Brevet FR2839817A1 — publié le 20031121

INSTALLATION ELECTRIQUE A ISOLATION GAZEUSE POURWE D'UN DISPOSITIF POUR DISSIPER L'ENERGIE PRODUITE PAR UN ARC ELECTRIQUE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION 1] L'invention est relative a une installation electrique comportant une enveloppe dans laquelle vent disposes des conducteurs et, le cas echeant, des appareillages electriques tels que des appareillages de coupure, de mesure, de commutation ou de transformation electrique. Plus particulierement, mais de maniere non exclusive, ['invention a trait a une l0 installation electrique haute tension a isolation gazeuse. Dans ['ensemble du texte, les termes "haute tension" seront pris dans leur sens le plus large, comme incluant egalement ce qui est connu dans certains pays comme le domaine de la "moyenne tension". ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE 2] Les installations electriques a haute tension vent sujettes a des dysfonctionnements l 5 pouvant se traduire par un court-circuit donnant naissance a un arc electrique de tres grande energie. Lorsque ['installation electrique comporte une enveloppe, on parle d'arc interne pour de signer cet arc non controle. L' arc interne se traduit par des ecoulements de gaz chauds, parfois inflammables ou enflammes, a haute pression, precedes ou accompagnes d'ondes de pressions. Il convient done de prevoir des mesures pour eviter d'une part que l'arc electrique ne provoque ltexplosion de l'enveloppe et la destruction de ['installation et de son environnement, et d'autre part un echappement trop violent de gaz chauds ou enflammes en dehors de l'enveloppe. Ces protections pour le materiel et les personnel vent tres delicates a realiser et tres onereuses, car les energies en jeu vent considerables. 3] Dans le document DE3424363, il a ete propose de prevoir une circulation des gaz chauds generes par l'arc interne au travers d'un filtre destine a refroidir les gaz emis par l'arc interne. La premiere fonction du filtre est de refroidir les gaz s'echappant de la cellule. Le filtre est done rempli d'un materiau ayant une importante surface d'echange et une capacite calorifique elevee. Parmi les materiaux envisages, vent cites des soles metalliques ondulees de faible epaisseur, des graviers ou des mineraux concasses. Ces materiaux ont ['inconvenient d'etre denses, d'ou une masse de filtre importante. Le filtre est confine dans une enveloppe resistant a la pression, et pourvue d'un orifice d'entree et d'un orifice de sortie. Une telle disposition a ['inconvenient de ne pas permettre ['absorption adequate de l'onde de choc. Le filtre risque d'etre detruit et de ne plus remplir sa fonction lors du passage des gaz. Par ailleurs, l'onde de choc est faiblement attenuee et presente en elle- meme un danger direct pour l'environnement. [0004] Pour traiter ce probleme specifique d'onde de choc, il a ete propose dans le document DEl 9520698 de faire circuler les gaz s'echappant d'une cellule electrique a haute tension par un clapet d'echappement, dans un conduit coude jusqu'a un filtre de refro idissement. Le coude assure une reflexion de l' onde de choc, sensee defocali ser l'onde, l0 ce qui permet de reduire la quantite de materiau dans le filtre. Cette disposition pose un probleme d'encombrement certain. De plus, la paroi du conduit coude assurant la reflexion de l'onde de choc doit etre d'une rigidite suffisante pour ne pas etre detruite par ltonde de choc, d'ou un prix de revient eleve. Les reflexions d'onde dans le conduit coude vent d'ailleurs difficiles a matriser et leur effet sur l'ecoulement peut etre contre-productif. 5] On salt par ailleurs, comme en temoigne dans un autre contexte le document DE 530 905, qu'il peut etre interessant de propager un nuage de poussiere mineral lors d'une explosion, pour eviter la propagation des flammes. Il a ete en effet propose dans ce document d'envelopper une machine electrique fonctionnant en milieu explosif, par exemple dans une mine, dans une enveloppe remplie de poussiere. En cas d'explosion de la machine, la poussiere est disseminee sous forme de nuage et permet d'eviter la propagation d'etincelles. Toutefois, une telle disposition se heurte a la difficulte technique de preserver une poussiere sous forme non agglomeree pendant une longue periode. Par ailleurs, elle ne permet pas de casser l'onde de choc de ['explosion. EXPOSE DE L'INVENTION 6] L'invention vise done remedier aux inconvenients de l'etat de la technique, de maniere a proposer une installation electrique protegee contre les effete de l'arc interne par un dispositif peu onereux, peu encombrant, relativement leger et de tres grande efficacite, tent pour absorber l'onde de choc emise par l'arc interne que pour eviter la propagation de gaz chauds, voire enflammes ou les phenomenes de postcombustion ou d'auto inflammation de gaz a distance de ['installation. [00071 A cet effet, I'invention a pour objet Installation electrique comportant: - une enceinte de confinement d'une unite fonctionnelle a isolation gazeuse, - un chemin d' evacuation de l ' interieur de l tenceinte de confinement vers l'exterieur, d'un flux gazeux du a un arc electrique interne dans l'enceinte de confinement, - une couche poreuse de materiau so lide granulaire non combustible di spo see dans le chemin d'evacuation de maniere a etre traversee par le flux gazeux, la couche etant composee et disposee de maniere a generer un nuage de poussieres solides non combustibles lorsque la couche poreuse est traversee par le flux gazeux. 8] La presence de fines particules non combustibles en suspension dans le gaz modifie a la fois la stcechiometrie du melange, sa capacite calorifique et sa cinetique. Globalement, elle empeche ['auto-inflammation du gaz en aval de la couche. 9] Preferentiellement, le materiau solide granulaire est non agglomere, pour permettre un mouvement entre grains. De plus, il est avantageux que le materiau solide granulaire so it fri abl e. Lorsque la couche est atteinte par l' onde de choc ac compagnant l 'arc interne, les grains stentrechoquent et steffritent. Ces mouvements et transformations mecaniques absorbent l'energie de l'onde de choc. Naturellement, l'effritement produit des poussieres qui contribuent a la formation du nuage. La friabilite du materiau peut etre mesuree par un essai de type micro-Deval modifie. L'essai micro-Deval est destine classiquement a determiner la resistance a l'usure qui caracterise ['aptitude d'une roche sous forme de granulate a supporter ['action du trafic routier, et en particulier l'usure resultant du frottement des particules entre elles a sec. Pour l'essai modifie, on prepare un echantillon de M=500 grammes de materiau prealablement lave et seche, et constitue de grains de diametre compris entre 10 et 14 mm. On introduit l'echantillon, ainsi que 2 kg de billes en acier inoxydable de 10 mm de diametre, dans un cylindre en acier inoxydable, chemise interieurement de caoutchouc et ferme par un couvercle etanche. On fait effectuer au cylindre ferme 3000 tours autour de son axe place horizontalement en 30 minutes, puis on tamise le materiau a ['aide d'un tamis de controle de 1.6mm. On pese enfin la masse M3 du refus. On obtient alors le parametre MD caracteristique de la friabilite, par ltexpression: MD = 100 (M-M,) / M, qui determine le pourcentage de fine formee par attrition. Avec cet indicateur, on considere qu'un materiau sera suffsamment friable, si le facteur MD est superieur a 10. A titre indicatif, les resultats obtenus par l'essai pour differents materiaux testes vent rapportes dans le tableau ci-dessous: materiau MD Basalte 2 Pouzzolane 16-17 Siporex 17 Ponces 40-42 [0010] Les materiaux poreux offrent l'avantage d'une tres faible masse volumique apparente combinee a une forte capacite calorifique. Par ailleurs, ces materiaux ont en surface une rugosite importante, qui favorise la dissipation d'energie par frottement lorsque les grains vent agites au passage de l'onde de choc. De preference, on choisira des materiaux qui allient porosite et friabilite. Parmi les materiaux donnant des resultats interessants, on notera: la pierre ponce, la ponzzolane et le Siporex(fó. 1] Preferentiellement, la couche de materiau granulaire contient, de maniere disseminee dans le materiau solide granulaire, de la poussiere solide incombustible pour former l edit nuage. Cette di sposition permet d'eviter le risque d' agglomeration des poussieres qui pourrait avoir lieu apres quelques annees, par exemple en presence d'humidite ou de vibrations. Une telle agglomeration serait en effet tres nefaste: le nuage de poussieres ne pourrait plus se former et la poussiere agglomeree pourrait meme constituer un bouchon entravant la progression des gaz en provoquant ['explosion de ['installation. Naturellement, la presence de poussiere disseminee dans le materiau n'est pas incompatible avec le choix d'un materiau friable, bien au contraire. 2] Selon un mode de realisation, le chemin d'evacuation des gaz est ferme par un moyen d'obturation s'ouvrant automatiquement lorsqu'il est soumis a une difference de pression depassant un seuil predetermine. L'enceinte de conEmement est alors une enceinte s etanche. Le gaz peut etre un gaz a rigidite dielectrique plus elevee que ['air, par exemple de l'hexafluorure de soufre. 3] Avantageusement, la couche est disposee en aval du moyen d'obturation. Le chemin d'evacuation des gaz s'elargit des moyens d'obturation a la couche, formant un volume d'expansion des gaz. Le chemin d'evacuation des gaz presente, au niveau du moyen d'obturation, une section d'ouverture, la couche presentant une surface exterieure libre situee en regard du moyen d'obturation ayant une aire superieure a trots fois l'aire la section d'ouverture. Dans les conditions geometriques ainsi dehmies, le gaz jaillit au niveau des moyens d'obturation sous forme de card. L'efficacite de la couche de materiau permet de disposer celle-ci dans le card. On reduit ainsi fortement la zone d'expansion des gaz situee entre le s moyens d' obturation et la couche de materiau granul aire, ce qui permet de diminuer la surface des paroi s del imitant le chemin d' evacuation de s gaz, d' ou une moindre sollicitation de ces parois par ltonde de pression arrivant jusqu'a la couche, et une limitation des deformations de ['installation. 4] Selon un mode de realisation, la surface exterieure libre est situee, par rapport a la section d'ouverture, a une distance inferieure a six fois un diametre caracteristique d'ouverture, defini comme le diametre du plus grand cercle inscrit dans ladite section d'ouverture. [0015] Cette disposition permet, en cas d'arc interne generant une once de pression ou de choc, une deformation importante du materiau dans la zone directement en regard de ['orifice qui absorbe l'energie de l'onde de choc et evite sa propagation au-dela de la couche de materiau granulaire. L'utilisation d'un materiau granulaire de forte rugosite et/ou friable permet de rapprocher considerablement la couche de materiau de ['orifice de communication, ce qui contribue a reduire la pression dans le volume reste libre entre ['orifice de communication et la surface de la couche de materiau. 6] Selon un mode de realisation ['unite fonctionnelle est une unite a haute tension, au sens large incluant notamment la moyenne tension. Toutefois, ['application a des installation basse tension n'est pas exclue. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 7] D'autres avantages et caracteristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de realisation de ['invention, donnes a titre d'exemples non limitatifs, et representes aux dessins annexes sur lesquels: - la figure 1 represente une vue schematique en coupe d'une installation electrique selon ['invention; - la figure 2 represente une vue schematique en coupe de ['installation de la figure 1, suite a un defaut electrique interne. - la figure 3 represente une vue schematique en coupe d'un deuxieme mode de realisation de ['invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION 8] En reference a la figure 1, une installation electrique haute tension comporte une enveloppe etanche 10 formant une enceinte de confinement 12 contenant un gaz a rigidite dielectrique elevee, par exemple de l'hexafluorure de soufre, et renfermant une unite fonctionnelle a haute tension 13, representee de maniere schematique en pointilles sur la figure 1, comportant des conducteurs electriques sous haute tension, relies le cas echeant a des appareillages electriques, tels que par exemple des disjoncteurs, sectionneurs, sectionneurs de terre, rupteurs, interrupteurs, ou bien encore des transformateurs de distribution ou des auxiliaires de mesure et connectes a l'exterieur par l'intermediaire de traversees 14. Cette enveloppe etanche 10 est disposee sur un pietement 16 dont les parois forment avec une paroi inferieure de l'enveloppe une enceinte de refroidissement 18 pourvue en partie basse d'une ouverture d'echappement 20. La paroi inferieure de l'enceinte de confinement 12 est pourvue d'un orifice d'echappement 22 faisant communiquer l'enceinte de confinement avec l'enceinte de refroidissement. En temps normal, cet orifice 22 est ferme par une membrane 24. 9] L'enceinte est partagee en un volume superieur 26 et un volume inferieur 28 par une grille horizontale rigide 30. La grille rigide 30 supporte une couche de materiau solide granulaire 32. Naturellement, la grille 30 est calibree de maniere a ne pas laisser passer les grains du materiau solide 32 qutelle supporte. La surface superieure 34 de la couche de materiau granulaire, plus ou moins plane, est libre ou maintenue par un filet deformable. Un volume d'expansion non rempli subsiste entre la paroi inferieure de l'enceinte de confinement 10 et la surface libre superieure 34 du materiau. 0] Le materiau solide granulaire 32 est de preference un mineral poreux de faible masse volumique apparente, a porosite ouverte ou fermee, par exemple de la pierre ponce ou de la ponzolane. On obtient ainsi pour une masse relativement faible un volume de materiau important. On prefere egalement des materiaux comportant en quantite importante des poussieres minerales qui, on le verra, jouent un role dans l'etouffement des flammes et le refroidissement des gaz. 1] On peut egalement utiliser des materiaux granulaires non poreux, tels que des sables fins de fonderie deposes sur une feuille de papier, qui forment un nuage lors du passage du flux gazeux. La masse necessaire est alors plus importante. [00221 En cas dtincident majeur dans l'enceinte, generant un arc electrique interne 38, la membrane 24 se romps, comme represente sur la figure 2, laissant passer par ['orifice d'echappement un jet de gaz chauds et de particules solides incandescentes, accompagne d'une once de pression. En pratique, le jet est generalement supersonique et l'onde est une once de choc. Le jet creuse dans le materiau granulaire un cratere 40. Les particules incandescentes accompagnant ['explosion vent arretees dans les premiers millimetres de la couche de materiau qui joue a leur egard un role de filtre. Les gaz sous pression traversent le materiau granulaire et se refroidissent par echange thermique au contact des grains, avant de ressortir par la grille 30 dans le volume inferieur 28, accompagnes d'un nuage de poussiere 42. Ce nuage de particules solides 42 qui accompagne les gaz au-dela de la couche de materiau, contribue au refroidissement des gaz. Ce nuage apparait d'autant plus utile que, contrairement a l'etat de la technique, les gaz sortant de l'appareil n'ont pas ete totalement consumes, de sorte qu'un amor,cage peut provoquer une reaction en chame avec l'air ambient conduisant a une postcombustion. La presence des particules solides en suspension dans le gaz modifie a la fois la stcechiometrie du melange, sa capacite calorifique et sa cinetique, contribuant globalement a inhiber la reinflammation. 3] Empiriquement, on a constate qu'il est possible de placer la couche de materiau granulaire a faible distance de ['orifice. I1 semble que la deformation du filtre lors de ['explosion contribue tres fortement a l'amortissement de l'onde de choc et minimise la montee en pression dans l'enceinte de refroidissement. [00241 Sans vouloir presenter ici une theorie complete des phenomenes en presence, notons que ['orifice joue le role d'une tuyere de sorte que, en ['absence de la couche de materiau granulaire, le jet prendrait une forme de pointe focale conique, cite egalement card, dont la base est constituee par le perimetre de ltorifice, et dont le sommet se situerait approximativement a une distance egale a 6 fois le diametre de la base. Mais, du fait de la grande proximite de la couche de materiau granulaire, le jet rencontre la surface libre du materiau granulaire avant son point de focalisation en y creusant un cratere. Les grains constituent le materiau se repositionnent, provoquant des frottements accompagnes d'un effritement sensible et d'une formation de poussiere. A cet egard, la rugosite des grains constituent le materiau est avantageuse puisqu'elle favorise la dissipation d'energie par frottement et erosion. L'energie du jet et de l'onde de choc est transferee aux grains, contribuant a les deplacer et a les concasser. Globalement, la couche de materiau joue un role d'absorption de l'energie incidente de ltonde et evite la propagation de l'onde de choc a travers la couche de materiau. Du fait de la rugosite apparente elevee de ['interface constituee par la surface superieure de la couche de materiau, la reflexion de l'onde a la surface libre de la couche de materiau est egalement tres attenuee de sorte que ['augmentation de pression dans le volume libre au-dessus de la surface libre de la couche de materiau est egalement limitee. 5] On peut eventuellement prevoir une grille ou un filet deformable pour recouvrir la surface superieure de la couche de materiau granulaire, afin de maintenir en place le materiau. Toutefois, ce filet ou cette grille ne doit pas entraver la deformation importante de la couche de materiau par ltonde de choc. 10026] Un deuxieme mode de realisation de ['invention est represente sur la figure 3. Suivant ce mode de realisation, une installation de distribution electrique comporte une pluralite de cellules haute tension. Chaque cellule comporte une enveloppe etanche 10a, b, 10c formant une enceinte de confinement 12a, 12b, 12c pour du materiel electrique haute tension. Les cellules reposent sur un pietement commun 16 formant une enceinte de refroidissement 18 commune. Chaque cellule est pourvue, sur sa paroi inferieure, d'un orifice d'echappement 22a, 22b, 22c ferme par un clapet anti-retour 24a, 24b, 24c. L'enceinte de refroidissement 18 comporte comme dans le premier mode de realisation une grille intermediaire 30 supportant une ou plusieurs couches de materiau granulaire 32. Le fonctionnement de ['installation en cas d'arc electrique interne dans l'une des cellules est identique a celui decrit precedemment pour le premier mode de realisation. On remarquera toutefois qu'en remplacant l es membranes du premier mode de real i sation par des clapets anti-retour, on garantit que ['augmentation de pression subite dans le volume superieur de l'enceinte de refroidissement au debut de ['incident ne provoque pas une entree de gaz dans les cellules adjacentes non affectees. 10027] Naturellement, diverges modifications vent possibles. 8] La membrane utilisee pour fermer ['orifice de communication peut etre remplacee par un clapet s'ouvrant lorsque la difference entre la pression regnant a l'interieur de l'enceinte de confinement et la pression regnant dans ltenceinte de refroidissement depasse un seuil donne. 9] Le materiau solide granulaire peut etre dispose en plusieurs couches, separees le cas echeant par des grilles rigides ou non rigides. Les differentes couches peuvent avoir des granulometries differentes. Plus generalement, les differentes couches peuvent etre constituees de materiaux differents. 0] I1 est egalement envisageable d'utiliser un materiau granulaire agglomere, a condition que les grains soient de diametre suffisamment important et que subsiste entre les grains des chemins pour le passage des gaz. A cet egard, une plaque rigide realisee avec des grains de pouzolane, d'un diametre de 10 a 15 mm par exemple, lies par un ciment refractaire, notamment un ciment a base de poussiere de ponzzolane, peut constituer une alternative interessante. L'interet d'une telle solution est de faciliter le positionnement du filtre, verticalement ou obliquement par exemple. La poussiere naturellement contenue dans la ponzolane suffit alors a provoquer le nuage recherche. 1] On peut egalement utiliser pour materiau solide granulaire un materiau inhomogene, comportant des grains ayant des diametres differents. 2] Le gaz present dans l'enceinte de confinement pent etre de ['air. L'enceinte de confinement pent etre ou non sous pression. 10033] L'invention est egalement applicable a des installations basse tension. REVENDICATIONS 1 - Installation electrique comportant: - une enceinte de confinement (12) d'une unite fonctionnelle (13) a isolation gazeuse, - un chemin d'evacuation de l'interieur de l'enceinte de conEmement (12) vers l'exterieur, d'un flux gazeux du a un arc electrique interne dans l'enceinte de confinement (12, - une couche poreuse de materiau solide granulaire non combustible (32) disposee dans le chemin d'evacuation de maniere a etre traversee par le flux gazeux, caracterisee en ce que la couche est composee et disposee de maniere a generer un nuage (42) de poussieres solides non combustibles lorsque la couche poreuse (32) est traversee par le flux gazeux. 2 - Installation electrique a isolation gazeuse selon la revendication 1, caracterisee en ce que le materiau solide granulaire (32) est non agglomere. 3 - Installation electrique a isolation gazeuse selon la revendication 2, caracterisee en ce que le materiau solide granulaire (32) est friable. 4 - Installation electrique a isolation gazeuse selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee en ce que le materiau solide granulaire (32) est constitue au moins partiellement par des grains poreux. - Installation electrique a isolation gazeuse selon la revendication 4, caracterisee en ce que les grains poreux vent choisi parmi des grains de pierre ponce, de pouzzolane ou de Siporex. 6 - Installation electrique a isolation gazeuse selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee en ce que la couche de materiau granulaire contient, de maniere disseminee dans le materiau solide granulaire, de la poussiere solide incombustible pour former ledit nuage (42). 7 - Installation electrique a isolation gazeuse selon l'une quelconque des revendications S precedentes, caracteri see en ce que le chemin d'evacuation de s gaz est ferme par un moyen d'obturation (24) s'ouvrant automatiquement lorsqu'il est soumis a une difference de pression depassant un seuil predetermine. 8 - Installation electrique a isolation gazeuse selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee en ce que la couche est disposee en aval du moyen d'obturation (24). 9- Installation electrique a isolation gazeuse selon la revendication 8, caracterisee en ce que le chemin d'evacuation des gaz s'elargit des moyens d'obturation a la couche, forrnant un volume d'expansion des gaz (26). - Installation electrique a isolation gazeuse selon la revendication 9, caracterisee en ce que le chemin d'evacuation des gaz presente, au niveau du moyen d'obturation, une section d'ouverture, la couche presentant une surface exterieure libre (34) situee en regard du moyen d'obturation (24) ayant une aire superieure a trots fois l'aire la section d'ouverture. 11 Installation electrique a isolation gazeuse selon la revendication 10, caracterisee en ce que la surface exterieure libre (34) est situee, par rapport a la section d'ouverture, a une distance inferieure a six fois un diametre caracteristique d'ouverture, defini comme le diametre du plus grand cercle inscrit dans ladite section d'ouverture. 12 - Installation electrique a isolation gazeuse selon la revendication 11, caracterisee en ce que ['unite fonctionnelle (13) est une unite a haute tension.