de souffre (SF 6). La connaissance des durées d'arc permet d'apprécier l'évolution de l'état de l'appareil et de prévoir les interventions de maintenance. Les disjoncteurs à vide nécessitent une étanchéité parfaite, réalisée en usine une fois pour toutes; il est donc impossible de faire le vide complémentaire Leurs enveloppes sont souvent en céramique, donc opaques, rendant difficile le contrôle visuel de l'état du disjoncteur. Pour vérifier l'état interne d'un disjoncteur, il est connu de mesurer son seuil d'ionisation ou d'émission d'électrons en lui appliquant une tension suffisante, parfois par l'intermédiaire d'un champ magnétique externe. Ce genre de contrôle se fait en pratique en période d'entretien programmé. Il n'y a donc pas de surveillance d'état en continu. Il est bien connu que le disjoncteur à vide sous tension suffisante émet des rayons X pendant sa fermeture ou pendant son ouverture. A cet égard, on peut se référer à l'article "Limiting X-radiation from a high voltage vacuum interrupter at the prebreakdown stage", par W GORCZEWSKI, rapport 34-01, 7 ème International Symposium on High Voltage Engineering, DRESDEN, Août 1991. 2 2684232 Les rayonnements X émis à l'ouverture ou à la fermeture des ampoules à vide sont d'intensité relativement faibles Des dispositifs de protection sont prévus pour les rendre inoffensifs. On connaît aussi l'utilisation des fibres optiques scintillantes pour détecter les rayonnements des particules dans les accélérateurs à haute énergie. On se référera par exemple à l'article " organic Scintillators with large stokes shifts", The Journal of Physical Chemistry, vol 82, N 04, 1978, ou l'article "Plastic fibers in high energy physics" de M BLUMENFELD, NIM, 257 ( 1987). Les fibres scintillantes captent les rayonnements par leur périphérie et les transforment en une onde lumineuse transitant dans la fibre. L'intensité des rayonnements X dépend essentiellement de la tension appliquée, de la distance entre les contacts, du matériau et de l'état des contacts et de l'état du vide La perte de vide réduit fortement le rayonnement X Par suite l'absence de rayons X, après une certaine durée de fonctionnement d'un disjoncteur, peut être l'indice d'une perte de vide De même, une modification du spectre du rayonnement enregistré pourrait signifier qu'un changement de fonctionnement dans l'espace inter-électrodes est intervenu, par exemple une érosion des contacts. C'est le mérite du Demandeur d'avoir pensé à utiliser, comme il va être montré maintenant, les fibres scintillantes pour obtenir une surveillance effective et continue du disjoncteur. L'invention a pour objet un disjoncteur à vide comprenant, pour chaque phase, au moins une ampoule à vide logée à l'intérieur d'une enceinte fermée, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une fibre 3 2684232 scintillante disposée dans l'espace compris entre ladite enceinte et la surface extérieure de l'ampoule à vide, ladite fibre étant reliée, à l'extérieur du disjoncteur, à un dispositif opto-électronique. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, le disjoncteur comprend au moins une fibre scintillante par phase. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la fibre scintillante est commune aux trois phases. Pour les disjoncteurs dans lesquels le rayonnement X est d'intensité suffisante, la fibre scintillante est enroulée autour de la partie centrale de l'ampoule à vide, une première extrémité étant libre, l'autre extrémité sortant de l'enceinte. Pour les disjoncteurs o l'intensité du rayonnement X est importante, la fibre scintillante est suspendue à l'intérieur de l'espace compris entre l'enceinte et l'ampoule à vide. Dans le cas o la fibre scintillante est commune aux diverses phases du disjoncteur, la fibre scintillante est disposée de manière à définir autour de chaque ampoule à vide une boucle en forme de U. Dans le cas o l'enveloppe des ampoules à vide est réalisée en matériau transparent ou translucide, la fibre scintillante est revêtue d'une gaine la rendant opaque au rayonnement visible, et le disjoncteur comprend en outre une fibre optique fluorescente. La fibre scintillante est alors disposée autour de la partie centrale de l'ampoule à vide, la fibre fluorescente étant enroulée à l'une des extrémités de l'ampoule à vide. En variante, au moins l'une des fibres est disposée de manière suspendue. Avantageusement, le dispositif opto-électronique est relié à la fibre optique du 4 2684232 disjoncteur par l'intermédiaire d'une fibre optique plastique ou à silice. De préférence, le dispositif opto-électronique est une photo-diode. L'enveloppe est, soit en matériau isolant et l'espace entre l'enveloppe et l'ampoule est de l'air, soit en métal et l'espace entre l'enveloppe et l'ampoule est rempli d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre. La fibre optique utilisée est cylindrique ou sous forme de bande ou de film. En variante, l'ampoule à vide est entourée d'un cylindre constitué d'un film scintilant, une fibre fluorescente, reliée à un photo- détecteur, étant enroulée autour dudit cylindre. Selon une autre variante, le disjoncteur comprend une pluralité de fibres scintillantes, disposées parallèlement entre elles selon un cylindre coaxial à l'ampoule, et une fibre fluorescente disposée en cerceau à l'une des extrémités dudit cylindre en regard des extrémités desdites fibres scintillantes, une extrémité de ladite fibre fluorescente étant reliée à un photo-détecteur Dans ce cas, lesdites fibres scintillantes sont de préférence collées sur un tube transparent. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description donnée ci-après de plusieurs modes de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: la figure 1 est une vue schématique partielle en élévation partiellement coupée d'un disjoncteur à vide triphasé selon un premier mode de réalisation, la figure 2 représente schématiquement en coupe axiale un pôle d'un disjoncteur à vide selon une variante de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente schématiquement un disjoncteur triphasé selon une autre variante de réalisation de l'invention, la figure 4 est une vue schématique partielle, en élévation et partiellement en coupe, d'un disjoncteur selon une autre variante de réalisation de l'invention, la figure 5 est une vue schématique partielle, en élévation et partiellement en coupe, d'un disjoncteur selon une autre variante de réalisation de l'invention, la figure 6 est une vue schématique partielle, en élévation et partiellement en coupe, d'un disjoncteur selon une autre variante de réalisation de l'invention. Les exemples de réalisation décrits en référence aux figures 1 à 6 concernent des disjoncteurs dans lesquels les ampoule à vide sont placés dans une enceinte en matériau isolant, l'espace compris entre les ampoules et la paroi de l'enceinte étant de l'air. L'invention s'applique également aux disjoncteurs dans lesquels les ampoules à vide sont placés à l'intérieur d'une enceinte métallique, l'espace entre les ampoules et la paroi de l'enceinte étant rempli d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre. Dans la figure 1, la référence 10 désigne une enceinte, en matériau isolant tel que la résine époxy moulée, qui contient et protège trois ampoules à vide 11, 21 et 31 identiques, constituant les trois pôles d'un disjoncteur triphasé Les trois ampoules sont identiques et seule l'ampoule 11 est décrite en détail. L'ampoule à vide Il comprend une enveloppe 12 par exemple en céramique Cette enveloppe est fermée à ses deux extrémités par des flasques métalliques 13 et 14, et le vide est pratiqué à l'intérieur de l'enveloppe. Le flasque 13 est relié à l'extérieur de l'enveloppe à une première prise de courant 15 du pôle et, à l'intérieur de l'enveloppe, à un contact fixe 16 de l'ampoule à vide. Le flasque 14 est traversé de manière étanche, grâce à un soufflet métallique 17, à une tige mobile 18 reliée mécaniquement à un dispositif de manoeuvre du là disjoncteur non représenté et électriquement à une seconde prise de courant du pôle Intérieurement à l'enveloppe, la tige 18 porte un contact mobile 19. Le fonctionnement d'une ampoule à vide est bien connu et il sera simplement rappelé que lorsque le disjoncteur est en position fermée, les contacts 16 et 17 sont appuyés l'un contre l'autre, le courant passant par la tige 18, le contact 19, le contact 16, le flasque 13 et la prise de courant 15. A l'ouverture du disjoncteur, la tige mobile 18, avec les tiges homologues des autres pôles, est entraînée vers le bas de la figure. L'arc qui se crée entre les contacts 16 et 19 s'éteint rapidement en raison du vide qui règne à l'intérieur de l'enveloppe. Un couvercle isolant 20 ferme l'enceinte. L'espace libre et obscur 21 entre l'enceinte 10 et l'enveloppe 12 de l'ampoule est rempli d'air à la pression atmosphérique. Selon une caractéristique de l'invention, une fibre optique scintillante 25 est logée dans l'espace 21 En pratique, afin de donner au dispositif une sensibilité suffisante, il est nécessaire de donner à la fibre une longueur suffisante Pour cette raison, la fibre 25 est de préférence enroulée autour de l'enveloppe de l'ampoule à vide, sur toute sa hauteur, 6 - 7 - ou au moins sur sa partie centrale, là o le rayonnement X est le plus intense. La fibre a un diamètre d'environ 0,5 mm de sorte qu'elle trouve aisément sa place dans l'espace annulaire 21 On notera que l'échelle n'a pas été respectée dans le dessin en ce qui concerne la fibre optique pour faciliter son examen. Un extrémité 26 de la fibre est libre, l'autre extrémité 27 traverse le couvercle 20 et est relié à un dispositif de conversion opto- électronique tel qu'une photo-diode 28 Le signal émis par la photo- diode est amplifié et exploité par des dispositifs non représentés. La photo-diode n'est pas nécessairement placée à la sortie immédiate de l'ampoule à vide Pour éviter l'affaiblissement du signal de la fibre scintillante, une fibre optique plastique transparente ou à silice 29 peut être utilisée entre la fibre scintillante et la photo-diode par l'intermédiaire du connecteur 30. La figure 2 représente une variante de réalisation de l'invention utilisable lorsque l'intensité du rayonnement X de l'ampoule est important Un seul pâle du disjoncteur à été représenté. La fibre scintillante 35, de diamètre par exemple voisin de 1 mm, est suspendue le long de l'enveloppe de l'ampoule sur toute la hauteur de celle-ci L'extrémité libre 36 est proche du fond de l'espace 21; l'autre extrémité 37 traverse le couvercle 20 et est reliée, éventuellement par l'intermédiaire d'une fibre plastique ou à silice 29, à une photo-diode 28 La fibre 35 peut être réalisée sous forme de bande de largeur de quelques centimètres Un connecteur spécial 30 A permet de la relier à la fibre 29. 8 - En courant alternatif triphasé, les tensions de chaque phase sont décalées de 60 degrés électriques, ce qui correspond, à 50 Hz, à un décalage dans le temps de 3,3 millisecondes Les radiations émises par chacun des pôles, par exemple lors de l'ouverture d'un disjoncteur triphasé, auront des pics d'intensité décalés dans le temps de la même valeur On voit donc qu'il est possible de n'utiliser qu'une seule fibre scintillante et une seule photo-diode, le dispositif électronique de traitement du signal, en combinaison avec d'autres moyens d'enregistrement du signal, pourra savoir à quelle ampoule il faut attribuer tel pic du signal. En pratique, comme il est indiqué dans la figure 3, on utilise une fibre scintillante 45 qui pénètre dans chacun des pôles et prend la forme d'un U autour de chaque ampoule; une extrémité 46 est libre et se trouve par exemple près de l'ampoule 11; l'autre extrémité 47 ressort du pôle contenant l'ampoule 31 et est relié à une photo-diode 28 par l'intermédiaire d'une fibre plastique ou à silice 29 On observera qu'il est nécessaire de donner à la fibre scintillante des niveaux de courbure suffisants pour éviter les affaiblissement de l'onde lumineuse. L'enregistrement continu des signaux correspondants aux rayonnements X, leur intensité, leur durée, permettent d'apprécier l'évolution de l'état interne des ampoules à vide en fonction des manoeuvres successives L'utilisation de photo-diodes appropriées couvrant le spectre d'onde de la radiation est plus commode et plus économique que l'emploi de photomultiplicateurs plus chers mais plus sensibles. Certaines ampoules à vide ont une enveloppe latérale en matériau transparent ou translucide, comme par exemple le verre. 9 - Dans ce type d'appareil, chaque pôle sera équipé, comme le montre la figure 4, d'une première fibre 55, du type fibre scintillante, entourant la partie centrale de l'enveloppe 12 Cette fibre est entourée d'une gaine plastique opaque, par exemple de couleur noire, pour la soustraire à l'action des rayonnements du spectre visible Une extrémité 56 de la fibre est libre; l'autre extrémité 57 est reliée par à une photo-diode 58, par l'intermédiaire éventuel d'une fibre plastique ou à silice 59. Le pôle est équipé d'une seconde fibre 65, du type fibre fluorescente, qui entoure la partie supérieure (ou inférieure de l'enveloppe; l'une des extrémités 66 de la fibre 65 est libre, l'autre extrémité 67 est reliée à une photo-diode 68, éventuellement par l'intermédiaire d'une fibre plastique ou à silice 69. La fibre 65 est utilisée pour capter la lumière visible de l'arc pendant l'ouverture ou la fermeture du disjoncteur, pouvant donner lieu éventuellement à des réamorçages pouvant être multiples Lors des réamorçages multiples, la durée d'arc, donc la durée de la lumière émise, est extrêmement courte, de l'ordre de quelques microsecondes pour chaque amorçage les fibres utilisées, qui ont des temps de réponse ultra rapides, d'une dizaine de nanosecondes par exemple, permettent de détecter facilement ces amorçages. Le disjoncteur ainsi équipé, permettant de détecter à la fois les rayons X et la lumière visible émise par l'arc de coupure, permet un bon diagnostic de fonctionnement de l'appareil. On notera que, comme montré en référence à la figure 2, au moins l'une des fibres 55 et 65 peut être disposée pendante le long de l'ampoule, lorsque les rayonnement correspondant a une intensité suffisante. - Lorsque le rayonnement émis par l'ampoule à vide est faible, une longueur de la fibre scintillante trop importante réduit la sensibilité de la mesure, étant donné la forte atténuation du signal lumineux dans la fibre Une solution à ce problème est donnée par le mode de réalisation décrit en regard de la figure 5, dans laquelle les éléments communs à cette figure et à la figure 2 ont reçu les mêmes numéros de référence. Pour améliorer la détection du rayonnement, l'ampoule à vide 12 est entourée d'un film scintillant qui constitue alors un cylindre dont l'épaisseur est de l'ordre de 0,5 mm On peut par exemple utiliser un film scintillant commercialisé sous la référence NE 102 Apar la société Nuclear Enterprise Le film scintillant peut en variante, être réalisé au moyen de fibres scintillantes disposées selon un cylindre entourant l'ampoule; les fibres scintillantes peuvent être par exemple les fibres commercialisées par la société Optectron sous les références Sl Ol A ou Sl Ol D. Le film 70 est entouré par une fibre plastique fluorescente 65, enroulée autour du film La fibre plastique fluorescente est reliée à un photo- détecteur 28, à travers un connecteur 30 A et une fibre optique 29 si nécessaire Le fonctionnement du dispositif est le suivant: un rayonnement sortant de l'ampoule frappe le film 70 et émet de la lumière très proche de la lumière bleue en traversant le film Une grande partie de cette lumière touche directement la fibre fluorescente 65 sans atténuation à cause de la très faible épaisseur du film La fibre fluorescente, de préférence une fibre fluorescente à lumière verte, capte la lumière émise par le film et émet à son tour une lumière qui est transmise au photo-détecteur Grâce à ces dispositions, il 2684232 on obtient une bonne sensibilité de l'appareil même pour des faibles rayonnements. La figure 6 illustre une variante de réalisation, également utilisable pour la détection des faibles rayonnements Là encore, les éléments communs aux figures 2, 5 et 6 ont reçu les mêmes numéros de référence. Le film 70 est remplacé par un cylindre 71, formé de fibres scintillantes 73 collées sur un tube transparent 74 en plastique couvrant l'ampoule à vide. Les fibres 73 sont disposées parallèlement selon des génératrices du tube La partie supérieure 75 du cylindre formé des fibres 73 est en contact avec un cerceau 76 constitué d'une fibre fluorescente dont une 1 S extrémité 65 est reliée à un photo-détecteur 28. Un rayonnement ponctuel sortant de l'ampoule à vide frappe une fibre scintillante 73 et y émet de la lumière qui se propage jusqu'à l'extrémité 75 La fibre fluorescente 76 enroulée en cerceau capte cette lumière et transmet au photo-détecteur 28. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui n'ont été donnés que pour expliquer l'invention On pourra, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer certains moyens par des moyens équivalents. 12 - REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur à vide comprenant, pour chaque phase, au moins une ampoule à vide logée à l'intérieur d'une enceinte fermée, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une fibre scintillante ( 25) disposée dans l'espace ( 21) compris entre ladite enceinte ( 10) et la surface extérieure de l'ampoule à vide ( 11), ladite fibre étant reliée, à l'extérieur du disjoncteur, à un dispositif opto-électronique. 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une fibre scintillante ( 25) par phase. 3/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre scintillante ( 45) est commune aux trois phases. 4/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la fibre scintillante ( 25, 55) est enroulée autour de la partie centrale de l'ampoule à vide, une première extrémité ( 26, 56) étant libre, l'autre extrémité ( 27, 57) sortant de l'enceinte. / Disjoncteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la fibre scintillante ( 35, 45) est suspendue à l'intérieur de l'espace compris entre l'enceinte et l'ampoule à vide. 6/ Disjoncteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fibre scintillante ( 45) est disposée de manière à définir autour de chaque ampoule à vide ( 11, 21, 31) une boucle en forme de U. 7/ Disjoncteur à vide selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enveloppe des ampoules à vide étant réalisée en matériau transparent ou translucide, la fibre scintillante ( 55) est revêtue d'une gaine la rendant opaque au rayonnement visible, ledit disjoncteur comprenant en outre une fibre optique fluorescente ( 65). 13 - 8/ Disjoncteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fibre scintillante ( 55) est disposée autour de la partie centrale de l'ampoule à vide, la fibre fluorescente ( 65) étant enroulée à l'une des extrémités de l'ampoule à vide. 9/ Disjoncteur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins l'une des fibres ( 55, 65) est disposée de manière suspendue. / Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dispositif opto-électronique est relié à la fibre optique du disjoncteur par l'intermédiaire d'une fibre optique plastique ou à silice ( 29, 59, 69). 11/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le dispositif opto-électronique est une photo-diode. 12/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 10) est en matériau isolant, l'espace ( 21) entre l'enveloppe et l'ampoule à vide étant rempli d'air. 13/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'enveloppe est en métal, l'espace ( 21) entre l'enveloppe et l'ampoule à vide étant rempli d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre. 14/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la fibre est cylindrique ou sous forme de bande ou film. / Disjoncteur à vide comprenant, pour chaque phase, au moins une ampoule à vide logée à l'intérieur d'une enceinte fermée, caractérisé en ce que l'ampoule à vide est entourée d'un cylindre ( 70) constitué d'un film scintilant, une fibre fluorescente ( 65), reliée à un photo- détecteur ( 28), étant enroulée autour dudit cylindre. 14 2684232 16/ Disjoncteur à vide comprenant, pour chaque phase, au moins une ampoule à vide logée à l'intérieur d'une enceinte fermée, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de fibres scintillantes ( 73), disposées parallèlement entre elles selon un cylindre ( 71) coaxial à l'ampoule, et une fibre fluorescente ( 76) disposée en cerceau à l'une des extrémités dudit cylindre en regard des extrémités desdites fibres scintillantes, une extrémité ( 65) de ladite fibre fluorescente étant reliée à un photo-détecteur ( 28). 17/ Disjoncteur selon la revendication 16, caractérisée en ce que lesdites fibres scintillantes ( 75) sont collées sur un tube transparent ( 74).