Brevet FR2705492A1 — publié le 19941125

CONDENSATEUR A HAUTE STABILITE THERMIQUE La présente invention est relative à un condensateur destiné notamment à équiper un dispositif pour la mesure précise d'une tension électrique à l'intérieur d'un appareil 5 électrique avec enveloppe métallique à la terre isolé à l'hexafluorure de soufre SF6. Un tel dispositif de mesure de tension est décrit dans la demande de brevet français no 89 16 189 déposée le 7 décembre 1989 au nom de GEC ALSTHOM SA.10 La figure 1 annexée au présent mémoire illustre le montage électronique réalisé pour obtenir une image de la tension à mesurer. La ligne Li désigne le conducteur à haute tension dont on souhaite mesurer la tension Up. Le montage comprend un premier condensateur Cl, dit condensateur haute tension relié, par un câble de liaison L2 à l'entrée négative d'un amplificateur opérationnel A muni d'un second condensateur C2 entre sa sortie et sa borne d'entrée négative. La borne positive de l'amplificateur20 opérationnel est relié à la masse. Le condensateur y représente l'ensemble des capacités parasites comprenant notamment la capacité du câble de liaison L2 et la capacité formée par l'armature basse tension et la masse; la capacité du câble L2 n'est pas négligeable, puisque l'amplificateur25 opérationnel A est situé dans un local de mesure B qui peut être distant de plusieurs dizaines de mètres de l'endroit o est placé le condensateur haute tension Ci. La tension de sortie Us de l'amplificateur opérationnel est une image de la tension à mesurer puisque ces deux grandeurs sont liées par la relation: Up = - Us.C2/Cl Pour que l'image Us soit indépendante de la température, il est nécessaire que le rapport C2/C1 soit indépendant de la température. Le condensateur C2 se trouve dans le local de mesure et il est facile de le disposer dans une enceinte régulée en température. Mais le condensateur Ci est placé dans l'appareil ou à proximité de ce dernier; or, l'appareil est souvent en plein air et la température peut varier dans des limites importantes, par exemple de - 500C à + 600C. La précision de la mesure dépend donc de la variation de la capacité du condensateur C2 avec la température. Pour obtenir une mesure précise de la tension Us quelle que soit la température à laquelle est soumise le condensateur Cl, il faut que la capacité de ce dernier soit indépendante de la température. Un premier but de l'invention est de réaliser un condensateur dont la valeur de la capacité est indépendante de la température. Un autre but de l'invention est de réaliser un condensateur de fabrication aisée et de prix de revient peu élevé. Un autre but de l'invention est de réaliser un condensateur tel que sa capacité parasite par rapport à la mass soit très faiblement inductive, de façon à offrir un chemin privilégié pour l'écoulement des signaux à très haute fréquence présents au niveau de l'électrode basse tension.25 Ces buts sont atteints par le condensateur de l'invention tel que défini dans les revendications. L'invention est maintenant expliquée de manière plus approfondie par la description d'un exemple de réalisation, en référence au dessin annexé dans lequel:30 - la figure 1 est un schéma d'un dispositif de mesure de tension - la figure 2 est une vue en perspective d'un capteur capacitif réalisé conformément à l'invention, la figure 3 est une vue partielle en coupe transversale du capteur de la figure 1, - la figure 4 est une vue partielle en coupe transversale d'une partie du condensateur, montrant un premier mode de réalisation de la fixation des électrodes BT,5 - la figure 5 est une vue partielle en coupe axiale d'une partie du condensateur, illustrant le même mode de fixation des électrodes BT que celui montré dans la figure 4, - la figure 6 est une vue partielle en coupe transversale d'une partie du condensateur, montrant un second mode de réalisation de la fixation des électrodes BT, - la figure 7 est une vue partielle en coupe axiale d'une partie du condensateur, illustrant le même mode de fixation des électrodes BT que celui montré dans la figure15 6, - la figure 8 est une vue partielle en coupe transversale d'une partie du condensateur, montrant un troisième mode de réalisation de la fixation des électrodes BT,20 - la figure 9 est une vue partielle en coupe axiale d'une partie du condensateur, illustrant le même mode de fixation des électrodes BT que celui montré dans la figure 8, - la figure 10 est une vue partielle d'un poste blindé à l'intérieur duquel est placé un condensateur selon l'invention. Le condensateur représenté dans la figure 2 comprend un corps cylindrique externe 1 (désigné par la suite, pour simplifier par, corps). Le corps est réalisé dans un30 matériau dont le coefficient de dilatation linéaire ac est connu avec précision. Le matériau est de préférence un métal, mais peut également être un matériau isolant, plastique ou composite, métallisé. Dans le cas o le matériau est en métal, on choisit par exemple un alliage35 d'aluminium. Le corps 1 sert de support aux électrodes basse tension qui seront décrite plus loin. Le condensateur comprend une électrode interne 2 destinée à être reliée à la haute tension HT. C'est la raison pour laquelle cette électrode 2 sera désignée dans la suite par électrode HT. Cette électrode est un cylindre réalisé dans un matériau dont le coefficient de dilatation linéaire ah est connu avec précision. Comme pour le corps, le matériau de l'électrode HT est un métal ou un isolant10 métallisé. De préférence, le matériau de l'électrode HT sera choisi identique à celui du corps. Le corps et l'électrode HT sont disposés coaxialement et maintenus fixes l'un par rapport à l'autre par des moyens qui seront décrits plus loin.15 Le corps sert de support à un certain nombre d'électrodes 3, (appelées dans la suite électrodes BT car elles sont placée du côté de la basse tension BT). Les électrodes BT sont réalisées de préférence au moyen de feuilles d'un métal ou alliage métallique dont le coefficient de dilatation linéaire ab est connu avec précision. Ce matériau peut être avantageusement choisi parmi les aciers inoxydables. Chaque électrodes BT est séparée du corps par une feuille 4 en matériau isolant, de coefficient de dilatation linéaire af. Le matériau isolant est choisi de préférence parmi les films silicones, les polypropylènes, les matériaux connus sous les marques déposées mylar et téflon, et en paticulier parmi ceux qui résistent aux produits de décomposition de l'hexafluorure de soufre.30 L'ensemble est placé soit dans le vide, soit dans un milieu diélectrique permettant la libre dilatation de tous ses éléments constitutifs. Le plus couramment, le capteur sera placé dans l'hexafluorure de soufre SF6 qui règne à l'intérieur d'un appareil ou poste du type à enveloppe35 métallique à la terre (type connu aussi sous le vocable blindé). Comme le montre la figure 3, les électrodes BT sont de préférence rectangulaires ou carrées, à coins arrondis, et plaquées contre la surface intérieure du corps au moyen de dispostifs mécaniques qui permettent leur libre dilatation5 sous l'effet de la température. Diverses variantes de réalisation de ces dispositifs sont décrits dans la suite. Le corps est muni de trous 8 pour permettre le soudage de pattes métalliques 9 de connexion. L'électrode HT définit avec chaque électrode BT un condensateur élémentaire dont le diélectrque est constitué par le milieu défini plus haut. Les divers condensateurs élémentaires seront connectés électriquement pour réaliser le condensateur Cl dont il a été question en référence à la figure 1, pour réaliser le dispositif de mesure de tension.15 Le nombre d'électrodes BT et leur dispositions à l'intérieur du corps sont choisis pour permettre de les grouper en formant une figure connexion symétrique. On peut ainsi constituer les groupes suivants: deux électrodes BT à 180 degrés l'une de l'autre, - trois électrodes BT à 120 degrés les unes des autres, - quatre électrodes BT placées deux à deux à 90 degrés l'une de l'autre, - etc.. De plus, les électrodes peuvent être groupées de façon à réaliser des condensateurs indépendants. Un mode préférentiel est formé de 8 électrodes BT identiques réparties symétriquement sur le corps, selon une progression angulaire de 45 degrés. Les électrodes sont groupées par 4,30 chaque groupe constituant avec l'électrode HT un condensateur Cl, ce qui permet d'assurer un circuit de mesure redondant. Les deux condensateurs Cl ainsi formés sont imbriqués avec des électrodes BT réparties selon une progression angulaire de 90 degrés. On va montrer qu'un choix adéquat des matériaux permet d'obtenir une valeur de Cl dont la dépendance avec la température est proche de zéro. La capacité est donnée en première approximation par la relation: Cl = 2X. Eo.Er.N.(S/De)/Ln(De/d) dans laquelle: Ln désigne le logarithme népérien De = D - 2 (hf + he) avec: Eo: permittivité du vide Er: permittivité du diélectrique de Cl N: nombre d'électrodes BT connectées en parallèle S: surface d'une électrode D: diamètre inérieur du corps d: diamètre de l'électrode HT he: épaisseur d'une électrode BT hf: épaisseur du film isolant Sous l'action de la température, ces différentes grandeurs varient selon les lois approximatives suivantes: D = Do (1 + ac (T - To)) d = do (1 + ah ( T - To)) S = So (1 + ab ( T - To))2 he = heo(1 + ab ( T - To)) hf = hfo(1 + af ( T -To)) T est la température du capteur pour laquelle le calcul est effectué, T est une température de référence, Do, do, So, heo et hfo sont les valeurs respectives de D, d,30 S, he et hf à la température de référence. Si le corps et l'électrode HT sont faits du même matériau, sont soumis à la même température et si la somme he+hf est très inférieure à D/2, ce qui est le cas le général, la formule donnant la valeur de Cl en fonction de35 la température devient: Cl(T) = Cl(To).(1 + ab(T - To))2/ (1 + ac(T - To)) Si (ab (T - To))2 est très inférieur à 1, ce qui est une condition presque toujours vérifiée, la relation devient: C1(T) = Cl(To).(l + 2ab(T - To))/ (1 + ac(T - To)) Si les matériaux du corps et des électrodes BT sont tels que ac = 2 ab, la relation devient: C1(T) = Cl(To) ce qui montre que la capacité Ci ne dépend plus de la température. Il n'est pas nécessaire d'obtenir une dérive rigoureusement nulle dans les applications envisagées. Un calcul fait sans approximation montre que, sous réserve que le coefficient de dilatation ah du matériau de l'électrode haute tension soit égal au coefficient de dilatation ac du15 corps, il existe une fenêtre de valeurs de ab et ah (=ac) telle que la dérive thermique du condensateur soit réduite à son minimum. Pour les matériaux courants utilisables, cette fenêtre est telle qu'elle vérifie les inégalités ci-après: ab 1,5 maintient l'électrode BT 3 plaquée contre le corps, via l'isolant 4, tout en l'autorisant à se dilater librement. Des pions isolants tels que 14A, 14B et 14C permettent de limiter le débattement de l'électrode BT 3. Les figures 6 et 7 illustrent un second mode de réalisation des moyens de fixation des plaques. Là encore, le corps est percé de quatre ouvertures 8A, 8B, 8C, etc.. par lesquelles passent des pattes métalliques 9A, 9B, 9C; les pattes sont reliées deux à deux par des tiges; ainsi, les pattes 9A et 9C sont reliées par une tige 15 traversant20 les pattes et bloquée par des circlips 15A et 15C; les pattes 9A et 9C sont alignées sur une génératrice du cylindre 1; des ressorts métalliques 16A et 16C, s'appuient d'une part sur le corps 1 par l'intermédiaire de plots isolants 17A, 17C disposés dans des rainures extérieures du25 corps 1, et, d'autre part, contre la tige 15, en exerçant sur cette dernière une pression radiale et centrifuge, tendant donc à tirer sur les pattes 9A et 9C. Le maintien de l'électrode BT est ainsi assuré, tout en lui laissant la liberté de se dilater dans son plan. Des plots isolants tels30 que 24A et 24C, encastrés dans des rainures intérieures du corps 1 limitent le débattement de l'électrode BT 3. Dans une variante non représentée, les plots isolants 17A, 17B sont supprimés, l'isolement étant assuré par le matériau de la tige, qui est par exemple en fibre de verre imprégné de35 résine; les ressorts sont alors directement en contact dans des rainures extérieures du corps 1. Un troisième exemple de fixation des électrodes basse tension est représenté dans les figures 8 et 9. Le corps 1, l'électrode basse tension 3 et sont isolement 4 sont percés de trous en coïncidence, comme par exemple les trous 8A, 8B5 et 8C dans le corps et 18A et 18C dans l'électrode 3 et la couche isolant 4. Dans ces trous sont engages des pions tels que 20A, 20B et 20c, réalisés en matériau isolant et possédant une tête et une tige. Les pions sont reliés 2 à 2 par un ressort 21 du type corde à piano, comme celui10 mentionné en regard des figures 4 et 5. Les trous dans les électrodes BT sont supérieurs au diamètre des tiges, pour assurer la libre dilatation des électrodes BT. Cette réalisation est très simple; les trous dans les électrodes et la présence des pions contribuent à déterminer la valeur de la capacité du condensateur, mais celle-ci reste bien constante en fonction de la température. Il n'est plus nécessaire de disposer de plots pour limiter le bébattement des électrodes BT. L'invention s'applique en particulier à la réalisation d'un dispositif de mesure de tension dans une installation électrique avec enveloppe métallique à la terre. La figure 10 illustre une application du condensateur pour la mesure de la tension à l'intérieur d'un poste blindé. La figre 10 représente une extrémité d'un poste25 blindé isolé au gaz SF6; on distingue une enveloppe métallique 40, à la terre, remplie de SF6 sous pression, des arrivées de câbles 41, des sectionneurs de terre 42 et des sectionneurs de barres 43. L'espace disponible au-dessus des extrémités des sectionneurs de barres permet de loger les30 condensateurs Cl de l'invention (un condensateur Cl par phase), la tension étant mesurée à l'extrémité de chacun des sectionneurs de barres. Un seul des trois condensateurs est représenté dans la figure 10. Le corps 1 du condensateur est muni d'un fond métallique lA soudé au couvercle métallique 44 qui ferme la partie supérieure de l'enveloppe. Les pattes de connexion 9 sont reliées à des fils électriques 45 qui sortent à l'extérieur de l'enveloppe par un passage étanche. L'électrode haute tension est solidarisée au fond 1A par l'intermédiaire d'un isolateur 46 et est reliée au conducteur dont on mesure la tension par une connexion 47. Bien que l'application principale de l'invention concerne la réalisation des dispositifs de mesure de tension à réducteur capacitif, l'invention trouve application toutes les fois que l'emploi d'un condensateur à haute stabilité thermique est exigé. il REVENDICATIONS 1/ Condensateur à haute stabilité thermique caractérisé en ce qu'il comprend un corps métallique cylindrique (1), une électrode haute tension (2) cylindrique, coaxiale à l'enveloppe et placée à l'intérieur de celle-ci, et au moins deux électrodes basse tension (3) asujetties à rester en contact contre la paroi intérieure de l'enveloppe avec interposition d'une couche isolante (4), lesdites électrodes étant disposées symétriquement par rapport à l'axe géométrique du corps, lesdites électrodes basse tension (3) étant maintenues par des moyens les autorisant à se dilater librement, le milieu diélectrique compris entre les électrodes haute (2) et basse (3) tension étant un gaz ou le vide, le coefficient de dilatation ac du corps étant égal au coefficient de dilatation ah de l'électrode haute tension, le coefficent de dilatation ac du matériau du corps étant relié au coefficient de dilatation ab du matériau des électrodes basse tension (3) par les inégalités: ab 1,5 d'aluminium. 3/ Condensateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau des électrodes basse tension (3) est choisi parmi les aciers inoxydables. 4/ Condensateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend quatre paires d'électrodes basse tension (3). 5/ Condensateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'à chaque électrode basse tension (3) est fixée au moins une patte métallique (9), traversant un trou (8) du corps, l'une au moins desdites pattes étant utilisée pour sa connexion électrique. 6/ Condensateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent au moins un ressort ((10A, 10B) de type corde à piano, solidarisé en son milieu à la paroi extérieure du corps (1), et traversant deux desdites pattes (9A, 9B) disposées selon une même section droite du corps. 7/ Condensateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit ressort (10A) est disposé dans une rainure (11A) pratiquée à la surface extérieure du corps (1). 8/ Condensateur selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les pattes et les ressorts sont isolés électriquement les uns des autres, en particulier par des manchons isolants ((13A, 13B). 9/ Condensateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent au moins une tige (15) traversant deux desdites pattes (9A, 9C) disposées selon une génératrice du corps et des ressorts15 (16A, 16C) s'appuyant d'une par sur le corps (1), d'autre part sur la tige (15) pour exercer sur les pattes un effort centrifuge et radial. 10/ Condensateur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le corps porte, sur sa face interne, des plots (14A, 14C, 24A, 24C) pour limiter le déplacement des électrodes basse tension. 11/ Condensateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens comprennent au moins une paire de pions isolants (20A, 20B, 20C) possédant chacun une25 tige et une tête et disposés selon une section droite du cylindre constituant le corps (1), lesdites tiges traversant les électrodes basse tension et le corps par des trous qui y sont pratiqués, les têtes étant placées du côté intérieur du corps (1), les deux plots d'une même paire étant traversés30 par un ressort (21) du type corde à piano. 12/ Poste blindé comprenant une enveloppe métallique étanche remplie de gaz diélectrique sous pression à l'intérieur de laquelle sont disposés des appareils tels que des sectionneurs, un disjoncteur et des jeux de barres, ledit35 poste étant muni d'un réducteur capacitif comprenant deux condensateurs et un amplificateur opérationnel pour la mesure de la tension d'un desdits appareils, caractérisé en ce que l'un (Cl) desdits condensateurs est réalisé selon l'une des revendications 1 à 12. 13/ Condensateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que le corps du condensateur (Cl) possède un fond métallique (1A) soudé à l'intérieur de l'enveloppe sur une paroi de celle-ci, l'électrode haute tension (1) étant fixée audit fond (1A) par l'intermédiaire d'un isolateur (46) et relié par une connexion (47) à l'appareil électrique (43)10 dont on mesure la tension.