Brevet FR2798784A1 — publié le 20010323

présente invention concerne un dispositif destiné à assurer la protection d'appareils électroniques contre les surtensions qui se manifestent parfois sur les conducteurs utilises dans les réseaux de distribution de 'énergie électrique, notamment dans le cas de chute de la foudre. a proposé dans l'état antérieur de la technique une quantité très diverse de dispositifs parafoudre sont branches entre un fil du réseau et la terre ou un elément conducteur commun, et qui comprennent des composants , en fonctionnement normal, se comportent comme des élements neutres, mais qui, en cas de surtension violente, deviennent conducteurs, si bien qu'ils dérivent le courant dû à la surtension et notamment à la foudre, protégeant ainsi l'installation disposée en aval contre les effets destructeurs de cette surtension. caractéristiques techniques qui sont exigées de tels appareils sont très diverses, si bien que, jusqu'à présent, aucun dispositif parafoudre du marché ne satisfait totalement à l'ensemble des caractéristiques nécessaires Ces dernières sont les suivantes très faible temps de réponse, très grand pouvoir d'écoulement du courant, tension résiduelle très faible, continuité du service, et de la protection prix de revient devant pouvoir être déterminé en fonction du coût des appareils et des dispositifs à protéger. On a proposé pour assurer une telle fonction d utiliser des éclateurs à gaz. Cependant ces derniers possedent de notables inconvénients et en particulier celui de présenter un retard important à l'amorçage si bien que, dans certains cas, et notamment dans le cas de surtensions particulièrement violentes et rapides provoquées par la foudre, la détérioration des appareils électroniques se produit avant la dérivation du courant de foudre par 'éclateur. On a également fait appel à des varistances qui présentent l'avantage d'absorber des énergies thermiques et electriques importantes sans se détruire, lorsqu'elles subissent des impulsions de courant, si bien qu'elles permettent ainsi d'écrêter une surtension, notamment provoquée par la foudre, sans que l'alimentation en courant des appareils que le dispositif entend protéger ne soit interrompue. Un exemple d'une caractéristique de varistance est représenté sur la figure 1 (courbe b). On sait de façon générale qu'un parafoudre est un dispositif qui est branché entre une ligne à protéger et terre ou un élément conducteur commun, et qui devient conducteur à l'apparition d'une surtension transitoire en écoulant l'énergie de celle-ci, protège equipements électroniques sensibles disposés en aval contre effets destructeurs de cette surtension. On comprend ainsi qu'un parafoudre de type idéal ne doit pas conduire courant électrique lorsque la tension à ses bornes normale et conduire rapidement une grande quantité courant quand la tension devient anormale, tout en maintenant la surtension à un niveau acceptable. L'inconvénient principal des varistances est que, sous 'effet de chocs électriques répétés, et en raison des températures de fonctionnement élevées, elles subissent une usure qui se traduit par une fin de vie résistive par abaissement du seuil d'écrêtage. On est ainsi contraint 'introduire des déconnecteurs (norme NFC 61-740 juillet 95 et norme CEI 61653-1 du ter mars 1998) dans les lignes 'énergie, qui ont pour but d'ouvrir le circuit en cas de de vie afin d'éviter le déclenchement d'incendie. 'un déconnecteurs utilisés est obligatoirement dispose à 'intérieur du corps du parafoudre, ce qui entraîne la suppression de la protection dès après son actionnement. Un tel mode de fonctionnement est extrêmement risque au niveau de la protection d'une installation dans la mesure lors d'un orage, les surtensions se succèdent à une certaine cadence dépendant des différents coups de foudre. a donc proposé divers moyens destinés à supprimer cet inconvénient, notamment en disposant plusieurs varistances parallèle, ce qui est rendu possible grâce à l'importance de la pente (rapport U/I) de leur caractéristique. Une telle mise en parallèle peut être effectuée à l'aide de varistances de valeurs différentes ce qui permet de contrôler, dans une certaine mesure, l'ordre de leur destruction. On sait également qu'un autre inconvénient varistances est qu'elles présentent une tension résiduelle trop élevée dans le cas d'un front de tension très rapide dans le cas de courants très forts. On a également proposé des dispositifs parafoudre faisant appel à des diodes Zener qui présentent 'avantage de ne pas être influencées par l'usure due à chocs électriques répétés et de fonctionner à des temperatures élevées. Ces parafoudres sont tels qu'une fois diode Zener detruite du fait d'une surtension, ils deviennent immédiatement conducteurs si bien qu'ils conduisent à la terre surtension. Ils possèdent alors une capacité importante d'écoulement des courants et des tensions résiduelles très faibles, et ceci dans tous cas de figure. parafoudres de ce type présentent malheureusement l'inconvénient d'être d'un coût élevé, dans la mesure où les diodes Zener utilisées sont construites à partir silicium monocristallin qui est beaucoup plus cher que produits utilises pour réaliser les varistances et doit être dispose entre des disques dissipateurs de chaleur en cuivre ou en argent. Ces parafoudres doivent donc être construits avec un grand nombre de disques est fonction de l'importance de l'énergie que l'on souhaite absorber avant destruction en court-circuit de l'élément. tels parafoudres sont cependant particulièrement intéressants puisqu'ils assurent, après leur destruction, une continuité de la protection des appareils qu'ils sont destines protéger. présente invention a pour but de remedier aux divers inconvenients de la technique antérieure en proposant un dispositif de protection contre les surtensions, et notamment contre les effets de la foudre, qui satisfasse à fois aux différentes conditions visées précédemment. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif protection contre les surtensions d'une ligne alimentation en courant électrique, caractérisé en ce 'il comprend au moins deux éléments, à savoir moins un parafoudre à diode zener du type à fin de en court- circuit, et une varistance, qui sont disposés parallèle, une des bornes commune de ces deux éléments étant reliée à ligne à protéger, et l'autre borne commune étant reliée à terre ou à un élément conducteur commun. L'élément à varistance pourra être associé à un deconnecteur qui sera disposé entre celui-ci la ligne à protéger. Par ailleurs un déconnecteur pourra etre disposé amont de la borne commune des deux éléments qui est reliée à la ligne à protéger. Dans un mode de mise en oeuvre particulièrement intéressant de l'invention le dispositif sera constitué une enveloppe de forme globale cylindrique dont les deux extrémités seront formées de deux bagues métalliques isolées une de l'autre qui constitueront ses deux bornes, chacune celles-ci étant respectivement réunie aux dites bornes communes des deux éléments. L'élément parafoudre à diode Zener sera préférentiellement disposé suivant l'axe longitudinal de l'enveloppe cylindrique. L'élément varistance aura la forme d'un tube qui sera disposé autour l'élément parafoudre à diode Zener, de façon que son axe longitudinal soit confondu avec l'axe longitudinal de 'enveloppe cylindrique. Par ailleurs les surfaces interne et externe de l'élément varistance pourront être respectivement en contact avec un tube métallique interne et un tube métallique externe qui formeront ses électrodes et seront respectivement en contact avec les bagues metalliques. De façon intéressante la liaison entre la bague metallique et le tube externe est assurée des points de soudure dont le volume et le nombre sont tels qu'ils sont aptes à fondre sous l'effet d'une surtension de façon à assurer une fonction de déconnecteur L'espace intérieur du tube interne pourra être rempli un produit isolant et résistant tel notamment une resine époxy. Le dispositif de protection suivant 'invention peut egalement être constitué d'un support connecteur qui comporte des moyens de réception respectifs éléments qui assure leur liaison en parallèle ainsi que connexion de leurs bornes communes respectives avec bornes du dispositif. La figure 1 est un graphique representant les caractéristiques (c'est-à-dire la variation de tension en fonction du courant) d'une part d'un parafoudre de type à diode Zener (courbe a) et d'autre part, d'une varistance (courbe b). La figure 2 est un schéma de principe montrant un dispositif de protection suivant l'invention et sa disposition pratique sur une ligne de courant à protéger. La figure 3 est une en coupe axiale et longitudinale d'un mode de mise oeuvre d'un dispositif de protection suivant l'invention. La figure 4 est une vue perspective d'une seconde variante de mise en oeuvre d' dispositif de protection suivant l'invention. Ainsi que représenté sur la figure 2, on a associé en parallèle deux éléments de parafoudre, à savoir un élément parafoudre 1 à diode Zener du type dans lequel un court- circuit s'établit entre ses bornes lorsque l'on atteint un certain niveau de surtension, une varistance 3. Le parafoudre est destiné à assurer protection d'une ligne électrique 5. Pour ce faire 1 une des bornes commune des deux éléments de parafoudre 1 3 est reliée à la ligne 5 et leur autre borne commune reliée à la terre. Un déconnecteur 4 est disposé ligne 5 en amont des éléments de parafoudre 1 et 3 un autre déconnecteur 6 est disposé juste en amont de la varistance 3. L'autre ligne 7 de l'installation peut être protegée de la même façon. Sur la figure 1 on a representé les caractéristiques respectives a et b des deux élements de parafoudre 1 et 3, c'est-à-dire la variation de tension V aux bornes d'un élément en fonction de l'intensite I du courant qui traverse celui-ci. on peut ainsi, en fonction de la valeur du courant, distinguer quatre zones , II, III, iv. En ce qui concerne l'élément 1 qui est le parafoudre comportant une diode Zener, on constate que : dans la première zone I un courant très faible s'établit et correspond à la polarisation de la diode Zener. Dans la seconde zone II qui correspond à une zone dite zone d'avalanche, la tension est presque constante quelque soit le courant qui traverse le parafoudre. Dans la troisieme zone III la puissance électrique établie, qui correspond au produit de la tension maintenue par le courant, engendre à l'intérieur du parafoudre, une chaleur importante qui provoque la fusion des éléments et qui confère à l'ensemble une résistance électrique très faible définitive. Dans la quatrième zone IV, la résistance étant devenue très faible, la tension aux bornes du parafoudre s'élève peu malgré des courants très élevés. On sait que le processus d'écrêtage qui s'effectue dans les zones I et II est un processus à caractère réversible ne créant aucune usure et aucun changement des caractéristiques du parafoudre. A l'inverse, dans la zone III, il y a un changement brutal et irréversible des caractéristiques. Ainsi que représenté sur la même figure 1, la caractéristique correspondante de l'élément 3, à savoir la varistance, se situe sous celle de l'élément parafoudre 1, si bien que lorsque les deux éléments de parafoudre sont associées en parallèle et, en conséquence sont alimentées à leurs extrémités par une même tension, c'est l'élément 3 constitué par la varistance qui assure le débit du courant (puisque pour une tension d'environ 500 volts aux bornes de ces deux éléments la varistance 3 débitera un courant d'intensité de l'ordre de 0,05 milliampères alors que le courant débité dans le parafoudre sera de l'ordre d'environ 5 microampères). L'association en parallèle de la varistance 3 et du parafoudre 1 constitué essentiellement d'une diode Zener permettra, lorsque la tension aux bornes de la varistance atteint la valeur d'avalanche de la diode Zener, de continuer à conduire le courant jusqu'à ce que la puissance de claquage de la diode Zener soit atteinte, ce qui se produira pour une valeur de courant très superieure, à ce qu'elle aurait été sans l'association de la varistance. On a représenté sur la figure 3 un exemple pratique de mise en oeuvre d'un dispositif parafoudre. Ce dispositif parafoudre est de forme globale cylindrique d'axe longitudinal yy'. Il comprend deux bagues extrêmes metalliques 10 et 12 qui constituent les deux bornes du parafoudre. L'une de ces bagues, la bague 12 inférieure sur dessin, est solidarisée par soudure d'un tube métallique de plus faible diamètre. Chacune des deux bagues metalliques 10,12 reçoit, en une zone proche de son extrémité, un disque métallique 16 duquel elle est solidarisée par soudage. On a disposé suivant l'axe longitudinal yy' du dispositif deux éléments de parafoudre 1 à diode Zener du type à fin de vie en court-circuit. Ces deux éléments 1' sont disposés en série et sont réunis par jonction métallique tubulaire 18 de façon leurs bornes extrêmes soient respectivement soudées aux disques 16 centre de ceux-ci. Les deux éléments de parafoudre à diode Zener 1' sont du type dans lequel, sous l'effet d'une très forte puissance, ils se mettent en court-circuit de façon définitive. De tels parafoudres sont notamment type de ceux décrits dans les brevets FR-A-2.511.556 FR-A- 2.585.892. deux éléments de parafoudre l' sont entourés d'un élément tubulaire 20 métallique qui est soudé à l'une de ces extrémités sur le disque supérieur 16 et qui constitue un blindage destiné à lui conférer une tenue mécanique suffisante pour lui permettre de résister aux fortes puissances qui sont générées par les courants développés par le phenomène de foudre, et ceci pendant un temps suffisant permettant aux dispositifs déconnecteurs éventuels d'être actives. varistance 3 a une forme tubulaire et sa face interne est en contact avec le tube interne 20 qui constitue ainsi tune de ses électrodes et sa face externe est en contact avec le tube externe 14 qui constitue son autre électrode. Ce tube 14 est réuni à la bague 12 par soudure. Dans ce mode de mise en oeuvre particulier l'invention on pourra faire en sorte que la soudure relie bague 12 au tube 14 joue le rôle du déconnecteur , c'est-a-dire qu'elle fonde lors d'une surtension. A effet, cette soudure 6' pourra être une soudure à l'étain dont on déterminera le volume de façon à provoquer sa fusion dans conditions spécifiques. Elle pourra notamment être constituée d'une série de points répartis sur la périphérie de la jonction de la bague 12 et du tube 14. volume interne du tube 20, ainsi que celui délimite par parois internes de la bague 12, sont remplis d' résine 21, par exemple, une résine thermodurcissable époxy. Cette résine est choisie d'une part, pour qualites d'isolant mais également d'autre part, pour qualites d'adhérence avec les éléments de boîtier avec lesquels elle est en contact ainsi que pour ses qualités résistance mécanique propres. pourrait bien entendu constituer le dispositif protection contre les surtensions suivant l'invention avec une autre structure. Ainsi que représentée sur la figure 4 le dispositif protection comprend un boîtier encastrable modulaire 23, type standardisé, comportant un premier logement cylindrique lui permettant de recevoir un élément parafoudre à diode Zener ' de forme globalement cylindrique et un second logement de forme parallélépipédique lui permettant recevoir une varistance 3' de même forme. Le boîtier comporte des moyens internes de connexion permettant mettre deux éléments de parafoudre 1' et 3' en parallèle et d'assurer la liaison de leurs bornes communes respectives avec bornes du dispositif, ainsi qu'un déconnecteur associé a la varistance. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de protection contre les surtensions d'une ligne d'alimentation en courant électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux éléments (1,1',3) à savoir au moins un parafoudre à diode Zener (1,1') type à fin de vie en court-circuit, et une varistance (3), qui sont disposés en parallèle, 1 une des bornes commune de ces deux éléments (1,1',3) étant reliée à la ligne (5,7) à protéger, et l'autre borne commune étant reliée à terre ou à un élément conducteur commun. 2.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que varistance (3) est associée à un déconnecteur (6,6') qui est disposé entre celle-ci et la ligne (5,7) à protéger 3.- Dispositif suivant l'une des revendications 1 ou 2 caractérise en ce qu'un déconnecteur (4) est disposé en amont de borne commune des deux éléments (1,3) qui est reliée à ligne (5,7) à protéger. 4.- Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est forme d'une enveloppe de forme globale cylindrique dont deux extrémités sont formées de deux bagues métalliques 10,12) isolées 'une de l'autre constituant ses deux bornes, chacune celles-ci étant respectivement réunie dites bornes communes des deux éléments (1,3). 5.- Dispositif suivant la revendication 4 caractérisé en ce l'élément parafoudre à diode zener ( ,1') est disposé suivant l'axe longitudinal (yy') de l'enveloppe cylindrique. 6.- Dispositif suivant l'une des revendications 4 ou 5 caractérise en ce que la varistance (3) a la forme d'un tube qui est disposé autour de l'élément parafoudre ' diode Zener (l') de façon que son axe longitudinal soit confondu avec l'axe longitudinal (yy') de l'enveloppe cylindrique. 7.- Dispositif suivant la revendication caractérisé en ce que surfaces interne et externe de varistance (3) sont respectivement en contact avec un tube métallique interne ( ) et un tube métallique externe (14 qui forment ses électrodes et qui sont respectivement en contact avec les bagues métalliques (10,12). 8.- Dispositif suivant la revendication caractérisé en ce que liaison entre la bague métallique (12) et le tube externe (14) est assurée par des points soudure dont le volume le nombre sont tels qu'ils sont aptes à fondre sous l'effet d'une surtension de façon a assurer une fonction déconnecteur. 9.- Dispositif suivant l'une des revendications 7 ou 8 caractérise en ce que l'espace interne au dit tube interne (20) est rempli d'un produit isolant et résistant tel que notamment une résine époxy. 10.- Dispositif suivant l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il est constitué 'un support connecteur (23) qui comporte des moyens réception respectifs des éléments (1,3) et qui assure leur liaison en parallèle ainsi que la connexion de leurs bornes communes respectives avec les bornes du dispositif.