Brevet FR2787247A1 — publié le 20000616

DESCRIPTION La présente invention concerne un montage pour protéger des installations électriques contre des incidents de surtension, constitué d'au moins un varistor et d'un éclateur. On connaît dans l'état de la technique de nombreux montages de ce type, dans lesquels des varistors et des éclateurs sont prévus en montage en série ou en parallèle. L'éclateur et le varistor sont ici respectivement prévus comme éléments indépendants, qui sont reliés par un câblage approprié à l'autre élément et au circuit à protéger. En partant de cet état de la technique, la présente invention a pour but de fournir un montage du type générique qui permette une forme de construction compacte de ces éléments. Afin d'atteindre ce but, l'invention propose que l'éclateur soit formé par deux plaques d'électrode maintenues à distance mutuelle au moyen d'un écarteur en matériau isolant, et qu'un varistor en forme de disque soit appliqué en contact direct sur au moins une plaque d'électrode, les conducteurs de raccordement partant du côté de l'électrode libre de la plaque d'électrode et du côté libre du varistor et/ou de la plaque d'électrode. Une solution alternative est caractérisée en ce que l'éclateur est formé par une plaque d'électrode et par un varistor en forme de disque maintenu à distance de cetteAdernière au moyen d'un écarteur en matériau isolant, varistor dont la face tournée vers la plaque d'électrode constitue la deuxième électrode de l'éclateur, les conducteurs de raccordement étant principalement prévus sur les côtés mutuellement opposés de la plaque d'électrode et du varistor. Une autre solution alternative est caractérisée en ce que l'éclateur est formé par deux varistors en forme de disque maintenus à distance au moyen d'un écarteur en matériau isolant, varistors dont les faces en vis-à- vis constituent les électrodes de l'éclateur, les conducteurs de raccordement étant principalement prévus sur les côtés mutuellement opposés des varistors. Une autre alternative est caractérisée en ce qu'une plaque d'électrode est disposée entre deux varistors en forme de disque avec intercalation d'écarteurs en matériau isolant, plaque qui constitue l'une des électrodes de l'éclateur, tandis que les deux faces des varistors qui sont tournées vers la plaque d'électrode constituent les deuxièmes électrodes de deux éclateurs, les conducteurs de raccordement étant principalement raccordés respectivement à la plaque d'électrode et aux deux faces des varistors qui sont opposées à la plaque d'électrode. Une configuration supplémentaire préférentielle consiste en ce qu'un deuxième écarteur est posé sur le côté de la plaque d'électrode qui est opposé à l'écarteur, et une plaque d'électrode supplémentaire est posée sur ce deuxième écarteur, plaque sur le côté opposé à l'écarteur de laquelle un deuxième varistor en forme de disque est posé en contact direct, les conducteurs de raccordement partant principalement des faces libres des deux varistors et de la plaque d'électrode intermédiaire. Une autre solution alternative est caractérisée en ce qu'un varistor est disposé comme écarteur entre deux plaques d'électrode qui constituent l'éclateur. On prévoit alors de préférence que le varistor est en forme de disque, son diamètre étant inférieur au diamètre des plaques d'électrode. Alternativement, on peut prévoir que le varistor soit de forme annulaire, son diamètre extérieur étant identique au diamètre des plaques d'électrode. On prévoit en outre de préférence que des saillies, dont les pointes se situent sur le même rayon, partent des plaques d'électrode dans la région non occupée par le varistor, sur les côtés en vis-à-vis. Une autre solution alternative au but fixé est caractérisée en ce que, entre une plaque d'électrode et un varistor en forme de disque, un varistor supplémentaire, de diamètre plus petit ou de forme annulaire, est disposé comme écarteur, des pointes d'amorçage ou saillies analogues partant de préférence de la plaque d'électrode et du varistor en forme de disque. De plus, on prévoit de préférence que les plaques d'électrode sont réalisées en graphite. La forme de construction compacte sera favorisée si les plaques d'électrode sont formées par des disques circulaires plats. Pour la même raison, on prévoit de préférence que les varistors sont réalisés sous forme d'anneaux ou de disques circulaires plats. En outre, on prévoit de préférence que les écarteurs sont réalisés en polytétrafluoréthylène (PTFE). De plus, on prévoit que les écarteurs sont des couronnes plates. Une configuration supplémentaire particulièrement préférentielle consiste en ce que les faces planes des varistors en forme de disque sont pourvues d'un revêtement très électroconducteur, principalement en argent, aluminium ou graphite, de préférence seulement sur la face qui ne constitue pas l'électrode de l'éclateur. Le revêtement est appliqué de préférence seulement sur le côté qui est occupé par des contacts de conducteurs de raccordement. On ne devrait notamment pas prévoir de revêtement métallique sur le côté qui fait partie de l'éclateur, car autrement, en cas d'apparition d'un incident de surintensité, il pourrait se produire une vaporisation du revêtement, ce qui est néfaste pour le fonctionnement de l'ensemble de l'élément. De plus, on peut préférentiellement prévoir que le point 1mA du varistor se situe très en dessous de la tension de service de l'éclateur, de sorte qu'en cas d'incident, la tension résiduelle du varistor sert de contre-tension pour éteindre l'arc électrique de l'éclateur. L'invention met à disposition des combinaisons extrêmement compactes d'éclateurs et de varistors, qui développent une grande efficacité avec un encombrement extrêmement faible. L'utilisationde ces éléments peut s'effectuer, selon le branchement des conducteurs de raccordement, sous la forme d'un montage en série ou encore d'un montage en parallèle de varistors et d'éclateurs. Contrairement à l'usage classique pour un montage en série d'éclateurs et d'un varistor comme parafoudre à résistance variable, l'invention porte ici l'accent sur les propriétés parafoudre de l'éclateur. Le varistor respectif est choisi de telle sorte que son point lmA se situe très en dessous de la tension de service de l'éclateur parafoudre. On obtient ainsi un pouvoir d'extinction du courant de suite qui est considérablement meilleur que celui d'un pur éclateur parafoudre. On utilise ici la tension résiduelle du varistor comme contre-tension pour l'extinction de l'arc électrique. Par rapport à l'utilisation de purs varistors parafoudres, on obtient des avantages importants. Un varistor de taille identique ou comparable possède, avec une même densité maximale d'énergie et une tension résiduelle très faible, une capacité de charge en courant de foudre nettement supérieure, et il peut donc être également utilisé dans des plages de puissance dans lesquelles la pure technique des varistors échoue. Par la combinaison de la technologie des éclateurs en graphite avec la technique des varistors, on peut obtenir des parafoudres combinés de forme de construction très compacte. Par l'utilisation partielle ou totale des varistors comme électrodes d'éclateur, on peut obtenir une structure encore plus compacte. En combinant la technologie des varistors et celle des éclateurs en graphite, on peut également réaliser des parafoudres combinés multipolaires très compacts. L'exemple décrit ci-dessous illustre les principaux avantages: Lorsqu'on utilise un varistor parafoudre dans des lignes de distribution d'énergie électrique, on choisit habituellement un type 275 V. Mais sa capacité de charge en courant de foudre est très limitée. Selon l'invention toutefois, on utilise seulement un type 75V. Ce dernier sera, en service normal, désaccouplé en série de la tension de réseau par l'éclateur d'un montage en série. Mais lors d'une sollicitation en courant de foudre par exemple, l'éclateur va s'allumer et mettre en contact le varistor. Étant donné que le varistor présente dans ce cas une tension résiduelle beaucoup plus faible, il y aura donc, pour le même courant de foudre, beaucoup moins d'énergie alimentée dans le varistor. Un varistor de même taille et de même densité d'énergie maximale admissible peut donc être sollicité par un courant de foudre plus élevé. Le problème qui résulte de ce que le varistor est maintenant appliqué à la tension de réseau est résolu par le fait que, grâce à la solution selon l'invention, on obtient de très bonnes propriétés d'extinction du courant de suite, de sorte que le varistor est, après la sollicitation en courant de foudre, à nouveau séparé de manière fiable du réseau. La structure compacte selon l'invention permet également un montage en parallèle de varistors et d'éclateurs. Ici aussi, la structure compacte de varistors et d'éclateurs en graphite montés en parallèle apporte également des avantages concernant la miniaturisation du montage. Ici aussi, on peut utiliser la possibilité de mise en contact directe du varistor et de l'électrode d'éclateur. De plus, le varistor peut être intégré dans l'éclateur de telle sorte qu'il assure, en plus de sa fonction électrique comme parafoudre, la fonction mécanique d'écarteur pour l'éclateur. Dans ce cas, l'électrode en graphite est réalisée de telle sorte qu'on évite de façon fiable une décharge disruptive à la couche de jonction varistor/air. Cela peut être obtenu par différentes mesures: Dans le cas d'un flux de courant à travers le varistor, la composante de champ électrique verticalement à la couche de jonction varistor / air augmente fortement. Pour le mécanisme d'amorçage, on se base donc sur une décharge superficielle. Mais la tension d'apparition de la décharge superficielle se situe très en dessous de celle d'un claquage élec- trique, qui se produit lors d'un claquage libre dans l'air. Afin donc d'éviter de façon fiable une décharge disruptive à la couche de jonction du varistor, il faut soit réaliser également le mécanisme d'amorçage de l'éclateur comme agencement en surface, soit supprimer la décharge superficielle à la couche de jonction varistor / air en dirigeant le champ électrique. La commande du champ peut être obtenue par une conception soigneuse de l'éclateur en graphite et une optimisation par simulation de champ. La décharge superficielle comme mécanisme d'amorçage pour l'éclateur nécessite l'utilisation d'un matériau fortement diélectrique, car la tension d'apparition d'un agencement en surface dépend de la capacité du parcours en surface, de sorte que des matériaux fortement diélectriques favorisent l'apparition de la décharge superficielle. Si, lors de la conception des électrodes en graphite, on prend soin qu'une composante verticale de champ électrique suffisamment élevée apparaisse à la couche de jonction entre le diélectrique et l'air, cette aide à l'amorçage empêchera de façon fiable une décharge disruptive au varistor. Avec des impulsions de tension à pente très raide, on ne peut plus obtenir de façon fiable une coordination du claquage avec les possibilités précitées. Mais si l'on tire parti du fait que des agencements de champ homogènes présentent des délais d'amorçage beaucoup plus faibles que des agencements non homogènes (un éclateur superficiel constitue un tel agencement de champ non homogène), on peut, par un éclateur homogène de grande superficie, influencer la caractéristique de claquage de telle sorte que même des tensions présentant un rapport du/dt très élevé sont amorcées de façon fiable dans l'éclateur. De plus, la faible instabilité horizontale d'un éclateur homogène permet d'obtenir une tension résiduelle très faible. Des exemples de réalisation de l'invention sont représentés sur les dessins annexés, dans lesquels: les figures 1 à 10 représentent des exemples de réalisation schématiques. Les dessins représentent des exemples de réalisation schématiques du montage selon l'invention. Chaque figure représente le montage compact selon l'invention, accompagné d'un schéma équivalent correspondant au fonctionnement de l'élément. Pour toutes les formes de réalisation, on utilise des électrodes en graphite 1 en forme de disques circulaires, et des varistors 2 également en forme de disques circulaires. Dans le montage selon la figure 1, I'éclateur est formé par deux plaques d'électrode 1 maintenues à distance mutuelle au moyen d'un écarteur 3 en matériau isolant. L'écarteur est un élément annulaire qui présente au milieu un grand espace libre 4 et qui dépasse des plaques d'électrode 1 radialement vers l'extérieur. Les plaques d'électrode 1 et le varistor 2 en forme de disque couplé à ces plaques sont réalisés de même diamètre. Un varistor 2 en forme de disque est posé en contact direct sur une des plaques d'électrode 1, et fixé en position par des mesures appropriées. Dans cet exemple de réalisation, les conducteurs de raccordement 5 partent du côté de l'électrode libre de la plaque d'électrode 1 supérieure et du côté libre du varistor 2. L'exemple de réalisation représenté sur la figure 1 correspond au montage qui est symbolisé sur la figure 1 à côté de sa représentation physique. Il s'agit donc ici d'un montage en série d'un éclateur F et d'un varistor V. Dans le montage selon la figure 2, I'éclateur est formé par une plaque d'électrode 1 (plaque d'électrode en graphite) et un varistor 2 en forme de disque, maintenu à distance de cette plaque au moyen d'un écarteur 3 en matériau isolant. La face du varistor qui est tournée vers la plaque d'électrode 1 constitue ici la deuxième électrode de l'éclateur. Les conducteurs de raccordement 5 sont prévus sur les côtés mutuellement opposés, respectivement de la plaque d'électrode 1 et du varistor 2. Le schéma équivalent montre qu'il s'agit également ici d'un montage en série d'un éclateur et d'un varistor, dont la taille est encore considérablement réduite par rapport à la forme de réalisation selon la figure 1. Dans l'exécution selon la figure 3, l'éclateur est formé par deux varistors 2 en forme de disque, maintenus à distance au moyen d'un écarteur 3 en matériau isolant. Leurs faces en vis-à-vis constituent les électrodes de l'éclateur. Les conducteurs de raccordement 5 sont prévus sur les côtés mutuellement opposés des varistors 2. Le schéma équivalent montre qu'il s'agit également ici d'un montage en série d'un éclateur et d'un varistor. Cette forme de construction est extrêmement efficace et miniaturisée, avec une utilisation totale des varistors comme électrodes d'éclateur. La figure 4 représente un autre exemple de réalisation, qui est remarquable pour une haute capacité de charge avec un mode de construction compact, grâce à l'utilisation redoublée de l'électrode en graphite. Une plaque d'électrode (électrode en graphite) est ici disposée entre deux varistors 2 en forme de disque, avec intercalation d'écarteurs 3 en matériau isolant. De la sorte, des éclateurs respectifs sont formés entre les faces en vis-à-vis des varistors 2 et de la plaque d'électrode 1. Les conducteurs de raccordement 5 sont raccordés aux deux faces des varistors 2 qui sont opposées à la plaque d'électrode 1, et réunis en un branchement commun. L'autre branchement est amené radialement sur la plaque d'électrode 1. Le schéma équivalent montre qu'il s'agit d'un montage en parallèle de deux montages en série d'éclateurs et de varistors. La figure 5 représente un mode de construction compact par la mise en contact directe d'éclateurs et de varistors. Ici, d'une manière analogue à la forme de réalisation selon la figure 1, un deuxième écarteur 3 est posé sur le côté de la plaque d'électrode 1 qui est opposé à l'écarteur 3, et une plaque d'électrode 1 supplémentaire est posée sur ce deuxième écarteur 3. Un deuxième varistor 2 en forme de disque est posé en contact direct sur le côté de cette plaque d'électrode 1 qui est opposé à l'écarteur 3. Les conducteurs de raccordement 5 partent des faces libres des deux varistors 2 et de la plaque d'électrode 1 intermédiaire (de cette dernière radialement). Le schéma équivalent représente la combinaison de deux éclateurs avec des varistors. Dans l'exécution selon la figure 6, on obtient une forme de construction compacte par l'utilisation partielle des varistors comme électrode d'éclateur. Cette configuration correspond pour l'essentiel à celle selon la figure 4, seuls les branchements électriques 5 étant différemment raccordés, comme cela ressort également du schéma équivalent associé. La forme de réalisation selon la figure 7 prévoit un montage en parallèle d'un éclateur et d'un varistor. Ici aussi, on obtient un mode de construction compact par la mise en contact directe de l'éclateur et du varistor. Cette forme de réalisation correspond pour l'essentiel à l'exécution selon la figure 1, seulement avec une combinaison différente. Le schéma équivalent est représenté sur la figure 7. Il montre le montage en parallèle d'un éclateur et d'un varistor. La figure 8 représente un mode de construction très compact par l'utilisation du varistor comme écarteur de l'éclateur. Ici, un varistor 2 est disposé comme écarteur entre deux plaques d'électrode 1, qui constituent l'éclateur. Le varistor et réalisé sous forme de disque circulaire de plus petit diamètre, de sorte qu'un grand espace libre reste présent à côté du varistor 2 entre les plaques d'électrode 1, espace qui convient et sert à la décharge disruptive de l'éclateur. De plus, une formation de saillies est prévue sur le bord des plaques d'électrode, ces saillies étant avantageuses pour le déclenchement de la décharge. A nouveau, on a représenté sur la figure 8 le schéma équivalent, qui montre un montage en parallèle d'un varistor et d'un éclateur. La configuration selon la figure 9 est analogue. Le varistor sert également ici d'écarteur, le varistor étant réalisé sous la forme d'un élément annulaire, qui présente au centre un grande espace libre qui convient et sert à la formation de l'éclateur entre les plaques d'électrode 1. La configuration de saillies est prévue au milieu sur les plaques d'électrode 1, afin de favoriser la formation de l'éclateur. Dans l'exécution selon la figure 10, on obtient un mode de construction très compact par l'utilisation du varistor comme écarteur de I'éclateur et comme électrode. Ici, un varistor 2 supplémentaire est disposé comme écarteur entre une plaque d'électrode 1 (électrode en graphite) et un varistor 2 en forme de disque. Ce varistor conçu comme écarteur est réalisé de forme annulaire, de sorte qu'un grand espace libre est formé au milieu pour le claquage de l'éclateur et pour la disposition de pointes d'amorçage sur le varistor et sur la plaque d'électrode. Le schéma équivalent montre le montage en parallèle d'un éclateur et d'un varistor, et le montage en série de ces éléments avec un varistor supplémentaire. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation, mais peut connaître de multiples variations dans le cadre de la divulgation. Toutes les nouvelles caractéristiques ou combinaisons de caractéristiques divulguées dans la description et/ou sur les dessins sont considérées comme essentielles à l'invention. REVENDICATIONS 1. Montage pour protéger des installations électriques contre des incidents de surtension, constitué d'au moins un varistor et d'un éclateur, caractérisé en ce que l'éclateur est formé par deux plaques d'électrode (1) maintenues à distance mutuelle au moyen d'un écarteur (3) en matériau isolant, et en ce qu'un varistor (2) en forme de disque est appliqué en contact direct sur au moins une plaque d'électrode (1), les conducteurs de raccordement (5) partant du côté de l'électrode libre de la plaque d'électrode (1) et du côté libre du varistor (2) et/ou de la plaque d'électrode (1). 2. Montage pour protéger des installations électriques contre des incidents de surtension, constitué d'au moins un varistor et d'un éclateur, caractérisé en ce que l'éclateur est formé par une plaque d'électrode (1) et par un varistor (2) en forme de disque maintenu à distance de cette dernière au moyen d'un écarteur (3) en matériau isolant, varistor dont la face tournée vers la plaque d'électrode (1) constitue la deuxième électrode de l'éclateur, les conducteurs de raccordement (5) étant principalement prévus sur les côtés mutuellement opposés de la plaque d'électrode (1) et du varistor (2). 3. Montage pour protéger des installations électriques contre des incidents de surtension, constitué d'au moins un varistor et d'un éclateur, caractérisé en ce que l'éclateur est formé par deux varistors (2) en forme de disque maintenus à distance au moyen d'un écarteur (3) en matériau isolant, varistors dont les faces en vis-à-vis constituent les électrodes de l'éclateur, les conducteurs de raccordement (5) étant principalement prévus sur les côtés mutuellement opposés des varistors (2). 4. Montage pour protéger des installations électriques contre des incidents de surtension, constitué d'au moins un varistor et d'un éclateur, caractérisé en ce qu'une plaque d'électrode (1) est disposée entre deux varistors (2) en forme de disque avec intercalation d'écarteurs (3) en matériau isolant, plaque qui constitue l'une des électrodes de l'éclateur, tandis que les deux faces des varistors (2) qui sont tournées vers la plaque d'électrode (1) constituent les deuxièmes électrodes de deux éclateurs, les conducteurs de raccordement (5) étant principalement raccordés respectivement à la plaque d'électrode (1) et aux deux faces des varistors (2) qui sont opposées à la plaque d'électrode (1). 5. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un deuxième écarteur (3) est posé sur le côté de la plaque d'électrode (1) qui est opposé à I'écarteur (3), et une plaque d'électrode (1) supplémentaire est posée sur ce deuxième écarteur (3), plaque sur le côté opposé à l'écarteur (3) de laquelle un deuxième varistor (2) en forme de disque est posé en contact direct, les conducteurs de raccordement (5) partant principalement des faces libres des deux varistors (2) et de la plaque d'électrode (1) intermédiaire. 6. Montage pour protéger des installations électriques contre des incidents de surtension, constitué d'au moins un varistor et d'un éclateur, caractérisé en ce qu'un varistor (2) est disposé comme écarteur entre deux plaques d'électrode (1) qui constituent l'éclateur. 7. Montage selon la revendication 6, caractérisé en ce que le varistor (2) est en forme de disque, son diamètre étant inférieur au diamètre des plaques d'électrode (1). 8. Montage selon la revendication 6, caractérisé en ce que le varistor (2) est de forme annulaire, son diamètre extérieur étant identique au diamètre des plaques d'électrode (1). 9. Montage selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que des saillies, dont les pointes se situent sur le même rayon, partent des plaques d'électrode (1) dans la région non occupée par le varistor (2), sur les côtés en vis-à-vis. 10. Montage pour protéger des installations électriques contre des incidents de surtension, constitué d'au moins un varistor et d'un éclateur, caractérisé en ce que, entre une plaque d'électrode (1) et un varistor (2) en forme de disque, un varistor (2) supplémentaire, de diamètre plus petit ou de forme annulaire, est disposé comme écarteur, des pointes d'amorçage ou saillies analogues partant de préférence de la plaque d'électrode (1) et du varistor (2) en forme de disque. 11. Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les plaques d'électrode (1) sont réalisées en graphite. 12. Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les plaques d'électrode (1) sont formées par des disques circulaires plats. 13. Montage selon l'une quelconque des revendications I à 12, caractérisé en ce que les varistors (2) sont réalisés sous forme d'anneaux ou de disques circulaires plats. i! 14. Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les écarteurs (3) sont réalisés en polytétrafluoréthylène (PTFE). 15. Montage selon l'une quelconque des revendications I à 14, caractérisé en ce que les écarteurs (3) sont des couronnes plates. 16. Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que les faces planes des varistors (2) en forme de disque sont pourvues d'un revêtement très électroconducteur, principalement en argent, aluminium ou graphite, de préférence seulement sur la face qui ne constitue pas l'électrode de l'éclateur. 17. Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le point 1 mA du varistor (2) se situe très en dessous de la tension de service de l'éclateur, de sorte qu'en cas d'incident, la tension résiduelle du varistor (2) sert de contre-tension pour éteindre l'arc électrique de l'éclateur.