Brevet FR2726118A1 — publié le 19960426

La présente invention concerne un dispositif parafoudre du type utilisé notamment pour assurer la protection des matériels électroniques. On sait que le phénomène de la foudre engendre des courants instantanés qui peuvent être extrêmement importants et peuvent atteindre dans certains cas 10.000 à 100.000 ampères avec des tensions pouvant atteindre de 10 à 20 millions de volts pendant des temps extrêmement courts. Afin d'assurer la protection contre la foudre des appareils électroniques, on intercale dans le circuit d'alimentation de ceux-ci des dispositifs parafoudres constitués de composants qui, en temps normal, se comportent comme des éléments neutres, mais qui, en cas de surtension violente due à la foudre, deviennent conducteurs et assurent ainsi l'isolation de l'appareil en dérivant vers le sol le courant généré par la foudre. On utilise habituellement, pour assurer une telle fonction, des éclateurs à gaz. Ces éclateurs à gaz possèdent de notables inconvénients, et en particulier celui de présenter un retard important, si bien que, dans certains cas, et notamment dans le cas d'effets de foudre particulièrement violents et rapides, la détérioration des appareils se produit avant la mise à la terre du courant de foudre par l'éclateur. On connaît également des dispositifs parafoudres constitués d'éléments tubulaires cylindriques renfermant des varistances et/ou des diodes zener, noyées dans une résine isolante. De tels dispositifs, doivent, dans un volume particulièrement réduit, être en mesure d'écouler vers la terre des courants impulsionnels très élevés tout en maintenant des tensions acceptables à leurs bornes. On constate ainsi que les puissances développées dans de tels systèmes parafoudres peuvent atteindre des valeurs excessivement élevées. Ainsi, une varistance a la possibilité d'écouler des courants de l'ordre de 5.000 ampères pendant des temps de l'ordre de 10 microsecondes, tout en maintenant la tension à ses bornes à une valeur de l'ordre de 1.500 volts. La puissance ainsi développée dans une telle varistance est de l'ordre de 7,5 mégawatts.De telles puissances développées pendant des temps extrêmement courts, dans des volumes aussi réduits, sont extrêmement difficiles à canaliser, si bien que les dispositifs parafoudres se comportent parfois comme de véritables "bombes" miniatures, avec pour conséquence, outre la destruction du dispositif parafoudre lui-même, celle des éléments électroniques qu ils sont destinés à protéger. Or les composants utilisés dans la constitution des dispositifs parafoudres sont habituellement enrobés dans des boîtiers constitués de résines qui sont essentiellement choisies pour leurs qualités d'isolants. On sait que, malheureusement les meilleurs matériaux isolants sont pourvus de qualités mécaniques particulièrement médiocres. Les dispositifs parafoudres peuvent également être mis en oeuvre dans des lignes d'énergie utilisées pour la distribution du courant électrique. Dans ces lignes d'énergie, suivant l'impédance du transformateur d'alimentation en courant électrique disposé en amont du parafoudre, les courants développés peuvent atteindre des valeurs de crête de 6 à 25 kiloampères pendant des durées de l'ordre de 100 millisecondes.Afin d'assurer la protection des installations, il est essentiel que les parafoudres utilisés maintiennent la mise à la terre, tant que les dispositifs classiques de contrôle de l'intensité, tels que les disjoncteurs, n' aient pas eux-mêmes assuré la coupure de la ligne. I1 est donc particulièrement important d'au moins retarder la destruction de tels parafoudres, jusqu a l'actionnement des dispositifs disjoncteurs. Les constructeurs de ce type de dispositifs ont donc été confrontés à la nécessité de renforcer la tenue mécanique aux forts courants impulsionnels des éléments constituant les parafoudres. Les solutions utilisées ont consisté jusqu'à présent à rigidifier les boîtiers renfermant les composants et à noyer l'ensemble dans les résines durcissables isolantes. Ces solutions ne donnent pas satisfaction en raison de ce que d'une part, elles s'avèrent dangereuses, et que d'autre part elles se révèlent peu efficaces, à la fois sur le plan de la résistance mécanique et sur le plan des caractéristiques électriques de l'appareil. Ces solutions sont dangereuses du fait que la résine qui entoure la zone où est générée la puissance instantanée importante se fissure, ce qui favorise la naissance d'un arc électrique provoquant la carbonisation de cette résine. Le carbone ainsi produit assure la conductivité de l'électricité et le courant issu de la surtension, ou d'un réseau d'énergie, passe dans celui-ci, échauffant rapidement la zone concernée, ce qui augmente la carbonisation de celle-ci et, par effet cumulatif, on est ainsi conduit à une destruction rapide du parafoudre, destruction pouvant même mettre le feu à l'environnement. Ces solutions sont également peu efficaces, puisque la masse de résine, entre l'endroit où est générée la puissance instantanée et la zone où se situe l'enceinte rigide, constitue un matelas malléable et/ou élastique favorisant l'apparition de fissures créant ainsi des amorces de rupture diminuant les caractéristiques mécaniques du parafoudre. Ces solutions sont également peu efficaces sur le plan du maintien des caractéristiques électriques. En effet, on sait que pour conserver son efficacité, un parafoudre doit présenter la propriété de se mettre en conduction rapidement, si bien que les liaisons entre les éléments constituant le parafoudre et l'environnement extérieur doivent être particulièrement courtes afin que le dispositif possède une inductance très faible, de façon à ne pas retarder outre mesure sa mise en conduction. Dans les dispositifs de l'état antérieur de la technique, la carcasse rigide oblige les constructeurs à réaliser une connectique complexe augmentant du même coup la longueur des connexions et donc l'inductance du parafoudre, ce qui fait perdre à celui-ci ses caractéristiques de mise en conduction rapide. La présente invention a pour but de proposer un dispositif parafoudre dont les capacités de montée en courant sont particulièrement bonnes, et qui possède une résistance mécanique suffisante lui permettant de retarder sa destruction jusqu'à ce que des moyens de coupure de courant, de type classique, tels que les disjoncteurs, etc. aient le temps d'entrer en action. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif parafoudre constitué d'un boîtier cylindrique formé d'au moins un élément de boîtier, comprenant au moins un élément de protection qui est noyé dans une matière isolante contenue dans ledit boîtier, caractérisé en ce qu'au moins un manchon, mécaniquement résistant, est intercalé dans la matière isolante entre l'élément de boîtier et l'élément de protection. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, ledit élément de boîtier est en contact électrique avec l'une des bornes de l'élément de protection. Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, le boîtier est constitué de deux éléments de boîtier et l'un au moins de ceux-ci comporte un fond, ou paroi transversale, venu d'une pièce avec lui, le contact électrique entre l'élément de protection et l'élément de boîtier se faisant par ledit fond. Dans une variante de ce mode de mise en oeuvre de l'invention, l'autre élément de boîtier comporte également un fond, ou paroi transversale, qui est solidarisé mécaniquement et électriquement de celui-ci, la seconde borne de l'élément de protection étant en contact électrique avec ledit fond. Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, le manchon est constitué de fibres de verre ou de fibres de carbone, tissées. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel Les figures 1 et la sont des vues schématiques représentant deux modes d'utilisation d'un dispositif parafoudre suivant l'invention dans des circuits électriques qu'ils sont destinés à protéger. La figure 2 est une vue en coupe axiale et longitudinale d'un premier mode de mise en oeuvre d'un dispositif parafoudre suivant l'invention. Les figures 3a à 3d sont des vues représentant schématiquement les différentes étapes d'un procédé de réalisation d'un dispositif parafoudre du type de celui représenté sur la figure 2. La figure 4 est une vue en coupe axiale et longitudinale d'un second mode de mise en oeuvre du dispositif parafoudre suivant l'invention. La figure 5 est une vue en coupe axiale et longitudinale d'un autre mode de mise en oeuvre du dispositif parafoudre suivant l'invention. La figure 6 est une vue en coupe axiale et longitudinale d'un autre mode de mise en oeuvre du dispositif parafoudre suivant l'invention. Ainsi que représenté sur la figure 1, lorsque l'on souhaite assurer la protection contre la foudre d'un appareil électronique 1 alimenté en courant par une ligne électrique 2, on dispose d'une part entre la terre 3 et la ligne électrique 2 un dispositif parafoudre 4 et, d'autre part, entre la ligne 2 et le dispositif parafoudre 4 un dispositif disjoncteur 5. En cours de fonctionnement normal, le dispositif parafoudre 4 possède une impédance suffisante pour se comporter comme un élément neutre, si bien qu'il n'interfère pas sur le fonctionnement de l'appareil 1. Par contre, sous l'effet d'une surtension violente due à la foudre ou à un défaut moyenne tension (10 à 30 KV) dans le circuit, le parafoudre se comporte alors comme un élément conducteur, si bien qu'il met à la terre 3 le courant arrivant par la ligne électrique 2, courtcircuitant ainsi l'appareil 1, ce qui assure sa protection. On a représenté sur la figure la un dispositif parafoudre utilisé pour assurer la sécurité d'une ligne téléphonique contre des surtensions. Dans ce type d'utilisation, le dispositif disjoncteur 5 est remplacé par un dispositif limiteur de courant 5', tel que par exemple un élément CTP Le dispositif parafoudre 4 est constitué d'éléments électroniques, tels que par exemple des diodes zener ou des varistances, qui sont aptes à réagir de façon quasiinstantanée aux surtensions, et en tout cas bien avant l'activation des dispositifs disjoncteurs ou limiteurs 5'. Comme mentionné précédemment, le dispositif parafoudre étant parcouru, lorsque se manifeste le phénomène de foudre, par des courants développant des puissances extrêmement élevées, il est important que sa tenue mécanique soit suffisante pour lui permettre de résister à ces fortes puissances, au moins pendant un temps suffisant pour permettre aux dispositifs disjoncteurs 5 ou limiteurs 5' d'agir. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention représenté sur la figure 2, le dispositif parafoudre 4 est constitué d'un boîtier 7 formé de deux éléments de boîtier cylindriques, à savoir un premier élément de boîtier inférieur 7a et un second élément de boîtier supérieur 7b. L'élément de boîtier inférieur 7a comporte, en une zone proche de l'une de ses extrémités, un fond 9 qui est formé de fabrication. Le fond 9 est percé en son centre d'un orifice 10 dans lequel vient s'engager l'une des deux pattes de connexion lia d'un élément de protection 13, constitué essentiellement par une diode zener. Cette diode zener sera le plus souvent constituée de plusieurs pastilles de silicium 20, de dissipateurs 21 qui sont intercalés entre les éléments de silicium et d'un isolant de très forte résistivité diélectrique. L'élément de boîtier supérieur 7b comporte une pastille 15, formant fond, qui est fixée, par exemple par soudure, sur sa paroi interne à une distance proche de l'une de ses extrémités, si bien qu'elle se trouve rigidement maintenue sur l'élément de boîtier 7b et en excellent contact électrique avec lui.La pastille 15 est percée en son centre d'un orifice 16 qui reçoit la seconde patte de connexion llb de l'élément de protection 13. Les pattes de connexion lia et llb sont respectivement fixées par soudure, ou par tout autre procédé permettant d'assurer à la fois leur maintien mécanique et un bon contact électrique avec le fond 9 et la pastille 15. Le volume interne délimité par les parois internes des éléments de boîtier 7a,7b, le fond 9, la pastille 15, et la surface externe de l'élément de protection 13 est rempli d'une résine 17, par exemple une résine thermodurcissable ou époxyde. L'élément de protection 13 peut bien entendu être constitué d'un composant autre qu'une diode zener, et on pourra ainsi faire appel notamment à une varistance. On pourra ainsi de façon générale utiliser des composants dits non linéaires, c'est-à-dire des éléments dont la caractéristique tension/courant se termine par une valeur palier. La résine 17 est choisie d'une part, pour ses qualités d'isolant, mais également d'autre part pour ses qualités d'adhérence avec les éléments de boîtier 7a,7b ainsi que pour ses qualités de résistance mécanique propres. Un manchon tubulaire 19 est disposé dans ce volume, entre les parois internes des éléments de boîtier 7a,7b et la paroi externe de l'élément de protection 13. Ce manchon 19 est constitué, par exemple, de fibres de verre ou de fibres de carbone qui sont de préférence tressées. Le dispositif parafoudre décrit précédemment possède un certain nombre d'avantages par rapport aux dispositifs correspondants de l'état antérieur de la technique, notamment du point de vue de la résistance mécanique à l'explosion, du point de vue de la connectique, du point de vue du procédé de fabrication, et enfin du point de vue de l'inductance. En ce qui concerne la résistance mécanique, le manchon 19 assure par l'intermédiaire de la résine durcissable 17 le maintien des éléments de boîtier 7a,7b à l'encontre des efforts et contraintes s'exerçant dans le sens longitudinal, lorsque le dispositif parafoudre est parcouru par un courant de foudre tel que l'énergie dégagée au niveau des pastilles de silicium 20 l'amène dans un état proche de l'explosion. Le manchon 19 exerce également une action de résistance à l'encontre des efforts s'exerçant dans une direction transversale, c'est-à-dire une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal yy' du dispositif parafoudre, notamment dans sa partie centrale où un espacement est prévu entre les deux éléments de boîtier 7a et 7b pour les isoler électriquement. En ce qui concerne la connectique, on remarquera que le présent mode de mise en oeuvre est intéressant en ce qu'il fait appel à des connexions électriques de longueur particulièrement réduites, ce qui favorise une montée rapide en courant. Par ailleurs, en raison de la forme cylindrique des éléments de boîtier 7a et 7b, la connexion électrique de l'élément parafoudre avec le boîtier de connexion dans lequel il est monté, est réalisée de façon particulièrement efficace du point de vue de la faible valeur de l'inductance de l'ensemble monté. En ce qui concerne le procédé de fabrication, du mode de mise en oeuvre du parafoudre décrit précédemment, un exemple montrant les quatre étapes essentielles de sa mise en oeuvre est illustré sur les figures 3a à 3d. Au cours de la première étape (figure 3a), on part d'un tube 12, dont la longueur a est égale à celle de l'élément parafoudre une fois terminé, et qui comporte un fond 9. On introduit ensuite une patte de connexion lîa de l'élément de protection 13 à l'intérieur de l'orifice 10, puis l'on fixe par soudure ladite patte îîa sur le fond 9. Au cours de la seconde étape (figure 3b), on dispose le manchon 19 en position à l'intérieur du tube 12, puis l'on coule la résine à l'intérieur de celui-ci. Au cours de la troisième étape (figure 3c), on met en place la pastille 15, en introduisant la seconde patte de connexion llb de l'élément de protection 13 dans l'orifice 16 de celle-ci. On fixe alors par soudure, d'une part la pastille 15 sur le tube 12 et d'autre part la patte de connexion îlb sur la pastille 15. Au cours de la quatrième étape (figure 3d), on réalise une saignée circulaire, par exemple par tournage, au centre du tube 12, de façon à séparer celui-ci en deux éléments de boîtier 7a,7b complètement isolés électriquement l'un de l'autre. Les essais réalisés par la demanderesse ont établi qu'un tel dispositif parafoudre était en mesure de dériver vers la terre, l'énergie provenant de la foudre pendant un temps suffisamment long, avant destruction, pour que des moyens de coupure du courant de type conventionnel aient le temps d'être activés. Un autre mode de mise en oeuvre d'un dispositif parafoudre suivant l'invention est représenté sur la figure 4. Sur celle-ci, le boîtier 7 est constitué d'un tube cylindrique, fermé à sa partie inférieure par un fond 9. Dans ce mode de mise en oeuvre, l'élément de protection 13 est constitué de trois pastilles de silicium 20 disposées en série, séparées par des dissipateurs d'énergie 21, et dont une face de connexion est appliquée contre le fond 9 et l'autre se prolonge vers la partie supérieure, c'est-àdire vers l'orifice de sortie du boîtier 7, par une broche de connexion cylindrique 23. Comme dans le mode de mise en oeuvre précédent, un élément 22 de très forte résistivité diélectrique entoure les pastilles de silicium 20, un manchon 19 est interposé entre l'élément de protection 13 et la paroi interne du boîtier 7. Le manchon 19 se prolonge vers le haut, au-delà de l'élément de protection 13,sur une longueur b, sensiblement jusqu a extrémité ouverte du boîtier 7.Comme dans le mode de mise en oeuvre précédent, le volume interne de la cavité formée à l'intérieur du boîtier 7, est rempli d'une résine isolante de type durcissable. A la différence du dispositif parafoudre précédent, le présent dispositif ne comporte pas de pastille d'obturation. Afin de créer une résistance à l'explosion dans la direction de la partie ouverte du boîtier 7, on a constitué, du côté de l'ouverture, un volume de résine de longueur b, renforcé par le manchon 19 dont la masse ainsi que l'adhérence sur la paroi interne du boîtier 7 forme une butée s'opposant aux efforts longitudinaux. Le présent mode de mise en oeuvre peut présenter une résistance à l'explosion élevée. Pour ce faire on jouera sur la longueur b du volume de résine formant butée. On peut bien entendu, suivant l'invention, associer, à l'intérieur du boîtier 7 plusieurs éléments de protection 13a et 13b disposés soit en parallèle, comme représenté sur la figure 5, soit au contraire en série. On peut également, ainsi que représenté sur la figure 6 réaliser un élément parafoudre dont le boîtier est constitué d'un tube 12 ouvert à chacune de ses extrémités, et d'axe longitudinal yy'. Une varistance 25, constituée d'une plaquette, est disposée au centre du tube 12, cette plaquette étant en contact par chacune de ses faces principales avec un bossage 27 solidaire d'une tige de connexion 29 qui s' étend suivant l'axe longitudinal yy' et qui sort du tube 12 à chacune de ses extrémités. Comme précédemment, le volume interne du tube 12 est rempli d'une résine, et l'on a disposé à l'intérieur de cette résine, entre l'élément de protection et la surface interne du tube 12, deux manchons coaxiaux à l'axe longitudinal yy' , à savoir un manchon interne 19a et un manchon externe 19b. Ces deux manchons peuvent être de constitution et structure identique ou de structure différente, et peuvent être écartés l'un de l'autre d'une distance h fonction du volume disponible à l'intérieur du tube 12. La demanderesse a constaté qu'aussi bien la résistance à l'explosion dans le sens longitudinal que dans le sens transversal d'un tel dispositif parafoudre était améliorée de façon notable par la mise en oeuvre de ces deux manchons concentriques. REVENDICATIONS 1. Dispositif parafoudre constitué d'un boîtier cylindrique (7) formé d'au moins un élément de boîtier (7a,7b), comprenant au moins un élément de protection (13) qui est noyé dans une matière isolante (17) contenue dans ledit boîtier (7), caractérisé en ce qu'au moins un manchon (19), mécaniquement résistant, est intercalé dans la matière isolante (17) entre l'élément de boîtier (7) et l'élément de protection (13). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de boîtier (7a,7b) est en contact électrique avec l'une des bornes de l'élément de protection (13). 3. Dispositif parafoudre suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier est constitué de deux éléments de boîtier (7a,7b) isolés électriquement l'un de l'autre. 4. Dispositif parafoudre suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'un (7a) au moins de ces éléments de boîtier (7a,7b) comporte un fond (9), ou paroi transversale formé d'une pièce avec lui, le contact électrique entre l'élément de protection (13) et l'élément de boîtier (7a) se faisant par ledit fond (9). 5. Dispositif parafoudre suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'autre élément de boîtier (7b) comporte également un fond (15), qui est solidarisé mécaniquement et électriquement de celui-ci, la seconde borne (lob) de l'élément de protection (13) étant en contact électrique avec ledit fond (15). 6. Dispositif parafoudre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le manchon (19) est constitué de fibres de verre tissées. 7. Dispositif parafoudre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le manchon (19) est constitué de fibres de carbone tressées. 8. Dispositif parafoudre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de protection (13) est constitué de plusieurs composants non linéaires disposés en série. 9. Dispositif parafoudre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de protection (13) est constitué de plusieurs composants non linéaires disposés en parallèle. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs manchons (19a,19b) coaxiaux à l'axe longitudinal (yy') du boîtier (7). 11. Dispositif parafoudre suivant l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le boîtier (7) est constitué d'un élément de boîtier unique constitué d'une paroi cylindrique et d'un fond (9) ouvert à l'une de ses extrémités, le boîtier (7) se prolongeant, dans la direction de l'ouverture, suivant une longueur au moins égale à celle de l'élément de protection (13), et son volume interne étant rempli de ladite matière isolante renforcée par le manchon (19).