CA1137184A - Profil compose d'entretoise pour les cables electriques a isolation gazeuse - Google Patents
Profil compose d'entretoise pour les cables electriques a isolation gazeuseInfo
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Abstract
Une entretoise à profil composé pour utilisation dans les câbles électriques coaxiaux isolés par un gaz en compression. Ces câbles possèdent un conducteur central et une enveloppe externe conductrice et un gaz isolant contenu entre eux. L'entretoise comprend une structure composée en profilé formé d'un matériau non-conducteur et qui repose radialement entre le conducteur central et l'enveloppe conductrice pour supporter ce conducteur central de façon sensiblement concentrique par rapport à l'enveloppe conductrice. La structure a une configuration en forme de disque dans un premier support adjacent au conducteur central, et une configuration conique pour le reste du support s'étendant à l'enveloppe conductrice de sorte à former une distribution de champ sensiblement uniforme et d'intensité faible sur les surfaces opposées de l'entroise. L'angle de contact entre les surfaces opposées et le conducteur central est d'environ 75.degree. et le matériau isolant est un époxy ayant une constante diélectrique relative de 5 ou plus.
Description
1~L371~
La présente invention a trait à une entretoise et concerne plus particulièrement une entretoise à profil façonné
pour maintenir un conducteur central sensiblement concentrique à une enveloppe conductrice externe, formant un c~ble électri-que de type coaxial isolé par un gaz comprimé (IGC), laquelle entretoise possède une distribution de champ généralement uniforme et une intensité de champ faible sur les faces opposées.
Le développement rapide de la technologie des câbles isolés au gaz comprimé et d'équipements de commutation offre une alternative intéressante au problème de fourniture d'éner-gie aux zones urbaines importantes en permettant le transport par voie souterraine d~énergie électrique de 500 kV et plus.
On a observé que plusieurs facteurs affectent la tenue diélec-trique des câbles IGC: l'état de la surface de l'électrode, la contamination par particules et la présence d t entretoiges diélectriques. Ce dernier facteur est d'une importance par-ticulière puisque les entretoises diélectriques solides sont parties intégrantes des cables, on doit donc porter une attention particulière au dessin de ces entretoises afin de minimiser la détérioration de la tenue diélectrique de ce type de câbles.
Depuis quelques années déjà, de nombreuses études ont été effectuées sur des c~bles ~ haute tension avec isola-tion au SF6 comprimé, ces études ayant mené à des calculs poussés des champs générés. Malgré cela, les critères dtop-timisation varient considérablement de sorte que l'on est loin d'une configuration universelle en ce qui regarde, entre autres, les entretoises de type à époxy, comme l'illustre bien le grand nombre de configuration de ce type d'entretoises présentement sur le marché.
- ' ~
~37~8~
La présente invention vise ~ améliorer la tenue diélectrique d'entretoises à époxy en fa~onnant adéquatement les interfaces gaz-diélectrique. De facon plus particulièreg l'invention est avantageusement utilisée dans le domaine des câbles coaxiaux, d'usage très répandu en très haute tension, et dans celui des entretoises de type séparateur de gaz.
Une étude théorique en vue d'optimiser le profil de l'entre-toise, en vue de calculer et de déterminer la distribution du potentiel et du champ à l'interface de l'entretoise, fut entreprise. Les résultats de cette étude furent vérifiés expérimentalement à l'aide d'essais sur un conducteur coaxial de 2.54/7.0 cm, où la tenue diélectrique d'un conducteur avec entretoise fut comparée à la tenue intrinsèque d'un conducteur sans entretoise.
En raison de la discontinuité diélectrique intro-duite par l'entretoise à époxy dans l'espace compris entre le conducteur central et son enveloppe, la distribution du potentiel et du charnp sur et près de la surface de llentre-toise n'est pas identique à celle dans l'espace gazeux. Une définition adéquate de la distribution de potentiel et de champ à la surface de l'entretoise est donc essentielle à une optimisation du profil de l'entretoise. Cela fut réalisé
théoriquernent en utilisant une méthode de calcul par simula-tion de charge. Une brève description de cette méthode d'estimation est donnée dans le présent texte.
En raison de ce qui précède, la présente invention vise généralement une entretoise. L'entretoise comporte une stru~ture de profil composé constitué d'un matériau électrique-ment isolant et destiné ~ maintenir un conducteur central sensiblement concentrique à une enveloppe tubulaire externe La structure possède une configuration en forme de disque .~' ~3~184 dans une première section de maintien qui vient slappuyer directement sur le conducteur central de sorte à obtenir un champ sensiblement uniforme sur cette première section de maintien. La section en forme de disque possède des surfaces opposées convergentes qui s'étendent de façon-sensiblement symmétrique le long de la première section de maintien. La structure présente en outre une configuration conique dans une section de maintien restante qui s'étend jusqu'à
l'enveloppe externe de sorte à obtenir un champ de faible intensité sur les surfaces opposées de l'entretoise dans la section de maintien restante. Un angle de contact est situé
entre chacune des surfaces opposées convergentes et l'axe transverse central de l'entretoise, à l'intérieur des surfaces opposées convergentes, cet angle variant d'environ 65 ~ 80.
Un mode de réalisation préféré de la présente invention sera décrit ci-après avec référence aux dessins annexés, dans lesquels:
la figure 1 est une vue en coupe d~un câble élec-trique de type co-axial isolé par un gaz comprimé et incorpo-rant l'entretoise ~ profil composé suivant la présente invention, la figure 2 est une vue de profil, partiellement en coupe, du montage du conducteur dtessai;
la figure 3 est un graphique illustrant une famille de courbes de distribution du potentiel ~ l'interface gaz-dielectrique ( ~ ~ 90~:
la figure 4 est un graphique montrant une famille de courbes de distribution de potentiel à l'interface gaz-diélectrique (~ ~ 90), la figure 5 est un graphique montrant les variations de l~angle du cône optimum en fonction de r:
_3_ .
~3718~
la figure 6 est une vue en coupe montrant le profil d'une entxetoise connue en forme de disque;
la figure 7 est un graphique montrant la tenue diélectrique d'une entretoise en forme de disque sous des tensions ca;
la figure 8 est une vue en coupe montrant le profil d'une entretoise de forme conique;
la figure 9 est un graphique montrant la tenue diélectrique d'entretoises coniques conventionnelles et à
profil composite de la présente invention soumises à des tensions ca, la figure 10 est un graphique montrant la distri-bution de potentiel aux interfaces d'une entretoise de forme composite du cône de la présente invention et illustre également le profil de l'entretoise de forme composite;
la figure 11 est un graphique montrant une famille de courbes de distribution de potentiel aux interfaces gaz-diélectrique d'une entretoise de forme composite;
la figure 12 est un graphique montrant la tenue diélectrique d'entretoises soumises à des impulsions de manoeuvre; et la figure 13 est un graphique montrant la tenue diélectrique d'entretoises soumises aux impulsions de tension de la foudre.
Se référant à la figure 1, celle-ci est une vue en coupe d'un câble comportant un conducteur métallique tubulaire 10 localisé en face d'une gaine 11 et l'élément tubulaire et métallique. La position relative du conducteur 10 par rapport à la gaine 11 est assurée au moyen d'en~*etoises~d'isolation 12 équi-distantes les unes des autres le long du conducteur 10 1137~8~
Le conducteur 10 et la gaine 11 sont tous les deux constitués dtune pluralité de sections reliées entre elles bout-à-bout et où les entretoises de maintien 12 servent également de barrière gazeuse entre deux sections continues.
En service normal, le conducteur 10 est soumis ~
une haute tension alors que la gaine 11 est mise ~ la terre.
L'isolation diélectrique du câble est assurée au moyen d'un gaz 13, sous pression et de forte tenue diélectrique, tel que le SF6, et à l'aide des entretoises de maintien. Il est bien connu que si les entretoises 12 ne sont pas dessinées adéqua-tement, celles-ci peuvent affecter considérablement les caractéristiques diélectriques du c~ble isolé par gaz comprimé. De plus, les caractéristiques diélectriques des entretoises d'isolation 12 sont grandement dépendantes de la distribution du champ électrique et du potentiel le long des interfaces gaz-diélectriques 14, 15. Ces distributions peuvent différer considérablement de celles règnant à
l'intérieur du gaz 13. Des exemples typiques de telles courbes de distribution, calculées le long d'une interface gaz-diélectrique 14, 15, sont présentées aux Figures 3 et 4.
Les calculs ont été effectués en supposant une seule interface conique 14 pour diverses valeurs d'angleC du cône diélectri-que et en utilisant la méthode de simulation de charye suggérée par H. Singer, H. Steinbigler, P. Weiss, dans "A Chart Simulation Method For The Calculation Of High Voltage Field", IEEE Trans., Vol. PAS-93, Septembre/Octobre 1974, pages 1660-1668. La constante diélectrique relative ~r de 1'époxy fut prise comme étant ~r = 5 De plus, nous avons assumé que le quotient optimum entre 7e rayon ri du conducteur central 16 et le rayon rO de l'enveloppe 17 était égal à rO/ri = e = 2~718, lequel ~137184 assure une intensité nominale minimum de champ à la surface du conducteur central 16. On s t aperçoit que, en général, la distribution des champs ntest pas uniforme à ltinterface diélectrique. Pour de faibles valeurs dtangle ~ du cône diélectrique, on observe un accroissement du champ au voisinage de la jonction formée de 1 t enveloppe externe, de 1 t époxy et de SF6 (figure 3), alors que pour des grandes valeurs dtangle oC, l'accroissement du champ se produit près de la jonction interne conducteur-époxy-SF6. Une zone de transition peut ~tre définie pour des valeurs de <situées entre 55 et 80 o~ la distribution de champ à l'interface diélectrique-gaz est passablement uniforme.
On a découvert que la plage de ltangleo~ du cône diélectrique en vue d'une distribution de champ quasi-uniforme le long de l'interface diélectrique-gaz varie suivant la valeur de la constante diélectrique relative r de la résine époxy.
Ce fait est illustré à la figure 5 qui présente les variations de la plage maximum de l'angle ~ du cône diélectrique en fonction de la valeur de la constante diélectrique relative r. On note que les angles optimum croissent avec ~r et atteignent une plage limite o~ {se situe entre 65 et 85 pour de grandes valeurs de r.
Afin d'évaluer l'importance du profil des interfaces diélectrique-gaz 14,15 de l'entretoise relativement à la tenue diélectrique de cette dernière, une étude empirique fut effectuée sur deux configurations d'entretoise, celles-ci correspondant à
une entretoise de configuration en forme de disque et une conique, à ltaide de ltinstallation dtessais illustrée à la figure 2.
Le système conducteur sous essai consiste en un ~ 6-1137~84 conducteur co-axiai 15, de 2.54 centimètres et 7.0 centimètre de diamètre, comme montré à la fi~ure 2. Le conducteur central 16 et son enveloppe ou gaine 17 forme deux sections. Ces sections peuvent etre jointes l'une à l'autre pour former un conducteur d'essai de 60 centimètres de long, ou reliées à
une entretoise centrale en époxy 18 pour simuler une barrière gazeuse. Afin de minimiser l'lnfluence des extrémités, l'enveloppe est délimitée à chaque extrémité par un tore semi-circulaire 19 alors que le conducteur central est volontairement prolongé et se termine par une sphère 20 de 7.5 centimètres. On a également prévu de pourvoir le conducteur sous essais d'une surface miroir dont la rugosité
a été estimée inférieure ~ 10 micro-mètres suivant des rnesures de la tension de rupture.
On a alors comparé la tenue diélectrique de l'entre-toise de maintien 18 en évaluant la tension de régime critique du conducteur d~essai de 2.54/7.0 centimètres pourvu et non pourvu de l'entretoise 18. Des précautions particulères ont alors été prises afin d'assurer la meilleure tenue diélectrique intrins~que possible du système conducteur sans entretoise, lequel a servi de référence. Vu que la procédure d'optimisa-tion est basée sur un contrôle de la distribution du champ (reliée à des paramètres géométriques uniquement) à la surface de l'entretoise lorsque le profil de celle-ci est adéquatement façonn~, nous présumons bien que les résultats obtenus s'appliqueront néanmoins raisonnablement à des cables IGC
de plus grande dimension.
La figure 6 illustre une entretoise 21 en forme de disque, déjà connue~ ayant des interfaces ou surfaces opposées 22 présentant le même angle diélectrique conique. Il pourrait ~ -7-1~37~84 sembler que cette confi~uration soit la plus acceptable du point de vue de l'angle optimum défini plus haut. Toutefois, afin de minimiser le volume d'époxy de l'entretoise 21, l'angle du c8ne diélectrique devrait être au voisinage de 90 (voir l'axe 23~. Un angle optimum de c~O = 75 fût adopté, en considérant le fait que la constante diélectrique ~ r de la résine époxy est d'environ 5 ou plus. Plusieurs types d'entretoises 21 ont été moulées et vérifiées. Toute les entretoises 21 ont été moulées sur un anneau métallique 24 de 2.54 cm de diamètre suivant une méthode de vide partiel.
Le mélange époxé, fournit par CIBA-GEIGY Corp., était constitué de 1 pbw de résines bisphénoliques et hétérocycliques combinées, de 1 pbw d'un durcisseur et de 4 pbw d'un remplisseur tubulaire d'alumine, ce mélange étant le plus approprié dans le présent cas. A ce sujet, voir l'article de C. H. de Tourrail et H. Saint-Onge:
"Evaluation Of Epoxy Resin Formulation In SF6 Cable Spacer Materials", 1978,"IE~E International Symposium on Electrical Insulation,' Philadelphie, juin 1978.
Les résultats caractéristiques obtenus sont présentés à la figure 7 où sont comparées les tensions de tenue critique du conducteur d'essai avec et sans entretoises 21 ~ des pressions gazeuses allant jusqu'à 0.4 MPa. On note que la présence de l'entretoise 21 en époxy réduit de façon significative la tenue diélectrique du conducteur d'essai (courbes A,B). Sous la pression gazeuse nominale de 0.4 MPa, la tension de tenue critique est de seulement 130 kV rms, soit environ 55% de la tenue diélectrique intrinsèque du conducteur.
Un examen approfondi des traces laissées sur l'inter-face époxy par des ruptures successives survenues durant les 'P~
~ .
essais indiquent qu'un nombre considérable de ruptures ont été
amorcées ~ partir de la jonction 26 formée de 1'enveloppe externe, de l'époxy et du SF6. On peut attribuer un tel compor-tement de la rupture à l'uniformité de distribution du champ le long de l'interface 22 de l'entretoise. La jonction externe 26 possède donc une probabilité relativement plus grande d'amorce de décharge partielle et de rupture du gaz que la jonction interne 27, ce en raison d'une plus grande circonférence.
Une facon d'améliorer la tenue diélectrique de l'entretoise 21 consiste à réduire de façon artificielle l'intensité locale du champ aux jonctions métal-époxy-SF6, réduisant ainsi leur probabilité d'amorçage d'arcs électriques.
En pratique, on réalise cela au moyen d'implants métalliques 24 et 25 enchassés dans l'époxy près des jonctions, comme illustré ~ la figure 6. Un certain nombre d'entretoises 21 : en forme de disque et pourvues d'implants métalliques ont été
fabriqu~es et vérifiées. Les résultats recueillis (courbe C
de la figure 7) montrent la variation de la tension de tenue critique en fonction de la pression du gaz isolant. On note que l'insertion d'implants métalliques améliore considérablement la tenue diélectrique de l'entretoise. A 0.4 MPa, la tension de tenue critique est de 200 kV rms, soit 85% de la tenue diélectrique du conducteur.
Les résultats de d'autres iestS effectués avec des entretoises ne contenant que l'implant métallique externe 24 démontrent une amélioration pratiquement similaire de la tension de tenue critique. Cela indique l'importance du rôle que joue la ionction 26 enveloppe-époxy-SF6 dans l'amorçage d'arcs ~lectriques et montre la nécessité de contrôler l'intensité du champ local à cette jonction.
1~37~84 La bonne tenue diélectrique des entretoises en forme de disque 21 est due à la distribution uniforme du champ le long des interfaces de l'entretoise et au contr81e de 1 J inten-sité locale du champ aux jonctions métal-époxy-SF6 au moyen des implants métalliques. Le facteur principal qui affecte les entretoises connues en forme de disque est la courte distance de fuite qui, à l'angle optimum cXo = 75 du cône diélectrique, ne représente que 1.04 fois l'espace radial 28 du milieu gazeux. Comme illustré à la figure 8, ce désavantage n'existe pas avec les entretoises connues 30 de forme conique où la distance de fuite (lSinterface 31) peut être augmentée considérablement par rapport à lSespace radial du milieu gazeux. Dans ce dernier cas, on retrouve toutefois des angles non-optimum du cône diélectrique ce qui produit une distribu-tion non-uniforme du champ le long des interfaces époxy-gaz 31.
Dans le but d'évaluer l'effet positif d'une augmen-tation de la distance de fuite quant à l'amélioration de la tenue diélectrique des entretoises en époxy, plusieurs entre-toises de forme conique 30 ont été faconnées et vérifiées.
Ltangle conique de 30 fournit aux entretoises une distance de fuite qui est le double de l'espace radial. En raison du parallélisme des interfaces 31 des entretoises 30, l'angle o~
du cône diélectrique n'est pas le même aux deux interfaces 31, dans ce cas, il est de 30 et de 150 aux interfaces supérieure et inférieure respectivement. Se rapportant aux résultats des figures 3 et 4, on note un accroissement dans la distribution du champ près de la jonction enveloppe-époxy-SF6 à l'interface supérieure 32 ainsi qu'au voisinage de la jonction conducteur-époxy-SF6 à l'interface inférîeure 33.
La figure 9 illustre des variations typiques de la ,j~`. ~
, ~ ~
~, .. .
`` ~13718~
tension de tenue d'entretoises coniques en fonction de la pression du gaz et comparativement à la tenue diélectrique intrinsèque du conducteur d'essai. On remarque que, en dépit d'une distance de fuite plus importante, la tension de tenue critique des entretoises coniques n'est que de 100 kV à 0.4 MPa, soit environ 43% de la tenue diélectrique du conducteur sans entretoise.
Un examen des traces laissées par des arcs électri-ques successifs durant le test, montre que tous les arcs se sont produits le long de l'interface inférieure des entretoises, à partir des deux jonctions métal-époxy-SF6. Il appert que la distribution non-uniforme du champ le long des interfaces 31 de l'entretoise et le contact inadéquat de la jonction enveloppe-époxy-SF6 soient responsables de la faible tension de tenue critique des entretoises coniques. De nombreuses tentatives furent effectuées afin d'améliorer la tenue diélec-trique, incluant l'utilisant d'implants métalliques et la modification de l'angle de contact pres de la jonction comme montré par les lignes pointillées de la figure 8. L'améliora-tion réalisée (courbe C de la figure 9) est notable maisdemeure néanmoins marginale lorsque comparée à la tenue dié-lectrique déjà obtenue avec les entretoises en forme de disque.
On peut donc énoncer les conclusions suivantes:
- l'augmentation de la distance de fuite d~un profil conique non-optimum n'est pas pour autant compensée par la distribution non-uniforme du champ à llinterface di~lectri-que-gaz:
- le faible angle de contact aux jonctions réduit l'efficacité de la protect.ion de l'implant métallique, car situé trop loin de la jonction à protéger.
. ~ . .
', - - . ~
~37~84 La présente invention contourne les inconvénients de lSart antérieur mentionné plus haut préconisant une entre-toise 35 de forme conique composée, illustrée à la figure 10, et un profil modifié de l'angle de contact aux jonctions métal-époxy-SF6 36 et 37. Ces améliorations agissent de façon favo-rable non seulement sur l'uniformité de distribution du champ mais également sur l'efficacité de protection de l'implant métallique 38 localisé à la jonction qui a été rapprochée de l'implant. Le profil résultant n'a plus la forme purement conique de la figure 8. On a effectué des calculs de champ poussés relativement à ces profils composés 35, en assumant une seule interface diélectrique-gaz 39. Des résultats typi-ques sont présentés à la fi.gure 11 sur laquelle sont comparées des distributions de potentiel calculé suivant des profils composés (courbe C,D,E). Pour fin de comparaison, on a égale-ment présenté des distributions radiales de champ dans le yaz, suivant une interface en forme de disque optimisée, et un profil conique à 30 (les courbes A,B,F). On relève les observations suivantes:
- on réalise une amélioration sensible de l'unifor-mité de distribution du champ le long du profil de forme compo-sée (courbe C,D) comparativement au profil conique (courbe F), - le meilleur résultat est obtenu lorsque l'angle de contact est égal à la valeur optimum ~ O = 75 (courbe C).
La distributlon du champ près du conducteur central est alors comparable~ quoique d~intensité légèrement supérieure, au champ le long d'une interface optimum en forme de disque, - une efficacité de protection améliorée à la jonctiGn enveloppe-époxy-SF6 40 au moyen d'un angle d~ contact de 90~ (courbe E) est associée à un accroissement de l'inten-. . ,j.~
~ -12-~1371E~4 sité du champ local le long du profil de forme composée comparativement à l'interface conique (courbe F). Toutefois, l'intensité du champ est comparable à l'intensité du champ à
l~intérieur de l~espace du milieu gazeux (courbe A,E).
Le profil de forme composée s'avère donc un compromis '~ très valable que rallien~ les avantages d'une distribution uni-forme de champ du profil optimum en forme de disque de la figure 6 à celui de la distance de fuite de l'interface conique de la figure 8~ La configuration de l'entretoise 35 comporte une section centrale optimurn en forme de disque 41 dans la première partie du support et une secti,on externe en forme de cone 42 ayant un profil composé dans la partie restante du support. On a effectué des calculs de champ afin dlévaluer les effets sur la distribution de potentiel le long du profil composé en ce qui regarde:
- les proportions relatives des sections en forme de disque et en forme de c~ne 41 et 42, et - le profil de transition reliant ces deux sections 41 et 42.
On obtient de meilleurs résultats lorsque la section ~1 en forme de disque s'étend à 1/3 de l'espace gazeux et lorsque la transition entre les deux sections possède un profil sinusoidal, comme illustré à la figure 10. Avec un angle de la section conique de 30, l'entretoise de forme composée possède une distance de fuite d'environ 1.75 fois ltespace radial gazeux. La f'igure 19 montre les résultats des calculs de champ effectués pour la nouvelle configuration de l'entretoise 35, cette figure 10 compare les distributions de potentiel le long des interfaces de l~entretoise aux distributions radiales ~., 1~37~84 de champ dans le gaz (courbe A) et le long d'un profil optimum en forme de disque (courbe B). On peut faire les observations suivantes:
- au voisinage des jonctions métal-époxy-SF6 36 et 37, la distribution de champ est quasi uniforme e~ comparable au champ le long d'un profil optimum en forme de disque;
- la section conique 42 constitue une zone où
l'intensité du champ est particulièrement faible - dû a l'intensité du champ tangentiel le long du disque, et, en particulier le long des sections coniques, qui est inférieur au champ radial dans lJespace gazeux, il est peu probable qu'un arc électrique soit généré à partir de la jonc-tion conducteur-époxy-SF6 36, ou soit propagé le long des inter-faces 39 de l'entretoise;
- l'accroissement du champ aux jonctions enveloppe-époxy-SF6 37 peut produire des arcs électriques générés à
partir de ces jonctions, mais on peut prévenir ce cas au moyen d'implants métalliques 38, comme il a déjà été démontré dans le cas des entretoises en forme de disque.
On a faconné deux entretoises de forme composée, une sans implant 38 et l'autre pourvue d'un implant, et les deux ont été soumis à des essais. Les résultats sont compilés à la figure 9. On note que sans implant métallique la tenue diélec-trique de l'entretoise est légèrement inférieure à la tenue diélectrique intrinsèque du conducteur d'essai (les courbes A et d)~ Grâce à l'insertion de l'implant métallique, la tension de tenue critique de l'entretoise est augmentée au niveau du conducteur d'essai sans entretoise, pour toutes les pressions de gaz allant jusqu~à 0.4 MPa (courbe A,E).
. ~
1~37~8~
L t examen des traces laissées par des arcs successives survenant durant l'essai montre que les arcs - électriques apparaissent à différents points de la surface du conducteur. Parmi 50 arcs exécutés, la trace d'un seul a pu être identifiée comme ayant été généré à partir de la jonction externe et être propagé le long d'une partie seulement de l'interface inférieure de l'entretoise; cet arc avait fort probablement traversé l'espace gazeux 43.
Pour bien évaluer la configuration de l'entretoise de la présente invention au regard des entretoises en forme de disque connues, on a effectué une série d'essais afin de déterminer la tension de tenue critique d'un système conducteur avec et sans entretoises dans des conditions d'enclenchement normal et d'impulsions dues à la foudre. On a étudié deux configurations d'entretoises, une entretoise optimum en forme de disque et une entretoise de forme composée, les deux étant équipées d'implants métalliques pour assurer les meilleurs performances possibles. Les figures 12 et 13 illustrent respectivement les résultats obtenus pour des tensions d'impulsions de manoeuvre et dues à la foudre. On note ce qui suit:
- les impulsions positives présentent des tensions de tenue de valeur supérieure aux impulsions négatives. Cet effet de polarité est particulièrement prononcé a des pressions de gaz élevées, - la tenue diélectrique de deux configurations d'entretoises soumises à des tensions d'impulsions est comparable à la tenue intrins~que du système conducteur sans entretoise s. ~
1~37184 En raison des modes de réalisations de la présente invention décrits ci-haut, il est bien évident que l'entre-toise d'isolation de type séparateur de gaz 12 façonné suivant le profil composé 35 de conception particulière de la présente invention possède et acquiert une tenue diélectrique exceptionnelle. Le profil composé 35 peut être incorporé
~ tout profilé exlstant,d'~ntreto~ses de maintien afin d t améliorer la performance intrinsèque de ces dernières et de celles du câble isolé à l'aide de gaz comprimé (figure 1).
En conclusion, on peut affirmer ce qui suit à partir de l'étude d'optimisation du profil de l'entretoise à époxy de la présente invention utilisée dans les câbles avec isolation au SF6 comprimé.
1. Pour les interfaces coniques simples, il est possible de définir une plage d'angle optimal en fonction de la constante diélectrique relative ~r de l'époxy. A des valeurs pratiques de ~r' 5 et plus, l'angle optimal du cône diélectrique se situe entre 65~ et 80.
La présente invention a trait à une entretoise et concerne plus particulièrement une entretoise à profil façonné
pour maintenir un conducteur central sensiblement concentrique à une enveloppe conductrice externe, formant un c~ble électri-que de type coaxial isolé par un gaz comprimé (IGC), laquelle entretoise possède une distribution de champ généralement uniforme et une intensité de champ faible sur les faces opposées.
Le développement rapide de la technologie des câbles isolés au gaz comprimé et d'équipements de commutation offre une alternative intéressante au problème de fourniture d'éner-gie aux zones urbaines importantes en permettant le transport par voie souterraine d~énergie électrique de 500 kV et plus.
On a observé que plusieurs facteurs affectent la tenue diélec-trique des câbles IGC: l'état de la surface de l'électrode, la contamination par particules et la présence d t entretoiges diélectriques. Ce dernier facteur est d'une importance par-ticulière puisque les entretoises diélectriques solides sont parties intégrantes des cables, on doit donc porter une attention particulière au dessin de ces entretoises afin de minimiser la détérioration de la tenue diélectrique de ce type de câbles.
Depuis quelques années déjà, de nombreuses études ont été effectuées sur des c~bles ~ haute tension avec isola-tion au SF6 comprimé, ces études ayant mené à des calculs poussés des champs générés. Malgré cela, les critères dtop-timisation varient considérablement de sorte que l'on est loin d'une configuration universelle en ce qui regarde, entre autres, les entretoises de type à époxy, comme l'illustre bien le grand nombre de configuration de ce type d'entretoises présentement sur le marché.
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La présente invention vise ~ améliorer la tenue diélectrique d'entretoises à époxy en fa~onnant adéquatement les interfaces gaz-diélectrique. De facon plus particulièreg l'invention est avantageusement utilisée dans le domaine des câbles coaxiaux, d'usage très répandu en très haute tension, et dans celui des entretoises de type séparateur de gaz.
Une étude théorique en vue d'optimiser le profil de l'entre-toise, en vue de calculer et de déterminer la distribution du potentiel et du champ à l'interface de l'entretoise, fut entreprise. Les résultats de cette étude furent vérifiés expérimentalement à l'aide d'essais sur un conducteur coaxial de 2.54/7.0 cm, où la tenue diélectrique d'un conducteur avec entretoise fut comparée à la tenue intrinsèque d'un conducteur sans entretoise.
En raison de la discontinuité diélectrique intro-duite par l'entretoise à époxy dans l'espace compris entre le conducteur central et son enveloppe, la distribution du potentiel et du charnp sur et près de la surface de llentre-toise n'est pas identique à celle dans l'espace gazeux. Une définition adéquate de la distribution de potentiel et de champ à la surface de l'entretoise est donc essentielle à une optimisation du profil de l'entretoise. Cela fut réalisé
théoriquernent en utilisant une méthode de calcul par simula-tion de charge. Une brève description de cette méthode d'estimation est donnée dans le présent texte.
En raison de ce qui précède, la présente invention vise généralement une entretoise. L'entretoise comporte une stru~ture de profil composé constitué d'un matériau électrique-ment isolant et destiné ~ maintenir un conducteur central sensiblement concentrique à une enveloppe tubulaire externe La structure possède une configuration en forme de disque .~' ~3~184 dans une première section de maintien qui vient slappuyer directement sur le conducteur central de sorte à obtenir un champ sensiblement uniforme sur cette première section de maintien. La section en forme de disque possède des surfaces opposées convergentes qui s'étendent de façon-sensiblement symmétrique le long de la première section de maintien. La structure présente en outre une configuration conique dans une section de maintien restante qui s'étend jusqu'à
l'enveloppe externe de sorte à obtenir un champ de faible intensité sur les surfaces opposées de l'entretoise dans la section de maintien restante. Un angle de contact est situé
entre chacune des surfaces opposées convergentes et l'axe transverse central de l'entretoise, à l'intérieur des surfaces opposées convergentes, cet angle variant d'environ 65 ~ 80.
Un mode de réalisation préféré de la présente invention sera décrit ci-après avec référence aux dessins annexés, dans lesquels:
la figure 1 est une vue en coupe d~un câble élec-trique de type co-axial isolé par un gaz comprimé et incorpo-rant l'entretoise ~ profil composé suivant la présente invention, la figure 2 est une vue de profil, partiellement en coupe, du montage du conducteur dtessai;
la figure 3 est un graphique illustrant une famille de courbes de distribution du potentiel ~ l'interface gaz-dielectrique ( ~ ~ 90~:
la figure 4 est un graphique montrant une famille de courbes de distribution de potentiel à l'interface gaz-diélectrique (~ ~ 90), la figure 5 est un graphique montrant les variations de l~angle du cône optimum en fonction de r:
_3_ .
~3718~
la figure 6 est une vue en coupe montrant le profil d'une entxetoise connue en forme de disque;
la figure 7 est un graphique montrant la tenue diélectrique d'une entretoise en forme de disque sous des tensions ca;
la figure 8 est une vue en coupe montrant le profil d'une entretoise de forme conique;
la figure 9 est un graphique montrant la tenue diélectrique d'entretoises coniques conventionnelles et à
profil composite de la présente invention soumises à des tensions ca, la figure 10 est un graphique montrant la distri-bution de potentiel aux interfaces d'une entretoise de forme composite du cône de la présente invention et illustre également le profil de l'entretoise de forme composite;
la figure 11 est un graphique montrant une famille de courbes de distribution de potentiel aux interfaces gaz-diélectrique d'une entretoise de forme composite;
la figure 12 est un graphique montrant la tenue diélectrique d'entretoises soumises à des impulsions de manoeuvre; et la figure 13 est un graphique montrant la tenue diélectrique d'entretoises soumises aux impulsions de tension de la foudre.
Se référant à la figure 1, celle-ci est une vue en coupe d'un câble comportant un conducteur métallique tubulaire 10 localisé en face d'une gaine 11 et l'élément tubulaire et métallique. La position relative du conducteur 10 par rapport à la gaine 11 est assurée au moyen d'en~*etoises~d'isolation 12 équi-distantes les unes des autres le long du conducteur 10 1137~8~
Le conducteur 10 et la gaine 11 sont tous les deux constitués dtune pluralité de sections reliées entre elles bout-à-bout et où les entretoises de maintien 12 servent également de barrière gazeuse entre deux sections continues.
En service normal, le conducteur 10 est soumis ~
une haute tension alors que la gaine 11 est mise ~ la terre.
L'isolation diélectrique du câble est assurée au moyen d'un gaz 13, sous pression et de forte tenue diélectrique, tel que le SF6, et à l'aide des entretoises de maintien. Il est bien connu que si les entretoises 12 ne sont pas dessinées adéqua-tement, celles-ci peuvent affecter considérablement les caractéristiques diélectriques du c~ble isolé par gaz comprimé. De plus, les caractéristiques diélectriques des entretoises d'isolation 12 sont grandement dépendantes de la distribution du champ électrique et du potentiel le long des interfaces gaz-diélectriques 14, 15. Ces distributions peuvent différer considérablement de celles règnant à
l'intérieur du gaz 13. Des exemples typiques de telles courbes de distribution, calculées le long d'une interface gaz-diélectrique 14, 15, sont présentées aux Figures 3 et 4.
Les calculs ont été effectués en supposant une seule interface conique 14 pour diverses valeurs d'angleC du cône diélectri-que et en utilisant la méthode de simulation de charye suggérée par H. Singer, H. Steinbigler, P. Weiss, dans "A Chart Simulation Method For The Calculation Of High Voltage Field", IEEE Trans., Vol. PAS-93, Septembre/Octobre 1974, pages 1660-1668. La constante diélectrique relative ~r de 1'époxy fut prise comme étant ~r = 5 De plus, nous avons assumé que le quotient optimum entre 7e rayon ri du conducteur central 16 et le rayon rO de l'enveloppe 17 était égal à rO/ri = e = 2~718, lequel ~137184 assure une intensité nominale minimum de champ à la surface du conducteur central 16. On s t aperçoit que, en général, la distribution des champs ntest pas uniforme à ltinterface diélectrique. Pour de faibles valeurs dtangle ~ du cône diélectrique, on observe un accroissement du champ au voisinage de la jonction formée de 1 t enveloppe externe, de 1 t époxy et de SF6 (figure 3), alors que pour des grandes valeurs dtangle oC, l'accroissement du champ se produit près de la jonction interne conducteur-époxy-SF6. Une zone de transition peut ~tre définie pour des valeurs de <situées entre 55 et 80 o~ la distribution de champ à l'interface diélectrique-gaz est passablement uniforme.
On a découvert que la plage de ltangleo~ du cône diélectrique en vue d'une distribution de champ quasi-uniforme le long de l'interface diélectrique-gaz varie suivant la valeur de la constante diélectrique relative r de la résine époxy.
Ce fait est illustré à la figure 5 qui présente les variations de la plage maximum de l'angle ~ du cône diélectrique en fonction de la valeur de la constante diélectrique relative r. On note que les angles optimum croissent avec ~r et atteignent une plage limite o~ {se situe entre 65 et 85 pour de grandes valeurs de r.
Afin d'évaluer l'importance du profil des interfaces diélectrique-gaz 14,15 de l'entretoise relativement à la tenue diélectrique de cette dernière, une étude empirique fut effectuée sur deux configurations d'entretoise, celles-ci correspondant à
une entretoise de configuration en forme de disque et une conique, à ltaide de ltinstallation dtessais illustrée à la figure 2.
Le système conducteur sous essai consiste en un ~ 6-1137~84 conducteur co-axiai 15, de 2.54 centimètres et 7.0 centimètre de diamètre, comme montré à la fi~ure 2. Le conducteur central 16 et son enveloppe ou gaine 17 forme deux sections. Ces sections peuvent etre jointes l'une à l'autre pour former un conducteur d'essai de 60 centimètres de long, ou reliées à
une entretoise centrale en époxy 18 pour simuler une barrière gazeuse. Afin de minimiser l'lnfluence des extrémités, l'enveloppe est délimitée à chaque extrémité par un tore semi-circulaire 19 alors que le conducteur central est volontairement prolongé et se termine par une sphère 20 de 7.5 centimètres. On a également prévu de pourvoir le conducteur sous essais d'une surface miroir dont la rugosité
a été estimée inférieure ~ 10 micro-mètres suivant des rnesures de la tension de rupture.
On a alors comparé la tenue diélectrique de l'entre-toise de maintien 18 en évaluant la tension de régime critique du conducteur d~essai de 2.54/7.0 centimètres pourvu et non pourvu de l'entretoise 18. Des précautions particulères ont alors été prises afin d'assurer la meilleure tenue diélectrique intrins~que possible du système conducteur sans entretoise, lequel a servi de référence. Vu que la procédure d'optimisa-tion est basée sur un contrôle de la distribution du champ (reliée à des paramètres géométriques uniquement) à la surface de l'entretoise lorsque le profil de celle-ci est adéquatement façonn~, nous présumons bien que les résultats obtenus s'appliqueront néanmoins raisonnablement à des cables IGC
de plus grande dimension.
La figure 6 illustre une entretoise 21 en forme de disque, déjà connue~ ayant des interfaces ou surfaces opposées 22 présentant le même angle diélectrique conique. Il pourrait ~ -7-1~37~84 sembler que cette confi~uration soit la plus acceptable du point de vue de l'angle optimum défini plus haut. Toutefois, afin de minimiser le volume d'époxy de l'entretoise 21, l'angle du c8ne diélectrique devrait être au voisinage de 90 (voir l'axe 23~. Un angle optimum de c~O = 75 fût adopté, en considérant le fait que la constante diélectrique ~ r de la résine époxy est d'environ 5 ou plus. Plusieurs types d'entretoises 21 ont été moulées et vérifiées. Toute les entretoises 21 ont été moulées sur un anneau métallique 24 de 2.54 cm de diamètre suivant une méthode de vide partiel.
Le mélange époxé, fournit par CIBA-GEIGY Corp., était constitué de 1 pbw de résines bisphénoliques et hétérocycliques combinées, de 1 pbw d'un durcisseur et de 4 pbw d'un remplisseur tubulaire d'alumine, ce mélange étant le plus approprié dans le présent cas. A ce sujet, voir l'article de C. H. de Tourrail et H. Saint-Onge:
"Evaluation Of Epoxy Resin Formulation In SF6 Cable Spacer Materials", 1978,"IE~E International Symposium on Electrical Insulation,' Philadelphie, juin 1978.
Les résultats caractéristiques obtenus sont présentés à la figure 7 où sont comparées les tensions de tenue critique du conducteur d'essai avec et sans entretoises 21 ~ des pressions gazeuses allant jusqu'à 0.4 MPa. On note que la présence de l'entretoise 21 en époxy réduit de façon significative la tenue diélectrique du conducteur d'essai (courbes A,B). Sous la pression gazeuse nominale de 0.4 MPa, la tension de tenue critique est de seulement 130 kV rms, soit environ 55% de la tenue diélectrique intrinsèque du conducteur.
Un examen approfondi des traces laissées sur l'inter-face époxy par des ruptures successives survenues durant les 'P~
~ .
essais indiquent qu'un nombre considérable de ruptures ont été
amorcées ~ partir de la jonction 26 formée de 1'enveloppe externe, de l'époxy et du SF6. On peut attribuer un tel compor-tement de la rupture à l'uniformité de distribution du champ le long de l'interface 22 de l'entretoise. La jonction externe 26 possède donc une probabilité relativement plus grande d'amorce de décharge partielle et de rupture du gaz que la jonction interne 27, ce en raison d'une plus grande circonférence.
Une facon d'améliorer la tenue diélectrique de l'entretoise 21 consiste à réduire de façon artificielle l'intensité locale du champ aux jonctions métal-époxy-SF6, réduisant ainsi leur probabilité d'amorçage d'arcs électriques.
En pratique, on réalise cela au moyen d'implants métalliques 24 et 25 enchassés dans l'époxy près des jonctions, comme illustré ~ la figure 6. Un certain nombre d'entretoises 21 : en forme de disque et pourvues d'implants métalliques ont été
fabriqu~es et vérifiées. Les résultats recueillis (courbe C
de la figure 7) montrent la variation de la tension de tenue critique en fonction de la pression du gaz isolant. On note que l'insertion d'implants métalliques améliore considérablement la tenue diélectrique de l'entretoise. A 0.4 MPa, la tension de tenue critique est de 200 kV rms, soit 85% de la tenue diélectrique du conducteur.
Les résultats de d'autres iestS effectués avec des entretoises ne contenant que l'implant métallique externe 24 démontrent une amélioration pratiquement similaire de la tension de tenue critique. Cela indique l'importance du rôle que joue la ionction 26 enveloppe-époxy-SF6 dans l'amorçage d'arcs ~lectriques et montre la nécessité de contrôler l'intensité du champ local à cette jonction.
1~37~84 La bonne tenue diélectrique des entretoises en forme de disque 21 est due à la distribution uniforme du champ le long des interfaces de l'entretoise et au contr81e de 1 J inten-sité locale du champ aux jonctions métal-époxy-SF6 au moyen des implants métalliques. Le facteur principal qui affecte les entretoises connues en forme de disque est la courte distance de fuite qui, à l'angle optimum cXo = 75 du cône diélectrique, ne représente que 1.04 fois l'espace radial 28 du milieu gazeux. Comme illustré à la figure 8, ce désavantage n'existe pas avec les entretoises connues 30 de forme conique où la distance de fuite (lSinterface 31) peut être augmentée considérablement par rapport à lSespace radial du milieu gazeux. Dans ce dernier cas, on retrouve toutefois des angles non-optimum du cône diélectrique ce qui produit une distribu-tion non-uniforme du champ le long des interfaces époxy-gaz 31.
Dans le but d'évaluer l'effet positif d'une augmen-tation de la distance de fuite quant à l'amélioration de la tenue diélectrique des entretoises en époxy, plusieurs entre-toises de forme conique 30 ont été faconnées et vérifiées.
Ltangle conique de 30 fournit aux entretoises une distance de fuite qui est le double de l'espace radial. En raison du parallélisme des interfaces 31 des entretoises 30, l'angle o~
du cône diélectrique n'est pas le même aux deux interfaces 31, dans ce cas, il est de 30 et de 150 aux interfaces supérieure et inférieure respectivement. Se rapportant aux résultats des figures 3 et 4, on note un accroissement dans la distribution du champ près de la jonction enveloppe-époxy-SF6 à l'interface supérieure 32 ainsi qu'au voisinage de la jonction conducteur-époxy-SF6 à l'interface inférîeure 33.
La figure 9 illustre des variations typiques de la ,j~`. ~
, ~ ~
~, .. .
`` ~13718~
tension de tenue d'entretoises coniques en fonction de la pression du gaz et comparativement à la tenue diélectrique intrinsèque du conducteur d'essai. On remarque que, en dépit d'une distance de fuite plus importante, la tension de tenue critique des entretoises coniques n'est que de 100 kV à 0.4 MPa, soit environ 43% de la tenue diélectrique du conducteur sans entretoise.
Un examen des traces laissées par des arcs électri-ques successifs durant le test, montre que tous les arcs se sont produits le long de l'interface inférieure des entretoises, à partir des deux jonctions métal-époxy-SF6. Il appert que la distribution non-uniforme du champ le long des interfaces 31 de l'entretoise et le contact inadéquat de la jonction enveloppe-époxy-SF6 soient responsables de la faible tension de tenue critique des entretoises coniques. De nombreuses tentatives furent effectuées afin d'améliorer la tenue diélec-trique, incluant l'utilisant d'implants métalliques et la modification de l'angle de contact pres de la jonction comme montré par les lignes pointillées de la figure 8. L'améliora-tion réalisée (courbe C de la figure 9) est notable maisdemeure néanmoins marginale lorsque comparée à la tenue dié-lectrique déjà obtenue avec les entretoises en forme de disque.
On peut donc énoncer les conclusions suivantes:
- l'augmentation de la distance de fuite d~un profil conique non-optimum n'est pas pour autant compensée par la distribution non-uniforme du champ à llinterface di~lectri-que-gaz:
- le faible angle de contact aux jonctions réduit l'efficacité de la protect.ion de l'implant métallique, car situé trop loin de la jonction à protéger.
. ~ . .
', - - . ~
~37~84 La présente invention contourne les inconvénients de lSart antérieur mentionné plus haut préconisant une entre-toise 35 de forme conique composée, illustrée à la figure 10, et un profil modifié de l'angle de contact aux jonctions métal-époxy-SF6 36 et 37. Ces améliorations agissent de façon favo-rable non seulement sur l'uniformité de distribution du champ mais également sur l'efficacité de protection de l'implant métallique 38 localisé à la jonction qui a été rapprochée de l'implant. Le profil résultant n'a plus la forme purement conique de la figure 8. On a effectué des calculs de champ poussés relativement à ces profils composés 35, en assumant une seule interface diélectrique-gaz 39. Des résultats typi-ques sont présentés à la fi.gure 11 sur laquelle sont comparées des distributions de potentiel calculé suivant des profils composés (courbe C,D,E). Pour fin de comparaison, on a égale-ment présenté des distributions radiales de champ dans le yaz, suivant une interface en forme de disque optimisée, et un profil conique à 30 (les courbes A,B,F). On relève les observations suivantes:
- on réalise une amélioration sensible de l'unifor-mité de distribution du champ le long du profil de forme compo-sée (courbe C,D) comparativement au profil conique (courbe F), - le meilleur résultat est obtenu lorsque l'angle de contact est égal à la valeur optimum ~ O = 75 (courbe C).
La distributlon du champ près du conducteur central est alors comparable~ quoique d~intensité légèrement supérieure, au champ le long d'une interface optimum en forme de disque, - une efficacité de protection améliorée à la jonctiGn enveloppe-époxy-SF6 40 au moyen d'un angle d~ contact de 90~ (courbe E) est associée à un accroissement de l'inten-. . ,j.~
~ -12-~1371E~4 sité du champ local le long du profil de forme composée comparativement à l'interface conique (courbe F). Toutefois, l'intensité du champ est comparable à l'intensité du champ à
l~intérieur de l~espace du milieu gazeux (courbe A,E).
Le profil de forme composée s'avère donc un compromis '~ très valable que rallien~ les avantages d'une distribution uni-forme de champ du profil optimum en forme de disque de la figure 6 à celui de la distance de fuite de l'interface conique de la figure 8~ La configuration de l'entretoise 35 comporte une section centrale optimurn en forme de disque 41 dans la première partie du support et une secti,on externe en forme de cone 42 ayant un profil composé dans la partie restante du support. On a effectué des calculs de champ afin dlévaluer les effets sur la distribution de potentiel le long du profil composé en ce qui regarde:
- les proportions relatives des sections en forme de disque et en forme de c~ne 41 et 42, et - le profil de transition reliant ces deux sections 41 et 42.
On obtient de meilleurs résultats lorsque la section ~1 en forme de disque s'étend à 1/3 de l'espace gazeux et lorsque la transition entre les deux sections possède un profil sinusoidal, comme illustré à la figure 10. Avec un angle de la section conique de 30, l'entretoise de forme composée possède une distance de fuite d'environ 1.75 fois ltespace radial gazeux. La f'igure 19 montre les résultats des calculs de champ effectués pour la nouvelle configuration de l'entretoise 35, cette figure 10 compare les distributions de potentiel le long des interfaces de l~entretoise aux distributions radiales ~., 1~37~84 de champ dans le gaz (courbe A) et le long d'un profil optimum en forme de disque (courbe B). On peut faire les observations suivantes:
- au voisinage des jonctions métal-époxy-SF6 36 et 37, la distribution de champ est quasi uniforme e~ comparable au champ le long d'un profil optimum en forme de disque;
- la section conique 42 constitue une zone où
l'intensité du champ est particulièrement faible - dû a l'intensité du champ tangentiel le long du disque, et, en particulier le long des sections coniques, qui est inférieur au champ radial dans lJespace gazeux, il est peu probable qu'un arc électrique soit généré à partir de la jonc-tion conducteur-époxy-SF6 36, ou soit propagé le long des inter-faces 39 de l'entretoise;
- l'accroissement du champ aux jonctions enveloppe-époxy-SF6 37 peut produire des arcs électriques générés à
partir de ces jonctions, mais on peut prévenir ce cas au moyen d'implants métalliques 38, comme il a déjà été démontré dans le cas des entretoises en forme de disque.
On a faconné deux entretoises de forme composée, une sans implant 38 et l'autre pourvue d'un implant, et les deux ont été soumis à des essais. Les résultats sont compilés à la figure 9. On note que sans implant métallique la tenue diélec-trique de l'entretoise est légèrement inférieure à la tenue diélectrique intrinsèque du conducteur d'essai (les courbes A et d)~ Grâce à l'insertion de l'implant métallique, la tension de tenue critique de l'entretoise est augmentée au niveau du conducteur d'essai sans entretoise, pour toutes les pressions de gaz allant jusqu~à 0.4 MPa (courbe A,E).
. ~
1~37~8~
L t examen des traces laissées par des arcs successives survenant durant l'essai montre que les arcs - électriques apparaissent à différents points de la surface du conducteur. Parmi 50 arcs exécutés, la trace d'un seul a pu être identifiée comme ayant été généré à partir de la jonction externe et être propagé le long d'une partie seulement de l'interface inférieure de l'entretoise; cet arc avait fort probablement traversé l'espace gazeux 43.
Pour bien évaluer la configuration de l'entretoise de la présente invention au regard des entretoises en forme de disque connues, on a effectué une série d'essais afin de déterminer la tension de tenue critique d'un système conducteur avec et sans entretoises dans des conditions d'enclenchement normal et d'impulsions dues à la foudre. On a étudié deux configurations d'entretoises, une entretoise optimum en forme de disque et une entretoise de forme composée, les deux étant équipées d'implants métalliques pour assurer les meilleurs performances possibles. Les figures 12 et 13 illustrent respectivement les résultats obtenus pour des tensions d'impulsions de manoeuvre et dues à la foudre. On note ce qui suit:
- les impulsions positives présentent des tensions de tenue de valeur supérieure aux impulsions négatives. Cet effet de polarité est particulièrement prononcé a des pressions de gaz élevées, - la tenue diélectrique de deux configurations d'entretoises soumises à des tensions d'impulsions est comparable à la tenue intrins~que du système conducteur sans entretoise s. ~
1~37184 En raison des modes de réalisations de la présente invention décrits ci-haut, il est bien évident que l'entre-toise d'isolation de type séparateur de gaz 12 façonné suivant le profil composé 35 de conception particulière de la présente invention possède et acquiert une tenue diélectrique exceptionnelle. Le profil composé 35 peut être incorporé
~ tout profilé exlstant,d'~ntreto~ses de maintien afin d t améliorer la performance intrinsèque de ces dernières et de celles du câble isolé à l'aide de gaz comprimé (figure 1).
En conclusion, on peut affirmer ce qui suit à partir de l'étude d'optimisation du profil de l'entretoise à époxy de la présente invention utilisée dans les câbles avec isolation au SF6 comprimé.
1. Pour les interfaces coniques simples, il est possible de définir une plage d'angle optimal en fonction de la constante diélectrique relative ~r de l'époxy. A des valeurs pratiques de ~r' 5 et plus, l'angle optimal du cône diélectrique se situe entre 65~ et 80.
2. Les implants métalliques insérés dans l'époxy peuvent produire un effet bénéfique lorsque situés près de la jonction métal-époxy-SF6 puisqu'ils réduisent de fa,con artificielle l'intensité locale du champ à ces jonctions.
3. La meilleure tenue ac obtenue avec l'entretoise en forme de disque est d'environ 85% de la tenue diélectrique intrinsèque du conducteur d'essai sans entretoise à une pression gazeuse nominale de 0.4 MPa.
4. Avec les entretoises coniques, l'avantage d'une distance de fuite accrue est plus que compensé par l'effet nuisible de distribution non-uniforme du champ le long des interfaces de l'entretoise, à l'interface inférieure en parti-culier.
~'~1 ,~;
~l~37~18~
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5. L'entretoise de forme composée préconisée demeure un bon compromis qui combine l'avantage de la distribution uniforme du champ d'un profil en forme de disque à celui d'un champ tangentiel très faible le long d'un profil conique dû à sa distance de fuite étendue.
6. Les résultats expérimentaux obtenus avec les entre-toises de forme composée indiquent que celles-ci possèdent une tenue diélectrique ac comparable à la tenue diélectrique intrinsèque du conducteur d'essai.
70 Lorsque soumis à des impulsions de tension, les entretoises en forme de disque et les entretoises composées présentent toutes deux une tenue diélectrique comparable à
celle d'un système conducteur sans entretoise.
,.
70 Lorsque soumis à des impulsions de tension, les entretoises en forme de disque et les entretoises composées présentent toutes deux une tenue diélectrique comparable à
celle d'un système conducteur sans entretoise.
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Claims (10)
1. Entretoise comportant une structure de profil composé constitué d'un matériau électriquement isolant et destiné à maintenir un conducteur central sensiblement concentrique à une enveloppe tubulaire externe, ladite structure ayant une configuration en forme de disque dans une première section de maintien destinée à venir s'appuyer directement sur ledit conducteur central de sorte à obtenir un champ sensiblement uniforme sur ladite première section de maintien, ladite section en forme de disque possèdant des surfaces opposées convergentes s'étendant de façon sensiblement symmétrique le long de ladite première section de maintien, ladite structure ayant en outre une configuration conique dans une section de maintien restante s'étendant jusqu'à ladite enveloppe externe de sorte à obtenir un champ de faible intensité sur les surfaces opposées de ladite section de maintien restante de l'entretoise, et un angle de contact se situant entre chacune desdites surfaces opposées convergentes et un axe transverse, central de ladite entretoise, ledit angle de contact variant d'environ 65° à 80°.
2. Entretoise selon la revendication 1, dans laquelle un implant annulaire conducteur est enchâssé dans ladite entretoise à une extrémité de contact de l'enveloppe externe de sorte à contacter ladite enveloppe externe afin de réduire sensiblement l'intensité du champ dans l'aire de contact définie entre ladite entretoise et ladite enveloppe externe et ainsi réduire la probabilité d'une rupture électrique dans ladite aire de contact.
3. Entretoise selon la revendication 1,dans laquelle chaque angle de contact possède une valeur approximative de 75°, ledit matériau isolant ayant une constante diélectrique relative de 5 ou plus.
4. Entretoise selon la revendication 1, dans laquelle ladite section de maintien restante de l'entretoise s'étend suivant un angle d'environ 30° par rapport à l'axe transverse central de ladite entretoise.
5. Entretoise selon la revendication 1, dans laquelle ladite première section de maintien couvre environ un tiers de la distance radiale de ladite structure de l'entretoise.
6. Câble haute tension de configuration co-axiale avec isolation au gaz comprimé incluant un conducteur central, une gaine externe tubulaire et une pluralité d'entretoises, chaque entretoise possédant une structure avec un profil composé constitué d'un matériau électrique isolant et s'étendant radialement à l'intérieur d'un espace compris entre ledit conducteur central et ladite gaine externe, de façon espacée, de sorte à maintenir ledit conducteur central sensiblement concentrique à ladite gaine externe, ladite structure ayant une configuration en forme de disque dans une première section de maintien adjacente audit conducteur central afin d'obtenir une distribution de champ sensiblement uniforme au voisinage immédiat dudit conducteur central, ladite section en forme de disque ayant des surfaces opposées convergentes s'étendant sensiblement de façon symmétrique au voisinage immédiat dudit conducteur central, ladite structure ayant en outre une configuration conique dans une section de maintien restante s'étendant jusqu'à la gaine externe afin d'obtenir un champ d'intensité faible sur les surfaces opposées de ladite entretoise à l'intérieur de la partie restante de l'espace s'étendant jusqu'à ladite gaine externe, et un angle de contact défini entre chacune desdites surfaces convergentes opposées et ledit conducteur central, à l'intérieur desdites surfaces convergentes opposées, et variant d'environ 65° à 80°.
7. Câble haute tension selon la revendication 6, dans lequel un implant annulaire conducteur est enchâssé dans chaque entretoise à une extrémité de contact de la gaine externe de sorte à contacter ladite gaine externe afin de réduire sensiblement l'intensité du champ dans l'aire de contact entre ladite entretoise et ladite gaine externe et réduire ainsi la possibilité d'une rupture électrique dans ladite aire de contact.
8. Câble haute tension selon la revendication 6, dans lequel chaque angle de contact est d'environ 75°, ledit matériau isolant ayant une constante diélectrique relative de 5 ou plus.
9. Câble haute tension selon la revendication 6, dans lequel ladite section de maintien restante de chaque entretoise forme un angle d'environ 30° par rapport à l'axe longitudinal dudit conducteur central.
10. Câble haute tension selon la revendication 6, dans lequel ladite première section de maintien couvre environ un tiers de la distance séparant le conducteur central de ladite gaine externe.
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Also Published As
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