Brevet FR2687246A1 — publié le 19930813

PARAFOUDRE A OXYDE DE ZINC A ECLATEUR SERIE La présente invention est relative à un parafoudre à oxyde de zinc. On sait que l'utilisation de l'oxyde de zinc (ZnO) dans la réalisation des parafoudres permet, grâce à la très grande valeur de son coefficient de non linéarité, de supprimer l'éclateur série. La littérature technique de langue anglaise désigne ce type de parafoudre sous les termes de "gapless surge arrester". Dans le cas où un très faible niveau de protection est souhaité, par exemple pour une utilisation en réseaux à neutre non directement relié à la terre, ou dans le cas d'une exploitation en zone fortement polluée, la présence d'un éclateur série est cependant préférable afin d'éliminer tout risque d'emballemment thermique. On connaît aussi l'utilisation des éclateurs à tension d'amorçage élevée en série avec les varistances ZnO (voir notamment le brevet américain n" 5 012 383 de SEIKE et al), ou des éclateurs à impédance en parallèle pour répartir la tension sur les éclateurs multiples en série. Dans la demande de brevet français ne 90 06 787, le Demandeur a signalé l'utilisation d'une capacité de valeur adéquate afin d'obtenir un pourcentage bien défini de la tension sur l'intervalle de coupure en série avec la varistance. Il a été fixé la capacité de l'éclateur ou de l'intervalle de coupure entre 0,6 et 1,1 fois celle de la varistance. Un but de la présente invention est de réaliser un parafoudre à moyenne tension (inférieure ou égale à 36 kV), muni d'un seul éclateur série qui en régime permanent ne supporte qu'une partie relativement faible, le quart environ, de la tension appliquée au parafoudre. La capacité de l'éclateur série dans ce cas est d'environ trois fois (plus généralement entre 2 et 4 fois) celle du bloc de varistances qui se comporte alors comme un condensateur sous la tension maximalede service permanent. Un éclateur de faible capacité, par exemple bien inférieure à celle du bloc de varistance ZnO, supportera par contre une tension permanente plus élevée. Or, il est connu qu'un éclateur amené à fonctionner sous une tension élevée, doit être fractionné en plusieurs éclateurs élémentaires, éventuellement à soufflage magnétique, comme ctest le cas pour les parafoudres à résistances en carbure de silicium. Ce genre d'éclateur n'est certainement pas économique en moyenne tension. Un éclateur de capacité élevée serait plus favorable pour la coupure, puisque la tension rétablie serait limitée à une faible valeur. Cependant, la tension appliquée au bloc de varistance ZnO deviendrait alors trop élevée. On risquerait de provoquer l'emballement thermique des varistances. Un but de l'invention est de réaliser un parafoudre réalisant un compromis entre les diverses exigences techniques en possédant une capacité ni trop faible, ni trop grande, et qui soit de construction simple et économique. La présente invention a pour objet un parafoudre à oxyde de zinc comprenant une enveloppe isolante étanche fermée par un premier et un second flasques métalliques d'extrémité et à l'intérieur de laquelle est disposé un empilage de disques en matériau à base d'oxyde de zinc, dont une extrémité est en contact avec ledit premier flasque caractérisé en ce qu'à l'intérieur de l'enveloppe est disposé un éclateur comprenant une première et une seconde électrodes séparées par un intervalle (e), ladite première électrode étant en contact électrique avec le sommet vdit empilage et la seconde électrode en contact électr::q.e avec ledit second flasque, un condensateur étant connecte n paralléle avec l'éclateur, la capacité de l'ensemb;+ constitué par ledit éclateur et le dit condensateur *ant comprise entre 2 et 4 fois celle de l'empilage de varistances. Chaque électrode comprend une portion annulaire , les bornes du condensateur étant en contact avec lesdites portions annulaires. Dans un premier mode de réalisation, le condensateur est de forme tubulaire. En variante, le condensateur est réalisé sous la forme d'au moins un bâtonnet disposé dans une cavité cylindrique d'un tube isolant. Les électrodes comportent une forme bombée ou tronconique, avec un trou axial. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description détaillée de divers modes de réalisation, avec référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en élévation en coupe axiale partielle d'un parafoudre selon l'invention, - la figure 2 est une vue partielle en élévation en coupe axiale d'un parafoudre selon une variante de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe transversale, au niveau du condensateur, d'un parafoudre selon une autre variante de réalisation de l'invention. Dans la figure 1, la référence 1 désigne une enveloppe isolante, en céramique ou en matériau composite par exemple en fibres de verre imprégnées de résine époxy, avec des ailettes 2 en silicone ou en EPDM. L'enveloppe, de forme générale cylindrique, est fermée à ses deux extrémités, de manière étanche, par des flasques métalliques 3 et 4 qui constituent également les prises de courant de l'appareil. L'intérieur de l'enveloppe comprend une varistance 5 constituée d'un empilage de disques 6 en oxyde de zinc; la partie inférieure de la pile est en contact électrique avec le flasque 3; la partie supérieure de la pile est en contact avec une rondelle métallique 15. Le bloc de varistances 5 est surmonté par un éclateur 7 comprenant deux électrodes 8 et 9, identiques, réalisées de préférence en laiton ou en cuivre; les électrodes ont une forme de révolution autour de l'axe géométrique xx de la colonne; elles présentent une partie annulaire 8A, 9A et une partie bombée 8B, 9B avec un trou central 8C, 9C. Les parties bombées des électrodes 8 et 9 sont placées en regard l'une de l'autre, à une ditance e. Les électrodes 8 et 9 sont séparées par un condensateur 11 en céramique par exemple à base de titanate de baryum, de forme tubulaire et de hauteur h. Ce condensateur est en contact avec les parties annulaires des électrodes 8 et 9 . Une pression est exercée sur l'ensemble constitué par l'empilage de varistances, les électrodes et le condensateur, par un ressort 13 s'appuyant d'une part sur la partie annulaire 9A de l'électrode 9, et d'autre part sur le flasque 4. Le contact électrique entre l'électrode 9 est le flasque 4 est assuré par une tresse métallique 14 L'électrode 8 est en contact avec la rondelle 15. La distance d'écartement e est déterminée pour pouvoir couper en sécurité le courant de suite et pour amorcer sous une tension crête égale ou inférieure au niveau de protection souhaité. Supposons que chaque disque 6 présente une capacité de 200 pF. Le bloc de six disques empilés et donc connectés électriquement en série a une capacité de 33 pF. En fixant, comme déjà signalé plus haut, la capacité totale de l'éclateur 7 (capacité propre plus capacité additionnelle du condensateur 11) à trois fois celle du bloc de varistances 5, l'ensemble présentera une capacité totale de 100 pF. Cette valeur de capacité permet de fixer la capacité du condensateur 11, connaissant la capacité propre de l'ensemble formé par les électrodes 8 et 9. La hauteur du condensateur 11 devra être suffisante pour tenir avec sécurité la tension permanente appliquée et la surtension entraînant l'amorçage de l'éclateur entre les électrodes 8 et 9. A titre d'exemple, on peut prendre h = 5 e Si l'appareil est rempli d'air sec, pour une tension de 24kV, e est voisin de 5mm. Si l'appareil est rempli d'hexafluorure de soufre (SF6) à la pression atmosphérique, la distance e est voisine de 2,5 mm. On augmente alors la capacité propre de l'éclateur 7 et on réduit en même temps la valeur de la capacité du condensateur 11. D'une manière plus générale, et compte tenu des applications envisagées, la capacité de l'ensemble constitué par l'éclateur et le condensateur sera comprise entre 2 et 4 fois celle de l'empilage de varistances. Le trou central dans les électrodes permet la libre circulation du gaz dans l'appareil et assure, après un fonctionnement de l'éclateur, l'homogénéité de la pression et de la température du gaz, ce qui permet à ce dernier de recouvrer ses propriétés diélectriques. La courbure 8D, 9D des électrodes permet leur centrage et leur immobilisation dans le sens radial par appui sur les bords du condensateur 11. La figure 2 illustre une variante de réalisation du parafoudre de l'invention dans lequel les électrodes, référencées maintenant 80 et 90, sont de forme tronconique avec un trou central. Là encore, les électrodes sont centrées par appui de leur pliure 80A, 90A sur le sommet du condensateur. La figure 3 illustre une autre variante de réalisation dans laquelle le condensateur est réalisé sous forme de bâtonnets 111, 112; ces derniers sont placés à l'intérieur de cavités cylindriques 20 pratiquées dans la paroi d'un tube isolant 18 en céramique ou en époxy. Le reste de l'appareil demeure inchangé. On notera que pour toutes les variantes de réalisation, le diamètre de l'éclateur 7 et du condensateur 11 ou de son support 18 est voisin de celui des varistances 6. L'espace 16 entre l'enveloppe 1 et les disques 6 permet d'assurer une circulation du gaz favorisant le refroidissement des éléments de varistance. L'invention s'applique à la réalisation de parafoudres en moyenne tension jusqu'à 45kV. REVENDICATIONS 1/ Parafoudre à oxyde de zinc comprenant une enveloppe isolante (1) étanche fermée par un premier (3) et un second (4) flasques métalliques d'extrémité et à l'intérieur de laquelle est disposé un empilage (5) de disques (6) en matériau à base d'oxyde de zinc, dont une extrémié est en contact avec ledit premier flasque (3), caractérisé en ce qu'à l'intérieur de l'enveloppe est disposé un éclateur (7) comprenant une première (8) et une seconde (9) électrodes séparées par un intervalle (e), ladite première électrode (8) étant en contact électrique avec le sommet dudit empilage (5) et la seconde électrode (9) en contact électrique avec ledit second flasque (4), un condensateur (11; 111, 112) étant connecté en paralléle avec l'éclateur (7), la capacité de l'ensemble constitué par ledit éclateur (7) et le dit condensateur (11; 111, 112) étant comprise entre 2 et 4 fois celle de l'empilage (5). 2/ Parafoudre selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque électrode (8, 9) comprend une portion annulaire (8A, 9A), les bornes du condensateur (11; 111, 112) étant en contact avec lesdites portions annulaires. 3/ Parafoudre selon la revendication 2, caractérisé en ce que le condensateur (11) est de forme tubulaire. 4/ Parafoudre selon la revendication 2, caractérisé en ce que le condensateur est réalisé sous la forme d'au moins un bâtonnet (111, 112) disposé dans une cavité cylindrique d'un tube isolant (18). 5/ Parafoudre selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les électrodes (8, 9) comportent une forme bombée ou tronconique, avec un trou axial (8C, iC). 6/ Parafoudre selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'enveloppe (1) est remplie > l.r r sec ou d'hexafluorure de soufre.