Brevet FR3059461A1 — publié le 20180601

DISPOSITIF DE DETECTION DE LA PERTE DE VIDE DANS UNE AMPOULE A VIDE ET APPAREIL DE COUPURE A VIDE COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF. DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne ainsi un dispositif de détection de la perte de vide dans une ampoule à vide d'un appareil de coupure à vide, ledit appareil de coupure étant situé dans un réseau primaire électrique alimenté et les contacts de l'ampoule étant logés dans une enveloppe, ladite enveloppe logeant une électrode fixe solidaire de l'un des fonds précités et supportant un contact fixe, et une électrode mobile supportant un contact mobile, ladite électrode mobile étant montée coulissante à travers l'autre des deux fonds, entre une position fermée de l'appareil dans laquelle le contact mobile est en contact avec le contact fixe et une position ouverte de l'appareil dans laquelle le contact mobile est séparé du contact fixe, cette détection étant réalisée par la méthode de la mesure des décharges électriques entre les contacts et au moins un écran conducteur à potentiel flottant entourant respectivement au moins une électrode et relié électriquement à la masse. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Le problème de la détection de la perte de vide dans une ampoule en service peut être résolu par un système de soufflet déformable, lequel fournit une indication tardive à partir du moment où la pression est remontée à une fraction notable (par exemple 10% soit 100mbar) de la pression atmosphérique, tel que décrit dans le brevet W02007070700. Une autre manière de détecter la diminution des propriétés diélectriques du vide lorsque la pression dépasse 10-2 mbar consiste à détecter les décharges qui se produisent entre d'une part, les électrodes (contacts fixe et mobile) portées à la tension de service et d'autre part, un écran à potentiel 3059461 2 flottant qui les entoure, en mesurant la différence de potentiel existant entre ces électrodes et cet écran lorsqu'une ampoule est en service. Cette détection des décharges peut se faire soit en mesurant les signaux d'onde électromagnétiques générés lorsque la pression augmente à 5 l'intérieur de l'ampoule, soit par couplage capacitif entre l'écran flottant et la masse par l'intermédiaire de la capacité du circuit de détection des décharges, en mesurant l'augmentation de la différence de potentiel entre l'écran flottant et la masse, tel que décrit dans les brevets, US 4553139, WO 02/49057 (Meidensha), EP 1 763 049 et EP 2 463 883. 10 Or, selon cette deuxième méthode, les décharges cessent lorsque l'ampoule est remontée à la pression atmosphérique (Patm), en raison des propriétés isolantes de l'air à 1 bar et des règles de conception des ampoules pour garantir une tenue diélectrique satisfaisante durant les essais de type sous vide entre les électrodes et l'écran. 15 Dans les configurations habituelles des appareillages à coupure dans le vide isolés dans l'air, la différence de tension entre les électrodes (contacts) et l'écran flottant est relativement faible, en raison du faible couplage capacitif entre l'écran flottant et la masse environnante. Les décharges risquent donc de se produire de manière transitoire, pendant le passage par le creux de la 20 courbe de Paschen sous l'effet d'une fuite, et de s'interrompre lorsque la pression d'air est suffisamment remontée dans l'ampoule. Dans le cas d'une remontée brutale à la pression atmosphérique (fuite rapide due par exemple à une fissuration soudaine d'une céramique, d'un soufflet,etc...), l'indication donnée par l'indicateur de perte de vide risque donc de n'être que transitoire 25 et brève, ce qui conduit à une difficulté d'interprétation et à la nécessité de mémoriser de manière fiable le passage par le creux de la courbe de Paschen afin de prévenir l'exploitant du fait qu'une ampoule dont la pression est remontée à la pression atmosphérique est en situation de défaut. Il est donc préférable que le détecteur continue à indiquer un défaut 30 permanent de l'ampoule lorsque celle-ci est remontée à la pression atmosphérique. Le document EP 1763049 décrit le fait que le couplage capacitif entre l'écran à potentiel flottant et la masse est fortement augmenté lorsque l'ampoule est 3059461 3 enrobée d'isolation solide recouverte d'une couche conductrice mise à la masse. L'on augmente ainsi la différence de tension appliquée entre les électrodes sous la tension de service et l'écran. Ce principe permet de simplifier la détection des décharges mais les décharges ne sont pas 5 maintenues à Patm. On connaît également le document US 5 399973 décrivant un principe pour augmenter l'intervalle de pression dans lequel la détection de perte de vide est possible (en abaissant la valeur minimale de pression à laquelle apparaissent les décharges) par l'intermédiaire d'un élément en saillie prévu 10 soit sur la surface extérieure des écrans, soit sur la surface intérieure de l'enveloppe. Cependant, ce principe ne permet pas d'augmenter beaucoup la sensibilité de la détection vers les pressions élevées, en particulier jusqu'à la pression atmosphérique. 15 La présente invention résout ces problèmes et propose un dispositif de détection de la perte de vide dans une ampoule à vide permettant d'obtenir une indication fiable et maintenue sur toute la plage de pression allant d'environ 10-2 mbar à Patm, par la méthode de la mesure des décharges électriques, sans retirer l'appareil de coupure à vide du réseau électrique, 20 ainsi qu'un appareil de coupure à vide comportant un tel dispositif. EXPOSE DE L'INVENTION A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de détection de la 25 perte de vide dans une ampoule à vide du genre précédemment mentionné, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison des moyens dits premiers, pour augmenter le champ électrique entre les électrodes et l'écran à potentiel flottant précité, et des moyens dits seconds, pour augmenter le couplage capacitif entre l'écran précité et la masse, ces 30 deux moyens coopérant de manière que le seuil d'ionisation de l'air soit dépassé à la pression atmosphérique afin que les décharges électriques se poursuivent même après la remontée de la pression à la pression atmosphérique. 3059461 4 Selon une réalisation particulière, les moyens dits premiers pour augmenter le champ électrique entre l'écran à potentiel flottant et les électrodes sont supportés au moins partiellement par ledit écran. 5 Selon une caractéristique particulière, les moyens dits premiers comportent des formes spécifiques prévues sur l'écran à potentiel flottant et/ou sur un écran additionnel conducteur situé en regard dudit écran à potentiel flottant, ledit écran conducteur additionnel étant monté autour de l'une des 10 électrodes à laquelle il est relié électriquement de manière à être au même potentiel électrique. Selon une caractéristique particulière, cet écran additionnel conducteur est un écran protège-soufflet ou à un écran protège-isolant de l'ampoule, porté à 15 la tension du réseau. Selon une autre caractéristique, la distance entre l'écran conducteur additionnel précité et l'écran à potentiel flottant est de quelques millimètres et/ou des formes agressives sont prévues sur l'écran additionnel conducteur 20 et/ou sur l'écran à potentiel flottant. Selon une autre caractéristique, les moyens dits premiers sont positionnés dans l'ampoule du côté de l'ampoule restant sous tension lorsque l'ampoule est ouverte ou bien des deux côtés. 25 Selon une autre caractéristique, cet écran à potentiel flottant comporte une bande conductrice cylindrique plaquée contre la face interne de la partie isolante de l'enveloppe, un anneau métallique fendu élastique ou bien une couche de matériau conducteur déposée sur cette face interne. 30 Selon une autre caractéristique, les moyens dits seconds pour augmenter le couplage capacitif entre l'écran précité et la masse, consistent en ce que l'ampoule est du type enrobée dans une isolation solide blindée ou écrantée recouverte d'une couche conductrice reliée au potentiel de la masse. 3059461 5 Selon une autre caractéristique, l'écran à potentiel flottant précité présente une forme de T comportant une pointe orientée vers l'écran conducteur additionnel, et une barre orientée vers la masse afin d'augmenter la surface 5 et donc la capacité de ce côté-là. Selon une autre caractéristique, la valeur du champ électrique précité est augmentée de manière à atteindre une valeur de 3kV/mm sous l'effet de la tension de service, cette valeur étant supérieure au seuil d'ionisation de l'air 10 à Patm. Selon une autre caractéristique, ces moyens dits premiers sont localisés dans une zone électriquement fermée de l'ampoule afin que les décharges qui s'y produisent ne risquent pas de se propager à l'espace inter-contacts 15 ou le long de l'isolateur de l'ampoule lors de tests diélectriques. Selon une autre caractéristique, ces moyens dits premiers sont localisés dans un volume additionnel de l'ampoule dédié à la détection des décharges, ce volume étant ajouté à l'une des extrémités de l'ampoule, et 20 communiquant avec le volume principal de l'ampoule par au moins un orifice prévu dans la paroi de séparation des deux volumes de l'ampoule. Selon une autre caractéristique, l'ampoule comporte un isolateur additionnel dédié à ce volume additionnel ou bien un seul isolateur prolongé pour couvrir 25 la zone additionnelle précitée de l'ampoule. Selon une autre caractéristique, la détection des décharges est réalisée par détection capacitive des décharges ou bien par détection des ondes électromagnétiques produites au moyen d'une antenne radio. 30 La présente invention a encore pour objet un appareil de coupure électrique à vide moyenne tension comportant un dispositif de détection des décharges 3059461 6 comportant les caractéristiques précédemment mentionnées prises seules ou en combinaison. Mais d'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux 5 dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels : -La figure 1 est une courbe illustrant la loi de Paschen, et représentant en ordonnée la tension critique appliquée entre deux électrodes distantes de 1 10 cm, à partir de laquelle le courant électrique se décharge dans le gaz en fonction de la pression en abscisse dans un interrupteur à vide. -Les figures 2,3 et 4 sont des vues en coupe longitudinale, illustrant respectivement trois réalisations différentes d'un pôle d'appareil de coupure 15 dans le vide selon l'invention. Sur les figures 2,3 et 4, l'on voit un pôle I d'appareil à coupure dans le vide comportant une ampoule à vide et son enrobage, ladite ampoule comportant communément pour les trois réalisations, et de manière connue en soi, une 20 enveloppe E de forme sensiblement cylindrique fermée par deux fonds 1,2. L'enveloppe renferme une électrode fixe 3 par rapport à ladite enveloppe, et une électrode mobile 4 par rapport à ladite enveloppe, les deux électrodes supportant chacune à leur extrémité libre respectivement un contact fixe 5 et un contact mobile 6, ladite électrode mobile étant mobile entre une position 25 de contact des deux contacts et une position séparée des deux contacts. L'enveloppe comporte une partie cylindrique 7 réalisée en céramique fermée par deux capots d'extrémités 8,9 traversés respectivement par les deux électrodes précitées 3,4. L'ampoule comporte également deux écrans conducteurs additionnels 12,13 reliés électriquement pour l'un, à l'électrode 30 mobile 4, et pour l'autre, à l'électrode fixe 3. 305 946 1 7 La partie en céramique de l'enveloppe E est enrobée dans une isolation solide 14 (typiquement résine époxy) écrantée, recouverte d'une couche conductrice 15 reliée au potentiel de la masse. La surface extérieure métallisée de ce pôle est reliée à la masse M par 5 l'intermédiaire d'une capacité dite de mesure non représentée appartenant à un circuit de mesure de la différence de potentiel entre les électrodes précitées et un écran dit flottant, placé entre l'une des électrodes et la masse. 10 Ainsi, lorsqu' une perte de vide se produit à l'intérieur de l'ampoule A, la tenue diélectrique entre l'électrode mobile 4 et la partie en céramique E se réduit, et l'on peut mesurer une diminution de la différence de potentiel entre les électrodes 3,4 et l'écran flottant 16. Par exemple, cette diminution peut être mesurée par l'augmentation du courant capacitif traversant la capacité 15 de mesure précitée. Sur la figure 1, la courbe représente la tension électrique dite critique en fonction de la pression dans l'interrupteur. Cette courbe décrit le principe selon lequel il existe toujours une tension électrique critique pour une certaine distance entre les électrodes à une pression donnée, permettant au 20 courant électrique de se décharger dans le gaz. Cette tension électrique pour une certaine distance correspond au champ disruptif minimal, (valable uniquement pour la branche droite de la courbe de Paschen), lequel est une tension électrique par unité de longueur (V/m) s'exprimant dans ce cas classiquement en kV/mm). 25 Sur la courbe représentée sur la figure 1, cette tension correspond à Ds. Et l'on voit que pour une pression comprise entre 10 Pa et environ 104 Pa, c'est-à-dire entre 10-4 bar et 10 -1 bar, le courant électrique se décharge dans le gaz à partir d'une différence de potentiel égale à Up entre les électrodes et l'écran à potentiel flottant, la valeur de Ds inférieure à Up étant dégressive 30 puis progressive entre ces deux valeurs. On voit ainsi qu'à une valeur de pression correspondant à la pression atmosphérique (105 Pa=1bar), les décharges électriques ne se produisent 3059461 8 plus pour la tension Up, et que de ce fait, l'information de l'existence du défaut est transitoire. Selon l'invention, ce problème est résolu en augmentant (élargissant) l'intervalle de pression à l'intérieur duquel les décharges électriques sont 5 susceptibles de se produire, de manière que cet intervalle atteigne la valeur de la pression atmosphérique. Ceci est réalisé en augmentant la valeur du champ électrique entre les électrodes (contacts) 3,4 et l'écran à potentiel flottant 16, lorsque ces électrodes sont à la tension du réseau. Ainsi, la figure 1 montre que lorsqu'on passe du champ correspondant à la tension Up à un 10 champ correspondant à la tension UHP, l'intervalle de pression permettant la détection des décharges augmente, et atteint la valeur de la pression atmosphérique, de manière à permettre la détection des décharges jusqu'à cette valeur de la pression atmosphérique. A cet effet, la présente invention utilise des formes spécifiques d'écrans 15 conducteurs de l'électrode 4 ou d'écran flottant afin d'augmenter le champ électrique entre les conducteurs et l'écran flottant sous l'influence d'un potentiel de la masse proche de l'écran, l'interrupteur étant recouvert d'isolation solide blindée. Ces électrodes et écrans sont ainsi destinés uniquement à la détection de la 20 perte de vide et permettent d'obtenir un champ électrique suffisant entre les électrodes et l'écran afin que le seuil d'ionisation de l'air soit dépassé à la pression atmosphérique et que les décharges se produisent même après une remontée de la pression jusqu'à la pression atmosphérique. Selon la réalisation particulière de l'invention illustrée sur la figure 2, cet 25 interrupteur à vide comporte, du côté du contact mobile 6, un écran flottant 16, cet écran étant formé par une bande conductrice cylindrique plaquée contre la face interne de la partie isolante de l'enveloppe E et, situé en regard de cette bande, une pointe 17 en saillie à partir de la surface extérieure d'un écran conducteur additionnel 13 entourant l'électrode mobile 30 4 et au même potentiel que cette électrode. Ainsi, l'écran à potentiel flottant 16 fait face à un ensemble comportant une électrode centrale 4 et un écran conducteur additionnel 13 portés à la tension du réseau. 3059461 9 Pour que le champ électrique entre les deux électrodes 4,16 atteigne la valeur suffisamment élevée de 3 kV/mm sous la tension de service, la distance entre l'écran conducteur 13 et l'écran à potentiel flottant 16 doit être relativement réduite, avantageusement de quelques millimètres, ou bien des 5 formes agressives peuvent être prévues sur l'écran 16 ou l'écran additionnel 13, telle que la pointe 17 illustrée sur cette figure 2. Selon une autre réalisation, cette forme agressive pourrait consister en l'arête d'un ou plusieurs disques minces prévus sur l'écran conducteur ou l'écran flottant. 10 Ainsi, c'est entre l'écran conducteur additionnel 13 et l'écran à potentiel flottant 16, qu'il est nécessaire que le champ électrique soit fort pour que cela continue à décharger à la pression atmosphérique. Selon une autre réalisation de l'invention illustrée sur la figure 3, 15 l'interrupteur comporte un écran flottant 16a sous la forme d'une bande conductrice telle que dans la réalisation précédente, cette bande étant placée cette fois en regard de l'autre électrode 3 associée au contact fixe 5. Le risque lié à la présence de cette électrode additionnelle et au renforcement local du champ électrique dans l'ampoule A qui lui est associé 20 est une diminution des performances de tenue de l'ampoule lors d'essais diélectriques. Ce risque est nul si les essais sont réalisés avec l'ampoule en position fermée, car même dans l'éventualité d'un claquage partiel entre l'électrode centrale et la bande plaquée sur la céramique, l'épaisseur combinée de 25 céramique et d'isolation extérieure solide est suffisante pour prévenir une perforation entre l'électrode 16a du capteur et la masse 15. Lorsque l'ampoule est testée en position ouverte, dans l'éventualité d'un claquage partiel entre l'électrode centrale sous tension et l'électrode à potentiel flottant, le risque que l'électrode joue un rôle de relais et que le 30 claquage évolue en franchissement entrée-sortie de l'ampoule doit être considéré. Pour le minimiser, on peut envisager soit de disposer les écrans flottants (16,16a,16b) suffisamment loin des extrémités médianes des écrans 3059461 10 intérieurs de l'ampoule, soit de loger la bande métallique en retrait dans l'épaisseur de la céramique, soit de travailler les formes d'extrémités des bandes de manière similaire à celles de l'écran conducteur additionnel) 2. Si ces dispositions (éventuellement combinées) permettent de préserver la 5 tenue diélectrique des ampoules, on peut donc ajouter des électrodes additionnelles sans remise en cause de l'architecture normale des ampoules, tel qu'illustré sur les figures 2 et 3. On notera que la position du capteur correspondra avantageusement au côté de l'ampoule restant sous tension lorsque l'ampoule est ouverte (le plus 10 souvent le côté du jeu de barres). Lorsque l'ampoule est fermée, ce qui correspond à la situation la plus fréquente en service, la position du capteur est bien sûr indifférente. S'il s'avère difficile de maintenir la tenue diélectrique d'une ampoule enrobée écrantée d'architecture conventionnelle après incorporation d'électrodes 15 additionnelles pour la fonction capteur, une solution de repli est d'ajouter une partie supplémentaire à l'ampoule pour loger la fonction capteur dans une configuration de champ électrique correspondant à celle de l'ampoule fermée, ne présentant aucun risque de propagation d'un claquage partiel entre l'électrode centrale et l'électrode du capteur (ou écran flottant), le 20 potentiel étant le même de part et d'autre de la bande conductrice 16. Une telle solution est illustrée par la figure 4, illustrant la position du capteur 16b dans un volume additionnel 18 communiquant avec le volume du vide principal 19 de l'ampoule A par un orifice prévu dans la paroi métallique séparant les deux volumes, ce volume additionnel ayant été prévu autour du 25 contact fixe. Dans cette réalisation, un isolateur céramique additionnel 20 dédié à la fonction capteur est utilisé en complément de l'isolateur principal 21, sur lequel était placé le capteur dans les deux positions illustrées respectivement sur les figures 2 et 3. On voit que le même principe peut être appliqué en n'utilisant qu'un seul isolateur prolongé pour couvrir la zone du 30 volume additionnel 18. Dans ce cas, la paroi séparant les zones « capteur » et « coupure » ne s'étendrait pas jusqu'à la céramique, mais supporterait l'écran 22 protégeant la chambre de coupure, en laissant un intervalle réduit entre la céramique et 3059461 11 l'écran. Dans ce dernier cas, même si le volume paraît moins « fermé », la configuration de champ est équivalente, et le risque de propagation d'un claquage partiel est écarté. 5 Le principe de cette solution de repli est donc de prévoir une tranche additionnelle de l'ampoule, dédiée à la fonction capteur de perte de vide, dans laquelle la configuration de l'électrode centrale 23 (ou écran conducteur) faisant face à l'écran flottant 16b du capteur est en forme de U. Cet écran est constitué par l'ensemble des conducteurs sous tension du 10 réseau faisant face au capteur 16b dans le volume 18, c'est-à-dire l'ancien capot d'extrémité 8, l'électrode 3 et le nouveau capot d'extrémité 8a, la surface de ces trois pièces présentant une configuration en forme de U. Cette configuration en U crée donc un champ électrique d'orientation essentiellement radiale par rapport à la masse cylindrique qui l'entoure, et à 15 l'électrode flottante du capteur, dit écran flottant, intercalée entre l'écran conducteur et cette masse cylindrique. On notera que ce compartiment en U peut être prévu aussi bien côté contact fixe (montré sur la figure 4) que côté contact mobile de l'ampoule. Cette augmentation de longueur de l'enveloppe de l'ampoule ne nécessite 20 pas forcément un allongement du circuit principal mais se traduit par un renchérissement de l'ampoule du fait de l'allongement de l'isolateur céramique et de l'addition des électrodes en U spécifiques. Cette solution ne doit donc être envisagée que s'il n'est pas possible de faire fonctionner de manière satisfaisante le capteur dans l'une ou l'autre des deux positions 25 illustrées sur les figures 2 et 3. Finalement, la détection des décharges partielles se produisant entre l'écran flottant 16 du capteur et les conducteurs sous tension de service (si le vide est dégradé) peut se faire soit par les perturbations électromagnétiques 30 émises, comme décrit dans le brevet mentionné au début, soit plus simplement par couplage capacitif avec l'électrode du capteur. Ce couplage capacitif est facilement réalisable dans le cas d'une ampoule enrobée dans une isolation solide écrantée en utilisant une zone dédiée de l'écran 15, 3059461 12 faisant face à l'électrode interne du capteur et reliée au reste de l'écran et à la masse par la capacité de mesure du circuit de détection des décharges. On a donc réalisé grâce à l'invention, un dispositif permettant d'obtenir une 5 indication de défaut fiable et maintenue sur toute une plage de pression allant de 10-2 mbar à la pression atmosphérique par la méthode des décharges. Pour cela, l'on utilise le fait que le couplage capacitif entre un écran à potentiel flottant et la masse est fortement augmenté lorsque l'ampoule est 10 enrobée d'isolation solide recouverte d'une couche conductrice mise à la masse, ce qui permet d'augmenter la différence de tension appliquée entre d'une part, les électrodes sous la tension de service et d'autre part, l'écran. On utilise donc en plus, des écrans spécifiques destinés uniquement à la détection de perte de vide qui permettent d'obtenir un champ électrique 15 suffisant entre les électrodes (contacts) et ces écrans pour que le seuil d'ionisation de l'air soit dépassé à la pression atmosphérique et que les décharges se poursuivent même après une remontée de la pression à la pression atmosphérique. Comme l'existence de ces champs électriques élevés dans l'ampoule, 20 pourrait nuire à la tenue diélectrique entre l'entrée et la sortie de l'ampoule, diverses dispositions sont envisagées pour éviter cette perte de performance, dont l'une présentant une grande efficacité est de localiser ces écrans dans une zone électriquement fermée de l'ampoule, afin que les décharges qui s'y produiront ne risquent pas de se propager à l'espace inter- 25 contacts ou le long de l'isolateur céramique. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des 30 moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont réalisées suivant son esprit.