Brevet FR2843839A1 — publié le 20040227

! La présente invention concerne un dispositif pour la protection de lignes électriques, en particulier des lignes d'énergie parcourues par un courant électrique alternatif et pouvant alimenter des installations ou systèmes divers, contre les effets perturbateurs de la foudre. En règle générale, la protection d'installations, de bâtiments ou de systèmes divers contre les effets dévastateurs de la foudre est réalisée, en complément des dispositifs externes de protection parmi lesquels le paratonnerre est la solution traditionnelle la plus connue, par l'adjonction, à l'entrée des lignes d'énergie comme sur tous les autres types de lignes 10 électriques, de composants spécifiques habituellement désignés comme "parafoudres". Ces composants sont installés, avec montage électrique en série ou en parallèle, en amont de l'installation ou du système à protéger, sur des liaisons qui collectent les perturbations dues à la foudre, en mode commun ou en mode différentiel. La figure 1 du dessin annexé illustre, très schématiquement, le principe d'une telle protection classique, du type "parafoudre". Le système à protéger est indiqué en 2, et la ligne d'énergie qui l'alimente est indiquée en 3. Le parafoudre 4, monté (dans l'exemple de ce schéma) entre un point 5 de la ligne d'énergie 3 et la terre ou la masse, transforme une perturbation entrante 20 VE en une perturbation résiduelle VR, qui transite vers le système 2. Les diagrammes des figures 2 et 3 montrent à titre d'exemples, en fonction du temps t, l'évolution possible d'une perturbation entrante VE et de la perturbation résiduelle VR qui lui correspond (VE et VR étant des tensions électriques). D'une manière générale, de tels parafoudres ont un comportement non-linéaire, en ce qui concerne leur réponse caractéristique tension/courant. Leur fonctionnement peut être assimilé soit à celui d'un filtre, soit à une dérivation temporaire de la perturbation vers la terre ou la masse, à laquelle ils sont raccordés. En général, les parafoudres se déclenchent au passage de la 30 perturbation, lorsque la tension VE à leurs bornes devient supérieure à un certain seuil, appelé seuil de déclenchement. De par leur fonctionnement, ces composants parafoudres laissent transiter, vers les installations ou systèmes situés en aval, une tension résiduelle VR plus ou moins forte, représentant une fraction de la perturbation entrante. Ainsi, même s'ils semblent protégés de l'agression directe de la foudre, les installations ou systèmes concernés "voient" à leurs entrées des tensions résiduelles, qui à long terme diminuent leur fiabilité, par un vieillissement accéléré, et qui, en cas de défaillance du composant "parafoudre", souvent non détectée, les endommagent irrémédiablement. On notera aussi que les composants "parafoudres" possèdent, eux5 mêmes, un vieillissement dans le temps qui est d'autant plus accentué qu'ils sont sollicités. Par ailleurs, le pouvoir d'écoulement de ces composants est limité, et leur installation ou raccordement nécessite des précautions particulières, qui relèvent plus des techniques "hautes fréquences" que du domaine d'intervention habituel de l'électricien. De plus, en cas d'impact de la foudre sur le sol proche, donc ne touchant pas directement l'installation ou le système, ou la ligne d'énergie qui l'alimente, le potentiel de terre de l'installation et celui de la référence du secteur vont évoluer de manière différente, ce qui risque d'entraîner des retours de courants perturbateurs par les parafoudres, au travers de leur 15 connexion à la terre. En effet, les parafoudres n'ont pas une fonction de diode "anti-retour" et, s'ils court-circuitent vers la terre les perturbations apparaissant sur le conducteur protégé, du moins à partir du seuil de déclenchement, ils peuvent aussi faire passer inversement une perturbation depuis la terre vers le conducteur, si la tension à leurs bornes (dans le cas d'une telle perturbation) 20 dépasse le même seuil de déclenchement. Un dernier inconvénient des parafoudres classiques est que ceuxci sont incompatibles avec l'utilisation de disjoncteurs différentiels placés en amont; ces derniers se déclenchent au moment de la dérivation du courant vers la terre par les parafoudres, et doivent donc être réarmés à chaque 25 intervention des parafoudres, ce qui constitue une contrainte inacceptable. Il existe aussi des dispositifs de sectionnement des lignes d'énergie, qui permettent d'isoler des installations ou équipements électriques, ces dispositifs étant par exemple les interrupteurs et les disjoncteurs. Habituellement, le pouvoir de coupure de tels dispositifs de sectionnement 30 n'est effectif que pour la tension permanente du réseau, et de ce fait ils ne possèdent pas des caractéristiques suffisantes de déclenchement et d'isolation en cas de foudroiement. Quelques propositions existent déjà pour des dispositifs de sectionnement des lignes qui isolent avec un haut pouvoir de coupure, ou à haute rigidité diélectrique, et qui sont dédiés à la protection 35 contre les effets de la foudre. Un tel dispositif, pouvant être désigné comme interrupteur ou disjoncteur d'isolement, est représenté très schématiquement sur la figure 4, o il est indiqué par le repère 6, alors que comme précédemment le système à protéger est indiqué en 2, et la ligne d'énergie en 3. L'interrupteur ou disjoncteur d'isolement 6 intervient par coupure de la ligne 3, en écartant les éléments sectionnés à une distance dans l'air suffisante pour 5 éviter tout claquage, du moins si la tension perturbatrice d'entrée VE reste inférieure à la valeur Vi de la tension d'isolement ou de claquage. Autrement dit, la tension résiduelle VR transitant vers le système 2 est nulle, sauf si la tension perturbatrice VE devient supérieure à Vi. En pratique, dans des conditions normales, il faut un champ électrique de 30 kV/cm au minimum pour 10 observer un claquage dans l'air sec; or des tensions de 100 kV sont courantes, en cas de foudre. Il peut être ici fait référence au brevet d'invention français N 80.1503912486302, relatif à un "Sectionneur à isolement haute tension à ouverture par courant nul", ou au brevet US N 5923516 qui décrit une réalisation similaire. Ces réalisations connues restent complexes, et d'un 15 cot élevé. La présente invention se propose, tout en évitant les inconvénients exposés précédemment des dispositifs connus, notamment des parafoudres, d'apporter une protection des plus efficaces contre les effets de la foudre sur les liaisons d'énergie, au sens défini en introduction, ceci par une solution 20 beaucoup plus simple que les réalisations actuellement existantes. A cet effet, I'invention a essentiellement pour objet un dispositif pour la protection de lignes électriques, en particulier des lignes d'énergie alimentant des installations ou systèmes divers, contre les effets perturbateurs de la foudre, ce dispositif de protection étant caractérisé par le fait qu'il 25 comprend, en aval d'un interrupteur ou disjoncteur de la ligne concernée, entre cet interrupteur ou disjoncteur et l'installation ou le système alimenté par ladite ligne, au moins un contact de mise à la terre ou à la masse, le contact étant normalement en série avec l'interrupteur ou disjoncteur, mais étant commandé, en cas de détection de risque de foudre, de manière à isoler l'installation ou le 30 système, sans modifier en régime normal les caractéristiques de ladite ligne. Ainsi, I'idée inventive consiste, pour protéger de la foudre la ligne et l'installation ou le système concernés, à isoler momentanément cette installation ou ce système, afin que ladite installation ou ledit système soit mis au même potentiel que celui de l'équipotentielle des masses du système ou de 35 lI'installation, ou du bâtiment qui les abrite. En d'autres termes, le dispositif selon l'invention, qui complète un interrupteur ou un disjoncteur classique, permet de mettre à la terre ou à la masse tout courant parasite ou perturbateur, risquant de passer par l'interrupteur ou disjoncteur de la ligne, de manière à éviter de faire transiter les perturbations vers l'installation ou le système, celuici se trouvant ainsi totalement isolé en cas de déclenchement du dispositif. Par 5 contre, lorsque ce dispositif n'est pas activé, son contact réalise la continuité de la ligne, pour alimenter l'installation ou le système, depuis la ligne d'énergie. On notera que le dispositif doit être installé, sur la ligne, au plus près de l'interrupteur ou du disjoncteur, afin d'éviter de faire passer les courants parasites, en particulier les courants élevés de claquage, dans les 10 chemins de câbles. Avantageusement, le dispositif comprend encore une varistance, intercalée entre son contact et la terre ou la masse. L'interposition de cette varistance, qui est déclenchée par la surtension présente si l'interrupteur ou disjoncteur est court-circuité, en cas de présence du secteur, provoque un effet 15 d'extinction de ce court-circuit du secteur après le passage de la surtension. La commande du contact du dispositif est réalisée, de préférence, à partir d'un détecteur d'orages, qui prévient de l'imminence du risque d'orage suffisamment à l'avance, c'est-à-dire avant les impacts de foudre et l'arrivée des perturbations. Dans le cas d'un interrupteur ou disjoncteur motorisé, le 20 détecteur d'orages peut directement commander, à la fois, I'ouverture de l'interrupteur ou disjoncteur, et l'activation du dispositif lui-même. Selon une autre possibilité, la commande du contact du dispositif est réalisée par l'intermédiaire d'un réenclencheur associé à l'interrupteur ou disjoncteur. L'invention devient ainsi applicable au cas d'un interrupteur ou 25 disjoncteur non motorisé, qui devrait donc être réenclenché manuellement, mais qui est avantageusement piloté par un réenclencheur, d'une manière connue en soi (voir le brevet d'invention français N0 98.14672/2786333). Dans l'ensemble, le dispositif objet de l'invention constitue une solution particulièrement simple, venant compléter efficacement un interrupteur 30 ou disjoncteur classique, en permettant de tenir l'isolement qui, en cas d'impact de la foudre, risquerait de court- circuiter par claquage l'interrupteur ou disjoncteur. De plus, même en cas d'impact de la foudre, ce dispositif n'est pas sujet au vieillissement, et sa limite de capacité de fonctionnement est celle d'un 35 relais, soit de l'ordre de 10000 actionnements. Si l'on considère une moyenne annuelle de 100 situations de risque de foudre, la durée de vie du dispositif est ainsi bien supérieure à celle du système ou de l'installation à protéger. De toute façon, la durée de vie du dispositif, objet de l'invention, est de loin supérieure à celle des parafoudres traditionnels. Comme ce dispositif est mis en complément de l'interrupteur ou du 5 disjoncteur, il faut cependant s'attendre à un vieillissement, ou une dégradation, des contacts dudit interrupteur ou disjoncteur. Pour tenir compte de ce phénomène, le dispositif peut encore comprendre un moyen de mesure du courant de claquage mis à la terre ou à la masse par le dispositif, en combinaison avec un moyen de comptage du nombre de claquages ainsi 10 détectés, ce qui permet d'évaluer le vieillissement des contacts de l'interrupteur ou disjoncteur. Du fait qu'aucun courant de fuite ne risque de transiter par la voie de mise à la terre ou à la masse, le comptage en question est simple à réaliser, et son résultat est significatif. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la 15 description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples, des formes d'exécution de ce dispositif pour la protection des lignes électriques contre les effets de foudre: Figure 1 (déjà mentionnée) est un schéma de principe d'un dispositif de protection classique, du type parafoudre; Figures 2 et 3 (déjà mentionnées) sont des diagrammes illustrant le fonctionnement du dispositif de la figure 1; Figure 4 (déjà mentionnée) est un schéma de principe d'un dispositif de sectionnement connu, avec interrupteur ou disjoncteur d'isolement; Figure 5 est un schéma de principe du dispositif de protection objet de l'invention, à l'état de repos; Figure 6 est un schéma similaire à celui de la figure 5, mais à l'état de travail; Figure 7 est un schéma synoptique de la commande du dispositif 30 de protection selon l'invention, dans un premier mode de réalisation; Figure 8 est un schéma synoptique d'une variante de cette commande, avec réenclencheur. En se référant aux figures 5 et 6, le dispositif de protection objet de l'invention, désigné globalement par le repère 7, est intercalé sur une ligne 35 d'énergie 3, juste en aval d'un interrupteur ou disjoncteur 8, entre ce dernier et le système ou l'installation 2 à protéger. Le dispositif 7, représenté schématiquement pour un pôle seulement (représentation unifilaire), comprend un contact 9 de mise à la terre, et une varistance 10 intercalée entre le contact 9 et la terre T. A l'état de repos, comme le montre la figure 5, le dispositif 7 réalise la continuité de la ligne 3, 5 entre sa partie "amont" et sa partie "aval", et il est dimensionné pour assurer le passage du courant nominal IN de la ligne 3, qui alimente alors le système 2, lequel possède une impédance 11 qui intervient alors comme une charge. Une commande 12, détaillée plus bas (avec référence aux figures 7 et 8), est reliée au dispositif 7, ainsi qu'à l'interrupteur ou disjoncteur 8. La 10 commande 12 provoque, en cas de risque d'orage, le déclenchement de l'interrupteur ou disjoncteur 8, ainsi que la mise en position de travail (figure 6) du dispositif 7. Dans ce cas, la commande 12 provoque, d'une part, l'ouverture de l'interrupteur ou disjoncteur 8, qui intervient alors de la manière habituelle. 15 Cette commande 12 provoque aussi la commutation du contact 9 du dispositif 7, pour éviter de faire transiter vers le système ou l'installation 2 le courant résiduel perturbateur IE risquant de passer par l'interrupteur ou disjoncteur, en dirigeant ce courant IE vers la terre T. Etant donné que le dispositif 7 et le système 2 sont reliés de fait à la même équipotentielle 13 (terre ou autre), le 20 système 2 étant couplé avec la terre par une impédance 14, et l'impédance de raccordement du dispositif 7 à l'équipotentielle 13 étant très faible, il n'existe alors aucun risque de claquage entre l'amont et l'aval du dispositif 7. On notera que la liaison du dispositif 7 et du sytème 2 à la même équipotentielle 13 apporte aussi le découplage suffisant pour la bonne marche 25 du dispositif 7 à l'état de travail (figure 6). Etant donné que le dispositif 7 intervient quant l'interrupteur ou disjoncteur 8 est encore fermé, en cas de présence du secteur il se produira aussi un court-circuit du secteur vers la terre T, au niveau du dispositif 7. L'interposition de la varistance 10, évite d'une part ce court-circuit et d'autre 30 part, en cas de déclenchement par la surtension, provoque un effet d'extinction de ce court-circuit, après le passage de la surtension. La tension de déclenchement de la varistance 10 est choisie comme comprise entre la tension disruptive de l'interrupteur ou disjoncteur 8, et la tension normale du secteur. En se référant à la figure 7, qui est un détail de la commande 12, l'ensemble précédemment décrit peut être déclenché par un détecteur d'orages , qui prévient de l'imminence du risque d'orage, donc de foudre, avant l'arrivée des perturbations. Le détecteur d'orages 15, connu en soi, commande ici directement le dispositif 7, et il commande l'interrupteur ou disjoncteur 8, dans le sens de l'ouverture, par sa propre motorisation 16 (dans le cas, ici considéré à titre d'exemple, d'un interrupteur ou disjoncteur motorisé). La figure 8 illustre une variante de la commande 12, applicable également à un interrupteur ou disjoncteur 8 non motorisé. Dans ce cas, l'interrupteur ou disjoncteur 8 est commandé dans le sens de l'ouverture, en même temps que le dispositif 7, par un réenclencheur approprié 17 auquel est 10 relié le détecteur d'orages 15. Un tel réenclencheur se trouve décrit dans le brevet d'invention français N 98.14672/2786333. Dans tous les cas, le dispositif 7 ne doit être activé, c'est-à-dire maintenu dans sa position de travail illustrée sur la figure 6, que pendant le temps limité d'existence du risque de foudre. Le temps de maintien du dispositif 15 7 en position de travail peut être fixe, ou variable et adapté, en particulier synchronisé avec une détection de l'impact de la foudre. Comme il va de soi, I'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce dispositif pour la protection de lignes électriques contre les effets de la foudre qui ont été décrites ci-dessous, à titre d'exemples; elle en 20 embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention: - par des modifications de détail de la structure du dispositif, par exemple en ayant recours à des composants fonctionnellement 25 équivalents de ceux décrits et illustrés; - par une réalisation différente de la commande du dispositif, qui peut utiliser tout moyen de prévention des orages, qu'il s'agisse d'un détecteur d'orages ou de tout autre moyen ayant une fonction similaire, comme par exemple un analyseur de la 30 qualité du réseau; par une adaptation du dispositif, notamment une multiplication de ses contacts, selon le nombre de pôles ou de phases, soit deux contacts en monophasé, ou quatre contacts en triphasé (la représentation unifilaire du dessin, correspondant à un seul 35 pôle, étant purement schématique); par une utilisation du même dispositif pour la protection de lignes électriques de tous genres, autres que les lignes d'énergie, contre les effets de la foudre; - par l'adjonction, à ce dispositif, de tous systèmes 5 complémentaires visant à le rendre encore plus efficace, ou à préserver l'interrupteur ou disjoncteur qui lui est associé, par exemple en prévoyant un moyen de mesure du courant de claquage IE mis à la terre par le dispositif, ce moyen de mesure étant associé à un moyen de comptage du nombre de 10 claquages ainsi détectés, de manière à évaluer le vieillissement ou la dégradation des contacts de l'interrupteur ou disjoncteur. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour la protection de lignes électriques, en particulier 5 des lignes d'énergie parcourues par un courant alternatif et pouvant alimenter des installations ou systèmes divers, contre les effets perturbateurs de la foudre, caractérisé en ce qu'il comprend, en aval d'un interrupteur ou disjoncteur (8) de la ligne (3) concernée, entre cet interrupteur ou disjoncteur (8) et l'installation ou le système (2) alimenté par ladite ligne (3), au moins un 10 contact (9) de mise à la terre (T) ou à la masse, le contact (9) état normalement en série avec l'interrupteur ou disjoncteur (8), mais étant commandé (12), en cas de détection de risque de foudre, de manière à isoler l'installation ou le système (2), sans modifier en régime normal les caractéristiques de ladite ligne (3). 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une varistance (10), intercalée entre son contact (9) et la terre (T) ou la masse. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la commande (12) de son contact (9) est réalisée à partir d'un détecteur d'orages (15). 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la commande (12) de son contact (9) est réalisée par l'intermédiaire d'un réenclencheur (17) associé à l'interrupteur ou disjoncteur (8). - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 25 caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de mesure du courant de claquage (IE) mais à à la terre (T) ou à la masse par le dispositif (7), en combinaison avec un moyen de comptage du nombre de claquages ainsi détectés.