Brevet FR2789528A1 — publié le 20000811

La présente invention concerne un dispositif parafoudre du type utilisé notamment pour assurer la protection des installations électriques de forte puissance. On sait que pour assurer la protection de telles installations contre la foudre on fait appel à des dispositifs parafoudre qui sont branchés entre un fil du réseau et la terre et qui comprennent des composants qui, en fonctionnement normal, se comportent comme des éléments neutres, mais qui en cas de surtensions violentes deviennent conducteurs, si bien qu'ils dérivent vers la terre le courant dû à la foudre, protégeant ainsi l'installation disposée en aval contre les effets destructeurs de la surtension. Par mesure de sécurité on est contraint, de par la norme NF C 61-740, d'associer au parafoudre un déconnecteur qui a pour rôle de couper le circuit dans le cas o le parafoudre se détruit. Ces déconnecteurs peuvent être essentiellement disposés suivant deux configurations. Dans une première configuration, le déconnecteur est disposé, ainsi que représenté sur la figure 1, sur la ligne elle-même. Dans ces conditions on comprend que sa déconnexion entraîne la coupure en alimentation électrique des installations qui se trouvent en aval. Dans la seconde configuration, représentée sur la figure 2, le déconnecteur est disposé sur la branche de dérivation allant à la terre, si bien que sa déconnexion respecte bien une continuité de service puisque le courant peut continuer à circuler dans la branche principale, mais il n'assure plus une continuité de la protection puisqu'il interrompt la dérivation vers la terre. 2 2789528 On comprend qu'aucune de ces deux configurations n'est totalement satisfaisante, puisque après la destruction du parafoudre et de l'activation du déconnecteur qui lui est associé, la première a pour effet de paralyser l'installation et la seconde a pour effet de mettre celle-ci en péril. On sait également qu'une autre qualité d'un parafoudre est sa capacité d'écouler les surtensions sans qu'aucune usure ne se manifeste. C'est pourquoi il apparaît intéressant de constituer un tel parafoudre à partir d'éléments particulièrement résistants à l'usure tels que les jonctions de semi-conducteurs de type Zener qui, par ailleurs, possèdent d'autres qualités par rapport aux autres dispositifs parafoudres de l'état antérieur de la technique tels que notamment les éclateurs et les varistances. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant des moyens de protection contre les effets de la foudre qui assurent à la fois, après un coup de foudre, aussi bien la continuité de service à l'installation que sa protection contre un coup de foudre ultérieur, et ceci avec des composants de type Zener. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif parafoudre destiné à protéger une installation alimentée par une ligne électrique caractérisé en ce qu'il est constitué d'un module formé d'au moins deux ensembles constitués chacun d'un déconnecteur monté en série avec au moins une diode de type Zener, et qui sont reliés entre eux en parallèle. 3 2789528 Suivant l'invention l'un des ensembles pourra être constitué de plusieurs diodes de type Zener disposées en parallèle. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention l'une des diodes Zener possède une tension de seuil supérieure à celui de l'autre diode. Cette différence de tension de seuil étant préférablement égale à sensiblement la différence existant entre la tension de l'une de ces diodes à faible courant et la tension de cette même diode à fort courant. Ainsi qu'il sera exposé ci-après une telle différentiation de ces diodes permet d'éviter que, dans des cas de caractéristiques très particulières de surtensions dues à la foudre, les deux diodes Zener deviennent simultanément conductrices et ne soient détruites, laissant alors l'installation démunie de protection. On pourra également, afin de réaliser une sélection, donner à l'un des ensembles des liaisons courtes et à l'autre ensemble des liaisons longues. Dans un mode de mise en oeuvre préférentiel de l'invention, le dispositif parafoudre comporte deux ensembles, un premier ensemble étant constitué de diodes de type Zener de même tension de seuil et un second ensemble dont la tension de seuil de la diode de type Zener est supérieure à celle des diodes Zener du premier ensemble. Préférentiellement la tension de seuil de la diode Zener du second ensemble sera supérieure à celle des diodes Zener du premier ensemble. 4 2789528 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: La figure 1 est une vue schématique d'un montage de protection suivant l'état antérieur de la technique dans une configuration excluant une continuité de service. La figure 2 est une vue schématique d'un montage de protection suivant l'état antérieur de la technique dans une configuration excluant une continuité de protection. La figure 3 est un graphique représentant la caractéristique d'une diode Zener de type utilisable suivant la présente invention, à savoir la variation de la tension en fonction de l'intensité de celle-ci. La figure 3a est un graphique schématique de la caractéristique d'une diode Zener, destinée à mettre en évidence la différence de tension AV au borne de celle-ci, dans le cas de courants faibles et de courants forts. La figure 4 est une vue schématique d'un exemple de montage de protection contre la foudre suivant l'invention. La figure 5 est un graphique représentant la variation de la tension V en fonction de la variation de courant instantané di/dt respectivement pour deux diodes Zener en parallèle de tensions de seuil voisines, pour une diode Zener seule de même tension de seuil, et pour une diode Zener de tension de seuil légèrement supérieure. Les figures 6 et 7 sont des vues schématiques de deux exemples de mise en oeuvre d'un montage de protection contre la foudre suivant l'invention. 2789528 On a représenté sur la figure 1 une ligne 1 d'alimentation électrique d'une installation 3 que l'on souhaite protéger contre les effets destructeurs de la foudre. Pour ce faire, on a disposé, suivant l'état antérieur de la technique entre la ligne 1 et la terre 5, un parafoudre 7, c'est-à-dire un dispositif qui, en fonctionnement normal, se comporte comme un élément neutre, c'est-à-dire qu'il ne conduit pas le courant, mais qui, dans le cas d'une surtension violente, devient conducteur. Dans une première configuration de protection représentée sur la figure 1, on dispose sur la ligne 1 en amont du parafoudre 7 un dispositif déconnecteur 9, c'est-à-dire un dispositif qui a pour effet d'ouvrir le circuit lorsqu'il est traversé par un courant important. Dans un tel mode de mise en oeuvre, lorsqu'une surtension trop violente due à la foudre intervient, faisant fondre le parafoudre, celui-ci se met en court-circuit et dérive le courant vers la terre 5, protégeant ainsi l'installation 3. Lors de cette action le déconnecteur 9 s'ouvre privant ainsi de toute alimentation électrique l'installation 3. Dans la seconde configuration suivant l'état antérieur de la technique, représentée sur la figure 2, le déconnecteur 9 est placé sur la branche de dérivation en amont du parafoudre 7. Dans ces conditions, lorsque survient une forte surtension provoquée par la foudre, le parafoudre 7 passe à l'état de court-circuit, dérivant ainsi la surtension vers la terre 5, puis le déconnecteur 9 ouvre le circuit. Dans ces conditions, si l'installation 3 reste alimentée en courant après l'effet de foudre, on remarque alors qu'elle 6 2789528 n'est plus protégée contre un effet ultérieur, dans la mesure o le déconnecteur 9 a ouvert la branche de dérivation. Le principe de base du dispositif parafoudre suivant la présente invention consiste à faire en sorte que deux parafoudres soient disposés en parallèle, et lorsque survient une surtension, l'un de ces parafoudres travaille et l'autre pas. On sait que la mise en parallèle de jonctions de semi-conducteurs de type Zener pose problème en raison de l'allure de la courbe caractéristique de la fonction Tension/Courant f(U/I), dont un exemple est reproduit sur la figure 3. En effet bien que la tension soit la même aux bornes de deux diodes Zener disposées en parallèle, on constate, en raison de la faible pente de la courbe f(U/I), que les courants qui traversent celles-ci peuvent néanmoins être très différents. Ainsi, sur la courbe représentée sur la figure 3, on constate que, pour une même tension V1, les courants respectifs traversant des diodes Zener Di et D2 dont les tensions de seuil sont voisines, sont traversées par des courants respectifs Il et I2 d'intensités très différentes. Dans ces conditions on comprend qu'il sera nécessaire de les apparier par un tri rigoureux à partir de leur tension de seuil, si l'on souhaite qu'elles répartissent équitablement le courant de décharge. Suivant l'invention, ainsi que représenté sur la figure 4, on a réalisé un module formé de deux ensembles constitués de diodes Zener respectives Z1,Z', que l'on a choisies de façon que leurs tensions de seuil soient 7 2789528 voisines, avec lesquelles on a mis en série deux déconnecteurs respectifs P1,P'l, de façon que les deux entrées de ces déconnecteurs P1,P'l, soient réunies par une connexion électrique courte 10 qui est réunie à la ligne 1, de même que leurs sorties respectives sont également réunies, par une connexion électrique courte 10, elle-même reliée à la terre 5. Dans ces conditions on comprend que, lorsque survient une surtension importante due à la foudre, l'une des deux diodes Zener Z1,Z'1 commence à abaisser son seuil vers la fin de vie, si bien qu'elle court- circuite l'autre et qu'elle supporte à elle seule la totalité de l'intensité du courant résultant de cette forte surtension. Pendant le passage de cette forte intensité, le déconnecteur associé à la diode Zener rendue conductrice se déconnecte interrompant alors le passage par celle-ci. On comprend, dans ces conditions, que le service procuré par la ligne 1 n'a pas été interrompu par la forte surtension traversant le parafoudre et que l'un des deux, à savoir celui qui n'est pas passé à l'état définitif de conduction, reste opérationnel. On comprend que, dans un tel montage, il n'est pas possible de savoir celui des deux parafoudres qui a été utilisé. Pour ce faire on peut bien entendu adjoindre au déconnecteur qui est passé de l'état conducteur à l'état non conducteur des moyens annexes 12 permettant de signaler que le parafoudre qui lui est associé est à remplacer. 8 2789528 On peut ainsi associer à ce déconnecteur une diode " led " qui s'allume lors de la déconnexion du dispositif déconnecteur 9. Cependant, on a constaté qu'en raison de la nature particulièrement complexe des surtensions dues à la foudre, il peut advenir que deux parafoudres en parallèle conduisent simultanément et que, en conséquence, ils soient donc simultanément détruits, laissant alors l'installation sans protection. Suivant l'invention on proposera donc des moyens permettant de différencier les deux ensembles, de façon, qu'à coup sûr, l'un réagisse avant l'autre. Un premier moyen consistera donc à différencier les diodes Zener utilisées en les choisissant de façon telle que leurs tensions de seuil respectives soient différentes. Préférentiellement la tension de seuil de l'une des diodes Zener sera supérieure à la tension de seuil de l'autre d'une valeur AV égale à la différence de tension existant entre la valeur Va à faible courant et la valeur Vb à fort courant de cette diode Zener (Figure 3a). Ce choix permet de conserver un bon niveau de protection au second étage (à savoir celui dont le seuil est supérieur). Un second moyen consistera à exploiter une observation faite par le demandeur suivant laquelle, en dynamique, la tension résiduelle d'une diode Zener varie fortement en fonction de la variation du courant di/dt. En effet, si l'on associe en parallèle, à l'aide de connexions courtes, deux diodes Zener Z1 et Z'1 dont la tension de seuil est très voisine, et que l'on reporte sur un 9 2789528 diagramme la variation de la tension à leurs bornes en fonction de la variation instantanée de l'intensité di/dt (courbe a) on constate que l'allure des courbes est telle que représenté sur la figure 5. On a fait de même avec une seule des deux diodes Zener, par exemple la diode Z1, et l'on a reporté les valeurs correspondantes sur la même figure 5 (courbe b). On constate sur cette figures que la courbe caractéristique des deux Zener Z1 et Z'1 montées en parallèle se situe sous la courbe correspondante relative à la diode Z1 seule. Par ailleurs on a représenté sur la même figure une troisième courbe, (courbe c) relative à une troisième diode Zener Z2, dont la tension de seuil est légèrement supérieure à la tension de seuil des deux diodes Zener Z1 et Z'1, préférentiellement d'une valeur AV égale à la différence de tension existant entre la valeur Va à faible courant et la valeur Vb à fort courant de cette diode Zener (Figure 3a). Les courbes obtenues montrent que l'association des deux diodes Zener Z1 et Z'1 facilite l'isolation d'un groupe de Zener, et la sélection ou différenciation lors d'une importante surtension de ce groupe particulier. Un troisième moyen pour assurer la différenciation des diodes Zener consistera à jouer sur les temps de réaction de celles-ci en agissant sur la longueur des liaisons de ces diodes Zener avec l'installation. Ainsi que représenté sur la figure 7 un premier ensemble constitué d'une diode Zener Z1 et d'un déconnecteur P1 est relié à l'installation par une liaison courte, alors qu'un second ensemble constitué d'une diode Zener Z'1 et d'un déconnecteur P'l est relié à l'installation par une liaison longue. Dans une telle configuration on a constaté que l'ensemble qui était "activé" en premier par une forte surtension due à la foudre était toujours celui à liaison courte. Dans un mode de mise en oeuvre particulièrement intéressant de l'invention, représenté schématiquement sur la figure 6, on fait appel à un premier ensemble formé de diodes Zener ayant des valeurs de tension de seuil très voisines (obtenues par exemple par triage) montées en parallèles, à savoir des diodes Z1, Z2,... Zn auxquelles est associé un déconnecteur commun P, bien qu'il soit bien entendu possible d'associer un déconnecteur à chacune des diodes Zener. Ce dispositif comprend également un second ensemble constitué d'une autre diode Zener Z' dont la tension de seuil est légèrement supérieure à celle des diodes Zener Z1, Z2,...Zn, préférentiellement d'une valeur AV définie ainsi qu'exposé précédemment, à laquelle est associée un déconnecteur P'. Dans ces conditions il est établi que lors d'une surtension importante due à la foudre c'est l'une des diodes Zener appartenant à l'ensemble Z1, Z2,... Zn, qui fondra et assurera ainsi la protection de la ligne 1 et la mise en oeuvre du déconnecteur P. Le présent mode de mise en oeuvre de l'invention est intéressant en ce qu'il permet de déterminer celui des deux ensembles de parafoudre qui, à coup sûr, sera activé lors d'une surtension provoqué par la foudre. Il 2789528 Bien que la présente invention soit utilisable et présente de nombreuses applications dans le domaine du courant continu elle est bien entendu également utilisable dans le domaine du courant alternatif. Dans ce dernier cas, il va de soi qu'au lieu d'une simple diode Zener on fera appel à deux diodes Zener montées tête-bêche. Dans le présent texte, une diode Zener désignera donc également deux diodes Zener montées en tête- bêche lorsqu'il s'agira de circuits traitant de courant alternatif. 12 2789528 REVENDICATIONS 1.- Dispositif parafoudre destiné à protéger une installation (3) alimentée par une ligne électrique (1) caractérisé en ce qu'il est constitué d'un module formé d'au moins deux ensembles constitués chacun d'un déconnecteur (P1,P'l) monté en série avec au moins une diode de type Zener, (Z1, Z2,... Zn, Z') et qui sont reliés entre eux en parallèle. 2.Dispositif parafoudre suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'un des ensembles est constitué de plusieurs diodes de type Zener (Z1, Z2,... Zn) disposées en parallèle. 3.- Dispositif parafoudre suivant l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les tensions de seuil des diodes de type Zener (Zl, Z2,... Zn) desdits ensembles sont voisines. 4.- Dispositif parafoudre suivant l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'un des deux ensembles comprend une diode de type Zener dont la tension de seuil est supérieure à celle des diodes Zener des autres ensembles. 5.- Dispositif parafoudre suivant la revendication 4 caractérisé en ce que la tension de seuil de ladite diode de type Zener est supérieure à la tension de seuil de l'autre d'une valeur (AV) égale à sensiblement la différence de tension de ladite autre diode de type Zener à faible courant et à fort courant. 13 2789528 6.- Dispositif parafoudre suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les liaisons des diodes de type Zener entre elles et à l'installation sont faites par des liaisons courtes. 7.- Dispositif parafoudre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'au moins une liaison des diodes de type Zener à l'installation est une liaison longue. 8.- Dispositif parafoudre suivant la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte deux ensembles, un premier ensemble étant constitué de plusieurs diodes de type Zener de même tension de seuil et un second ensemble dont la tension de seuil de la diode de type Zener est supérieure à celle des diodes Zener du premier ensemble. 9.- Dispositif parafoudre suivant la revendication 8 caractérisé en ce que la tension de seuil de la diode Zener du second ensemble est supérieure à celle des diodes Zener du premier ensemble d'une valeur (AV) égale à sensiblement la différence de tension de ces diodes à faible courant et à fort courant.