Brevet FR2716290A1 — publié le 19950818

RESISTANCE POUR TRES HAUTE TENSIoN DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne les résistances pour très haute tension, en particulier pour des tensions de l'ordre du mégavolt. Ce type de résistance est utilisé dans - les accélérateurs électrostatiques de particules à haute énergie ; les résistances de charge ou de protection qui y sont employées sont capables de dissiper plusieurs dizaines de kilowatts sous des tensions pouvant atteindre 1 mégavolt ou plus. - dans les stations d'essais à très haute tension des producteurs industriels d'électricité ou des constructeurs de gros transformateurs, - dans tout équipement fonctionnant au-dessus de 100 kilovolts, en tant que résistance série de limitation ou comme résistance principale d'un pont de mesure de tension, - dans les postes blindés industriels. Etat de la technique Une résistance pour la très haute tension doit réaliser deux fonctions - une fonction de dissipation de la puissance thermique, - une tenue à la très haute tension. Les dispositifs connus ont mis l'accent sur la tenue à la très haute tension. Ces dispositifs selon l'art antérieur, sont constitués - d'une résistance très haute tension de type HAEFELY (marque déposée) illustrée sur les figures 1 et 2, comprenant plusieurs milliers de résistances basse tension 2 connectées en série et logées dans une gorge hélicoïdale 4 sur un mandrin cylindrique 6 en matière isolante. Des anneaux anti-corona 8 sont régulièrement espacés le long du mandrin 6 afin de prévenir toute possibilité de claquage. - ou bien de résistances haute tension (tenue en tension : 50 à 100 kV) ; dans ce cas, un montage série-parallèle est réalisé et les résistances sont entièrement masquées par des écrans électrostatiques cylindriques. Dans les deux types de montage connus selon l'art antérieur, la maîtrise des champs électriques, c'est-à-dire la tenue à la très haute tension, conduit à entraver la circulation de l'air ou de l'atmosphère autour des résistances et donc la dissipation de la puissance thermique par convection. Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de résoudre ce problème. A cette fin, elle a pour objet un élément de base pour résistance très haute tension comprenant une résistance moyenne tension à semelle et un radiateur caractérisé en ce que le radiateur est une coupelle massive métallique ayant des formes extérieures arrondies pour prévenir tout risque de claquage, et présentant un évidement dans le fond duquel est fixée la résistance moyenne tension par sa semelle pour assurer un bon contact thermique. La constitution de l'élément de base ci-dessus permet d'assurer simultanément - une dissipation d'énergie par conduction sur l'ensemble de la surface du radiateur, - une capacité calorifique suffisamment élevée dans le cas de surcharge ou d'impulsion de forte puissance, - une bonne maîtrise du champ électrique grâce à des formes extérieures arrondies qui réduisent l'effet des effluves et annulent les risques de claquage. Le radiateur peut présenter une symétrie de révolution. Une couche de conformation peut être introduite entre la semelle de la résistance moyenne tension et l'intérieur du radiateur pour optimiser le transfert thermique entre ces deux éléments. L'invention a également pour objet une résistance très haute tension comprenant un empilement d'étages, chaque étage comprenant un support en matériau isolant sur la face extérieure duquel sont régulièrement répartis plusieurs éléments de base tels que décrits ci-dessus. Le support peut avoir une forme cylindrique à section circulaire, ou polygonale régulière. Une telle structure est d'assemblage aisé, puisqu'il suffit d'empiler les étages, la cohésion mécanique se faisant à l'aide, par exemple, de tiges filetées isolantes. La forme globale de l'ensemble, équivalente à un cylindre, est d'une bonne tenue en tension par rapport à la terre. D'autre part, entre deux étages, la tension à tenir est de l'ordre d'environ 50 kV, ce que permet sans problème la juxtaposition d'un radiateur d'un étage avec un radiateur de l'étage immédiatement supérieur ou inférieur. Chacune des extrémités de l'ensemble peut être équipée d'un anneau anti-corona pour maîtriser correctement le champ électrique au niveau de ces extrémités. Cette résistance très haute tension met en oeuvre des composants de forme simple, assemblés dans une structure modulaire, et est donc d'un coût modéré, même réalisée en un seul exemplaire. Elle peut être construite facilement, sans gros outillage et dans un environnement de laboratoire. Enfin, elle concilie deux objectifs en général antagonistes en très haute tension, à savoir la dissipation d'énergie et la maîtrise des champs électriques. Brève description des figures De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre, et qui porte sur des exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1, déjà décrite, représente une résistance très haute tension selon l'art antérieur, - la figure 2 est une vue détaillée d'une partie d'une résistance très haute tension selon l'art antérieur, - la figure 3 représente, en perspective, une résistance moyenne tension utilisable dans l'élément de base selon l'invention, - les figures 4A et 4B sont respectivement des vues en perspective et de côté d'un élément de résistance avec un radiateur selon l'invention, - la figure 5 représente une vue en perspective d'un étage composé d'éléments de résistance selon l'invention, - la figure 6 est une vue de côté d'une résistance très haute tension selon l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisation Un exemple de résistance moyenne tension 9 utilisable dans un élément de base pour résistance très haute tension selon l'invention est illustrée sur la figure 3. C'est par exemple une résistance de type RPS250 de marque SFERNICE (marque déposée). Cette résistance comprend - deux connections électriques 10, - un bloc moulé 12 en matière isolante (par exemple en cermet) ; typiquement, un tel élément présente une base sensiblement carrée de côté comprise entre 55 et 70 mm, et ayant une épaisseur d'environ 15 mm, - une semelle de base 14, cette semelle permettant de dissiper plusieurs centaines de watts ; la semelle de base est également sensiblement carrée et a une taille légèrement supérieure à celle du bloc moulé 12. Elle est constituée, par exemple, d'aluminium, d'épaisseur à peu près égale à 6 mm. Les références 16 et 18 représentent des ouvertures permettant de fixer la résistance, par exemple par des vis, sur un radiateur non représenté sur la figure 3. L'ensemble possède une hauteur d'environ 30 mm. Typiquement, une telle résistance peut être choisie entre quelques dixième d'ohms et quelques mégohms. Dans la mesure où le montage final pour la très haute tension est un montage en série, la valeur d'une résistance individuelle Ri sera égale à la résistance totale souhaitée divisée par le nombre de résistances incorporées. Le radiateur à utiliser en combinaison avec ce type de résistance est bien sûr à choisir par l'utilisateur en fonction des conditions d'emploi. Mais dans tous les cas, la température maximale d'utilisation ne peut dépasser environ 1250C. Connaissant le différentiel AT (différence de température entre la température maximale d'utilisation et la température ambiante), la puissante P appliquée en watts, la résistance thermique R1 entre la couche résistive et la face extérieure de la résistance (ou encore résistance thermique du composant), on peut en déduire la résistance thermique R2 du radiateur qui est nécessaire par la relation p= AT (Ft +Rz) Un mode préféré de réalisation de ce radiateur est illustré sur les figures 4A et 4B. Sur ces figures, le radiateur 20 se présente sous la forme d'une coupelle massive comportant - un évidement cylindrique interne 22 dont le fond 24 s'adapte parfaitement à la semelle de base 14 de la résistance 9 décrite ci-dessus, ce qui permet une bonne évacuation de l'énergie thermique de la résistance vers la coupelle. La surface de contact peut être équipée d'une couche de conformation, par exemple en graphite (couche de type PAPYEX (marque déposée) ou équivalent) pour optimiser le transfert thermique. De préférence, cette couche a une épaisseur comprise entre 0,2 et 1 mm. - sur sa face externe 26, des formes arrondies permettant d'annuler tout risque de claquage. On conçoit que cette fonction d'annulation des risques de claquage puisse être assurée par toutes sortes de formes arrondies. Ainsi, il est possible d'avoir une forme présentant une symétrie de révolution autour d'un axe AA' perpendiculaire à un plan contenant la semelle de base de l'élément dissipatif, comme illustré sur la figure 4B. Il est également possible d'avoir une forme dont la projection sur ce plan est une ellipse ou, plus généralement, est ovale. Enfin, la surface extérieure du radiateur peut être plane comme illustré par la référence 27a sur la figure 4B ou peut être légèrement bombée, comme illustré par la référence 27b sur cette même figure 4B. De toute façon, la surface extérieure du radiateur ne doit présenter ni aspérité, ni angle vif, ni élément ayant un rayon de courbure supérieur à quelques centimètres. Sur les figures 4A-4B, le radiateur est représenté comme contenant une résistance moyenne tension telle que décrite ci-dessus. Cependant, l'utilisation du radiateur n'est pas limitée à ce type de résistance en particulier. On pourra aussi choisir toute autre résistance pour laquelle un bon contact thermique avec le radiateur peut être assuré. La taille du radiateur tel que illustré sur les figures 4A-4B dépendra de la taille de l'élément dissipatif 9 incorporé à l'intérieur du radiateur. Par exemple, si cet élément dissipatif possède les dimensions déjà données ci-dessus (carré de base de côté compris entre 55 et 70 mini, hauteur 30 mm), un radiateur tel qu'illustré sur les figures 4A-4B aura un diamètre extérieur maximal d'environ 120 mm et une hauteur totale d'environ 35 à 40 mm. Le radiateur sera constitué d'un matériau métallique assurant bien la conduction de la chaleur (par exemple aluminium ou cuivre). Enfin, l'évidement 22 réalisé dans le radiateur n'a pas nécessairement une forme cylindrique, mais peut avoir toute forme permettant de recevoir la résistance utilisée, et d'assurer un bon transfert thermique de la résistance vers le radiateur. On appellera élément de base l'ensemble constitué par une résistance et son radiateur tel que décrit ci-dessus. Ainsi qu'illustré sur la figure 5, chaque élément de base constitué d'une résistance moyenne tension (quelques kV) et d'un radiateur 20 tel que décrit ci-dessus peut être plaqué, à l'aide de moyens de fixation non représentés, sur un support 30 en matériau isolant de forme rectangulaire. On peut ainsi former un étage 31 pour une résistance très haute tension selon l'invention. Pour cela, on disposera, ainsi qu'illustré sur la figure 5, chaque support 30 le long d'un côté d'un polygone, sur une plaque isolante 32 formant la base de l'étage. Du point de vue électrique, les différents éléments dissipatifs ou les différentes résistances incorporées dans les radiateurs seront tous connectés en série. De préférence, sur un étage, les différents éléments de base (résistance et son radiateur) seront disposés régulièrement. L'assemblage final, en vue d'obtenir une résistance très haute tension, se fait simplement par empilement des étages, ainsi qu'illustré sur la figure 6. La cohésion mécanique de l'ensemble peut se faire par exemple à l'aide de tiges filetées isolantes 34 représentées en partie sur les figures 5 et 6. Les résistances sont toutes connectées électriquement en série. L'ensemble est surmonté d'un anneau anti-corona 36 afin de maîtriser correctement le champ électrique à l'extrémité de la résistance très haute tension. Dans le cadre de travaux sur l'accélération de particules à haute énergie, une telle résistance a été réalisée pour servir de résistance de charge à une alimentation de 1 mégavolt -120 mA. Les caractéristiques spécifiques en sont les suivantes - résistance totale : 8,6 mégohms, soit 126 résistances de 68 kfl connectées en série, - puissance moyenne dissipée de façon permanente environ 3 kW, - puissance impulsionnelle : 120 kW pendant 10 secondes toutes les 5 à 10 minutes, - diamètre environ 36 cm, - hauteur : 3,8 m, - refroidissement par SF6 à 2 bars en convection forcée ; les puissances indiquées ci-dessus sont donc des puissances minimales. On peut mentionner les applications industrielles possibles suivantes - dans les stations d'essais très haute tension des producteurs industriels d'électricité ou des constructeurs de gros transformateurs. En effet, les tensions mises en jeu dans ces appareils peuvent atteindre plusieurs mégavolts. Le fonctionnement de ces appareil est très souvent impulsionnel. - dans tout équipement fonctionnant au-dessus de 100 kilovolts : a) - en tant que résistance série de limitation ; dans ce cas la valeur ohmique est relativement faible et la résistance est parcourue en permanence par le courant nominal. Au moment d'un court-circuit, la résistance doit simultanément absorber une forte énergie, ce que peut très bien réaliser la résistance selon l'invention du fait de la structure des radiateurs, et supporter la pleine tension de la source à ses bornes. b) - en tant que résistance principale d'un pont de mesure de tension ; dans ce cas, la valeur ohmique est relativement élevée et la puissance est à dissiper de façon permanente. - dans les postes blindés industriels ; c' est sans doute à ce niveau que les possibilités industrielles sont les plus importantes. Il s'agit des postes de plusieurs centaines de kilovolts des producteurs industriels d'électricité, qui sont constitués d'enveloppes entièrement fermées remplies de SF6 à environ 3 bars. Même si les résistances ne sont pas les composants principaux de telles installations (ce sont les disjoncteurs et les sectionneurs), elles sont parfois utilisées pour la mesure de tensions. La structure de résistance selon l'invention est très bien adaptée à ce type de situation, notamment du fait de sa parfaite symétrie axiale possible. REVENDICATIONS 1. Elément de base pour résistance très haute tension comprenant une résistance moyenne tension à semelle (9) et un radiateur (20) caractérisé en ce que le radiateur (20) est une coupelle massive métallique ayant des formes extérieures arrondies pour prévenir tout risque de claquage, et présentant un évidement dans le fond duquel est fixé la résistance moyenne tension par sa semelle pour assurer un bon contact thermique. 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche de conformation est incorporée entre l'élément dissipatif et le radiateur pour assurer le contact thermique entre les deux. 3. Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche de conformation est en graphite. 4. Résistance pour très haute tension comprenant un empilement d'étages, chaque étage (31) comprenant un support (30) en matériau isolant et plusieurs éléments de base (9, 20) selon l'une des revendications précédentes, disposés sur la face extérieure du support. 5. Résistance selon la revendication 4, caractérisée en ce que le support (30) a la forme d'un cylindre. 6. Résistance selon la revendication 5, caractérisée en ce que le cylindre est à section circulaire. 7. Résistance selon la revendication 5, caractérisée en ce que le cylindre est à section polygonale régulière. 8. Résistance selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle est équipée aux extrémités d'un anneau anti-corona (36).