Brevet FR2822600A1 — publié le 20020927

leur mémorisation. r /g9 D E S C R I P T I O N s L'invention eoncerne un éclateur résistant au courant de foudre avec plusieurs éelateurs branehés en série, eet éelateur étant eonstitué de n éclateurs élémentaires, sa tension d'arc étant amenée au nie multiple de la tension d' are d 'un éclateur élémentaire par branehement en série des éclateurs élémentaires et les éelateurs élémentaires étant eonneetés, à l'exeeption du premier éclateur à ré agir en eas de foudre, à de s imp é danees, not amment d e s eap acit é s, de 0 telle manière que les éclateurs élémentaires eonduisent suecessivement, le deuxième éclateur et tous les suivants étant reliés direetement à un potentiel de réLérenee commun, notamment la terre, par l'intermédiaire des impédances et les impédanees utilisées étant toutes de méme dimension. On eonna^t de tels éelateurs par exemple de DE 197 42 302 A 1 et DE 197 55 082 A 1. On sait qu'un éelateur ou un éelateur multiple peut être utilisé pour la compensation de potentiel transtoire ainsi que pour l'extinction du courant de suite. On peut subdiviser la fonction d'un tel éclateur en quatre fonctions de base: 1. amorçage de 1'éclateur en cas de surtension de foudre. 2 dérivation et éeoulement du eourant de foudre entre terre et eonducteur et d'une faible chute de tension le long de l'are. 3. écoulement et extinction du courant de suite. 4 restabilisation de 1'éclateur et résistanee à la tension en retour sur le lieu de 1'éclateur. o L' amélioration décrite cIans la suite porte exclusivement sur l ' amorcage de l' éclateur en cas de surtensions transitoires et de surtensions causées par des coups de foudre principaux ainsi que sur l'amorçage de l'éclateur notamment en cas de surtensions qui apparaissent lors de coups de foudre secondaires et présentent une pente plus raide que celles de tels coups de foudre principaux. Concernant la première partie du problème, il est à noter que dans toutes les solutions techniques précédentes l'amorçage de l'éclateur du parafoudre par toute tension transitoire a lieu, suite par exemple à des salves d'impulsions lors de la déconnexion de charges inductives, des coupures de fusibles et des surtensions de commutation au sens le plus large, lorsque la valeur de la surtension dépasse la tension d' amorcage de l' éclateur du paraboudre. o Cela signifie qu'un parafoudre réagit chaque fois qu'une telle surtension survient. I1 peut à cette occasion, selon l ' instant o se produit l' amorçage, appara^tre un courant de suite qui, selon le modèle de parafoudre, sera interrompu par celui-ci ou par un fusible situé en amont. Le parafoudre devrait pourtant, par définition, s'amorcer uniquement en cas de surtension causée par la foudre. Il serait avantageux de pouvoir éviter un amorçage du fait d'autres surtensions car cela permettrait d'épargner le parafoudre et de soulager le réseau de chutes de tension inutiles ou selon le cas d'éviter le déclenchement de fusibles. Un des obj ectifs de l 'invention est par conséquent de concevoir un éclateur qui s' amorce uniquement en cas de surtension causée par la foudre. Concernant la deuxième partie du problème, il est à noter quil est connu que la décharge nuage-terre négative représente, avec 90 %, la majorité des coups de foudre. Parmi ces décharges nnage-terre négatives, on observe une proportion de 50 % de coups de foudre secondaires dont la pente est sensiblement plus forte que celle du coup de foudre principal. Les éclateurs sont pourtant contrôlés quant à leur réponse à la surtension causée par le coup de foudre principal. La réponse aux coups de foudre secondaires négatifs n'est pas vérifiée selon les normes actuelles. Dans la mesure o les éclateurs y sont tout de méme exposés, il est nécessaire d'optimiser leur mode de réponse de ce point de vue. L'objectif est donc d'étendre le niveau de protection de l'éclateur, indiqué jusqu'à présent uniquement pour la surtension de foudre 1,2/50 1ls, à la sollicitation par des coups de foudre secondaires négatifs et d'atteindre le même niveau de protection dans ce cas. s Cet objectif est atteint par l'invention par le fait que le dimensionnement des condensateurs de commande s'effectue selon la formule suivante: (n-l) x CE = k x CL x û/Us, o n est le nombre de condensateurs, CE chaque condensateur de commande, k un facteur de sécurité > 1, (: L la capacité de la ligne entre l'éclateur et la source o de la surtension, û la valeur de crête de la surtension et Us le niveau de protection de l'éclateur. Le mode de réponse de l'éclateur multiple est ainsi déLini de telle manière que les surtensions transitoires causées par des man_uvres de commutation ne déclenchent pas l'éclateur multiple tandis que les surtensions causées par la foudre déclenchent l'éclateur multiple lorsque l'énergie de signal de la surtension est suffisamment élevée pour amorcer tous les éclateurs élémentaires. Si l'énergie de signal d'une surtension causée par la foudre, par exemple provoquée par un coup de foudre très lointain, ne suffit pas pour amorcer l'ensemble de l'éclateur multiple, la tension reste tout de même limitée à une valeur inférieure au niveau de protection. Le réamorçage du parafoudre après l'extinction du courant de suite est rendu plus difficile du fait que la tension transitoire en retour est consommée par les condensateurs de commande. Un autre objectif de l'invention est d'étendre le niveau de protection de l'éclateur, indiqué jusqu'à présent uniquement pour la surtension de foudre 1,2/50,us, à la sollicitation par des coups de foudre secondaires négatifs et d'atteindre le même niveau de protection dans ce cas. Tous les éclateurs basés sur des phénomènes de décharge gazeuse montrent une inertie plus ou moins prononcce qui a son origine dans le retard à la décharge dû à la statistique des éleGtrons initiaux dans le gaz. Ce retard à la décharge est donc un inconvénient pour tous les paratoudres constitués d'un seul éclateur. Cet effet existe aussi dans un éclateur multiple. C'est par conséquent le dernier éclateur élémentaire d'un éclateur multiple à s'amorcer qui dét ermine la tension de rép on se. C haque éclat eur mont re ce co mportement su r la cou rb e caractéristique de choc qui indique la relation entre tension de claquage et temps de claquage. Ainsi, plus la pente de la tension de choc augmente, plus la tension de réponse de l'éclateur augmente. Cela peut conduire, en cas de surtensions extrémement raides, à un dépassement du niveau de protection qui est déterminé par le mode de réponse à la surtension de foudre 1,2/50 1ls. Un tel dépassement est possible en cas de surtensions causées par des coups de o foudre secondaires négatifs. Afin de modifier l'éclateur pour de telles conditions, il est proposé de connecter les éclateurs élémentaires, à l'exception du premier éclateur élémentaire, à des varistances branchées en parallèle sur les éclateurs élémentaires, le dimensionnent des varistances s'effectuant selon la i5 formule suivante: (n-1) Ur + UA C et Us le niveau de protection de l'éclateur multiple. La mise en circuit de ces varistances permet d' assurer de façon avantageuse le niveau de protection même en cas de très forte pente de la tension de choc. Des exemples de réalisation sont représentés schématiquement par le dessin et décrits plus en détail dans la suite. On peut y voir: Figure 1 une première structure de circuit conforme à l'invention et son schéma équivalent; Figure 2 une configuration modifiée de l'éclateur et son schéma équivalent. La figure 1 montre la structure d'un éclateur multiple. La surtension u(t) est appliquée aux bornes de l'éclateur multiple et amorce d'abord seulement le premier éclateur élémentaire FS1 de capacité propre C12. Après l'amorçage du prernier éclateur élémentaire, l'éclateur élémentaire FS2 est soumis à la tension UFS2 (t) = U(t) U(f) car C23 C23 + C2E L'éclateur FS va donc s'amorcer aussi. Tous les éclateurs élémentaires suivants vont o s'amorcer successivement pour la même raison. Mais l'amorçage de chaque éclateur élémentaire s'accompagne aussi du prélèvement d'une quote-part de l'énergie de signal de la tension impulsionnelle u(t) pour charger les condensateurs de cornmande C1E... CNE. Si l'énergie de signal est limitée, comme c'est le i5 cas pour toutes les surtensions transitoires causées par des man_uvres de commotation, elle sera entièrement consommée si les condensateurs de commande CIE... C(N-1)E sont convenablement dimensionnés. Le nième éclateur ne pourra ainsi plus s'amorcer, la tension résiduelle à ses bornes étant inférieure à sa tension d'amorçage. o Les condensateurs de commande peuvent aussi être dimensionnés selon les critères suivants: Commande linéaire. Tous les CE sont de même dimension. La dimension des condensateurs de commande peut être déterminée d'après la considération suivante: du côté de l'éclateur se trouve la capacité de ligne CL qui serait chargée à U à la suite d'une surtension transitoire. La charge sur cette partie de ligne est alors Qe = CL *U. En présence d'un éclateur multiple, cette charge est consommée par les condensateurs de commande du fait de l'amorçage de celui-ci. Pour que le dernier éclateur élémentaire ne s'amorce pas, il faut que la charge soit répartie sur seulement n- 1 éclateurs élémentaires. Une fois que la charge est répartie, il ne doit plus rester aux bornes de l'éclateur multiple qu'une tension de valeur au plus égale au niveau de protection. Une charge Q = (n-1) * CE * U5 est alors appliquée aux condensateurs de commande. En égalant les charges Q = QL et compte tenu d'un facteur de sécurité, on peut calculer la valeur de la capacité de commande. (n-l)*CE=k*CL*_ Us U = valeur de crête de la surtension Us = rliveau de profectior de l'éclateur k = facfeur de sécurifé 21 o CL est la capacité de la ligne entre l'éclateur et la source de la surtension. Dans le cas d'un coup de foudre, il apparât une énergie de signal pratiquement infinie qui provoque dans tous les cas l'amorçage de tous les écIateurs élémentaires. On définit ainsi avantageusement un mode de réponse de l'éclateur multiple tel que À Ies surtensions transitoires provoquées par des man_uvres de commutation ne déclenchent pas l'éclateur multiple. À les surtensions provoquées par la foudre déclenchent l'éclateur multiple lorsque l'énergie de signal de la surtension est suffsamment grande pour amorcer tous les éclateurs élémentaires. Si l'énergie de signal d'une surtension causée par la foudre (par exemple provoquée par un coup de ffiudre très lointain) ne sufft pas pour amorcer l'ensemble de I'éclateur multiple, la tension reste tout de même limitée à une valeur inférieure au niveau de protection. À Le réamorçage du paraboudre après l' extinction du courant de suite est rendu plus difficile du fait que la tension transitoire en retour est consornmée par les condensateurs de cornmande. La figure 2 montre un circuit complété par des varistances. La montée de tension due au retard à la décharge de l'éclateur élémentaire est évitée par la mise en circuit de varistances. Les varistances sont branchées en parallèle sur les éclateurs élémentaires FS2... FS N et maintiennent la tension à leurs bornes quasiment constante, à un o niveau défini par la courbe caractéristique des varistances, jusqu'à ce que les éclateurs élémentaires s'amorcent. Etant donné que les varistances opèrent pratiquement sans retard par rapport à un éclateur à air, on obtient une courbe caractéristique de choc quasiment indépendante de la pente de la tension. Seul le premier éclateur élémentaire FS 1 doit s'amorcer par la décharge de gaz naturelle. Avec un éclateur multiple, il est néanmoins possible de régler le premier éclateur élémentaire FS1 à une valeur inférieure au niveau de protection. Le dimensionnement des varistances s'effectue selon la formule suivante: (n1) Ur + UA C Us n: nombre d'éclateurs Ur tension résiduelle de la varistance UAK: tension aux bornes du premer éclateur élémentaire FS 1, donnée par la chute de tension entre anode et cathode niveau de protection de l'éclateur multiple La mise en circuit de ces varistances permet d'assurer de façon avantageuse le niveau de protection même en cas de très forte pente de la tension de choc. L'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation et pout avoir de nombreuses variantes dans le cadre de la divulgation. Toutes les caractéristiques isolées ou combinées divulguées dans la description et/ou le dessin sont considérées comme essentielles à l'invention. g R E V E N D I C A T I O N S 1. Eclateur résistant au courant de foudre avec plusieurs éclateurs branchés en série, cet éclateur étant constitué de n éclateurs élémentaires (FS), sa tension d'arc étant amenée au nième multiple de la tension d'arc d'un éclateur élémentaire par branchement en série des éclateurs élémentaires (FS) et les éclateurs élémentaires (FS) étant connectés, à l'exception du premier éclateur à réagir en cas de foudre (FS1), à des impédances, notamment des capacités, de telle manière que les éclateurs élémentaires (FS) conduisent successivement, le deuxième éclateur et tous les suivants (FS2 à FSN) étant reliés directement à un potentiel de référence commun, notamment la terre, par l'intermédiaire des impédances et les impédances utilisées étant toutes de méme dimension, caractérisé par le fait que le dimensionnement des condensateurs de commande s'effectue selon la formule suivante: (n-1) x CE = k x CL x û/Us, o n est le nombre de condensateurs, CE chaque condensateur de commande, k un facteur de sécurité 1, CL la capacité de la ligne entre l'éclateur et la source de la surtension, la valeur de créte de la surtension et Us le niveau de protection de l'éclateur. 2. Eclateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les éclateurs élémentaires sont connectés, à l'exception du premier éclateur élémentaire FS1, à des varistances branchées en parallèle sur les éclateurs élémentaires (FS2 à FSN), le dimensionnent des varistances s'effectuant selon la formule suivante: (n-1) Ur + UAK