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DISPOSITIF ELECTRIQUE DE PROTECTION CONTRE LES SURTENSIONS.
La présente invention concerne les dispositifs de protection contre les surtensions, du type à éclateur, et, en particulier ceux qui sont plus spécialement destinés à éviter que des tensions excessives n'apparaissent aux bornes des condensateurs en série, disposés dans les réseaux'de distribu- tion à courant alternatif à haute tension.
Un condensateur en série est un condensateur, ou un groupe de condensateurs électrostatiques, connectés en série dans un réseau alternatif de distribution, soit directement, soit par l'intermédiaire de transformateurs en série, afin de neutraliser totalement ou partiellement''l'inductance du ré- seau, et d'améliorer le réglage de sa tension.
Quand le circuit est constitué par une ligne haute tension, à longue distance, qui transmet l'énergie électrique entre les machines dyna- moélectriques synchrones du réseau correspondant, le condensateur en série étend fortement les limites de stabilité du réseau, c'est-à-dire, qu'il aug- mente la quantité d'énergie électrique qui peut 'être transmise entre les ma- chines d'un tel réseau, avant qu'elles ne perdent le synchronisme; ce con- densateur augmente aussi la possibilité, pour le réseau, de résister à des chocs électriques, comme ceux qui prennent naissance lors d'enclenchement ou de déclenchements, ou de défauts dans le réseau,.
On sait que la tension aux bornes d'un condensateur en série est directement proportionnelle à l'intensité du courant qui le traverse.
Par conséquent, comme le courant d'une ligie de transmission lors d'un défaut ou de conditions transitoires, peut dépasser le courant normal, les tensions produites aux bornes des condensateurs en série peuvent alors atteindre des valeurs tellement élevées qu'il deviendrait excessivement coûteux de construi- ' re les condensateurs pour qu'ils résistent bien à de telles tensions. Il en est résulté la pratique habituelle, selon laquelle on utilise un condensateur en série, prévu pour supporter une tension relativement basse entre ses bor- nes, -et on le munit d'un dispositif de protection, qui crée un court-circuit
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autour du condensateur, lorsque la tension entre ses bornes tend à dépasser une valeur prédéterminée.
Cependant, le court-circuit de tels condensateurs en série supprime l'effet régulateur du condensateur dans le réseau, de sor- te que les limites de stabilité de ce réseau sont restreintes.
Il est donc avantageux de supprimer le court-circuit autour du condensateur, le plus rapidement possible après que la condition anorma- le qui a provoqué la tension excessive aux bornes du condensateur, a cessé d'exister.
Divers dispositifs ont été proposés jusqu'ici pour établir le court-circuit autour du condensateur en série, lors de l'arrivée à ses bornes d'une tension excessive. L'un de ces dispositifs comporte deux électrodes espacées, respectivement connectées aux bornes du condensateur, de telle sor te que ces deux électrodes, et la distance qui les sépare, constituent un circuit non conducteur autour du condensateur. Avec un tel dispositif, un excès prédéterminé de tension aux bornes du condensateur amorce un arc entre les deux électrodes. En raison de la faible impédance de l'arc, un court- circuit est ainsi établi entre les bornes du condensateur, et la tension pro- duite entre ces bornes, par le courant du au défaut dans le réseau, est rédui- te à une valeur relativement faible.
Pour éteindre l'arc d'un tel dispositif de protection contre les surtensions, aussitôt que possible après que la condition qui a provoqué la tension anormale a cessé d'exister, il a été de pratique courante de munir ce dispositif d'un soufflage par fluide sous pression qui traverse l'arc a- près qu'il a été formé.
Mais, avec leur ancienne construction, de tels dis- positifs n'ont pas fonctionné de manière entièrement satisfaisante comme pro- tecteurs des condensateurs en série, par suite de la variation de la tension d'amorçage aux bornes des électrodes, due à l'établissement de cer arc, et de la circulation du fluide sous pression dans cet arc. pour une telle pro- tection, il est essentiel que la tension d'amorçage entre électrodes soit telle, qu'aussitôt après que le courant de l'arc passe par zéro, à la fin de chaque alternance, la tension nécessaire pour amorcer l'arc soit sensiblement la même que celle qui est nécessaire pour provoquer l'amorçage initial. De même, les variations des conditions atmosphériques ne doivent pas modifier sensiblement les caractéristiques d'amorçage entre les électrodes.
Aucun des dispositifs connus, de ce type, ne possède ces caractéristiques essentielles.
La présente invention a pour objet un dispositif de protection contre les surtensions, du type éclateur, ayant sensiblement les mêmes carac- téristiques d'amorçage pour toutes les conditions de courant nul, aux bornes de l'éclateur. La tension d'amorçage de l'arc, immédiatement après chaque va- leur nulle du courant, est sensiblement la même que celle qui existait avant que l'arc ne s'établisse entre les électrodes.
En outre, la chaleur de l'arc et la pression produite par l'arc dans la chambre d'éclatement ne modifient pas sensiblement la caractéristique d'amorçage du dispositif de l'invention, il en est de même des variations des conditions atmosphériques.
Conformément à l'invention, une quantité prédéterminée de flui- de sous pression, suffisante pour absorber l'énergie de l'arc, sans que ce fluide ne soit ionisé par la -chaleur, est alimentée de manière constante dans la chambre à arc, qui entoure les électrodes espacées du dispositif de protec- tion, à la suite de l'établissement d'un arc entre lesdites électrodes. Cet- te circulation constante de fluide est obtenue en utilisant le fait bien con- nu que la quantité de fluide qui traverse un orifice donné, et qui provient d'une source de fluide sous pression constante, reste sensiblement constante et s'écoule à travers l'orifice à la vitesse du son, tant que la pression du fluide à l'entrée de l'orifice est supérieure à 1,88 fois la pression maximum possible du fluide à la sortie de l'orifice.
C'est pourquoi, selon l'invention, on s'arrange pour que la pression du fluide à l'orifice d'entrée soit suffisamment supérieure à celle de la sortie, de sorte que, même dans le cas de la contre-pression maximum produite par l'arc dans la chambre d'éclatement, la pression à l'orifice d'on-
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trée soit toujours supérieure à 1,88 fois la pression dans ladite chambre.
La pression maxima dans cette chambre dépend du courant maximum de court-cir - cuit, se produisant à l'endroit particulier où se trouve le condensateur.
De cette façon, on obtient dans la chambre à arc une circulation uniforme de la quantité désirée de fluide sous pression, pour toutes les conditions de fonctionnement du dispositif.
Par conséquent, conformément à l'invention, la surface totale des passages de sortie hors de la chambre, vers l'atmosphère, est telle que la densité du fluide entre les électrodes, dans la chambre, 1er sque la pres- sion s'y exerce, n'augmente pas suffisamment pour entraîner une augmentation sensible de la tension pour laquelle un arc s'amorce entre les électrodes.
De même, le volume de la chambre d'éclatement est tel que, pendant qu'on l'a- limente avec une quantité prédéterminée de fluide sous pression, la circula- tion de ce fluide dans la chambre balaye celle-ci suffisamment rapidement, de telle sorte que toute modification dans la densité du fluide sous pression dans la chambre, due aux valeurs maxima du courant instantané pendant chaque alternance du courant dans l'arc, ne modifie pas sensiblement la tension né- cessaire à l'éclatement d'un arc entre les électrodes, après le courant ins- tantané nul suivant.
En outre, conformément à une variante préférée de l'invention, les parois de la chambre à arc sont en matière conductrice et en matière iso- lante, disposées d'une manière telle que la partie conductrice des parois ab- sorbe la chaleur dégagée par l'arc, pour protéger la partie isolante de ces parois. De même, la partie conductrice des parois est conformée, et espacée des électrodes principales de l'appareil, de façon telle que cette partie con- ductrice puisse être utilisée en liaison avec un circuit d'excitation, pour fonctionner comme électrode d'amorçage, en vue d'établir un arc initial entre cette électrode et l'une des électrodes principales, à la suite d'une condi- tion anormale de la tension.
Le courant de cet arc initial circule entre lé- lectrode d'amorçage et l'électrode principale et son circuit est tel qu'il produise sur l'arc un effet de soufflage magnétique,. qui peut être renforcé par la circulation du fluide sous pression dans la chambre à arc, pour trans- férer l'arc initial et le faire éclater entre les électrodes principales.
On prévoit également un circuit perfectionné d'excitation, en liaison avec l'électrode d'amorçage, pour s'assurer qu'indépendamment des variations des conditions atmosphériques, qui affectent les caractéris- tiques d'amorçage entre les électrodes principales, l'arc initial soit tou- jours établi à la suite d'une tension prédéterminée. Des moyens sont éga- lement prévus pour s'assurer que l'arc établi entre les électrodes princi- pales se maintienne à une longueur prédéterminée bien définie, grâce au fluide sous pression circulant dans la chambre.
L'invention sera d'ailleurs bien comprise en se référant à la description qui suit et au dessin qui l'accompagne à titre d'exemple non limitatif et dans lequel - la figure 1 est une représentation schématique, partie en coupe,, d'une variante de l'invention.
- la figure 2 est une vue générale d'une autre variante.
- la figure 3 est une coupe d'une partie de l'appareil de la figure 2.
- les figures 4 et 5 sont des variantes de la figure 3.
En se reportant figure 1, on voit une ligne 1 d'un réseau de distribution d'énergie électrique, comportant en série un condensateur,ou un groupe de condensateurs 2, (il peut en exister bien entendu dans chaque li- gne du réseau). En shunt sur ce condensateur 2 se trouvent deux électrodes 3 et 4 ménageant entre elles une distance d'éclatement, qui détermine la va- leur de la tension pour laquelle le condensateur 2 est protégé, à condition de négliger les conditions atmosphériques, pression, température et humidité.
Les électrodes 3 et 4 sont disposées dans une chambre 5, cons-
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tituée au moins en; partie par une matière isolante, et comportant une ouver- ture de sortie 6, et une entrée 7 relativement rétrécie. Le fluide est ali- menté vers l'entrée 7, par une conduite 8, reliée à un réservoir 9 de fluide.
La circulation de celui-ci est contrôlée par une valve 10, représentée sché- matiquement et commandée par un dispositif électromagnétique approprié 11, alimenté de toute manière convenable, par exemple, au moyen d'un transforma- teur 12 dont le primaire est en série avec les électrodes 3 et 4.
Si un défaut se produit dans le réseau comprenant la ligne 1, l'augmentation du courant, due au défaut, augmente la tension aux bornes du condensateur 2. Si cette augmentation est .suffisante, un arc jaillit entre 3 et 4. Le courant correspondant actionne le dispositif 11, qui ouvre la valve 10 et du fluide sous-pression, venant du réservoir 9, est amené, par la conduite 8 et l'entrée 7, aux électrodes 3 et 4, dans la chambre 5.
Conformément à l'invention, le fluide est amené de manière tel- le que la pression autour des électrodes est relativement faible, de l'ordre de moins d'une atmosphère, de telle sorte qu'elle n'augmente pas sensiblement la résistance diélectrique de l'espace entourant les électrodes 3 et 4; ceci permet le rétablissement de l'arc après chaque valeur nulle du courant, quand la tension entre les électrodes dépasse la tension noimale d'amorçage entre elles.
Cependant, dès que le défaut a disparu, par exemple grâce à l'ouver- ture d'un disjoncteur, de telle sorte que la tension instantanée entre élec- trodes reste en dessous de sa valeur normale d'amorçage, la résistance diélec- trique du milieu entourant les électrodes 3 et 4 est telle, que cette tension d'amorçage ne peut pas rétablir l'arc après chaque valeur nulle du courant; mais si la tension augmente jusqu'à la tension normale d'amorçage, l'arc est immédiatement rétabli entre les électrodes.
Selon l'invention, la quantité de fluide fourni à la chambre 5 est suffisante pour absorber l'énergie calorifique dé l'arc, sans provoquer l'ionisation du -fluide par son échauffement; cette quantité de fluide est four- nie vers..l'entrée 7, de manière constante, indépendamment de la contre-pres- sion produite par l'arc dans la chambre 5
Pour déterminer la quantité de fluide à fournir à la chambre, il est d'abord nécessaire de déterminer la quantité de chaleur que le fluide doit absorber de l'arc, sans que ce fluide ne s'ionise.
L'énergie dans l'arc s'exprime par l'égalité Pa = Va Isc 2 #2 / # (1) dans laquelle Va est la tension aux bornes de l'arc en kilovolts.
Isc la valeur efficace du courant dans l'arc.
2 Ú2 est le coefficient de conversion de ce courant en courant moyen, exprimé en ampères.
La puissance en kilovolts-ampères, P , d'un dispositif protec- sc teur conforme à l'invention peut être arbitrairement définie par l'égalité.
Psc = Vp Isc (2) dans laquelle Vp est le nombre de kilovolts nécessaire pour amorcer un arc entre les électrodes 3 et 4. ampères. Isc est la valeur efficace du courant dans l'arc, exprimé en ampères.
L'énergie Pa de l'arc peut alors s'exprimer en fonction de P , en combinant (1) et (2) (3) sc
Pa = Va Psc 2 V2
Vp Ò
La distance d'éclatement Lg peut s'exprimer par
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EMI5.1
L 9 =In (4>
E dans laquelle E représente la tension minimum d'amorçage, dans les conditions ambiantes, exprimée en kilovolts par unité de longueur.
Lg peut aussi s'exprimer par
Lg = Va (5)
Ea dans laquelle Ea est la tension de l'arc par unité de longueur, Va étant la tension de l'arc en kilovolts.
De (4) et (5) on tire :
Ea = Va (6)
E Vp
En combinant (3) et (6), on obtient
EMI5.2
Pa - P Ea É 2 'f 1Î2 Psc (7) en introduisant la constante Kl - 2 xV 2 Fla Ò E Par exemple, si E est de 20 Kilovolts par unité de longueur, et que Ea soit de 0,1 kilovolt par unité de longueur, on trouve que
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Fa Psc 4s5 10-3 Comme on l'a dit plus haut, la température dans la région des électrodes et 4 doit être maintenue à une valeur inférieure à la température d'ionisa- tion qui, dans l'état actuel des connaissances, est estimée à environ 4000 C absolus, Comme l'énergie produite par l'arc électrique varie suivant une loi sinusoïdale,l'énergie maximum est envion égale à
1,7 fois l'énergie moyenne.
En admettant un facteur additionnel de sécurité de 1,1,,une température moyenne de l'air avantageuse, dans la région des électrodes 3 et
EMI5.4
4, est de 2300 C absolus, ou, en chiffres ronds 2000 G.
Ayant déterminé Pa en fonction de Psc et ayant déterminé la température moyenne maximum dans la région des électrodes, il est maintenant possible de déterminer la grandeur de la circulation de l'air dans la région de l'arc, nécessaire pour en absorber la chaleur, de manière à ne pas dépas- ser cette température moyenne maximum.
La chaleur spécifique de l'air Cv est prise égale à 0,28 kilog-
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calorie par m3 et par degré centigrade, dont l'équivalent, en kîlowatts/secon- des par m3 et par degré centigrade est 1,17.
La quantité d'air nécessaire F est donc ;
EMI5.6
F = Psc K1 C, 1 T dans laquelle T est la température en degrés centigrades à laquelle la cham- bre doit être maintenue. On a donc
EMI5.7
P F Sc A. 5. 10 -3
1,17 x 2000 = K2 Psc avec K2 = 1,9. 10-6 environ
Si, par exemple,
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1 se = 10.000 ampères
Vp = 40 kilovolts
F = 0,7 6 m3/seconde Pratiquement on a trouvé que la constante K2 pouvait varier entre 1,5. 10-6 et 3,5. 10-6.
Conformément à l'invention, la circulation d'air dans la ré- gion des électrodes 3 et 4 doit être pratiquement insensible aux effets de l'arc, qui tendent à créer une certaine pression dans la chambre 5. Cette condition est remplie en établissant dans le réservoir 9 une pression qui est toujours supérieure à 1,88 fois la contre-pression maximum possible, puis- que, comme on l'a déjà dit, la vitesse de circulation à travers l'orifice d'en- trée 7 est égale à la vitesse du son, quand la pression du réservoir 9 est supérieure à 1,88 fois la contre-pression en aval de l'orifice 7, dans la ré- gion des électrodes 3 et 4.
La limite supérieure de la pression créée dans la chambre 5 peut être déterminée en supposant que la chaleur développée par l'arc se traduise uniquement sous forme d'augmentation de pression. Dans une chambre de volume constant, on sait que la pression d'un fluide, qui y est contenu, varie proportionnellement avec la température.
En supposant que la température atmosphérique normale soit de 15 C (ou 288 absolu) dans le réservoir 9, le rapport existant entre cette température et la température maxima de la chambre (2000 absolu) détermine la relation entre la pression atmosphérique et la pression maximum dans'la chambre 5, en supposant que l'arc provoque uniquement une augmentation de pres- sion.
On a 2000 +273 =7. 8 15 2730 ,
Par conséquent, la pression maxima qui peut se produire dans la chambre, si toute l'énergie de l'arc apparait sous forme de pression, est de 7,8 fois la pression atmosphérique. Pour obtenir une alimentation constan- te dans la chambre 5, pendant une telle variation de pression dans cette cham- bre, la pression dans le réservoir 9 doit être d'environ 15 à 16 atmosphères (7e8 x 1,88 ).
En raison de plusieurs facteurs, parmi lesquels le fait que la circulation du fluide augmente avec la température, la contre-pression n'at- teint pas le maximum ci-dessus. On a trouvé qu'une pression constante de la,5 Kg/cm2 dans le réservoir est suffisante pour assurer la continuité d'une cir- culation constante du fluide dans la chambre.
En supposant que A soit la variation en %, en plus ou en moins, de la tension normale d'amorçage que l'on désire maintenir entre les électro- des, et en supposant que les électrodes soient espacées de manière qu'un arc s'amorce à une certaine tension inférieure de ¯ % à la tension normale d'amorçage, par exemple à la pression atmosphérique et sans soufflage dans la chambre 5, la densité de l'air dans la région entre électrodes, quand le soufflage est appliqué, ne doit pas dépasser (1 + 2 ¯) fois la densité de l'air le chiffre 1 correspondant à la limite inférieure possible de la tension d'a- morçage. La réduction de la densité de l'air, dans l'espace entre électrodes, au moment des valeurs maxima du courant dans chaque alternance, due à l'aug- mentation de la température de l'air,
doit être compensée au maximum, dans un temps inférieur à une alternance, de manière à retrouver une condition de résistance normale à l'amorçage, lors de la valeur instantanée nulle suivan- te du courant.
D'après les relations connues de l'écoulement des fluides à travers les orifices, la valeur de la circulation du fluide, la pression de
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ce dernier et la densité de l'air dans la chambre déterminent entièrement la section droite de l'entrée 7 et de la sortie 6.
Par exemple, la section de l'orifice d'entrée peut être déter- minée comme suit, pour l'exemple ci-dessus, de la circulation de la pression d'alimentation et de la densité de l'air.
On va supposer que la température de l'air dans le réservoir est de 15 C, la vitesse d'écoulement étant de 340 M/sec, à 15 C, la tempéra- ture de l'air dans l'orifice d'entrée étant de 34 C.
Si l'on adopte les valeurs suivantes :
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<tb> Pression <SEP> atmosphérique <SEP> .................... <SEP> Po <SEP> = <SEP> 104 <SEP> Kg/m2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Pression <SEP> d'alimentation <SEP> ................... <SEP> = <SEP> Ps <SEP> = <SEP> 16.104 <SEP> Kg/m2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Vitesse <SEP> à <SEP> l'orifice <SEP> d'entrée <SEP> .............. <SEP> =Fs <SEP> = <SEP> 323 <SEP> M/sec.
<tb>
<tb>
<tb>
Densité <SEP> de <SEP> l'air <SEP> à <SEP> l'orifice <SEP> .............. <SEP> = <SEP> R <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Densité <SEP> de <SEP> l'air <SEP> dans <SEP> le <SEP> réservoir <SEP> ........ <SEP> =Ro
<tb>
R = 0,63 Ro Volume de la circulation de l'air = F = F . R . Ps S s Ro Po s dans laquelle Ss est la surface en m2 de l'ouverture d'entrée. On en déduit :
Ss = F Ro Po =F3 R Ps = 2,34. 10-4 m2 ou Ss = 2,34 cm2
En pratique, dans l'exemple ci-dessus, on a trouvé que la sur- face de l'orifice d'entrée ne doit pas dépasser
2,38 cm2 et ne pas être inférieure à 1,42 cm2
La pression et la densité dans la région interélectrodes sont maintenues à de faibles valeurs par un choix judicieux de la section droite de la sortie.
La théorie de l'amorçage dans les fluides montre que la ten- sion d'amorçage est une fonction directe de la densité du fluide. Normale- ment, il est avantageux de régler la distance entre les électrodes 3 et 4 de manière que la tension à laquelle l'arc initial s'établit, a une valeur qui -correspond à la limite inférieure de la gamme des tensions admissibles d'amorçage. Si la gamme des tensions admissibles d'amorcage s'étend jusque 122 % de la limite inférieure, le rapport de 1,22 correspond à une vitesse de sortie qui est 0,52 fois la vitesse du son, en supposant une vitesse nul- le à l'intervalle d'éclatement.
Bien entendu, une telle hypothèse n'est pra- tiquement plausible que si les électrodes 3 et 4 sont disposées à une distan- ce appréciable de la sortie, Si ces électrodes sont voisines de l'orifice de sortie, de manière appropriée, la vitesse dans l'espace interélectrodes peut être rendue telle qu'elle s'approche tout-près de la vitesse du son.
Suivant la conformation des électrodes constituant les ouvertures de sortie les vitesses de sortie sont choisies entre la moitié et la valeur même de la vitesse du son, puisque la configuration réelle est un compromis entre ces deux extrêmes,
Dans l'exemple particulier ci-dessus où
F = 0,00789 m3/sec. la surface de sortie nécessiterait deux orifices de chacun 5 cm de diamètre.
Indépendamment des considérations ci-dessus sur l'énergie dans l'arc, on peut'établir un rapport simple entre les orifices d'entrée et de
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sortie, correspondant au schéma suivant de circulation :source à pression élevée,orifices d'entrée {circulationà la vitesse du son), chambre d'écla- tement (région de la distance principale entre électrodes), orifices de sor- tie, (circulation à une vitesse inférieure à celle du son),
On a trouvé ci-dessus aucune pression convenable pour le flot- de dans le réservoir était de 16.104 kg/m2. Cet air est soumis à une chute de température d'environ 50 C en sortant par l'orifice de sortie.
Par suite de la conservation de l'énergie, l'air de'la chambre de coupure sera de nou- veau à la température du réservoir. Ces conditions sont modifiées par la quan- tité de chaleur absorbée par les parois. En tenant compte d'un coefficient de température KT, de l'ordre de grandeur de 1,2, on peut écrire une équation, basée sur le principe de la continuité de la circulation.
(On négligera l'influence de la température sur la vitesse du son, pour des 'pressions variables dans le réservoir, ainsi que les factirs de contraction dans les orifices).
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lT FS SS 0, 3 = V EX S EX
PO dans laquelle VEX et SEX représentent la vitesse de circulation et la sur- face de l'orifice de sortie. SEX
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Outre le rapport ', on ne connaît par la vitesse de sortie VEX. S
Cette dernière peut être calculée suivant la relation.
VEX = V2 gh
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La valeur de h correspond à 0,22, 1cf Kg'm2, c'est-à-dire va (1.22-1) fois la pression atmosphérique, et provoque une pression relative dans la chambre de l'arc.
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de h = t.22 10' =0,17 1.rf mètres d'air
1,29 par conséquent
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V# = 2. 9,8" 0,17 . 104 = 152 mjsec.
Finalement, on a 1,2 , P 0,53 = -1,13 =K4 Ss 182 P o p o p o
A cause de la possibilité d'utiliser des valeurs légèrement plus grandes pour la pression dans la chambre, par suite des variations de la vitesse du son à l'orifice d'entrée, on a trouvé que pratiquement la cons- tante K4 pouvait varier de 0,6 à moins de 2.
La petite influence de l'énergie de 1'arc et de la températdre sur la densité dè l'air permettent de qualifier le présent interrupteur com- me ayant une chambre à arc à densité constante de l'air,par opposition aux chambres à arc à pression constante, qui caractérisent les interrupteurs ha- bituels à soufflage par l'air.
Néanmoins, les équations ci-dessus montrent que la densité n'est pas absolument constante. On doit donc utiliser un moyen supplémentaire pour rétablir la densité normale, lorsque cela est nécessaire. Le résultat peut être obtenu par la vitesse du balayage. Le volume de la chambre jouait déjà un râle dans l'hypothèse suivant laquelle l'air fourni: à la chambre est immédiatement chauffé jusqu'à la température de sortie. Bien entendu, cette dernière condition ne pourrait être réalisée qu'avec une chambre de faible volume.
Le balayage exige une telle chambre. D'après l'équation rela-
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tive à la densité de l'air, on voit que cette densité peut descendre jus- qu'à la moitié, pour les maxima du courant. pour réaliser un balayage con- venable, le volume de la chambre doit être maintenu en dessous d'une valeur qui correspond à la circulation de l'air dans l'intervalle de temps détermi- né par le rétablissement de la tension, En supposant que ce temps soit
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d'une alternance, ce qui représente $,,33, 1CT3 seconde dans le cas d'un réseau à 60 hertz, on a VCH pBoo 19 . x0 '.,33 .10 3 CCH = PSC" le 58 . .10 VCH étant le volume de la chambre, 6,32 10 -3 m3.
Dans l'exemple ci-dessus, le volume devrait être inférieur à
Dans le cas où la vitesse de rétablissement de la tension peut être particulièrement lente (comme pour la protection des condensateurs en série), et où les tensions maxima ne sont atteintes qu'au bout d'un cycle com- plet, ce volume critique peut être multiplié par 2.
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VCK - PSC 2. I, 5$ . 8 m3 - PSC"'K. avec K3= 1,58 à 3,16 10-8 m3/KVA
D'après ce qui précède, on voit que la constante K3à peut varier, comme indiqué ci-dessus; elle représente le volume de la chambre arc par KVA de la puissance du dispositif.
Comme on l'a dit plus haut, la figure I est schématique et la figure 3 montre une variante préférée de réalisation de l'invention, avec la chambre 5, l'orifice 7 d'entrée, l'orifice de sortie 6 et les électrodes 3 et 4, de la figure 1, tels qu'ils peuvent être réalisas.
Dans la figure 3, le dispositif de protection 13 comporte des électrodes tubulaires coaxiales 3 et 4, dont les extrémités 15 et 16 sont fa- briquées, de préférence en graphite, ou en un métal à point de fusion élevé.
Ces extrémités sont annulaires et fixées, respectivement, aux corps tubulai- res coaxiaux 17 et 18 de chaque électrode. Les corps 17 et 18 sont vissés à des conducteurs tubulaires 19 et 20, qui servent de conduites d'entrée et de sortie, reliant la chambre des électrodes à l'atmosphère. Les conducteurs 19 et 20 sont électriquement connectés aux bornes 14 et 14a, qui sont reliées aux bornes de l'appareil à protéger, tel qu'un condensateur en série.
Autour des conducteurs tubulaires 19 et 20 sont disposés des manchons métalliques 23 et 24, respectivement. Les conducteurs 19 et 20 sont maintenus de toute manière appropriée, par exemple par un écrou 25, qui sert à fixer le manchon 24.
L'intervalle entre électrodes peut être réduit par l'interpo- sition de rondelles appropriées (non représentées),entre 17 et 18, et entre 23 et 24, respectivement. L'écrou 25 est muni d'ouvertures 26, pour recevoir les ergots d'une clef. Des isolateurs 27 et 28 sont disposés autour des man- chons 23 et 24, respectivement. Ces isolateurs sont maintenus en place par des douilles 29 et 30, respectivement, qui sont à leur tour fixées par des rondelles 31 et 32, et leurs boulons 33'et 34; ceux-ci se vissent dans une électrode intermédiaire comportant une bague 35 et des ajutages annulaires symétriques 38 et 39, soudés en 36 et en 37 à la bague 35.
Celle-ci possède une ouverture 40, à sa partie inférieure, re- liée par une courte conduite 41 et un raccord 42, à une conduite appropriée (non représentée), correspondant à la conduite 8 de la figure 1, cette condui- te est de préférence, en matière isolante. De même, figure 3, l'ajutage 38 comporte plusieurs orifices 43, et l'ajutage 39 comporte plusieurs orifices 44. Ces orifices 43 et 44 servent de moyens d'étranglement pour régler la pression du fluide arrivant, par les conduites 8 et 41, dans l'espace compris entre les deux ajutages 38, 39, la bague 35, et dans la région des électrodes
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3 et 4.
Le fluide provenant des orifices 43 et 44 circule dans le sens indiqué par les flèches, à travers les extrémités 15 et 16 des électrodes, les corps 17 et 18 des électrodes, les conducteurs tubulaires 19 et 20, et s'en va dans l'atmosphère. Les orifices 43 et 44, qui correspondent à l'ori- fice 7 de la figure::'1., doivent être établis conformément aux calculs précé- dents, relatifs à la figure 1, et les tubes 19 et 20 doivent être prévus conformément aux mêmes calculs, relatifs à l'orifice 6 de sortie, de la fi- gure 1.
Dans la figure 2, le dispositif de protection 13 du condensa- teur est-représenté avec les bornes 14 et 14a connectées aux bornes du conden- sateur en série 2, par l'intermédiaire d'inductances 46 et 47, branchées en parallèle sur des résistances 46a et 47a, respectivement. Ces éléments sont prévus pour limiter la pointe du courant de décharge du condensateur 2.
Pour déterminer une valeur sensiblement constante pour laquel- le un arc s'amorce, on peut utiliser un circuit d'excitation, comme représen- té figure 2. Ce circuit comprend des impédances 48, 49, 50, et un tube 51.
Comme exemple, les impédances sont constituées par des résistances. La ré- sistance 48 est connectée entre la borne 14a et la bague 35.
L'expérience a montré que pour un appareil destiné à protéger un condensateur, établi pour 16 Kilovolts, à une tension de 40 kv, les résis- tances 48 et 49 doivent avoir une valeur comprise entre 2 et 4 mégohms, la résistance 50 ayant une valeur de 5.000 à 10.000 ohms.
Si l'électrode intermédiaire, constituée par les ajutages 38 et 39, et la bague 35, possède une capacité égale par rapport aux bornes 14 et 14a, et si on prévoit un bâti dont le potentiel est égal au potentiel moyen entre 14 et 14a, on peut supprimer les impédances 48 et 49. Le tube 51 est un tube vidé, rempli d'un gaz inerte, tel que l'azote, par exemple. Comme 51 est un tube scellé, ses électrodes sont isolées de l'atmosphère et la ten- sion, pour laquelle un arc s'établit dans le tube 5, ne varie pas de manière appréciable. Une coupure plus rapide du petit courant d'excitation dans le tube 51 peut être obtenue au moyen d'une résistance 58 en parallèle sur une capacité 59.
De préférence, la résistance 58 doit avoir une valeur d'environ 1 mégohm, et le condensateur 59, une valeur de 1.00 mmf.
Lorsqu'une tension supérieure à la valeur de la protection du condensateur se développe à ses bornes., un arc jaillit entre bornes du tube 51, ce qui réduit immédiatement de manière sensible la partie de 1a tenaonn aux bornes du condensateur 2, appliquée entre la borne 14d etla bague 35, ce qui applique entre la borne 14 et la bague 35 une tension beaucoup plus gran- de que la tension normale. Un arc.s'établit donc entre l'électrode 3 et l'a- jutage 38, comme indiqué, pàr le pointillé 52, dans la figure 3. Cet arc 52 modifie instantanément le potentiel de l'électrode intermédiaire 38-39, de manière que la tension aux bornes du condensateur 2 est appliquée en parallè- le sur l'intervalle qui sépare 39 de l'électrode 4, et sur les résistances 50 et 58, cette dernière en parallèle avec 59.
Ceci donne naissance à l'arc représenté par le pointillé 52a, figure 3. '
Pour faciliter le transfert des arcs 52 et 52a depuis les aju- tages 38 et 39 jusqu'au centre de la chambre, c'est-à-dire entre les électro- des principales 3 et 4, les ajutages 38 et 39 sont séparés à leur périphérie intérieure par une bague isolante 53. Si on le désire, cette bague peut com- porter des ouvertures radiales, non représentées, à travers lesquelles le fluide sous pression peut circuler de manière à améliorer la résistance dié- lectrique de cette bague.
Avec le dispositif décrit, il est évident que le courant qui circule, par exemple, depuis la borne 14, par les éléments tubulaires 19, 17, l'arc 52 et l'ajutage 38, forme une boucle, dont l'effet magnétique est de déplacer l'arc 52 vers le bas et vers la droite. De même, l'ajutage 39 et les éléments 18 et 20 définissent un circuit en boucle, dont l'action ma- gnétique tend à déplacer l'arc 52a vers le bas et vers la gauche.
Ce dépla-
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cement peut aussi être obtenu par la circulation du fluide sous pression à travers les orifices 43, contre l'arc, et vers l'extérieur à travers les élec- trodes tubulaires 3 et 4., sans l'aide des circuits en boucle, si on le désire, En outre,l'ionisation dans la région de l'arc est une aide., grâce à laquelle les arcs 52 et 52a passent à l'intérieur de la bague 53, de manière à former un arc unique parallèle à l'axe desélectrodes 3 et 4. L'extinction de l'arc entre ces électrodes,due à l'action du fluide sous basse pression vers l'ex- térieur dans 1.'atmosphère, se produit à chaque valeur nulle du courant.
Comme il n'est pas désirable que l'arc entre 3 et 4 s'allonge trop à cause de la nécessité d'évacuer la chaleur de cet arc, des électrodes de limitation 54 et 55 sont montées à l'intérieur des électrodes 3 et 4, et un contact électrique avec elles. Toute tendance d'allongement de l'arc est empêchée par la tendance connue d'un arc à s'établir entre les extrémités op- posées des électrodes 54 et 55. Celles-ci sont supportées à l'intérieur des électrodes 3 et 4, de toute manière appropriée, par exemple des supports 56 et 57.
Bien entendu, pour certaines applications de l'invention, on peut tolérer une certaine variation dans la tension d'amorçage, de telle sor- te que les dispositifs des figures I et 2 pourraient fonctionner parfaitement sans le circuit d'excitation comportant le tube 51.
La figure 4 représente une variante simplifiée de l'appareil de la figure 3, dans laquelle on peut tolérer des variations appréciables de la tension d'amorçage, et avec laquelle on peut obtenir un fonctionnement sa- tisfaisant dans certaines applications de l'invention, sans utiliser le cir- cuit d'excitation de la figure 20
Dans la figure 4, l'air arrive par la conduite 8 vers la cham- bre isolante 5, et circule suivant les flèches vers les électrodes 3 et 4, qui se prolongeant à l'intérieur de l'électrode intermédiaire 4a. La figure 4 fait apparaître l'utilité de cette électrode comme écran thermique pour la chambre isolante 5, en absorbant la chaleur dégagée par l'arc et en protégeant ainsi la matière isolante de la chambre.
Dans ce dispositif de la figure 4, la capacité existant entre l'électrode 4a et les autres parties métalliques tend à maintenir la cathode 4a à un potentiel moyen.
Le dispositif de la figure 5 est une variante de celui de la figure 3. Il comporte une électrode intermédiaire qui est particulièrement adaptée à coopérer avec un circuit d'excitation tel que celui de la figure 2, On remarquera que l'électrode intermédiaire 4a comporte une partie inter- ne à arête vive d, situé dans un plan à égale distance des électrodes 3 et 4. Les lignes pointillées b, c, de la moitié supérieure de la figure 5, repré- sentent le lieu des points équipotentiels, quand l'électrode 4a est au poten- tiel moyen.
Dans ce cas, les lignes pointillées b et c, et les surfaces e et f, sont presque parallèles, et l'arête d n'est pas dans une région à fort gradient de potentiel, Si, toutefois, le potentiel de l'électrode intermédiai- re 4a devient dissymétrique, le lieu des points équipotentiels est représenté sur la moitié inférieure de la figure 5, par les lignes pointillées b'. et ' c'; dans ce cas, l'arête d est dans une région à fort gradient de potentiel et elle facilite l'établissement d'un arc entre les électrodes 4 et 4a.
De cette manière, le système de la figure 5 est particulière- ment adapté pour être utilisé en liaison avec un circuit d'excitation, tel que celui de la figure 2.
Bien qu'on ait représenté et décrit plusieurs variantes de réalisation de l'invention, il est bien entendu que l'on ne désire pas se . limiter à ces formes particulières données 'simplement à titre d'exemple, et sans aucun caractère restrictif et que., par conséquent, toutes les variantes utilisant les mêmes moyens techniques et ayant même objet que les disposi- tions indiquées ci-dessus rentreraient comme elles dans le cadre de l'inven- tion.