Brevet FR2892227A1 — publié le 20070420

JOINT D'ISOLATION DIELECTRIQUE POUR AMPOULE A VIDE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine des équipements et installations électriques, et en particulier les interrupteurs et dispositifs de commutation utilisant des ampoules à vide fonctionnant à moyenne et haute tensions. Une application particulière est celle pour le transport aérien de l'électricité. Art antérieur et problème posé Dans les installations et appareillages électriques, des interrupteurs utilisent des ampoules à vide qui doivent supporter des contraintes, entre autres, diélectriques entre les contacts situés à l'intérieur de l'ampoule, dans le vide, mais également entre les extrémités externes de l'ampoule disposée dans l'air ambiant. Dans le but d'homogénéiser la tenue diélectrique entre les contacts sous tension et les extrémités externes des interrupteurs à vide, la compacité exigée nécessite de recourir à des éléments isolants autres que l'air à l'extérieur même des ampoules à vide. On pense en particulier aux isolants solides 30 ou fluides diélectriques, tels que le gaz à effet de serre SF6. En effet, les isolations des ampoules à vide dans l'air ne permettent pas d'obtenir des performances diélectriques convenables avec des dimensions réduites. Toutefois, les isolations d'ampoules à vide dans un fluide gazeux diélectrique, telles que le SF6, sont coûteuses. En effet, il est nécessaire d'utiliser une cuve étanche équipée de traversées de courant et ces dispositions sont très défavorables à l'environnement, notamment vis-à-vis de la pollution, du recyclage et de l'effet de serre. Les systèmes d'isolation solide d'ampoules à vide sont très sensibles en température et ne permettent pas un démontage ou un démantèlement en fin de vie, lors d'adhésion ou de collage. Ceci a donc des conséquences très néfastes pour l'environnement. 15 Dans le but de diminuer cet impact sur l'environnement, il a été proposé d'utiliser un isolant mixte utilisant à la fois un isolant solide et un isolant fluide gazeux, tel que de l'air à pression atmosphérique ou d'autres gaz comme l'azote. Dans ce 20 cas, l'isolant solide est d'un volume réduit, car il est réalisé sous la forme d'un joint ayant une fonction d'étanchéité au gaz et une fonction diélectrique. Toutefois, selon les réalisations connues de l'art antérieur, ce type d'isolation ne permet pas d'obtenir 25 des performances diélectriques élevées pour les ampoules à vide. En référence à la figure 1, une ampoule à vide 101 est entourée, aux deux extrémités de sa surface extérieure, de deux joints 102A et 102B. Le 30 joint du haut 102A est placé du côté du contact fixe de l'ampoule à vide 101, tandis que le joint du bas 102B10 est placé du côté du contact mobile. L'ensemble est placé dans une coque rigide 103 en matière isolante. Or, la structure des joints 102A et 102B est telle que de l'air est emprisonné au niveau de leurs surfaces de contact 104 avec la paroi interne de la coque rigide 103. En effet, la figure 2A représente, en coupe partielle un détail de la surface repérée 104 sur la figure 1. Celle-ci est constituée de plusieurs lèvres 105 de section pointue, séparées les unes des autres par un espace interstice 106. La figure 2B représente, toujours en coupe partielle, le même endroit du joint selon l'art antérieur. Ce dernier a été introduit dans la coque rigide 103 et ses lèvres sont donc écrasées, ou plutôt légèrement rabattues chacune dans le même sens, par la pression de la paroi interne de la coque 103 sur un côté de chaque lèvre 105. De l'air s'en trouve donc emprisonné entre chaque lèvre 105. Cet air de rigidité diélectrique faible, limite considérablement les performances diélectriques du système. En effet, un arc d'amorçage peut facilement se déplacer radialement au sein de chaque espace interface 106, afin d'aller chercher le point le plus faible sur la circonférence de la lèvre 105 suivante et ainsi se propager à l'espace interstice 106 suivant. La tenue diélectrique de l'ensemble est fonction de la somme des points les plus faibles sur chaque circonférence du joint 102. De plus, l'épaisseur d'isolant à certains endroits de ce joint 102 est trop faible pour obtenir des performances diélectriques importantes. Enfin, la forme de ce joint 102 selon l'art antérieur n'est pas très favorable au démontage ou au démantèlement en fin de vie à cause de l'effet anti-retour des lèvres 105. Le but de l'invention est donc d'obtenir des performances diélectriques importantes avec des dimensions réduites pour les ampoules à vide, en agissant sur leur isolement. Il est de plus souhaité de rester conforme à l'environnement. Un démantèlement complet et aisé du système d'isolation en fin de vie de l'ampoule à vide est donc souhaité. De plus, on se propose d'utiliser moins de matériau solide isolant. Ceci va dans le sens d'une réduction de coût, en comparaison avec un système avec isolation entièrement solide. D'autre part, la demande de brevet européen EP 1 017 142 Al décrit un interrupteur disjoncteur possédant un système d'isolation mixte. Résumé de l'invention 20 A cet effet, l'objet principal de l'invention est un joint d'isolation diélectrique pour ampoule à vide destiné à isoler une ampoule à vide en confinant un fluide gazeux par utilisation au moins un joint 25 placé autour de l'ampoule à vide, à l'intérieur d'un boîtier, chaque joint ayant une surface de contact interne destinée à être en contact avec une surface externe de l'ampoule à vide et une surface de contact externe destinée à être en contact avec une surface 30 interne du boîtier et deux surfaces latérales reliant les surfaces de contact interne et externe.15 Selon l'invention, les surfaces de contact interne et externe du joint sont lisses, la surface interne du boîtier et la surface externe de l'ampoule étant également lisses. Ceci a pour but principal de ne pas emprisonner de gaz au niveau de ces interfaces. Une réalisation principale prévoit que ces surfaces interne et externe de contact du joint soient cylindriques. Une deuxième réalisation principale prévoit 10 que ces surfaces interne et externe de contact du joint soient coniques. Une troisième réalisation principale des surfaces interne et externe de contact du joint est que celle-ci soient chacune constituée de deux parties 15 coniques, de conicité différente et reliée par un rayon de raccordement déterminé et formant un V évasé. Une autre réalisation principale des surfaces interne et externe du joint et que celles-ci soient incurvées de façon concave. 20 Dans ces deux dernières réalisations, on note qu'il est préférable que l'orientation générale de ces surfaces interne et externe soient coniques et de conicité inversée l'une par rapport à l'autre. Concernant la réalisation générale du 25 joint, il est également préférable que la largeur des surfaces de contact interne et externe soit égale ou supérieure à 5 mm afin de limiter les risques d'amorçages ou de cheminements au niveau de ces interfaces. 30 Il s'avère également très intéressant que l'épaisseur minimale du joint suivant l'axe longitudinale du joint soit de au moins 4 mm. Ces deux mesures permettent d'augmenter considérablement la tenue diélectrique du joint. Dans différentes réalisations prévues, le joint possède un évidement dans sa section transversale, pour limiter les efforts dans le joint. En ce qui concerne les surfaces latérales, afin de maitriser les dilatations thermiques, il est également prévu que ces surfaces latérales puissent être en deux parties ayant des inclinaisons différentes. On prévoit également qu'au moins une de ces surfaces latérales soit arrondie, l'autre étant droite. Il est également prévu que les surfaces latérales soient arrondies en partie, une partie étant concave, une partie étant convexe. On prévoit également que le joint puisse avoir une section trapézoïdale, c'est-à-dire deux surfaces de contact externe et interne parallèles à l'axe de révolution du joint, les surfaces latérales étant inclinées de façon inversée. La section transversale du joint peut être en forme de H. La section transversale du joint peut également être en forme de N. Elle peut aussi être en forme de M. Elle peut également de forme carrée ou rectangulaire. Dans le cas où la section transversale du joint possède un évidement, elle peut être de forme en W ou en U. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, illustrée de plusieurs figures représentant respectivement : - figure 1, déjà décrite, une vue montrant l'utilisation de deux joints selon l'art antérieur ; - figures 2A et 2B, en coupe partielle, la partie active d'un joint selon l'art antérieure ; - figure 3A, en coupe l'utilisation d'un joint selon l'invention ; - figure 3B, en coupe, l'utilisation de deux joints selon l'invention ; - figures 4A à 4D, quatre réalisations détaillées de joints selon l'invention ; et - figures 5A à 5M des sections de joints différents selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE PLUSIEURS REALISATION DE L'INVENTION En référence aux figures 3A et 3B, une ampoule à vide 1 est placée dans un boîtier 10 constituant le pôle d'un appareillage électrique de 25 moyenne ou haute tension. Dans cet exemple, le boîtier 10 constitue donc le pôle rigide d'un appareillage utilisé tel qu'un disjoncteur. Quand ce dernier est en position ouverte, un contact mobile 5A de l'ampoule à vide 1 et un contact fixe 5B, placé chacun à une 30 extrémité d'une ampoule à vide 1, sont à des potentiels électriques différents. Il est donc nécessaire 7 20 d'assurer l'isolation diélectrique de l'ampoule à vide 1 en plaçant entre ces deux contacts mobile 5A et fixe 5B constituant deux électrodes de potentiels différents, un joint 20 constituant un joint d'isolation diélectrique. Pour mémoire, on signale que la tenue diélectrique du vide à l'intérieur de l'ampoule à vide 1 est bien supérieure à la tenue diélectrique de l'air à l'extérieur de l'ampoule à vide 1. En référence à la figure 3B, dans le cas de l'utilisation de deux joints, ces derniers isolent un espace annulaire 24 délimité par une surface latérale de chacun des joints 20, une surface externe 6 de l'ampoule à vide 1 et une surface interne 16 du boîtier 15 10. L'espace 24 ainsi confiné contient un fluide gazeux, tel que de l'air ou un autre fluide du même type. En d'autres termes, ces deux joints 20 et l'espace 24 qu'ils délimitent forme une barrière diélectrique entre les deux contacts mobile 5A et fixe 20 5B de potentiels différents. Cette configuration permet d'éviter tout amorçage diélectrique ou contournement d'un des éléments gazeux délimité par les joints 20, soit par cheminement, soit par perforation. Plus précisément, l'étanchéité diélectrique ou tenue 25 diélectrique est assurée entre autre par trois éléments qui sont . - le contact intime entre les joints 20 et l'ampoule à vide 1, notamment par sa surface externe 6 et au contact entre les joints 20 et le boîtier 10, 30 notamment par sa surface interne 16 ; 10 - la compression radiale des joints 20 qui sont en matériau élastomère ; et - l'épaisseur de la matière élastomère isolante de chaque joint 20 correctement dimensionné. A cet effet, on constate que dans la réalisation décrite sur la figure 3, chaque joint 20 possède une section constituée de deux parties coniques 20A et 20B d'inclinaison inversée. En d'autres termes, la section de ce joint est en forme grossière en U. Ceci n'est qu'un exemple de forme relativement simple du joint, d'autres formes plus élaborées sont décrites dans les paragraphes suivants. Une particularité technique très importante du joint selon l'invention est que la surface externe périphérique ainsi que la surface interne périphérique de chaque joint 20 sont lisses. En effet, on utilise un boîtier 10 dont la surface interne 16 est lisse, de même, l'ampoule à vide 1 possède une surface externe 6 lisse. En correspondance, les surfaces interne et externe de chaque joint 20 sont lisses. On évite ainsi d'emprisonner de l'air entre ces surfaces au moment du montage. La forme générale du joint est optimisée, afin d'obtenir des pressions de contact aux interfaces joints/boîtier et joint/ampoule à vide non homogènes, mais suffisantes. Les contraintes de serrage du joint autour de l'ampoule à vide 1 sont supérieures à celles régnant au niveau du serrage du joint contre le boîtier 10. Ceci permet au joint de rester en place sur l'ampoule à vide lors du montage, du démontage et du démantèlement. Comme on peut le constater sur cette figure 3B, la position des joints 20 sur l'ampoule à vide 1 est optimisé en ce sens que ces derniers sont positionnés sur cette dernière dans des zones où les champs diélectriques sont favorables à des tenues diélectriques importantes. Notamment, ces joints 20 ne sont pas en contact avec les électrodes constituées par les contacts mobile 5A et fixe 5B. Dans le cas contraire, un risque important de perforation des joints existe dans le cas où un champ électrique local trop intense apparaîtrait. En effet, une saille sur l'une des électrodes entraînerait une concentration de champs électrique. Dans le cas où un joint d'étanchéité diélectrique serait en contact avec une de ces électrodes, celui-ci subirait le champ électrique trop important et risquerait d'être dégradé par perforation. La figure 4A montre une première réalisation détaillée du joint. La surface externe de contact qui est donc lisse est constituée en fait de deux surfaces 31A et 31B, toutes deux coniques par rapport à l'axe 30 du joint, leur inclinaison étant différente, de façon à former un U très ouvert vers l'extérieur. Leur jonction est constituée d'un rayon de raccordement externe RE. De façon analogue, la surface interne de contact est constituée de deux parties 32A et 32B, toutes deux d'inclinaison différente, par rapport à l'axe 30, l'une d'entre elles, en l'occurrence la surface 32A pouvant être cylindrique. Ces deux surfaces de contact internes sont également reliées par un rayon de raccordement interne RI. Ces rayons de raccordement RE et RI contribuent à éviter d'emprisonner de l'air, lors du montage du joint. Si les joints 20 ont été représentés montés autour de l'ampoule à vide 1 et dans le boîtier 10 avec des surfaces de contact lisses, il faut souligner que ces surfaces de contact externes et internes sont lisses, lorsque les joints ne sont pas montés. Dans cette réalisation, les deux surfaces latérales sont également constituées de plusieurs parties. L'une d'elle comprend un évidement 35 constitué par deux surfaces tronconiques 35A jointes par une surface radiale 35B. Cet évidement 35 permet de limiter les efforts au sein du joint, lorsque celui-ci est comprimé, lors de la phase d'assemblage de l'ampoule à vide dans le boîtier. De même, l'autre surface latérale est constituée de deux surfaces 33A et 33B, elles-mêmes tronconiques, d'inclinaison différente de façon à former un U très ouvert. Le reste des surfaces latérales est constitué de parties radiales 34C, d'une part, et 34A et 34B qui joignent l'évidement 35 aux surfaces de contact interne, d'autre part. Cette forme de réalisation s'apparente à un U dont une des parties verticales se prolonge légèrement vers le bas. D'autres sections possibles du joint, notamment en forme de lettre, sont énoncées plus loin. Quelle que soit la forme envisagée, l'épaisseur selon la direction parallèle à celle de l'axe 30 du joint doit être égale ou supérieure à 4 (quatre) millimètres. La tenue mécanique s'en trouve évidemment renforcée, mais c'est surtout la tenue diélectrique du joint qui s'en trouve augmentée, notamment en limitant fortement les risques d'amorçage par perforation du joint. De même, si les surfaces de contact internes 32A et 32B et externes ont une hauteur axiale suffisamment importante, constituant des surfaces d'appui importantes et non pas ponctuelles, elles contribuent surtout à augmenter la tenue diélectrique du joint. Une hauteur axiale est de au moins 5 (cinq) millimètres est ainsi requise. On note d'ailleurs que les champs électriques au niveau de l'interface constitué par les surfaces de contact internes 32A et 32B et la surface externe de l'ampoule à vide sont supérieurs à ceux régnant au niveau de l'interface constitué par les surfaces de contact externes 31A et 31B et la surface interne du boîtier. La largeur des surfaces de contact internes 31A et 31B est donc supérieure à celle des surfaces de contact externes 32A et 32B. A valeur égale de pression de serrage, lors des montages, démontages et démantèlements, cela permet au joint de rester en place sur l'ampoule à vide. Le joint est un matériau élastomère. Lors de son montage, sa déformation permet d'obtenir des pressions de contact suffisantes aux niveau de ses surfaces de contact interne 32A et 32B et au niveau de ses surfaces de contact externe 31A et 31B. Le système est peu sensible en température. En effet, de part la forme de ses surfaces latérales, le joint est libre de se dilater lors des élévations de température et de se contracter lors des diminutions de température. En effet, le rapport des surfaces en pression, c'est-à-dire les surfaces de contact internes 32A et 32B et externes 31A et 31B, sur les surfaces libres, c'est-à-dire les surfaces latérales 33A, 33B, 34A, 34B, 35A et 35B est suffisamment restreint, pour que la matière élastomère constituant les joints puisse se dilater et se contracter librement en température. Ceci permet de limiter considérablement les contraintes thermomécaniques au sein du joint. Ces contraintes thermomécaniques peuvent, selon le rapport des surfaces chargées sur les surfaces libres, détériorer les systèmes. Un tel joint a été qualifié sur une application de tension nominale de 38kV. Il a la 15 capacité de tenir les tensions normalisées CEI et ANSI : Tension de tenue à fréquence 50Hz/60s/95kVeff, tension de choc de foudre 200kVc avec des décharges partielles inférieure ou égale à 5pC. Il résiste à des températures de -40 C à +115 C de manière continue. D'autres réalisations détaillées sont décrites sur les figures 4B, 4C et 4D. La figure 4B montre une réalisation du joint ayant une forme générale s'apparentant à celle représentée à la figure 4A, excepté que les surfaces de 25 contact externe 41 et interne 42 sont cylindriques et parallèles à l'axe 40 du joint. Ce dernier possède toujours un évidement 45 débouchant sur une surface latérale complétée par deux parties de surface latérale 44A et 44B. L'autre surface latérale est constituée 30 d'une partie 44C rejoignant perpendiculairement la surface de contact interne 42. 20 La figure 4C représente une réalisation du joint avec des surfaces de contact externe 51 et interne 52 coniques, avec des inclinaisons opposées. Le reste des surfaces latérales et de conception similaire aux précédentes, à savoir qu'elle possède un évidement 55 complétée des deux parties latérale 54A et 54B, l'autre surface latérale étant complétée d'une partie latérale 54C. Enfin, une quatrième réalisation est décrite par la figure 4B, sur laquelle les surfaces de contact externe 61 et interne 62 sont incurvées par un rayon de courbure relativement important. On remarque que l'orientation générale de ces deux surfaces et légèrement inclinées par rapport à l'axe 60 du joint, c'est-à-dire une orientation générale tronconique et opposée d'une surface à l'autre. Ce type de joint possède également un évidement latéral 65, complété de deux parties latérales 64A et 64B, l'autre surface latérale étant complétée d'une partie latérale 64C. Les figures 5A à 5M montrent qu'il est possible de donner au joint une section différente de celle décrite à la figure 4. En effet, la section représentée par la figure 5A est un rectangle avec. En d'autres termes, les surfaces latérales sont perpendiculaires à l'axe 50, tandis que les surfaces de contact interne et de contact externe sont parallèles à celui-ci. De façon analogue, la figure 5B montre une section du joint en forme de carré. La section représentée par la figure 5C est trapézoïdale, les surfaces de contact interne et de contact externe étant toujours concentrique à l'axe 50, mais les surfaces latérales ayant une inclinaison respectivement opposée. La section représentée par la figure 5D comprend des surfaces latérales constituées de deux parties d'inclinaison opposées par rapport à la perpendiculaire à l'axe latéral 50, c'est-à-dire formant des surfaces légèrement convexes. La section représentée par la figure 5E présente une surface latérale perpendiculaire à l'axe 50, et une arrondie de forme convexe. La section représentée par la surface 5F présente des surfaces latérales en deux parties, d'inclinaisons différentes et opposées, formant une surface latérale convexe en forme de V et une surface latérale concave en V. La figure 5G montre un joint dont les surfaces latérales sont constituées pour l'une par deux surfaces d'inclinaison opposées formant une surface latérale convexe et une surface latérale légèrement arrondie. La figure 5H montre un joint dont les surfaces latérales sont en deux parties chacune, et comporte plus précisément une partie concave et une partie convexe, ces surfaces latérales étant en forme de S. La section représentée par la figure 5I est une section en H, un évidement de forme quadrilatéral étant ménagé dans chaque surface latérale. La figure 5J montre une section en forme de U. La figure 5K montre une section du joint en forme de W. La figure 5L montre une section en forme de M. Enfin, la figure 5M montre une section en forme de N. Avantages de l'invention Les performances diélectriques d'un appareillage équipé de tels joints sont relativement importantes pour un caractère assez compact de l'appareillage. La tenue diélectrique est importante aux 15 interfaces de contact entre le joint et le boîtier et le joint et l'ampoule à vide. De même, à l'intérieur du joint, la tenue diélectrique est importante. Le démantèlement de l'appareillage en fin de 20 vie est assez aisé et les quantités de matières isolantes sont réduites, ce qui est conforme aux normes de l'environnement. Cette solution est d'un coût relativement restreint, facilement industrialisable, grâce au 25 moulage en série à haute cadence et un assemblage sans collage. L'ensemble est peu sensible aux variations de températures, les joints étant libres de se dilater ou de se contracter. La mise en place est aisée, compte tenu du fait que le joint est facilement déformable. 30 Enfin, le système est démontable. REVENDICATIONS 1. Joint d'isolation diélectrique pour ampoule à vide, destiné à isoler une ampoule à vide (1) en confinant un fluide gazeux, par utilisation de au moins un joint (20) autour de l'ampoule à vide (1) à l'intérieur d'un boîtier (10), le joint ayant une surface de contact interne (32A et 32B) et une surface de contact externe 31A et 31B), deux surfaces latérales reliant les surfaces de contact interne et externe, caractérisé en ce que les surfaces de contact interne (32A et 32B) et externe (31A et 31B) sont lisses, une surface de contact interne (16) du boîtier (10) et une surface externe (6) de l'ampoule à vide (1) étant lisse. 2. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur axiale des surfaces de contact interne (32A et32B) et de contact externe (31A et 31B) est égale ou supérieure à 5mm. 3. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur minimale du joint suivant l'axe longitudinale du joint est de 4mm. 4. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de contact interne 25 (32A et 32B) et externe (31A et 31B) sont cylindriques par rapport à l'axe joint. 5. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de contact externe (51) et interne (52) sont coniques. 6. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de contact interne 30et externe sont constituées de deux parties coniques (51A, 51B) et (52A, 52B) ayant des inclinaisons différentes et reliées par un rayon de raccordement (RE, RI) déterminé et formant un vé évasé. 7. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de contact externe (61) et interne (62) sont incurvées de façon concave. 8. Joint selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que les surfaces de contact 10 interne (32A, 32B) et externe (31A et 31B) sont d'orientation générale inclinée par rapport à l'axe (30) du joint, c'est-à-dire d'orientation conique. 9. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa section transversale possède 15 un évidement (35). 10. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces latérales sont constituées chacune d'une partie convexe et d'une partie concave. 20 11. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section transversale du joint est en forme de H. 12. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces latérales sont 25 constituées de deux parties d'inclinaison différentes. 13. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que au moins une surface latérale est arrondie. 14. Joint selon la revendication 1, 30 caractérisé en ce que la section transversale du joint est de forme carrée.5 15. Joint selon la revendication 2, caractérisé en ce que la section transversale du joint est de forme rectangulaire. 16. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section transversale du joint est de forme trapézoïdale. 17. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa section transversale est en forme de N. 18. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa section transversale est en forme de M. 19. joint selon la revendication 1, caractérisé en ce sa section transversale est en forme 15 de U. 20. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa section transversale est enforme de W.10