CH634948A5 - Parafoudre. - Google Patents

Description

La présente invention concerne un parafoudre et, plus particulièrement un parafoudre comprenant des résistances non-linéaires en oxyde métallique, par exemple en oxyde de zinc.

Les parafoudres sont des dispositifs de protection utilisés pour limiter les surtensions provoquées, dans les intallations électriques, par la foudre ou d'autres perturbations des circuits. Les parafoudres fonctionnent généralement par mise en dérivation ou décharge du courant transitoire anormal et des surtensions, pendant une fraction du cycle, afin d'éviter que l'installation protégée ne soit endommagée.

Dans de nombreux dispositifs parafoudre antérieurement connus, on utilise des résistances non-linéaires qui sont isolées des tensions circulant dans la ligne au moyen d'intervalles de décharge d'étincelles connectés en série avec les résistances. Ces intervalles empêchent l'arrivée de courant dans les résistances, dans les conditions normales. Toutefois, en cas de surtension dans la ligne, il se produit une décharge disruptive ou un amorçage d'arc à travers l'intervalle de décharge ce qui permet la décharge des surtensions et courants transitoires anormaux. La valeur de la surtension à partir de laquelle se produit l'amorçage de l'arc est déterminée par les dimensions de l'intervalle de décharge d'étincelles.

L'une des difficultés que l'on rencontre lors de l'utilisation de parafoudres comprenant des intervalles de décharges d'étincelles connectés en série avec des résistances non-linéaires consiste dans le fait que des contaminations peuvent déclencher une décharge disruptive répétitive provoquant une élévation anormale de la température du parafoudre. D'autre part, les parafoudres munis d'intervalles de décharges d'étincelles connectés en série avec des résistances non-linéaires fonctionnent avec un temps de retard, inhérent à leur principe de construction, avant l'amorçage de l'arc. Il en résulte que, lorsque des surtensions viennent à se produire, celles-ci peuvent atteindre un niveau dangereux avant qu'elles ne soient éliminées.

On a récemment mis au point des résistances non-linéaires ayant de très bonnes caractéristiques du point de vue de la non-5 linéarité. Parmi ces résistances, on peut citer celles qui sont faites en oxyde de zinc. Grâce à leurs excellentes caractéristiques de non-linéarité, ces résistances permettent d'éviter la nécessité d'utiliser des intervalles d'étincelles connectés en série avec les résistances dans le parafoudre. Grâce à l'élimination de io ces intervalles de décharge d'étincelles connectés en série, il n'y a pas de temps de retard avant la mise en état de conduction du parafoudre ce qui permet de maintenir la surtension à un niveau peu élevé. En outre, on évite l'effet défavorable des contaminations que l'on observe dans le cas de parafoudre comportant des 15 intervalles de décharge d'étincelles connectés en série.

Bien qu'il soit souhaitable d'éviter la présence d'intervalles de décharge d'étincelles connectés en série dans les parafoudres, il peut être avantageux d'utiliser un dispositif comportant des intervalles de décharge d'étincelles connectés en parallèle avec 20 une partie des résistances à oxyde de zinc. Un tel montage permet de mettre en dérivation une partie des résistances à oxyde de zinc ce qui améliore l'efficacité de la protection assurée par le parafoudre. La valeur de la surtension à laquelle se produit l'amorçage de l'arc doit être, dans le cas de ces intervalles de 25 décharge montés en parallèle, supérieure à la tension de fonctionnement normal mais inférieure à la tension du parafoudre au moment où l'on atteint le niveau de tension correspondant à la protection.

De nombreux dispositifs parafoudre antérieurement connus 30 comportent des résistances non-linéaires, en particulier, celles qui sont faites en oxyde de zinc, ainsi qu'un dispositif comprenant des intervalles de décharge d'étincelles montés en parallèle et agencés de manière à correspondre à une tension nominale prédéterminée, c'est-à-dire 14 KV. Dans le cas où une installa-35 tion nécessite une tension nominale supérieure, on peut connecter ensemble deux unités parafoudre ou davantage. Les parafoudres comprennent un boîtier extérieur dans lequel sont enfermées les résistances en oxyde de zinc ainsi que le dispositif comprenant les intervalles de décharge d'étincelles montés en 40 parallèle. Ils peuvent contenir de l'azote ou un autre gaz ou bien être hermétiquement fermés et maintenus sous vide.

De préférence, le boîtier du parafoudre est construit en métal pouvant être mis à la terre ce qui permet de placer le parafoudre au voisinage immédiat de l'installation à protéger. Dans 45 un tel cas, les résistances en oxyde de zinc doivent être isolées du boîtier métallique. De manière à obtenir cet effet d'isolation en maintenant un intervalle aussi petit que possible entre les résistances et le boîtier métallique et, par conséquent, à limiter les dimensions globales du parafoudre, on a proposé de remplir le 50 boîtier d'hexafluorure des soufre (SF6), à l'état gazeux, en raison des excellentes propriétés d'isolation électrique de cette substance. Ceci est particulièrement avantageux dans le cas de parafoudre utilisé dans des sous-stations électriques miniaturisées, des appareillages de commutation revêtus de capots métal-55 Iiques et autres installations du même genre, dans lesquelles les dimensions d'ensemble du parafoudre jouent un rôle critique.

On comprendra que, lorsque l'on utilise de l'hexafluorure de soufre à l'état gazeux dans le boîtier du parafoudre, les excellentes propriétés d'isolation électriques de ce gaz nécessitent de 60 réduire les dimensions de l'intervalle de décharge d'étincelles monté en parallèle. Teoutefois, il est nécessaire que le dispositif à intervalle de décharge d'étincelles monté en parallèle ait un fonctionnement stable et que l'amorçage de l'arc se produise pour une tension prédéterminée. Lorsque l'intervalle d'amorça-65 ge d'arc devient trop petit, il est difficile de maintenir la stabilité du fonctionnement du dispositif.

En conséquence, la présente invention a pour objet de fournir un dispositif parafoudre permettant d'éviter la nécessité d'u

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tiliser des intervalles de décharge ou d'amorçage d'arc connectés en série avec le parafoudre, ce dispositif étant en outre petit et compact et pouvant être installé près de l'installation à protéger, tout en ayant un fonctionnement stable et sûr.

A cet effet, le parafoudre selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comprend:

au moins deux empilements de résistances non-linéaires, chacun de ces empilements comprenant une pluralité d'éléments de résistance non-linéaire, en oxyde métallique et connectés en série: un dispositif éclateur, connecté à l'un de ces empilements et agencé de manière à permettre de mettre cet empilement en dérivation à la terre ;

un boîtier hermétiquement fermé, contenant ces empilements de résistances et ce dispositif éclateur, ce boîtier étant rempli d'hexafluorure de soufre, à l'état gazeux, sous une pression d'au moins 2 kg/cm2;

l'impédance dudit empilement de résistances étant de l'ordre de 15 à 35 % de l'impédance totale des deux empilements de résistances pendant la décharge de l'arc dans le dispositif éclateur; et la tension nominale du parafoudre étant au moins égale à 50 KV.

L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui va suivre d'exemples d'exécution du dispositif selon l'invention, en se référant au dessin annexé dans lequel:

La figure 1 est une vue schématique en coupe d'une forme d'exécution préférée du dispositif selon l'invention;

La figure 2 est une vue schématique en coupe, similaire d'une partie de la figure 1, représentant une autre forme d'exécution du dispositif selon l'invention; et

La figure 3 est une vue schématique en coupe, similaire de la figure 2, montrant encore une autre forme d'exécution du dispositif selon l'invention.

Comme on le voit à la figure 1, un dispositif parafoudre conforme à l'invention comprend deux empilements de résistances non linéaires 11,12, chacun de ces empilements comprenant une pluralité d'éléments de résistances non-linéaires 13, ayant la forme de disques, empilés les uns sur les autres. Les éléments de résistance non-linéaires en forme de disque 13, sont faits en oxyde métallique, de préférence en oxyde de zinc, chacun de ces disques 13 ayant la même tension nominale.

Le nombre des disques de résistance 13 dans l'empilement 12, peut varier, par rapport au nombre total des disques 13 dans les deux empilements 11 et 12, en fonction des caractéristiques que l'on désire conférer au parafoudre. Il est toutefois à remarquer que, conformément à l'invention, le nombre des disques 13 dans l'empilement 12 et, en conséquence, l'impédance de l'empilement 12, doivent être compris entre 15 et 35%, environ, du nombre total de disques dans les deux empilements 11 et 12 et de l'impédance totale de ces deux empilements, respectivement. Les raisons en sont indiquées ci-dessous.

Un organe connecteur 13, en un matériau électriquement conducteur tel que le cuivre, comprend une partie en forme de disque 15 placé en sandwich entre les empilements de résistance 11 et 12 et une barre conductrice 16 partant de cette partie 15. Un dispositif 17 à espace d'amorçage d'arc est raccordé à la barre conductrice 16 et il est agencé de manière à permettre de mettre en dérivation l'empilement de résistance 12 lors de l'amorçage de l'arc.

Les parties du dispositif parafoudre comprenant les empilements de résistance 11 et 12 ainsi que le dispositif à intervalle d'amorçage d'arc 17, sont enfermés dans un boîtier étanche ou hermétiquement fermé désigné dans son ensemble par le chiffre de référence 21. Le boîtier 21 comprend une pièce de base métallique 22 ayant la forme d'un disque, un support métallique 23 ayant la forme d'un anneau et une partie métallique principale cylindrique 24. Une ouverture 25 est pratiquée dans la partie cylindrique 24, cette ouverture étant entourée par un capot métallique cylindrique 26 ayant une paroi d'extrémité 27. Ce capot cylindrique 26 ferme l'ouverture 25 et il renferme le dispositif à intervalle d'amorçage d'arc 17, tout en faisant partie du boîtier 21. Le boîtier 21 comprend également une partie 5 supérieure métallique 28, de forme générale cylindrique. Un support conique 29, en un matériau isolant, est monté à la partie supérieure de la partie 28.

Une borne à haute tension 30, munie d'une collerette 31, est agencée de manière à pouvoir être raccordée à une ligne électri-io que à protéger (non représentée). Cette borne traverse une ouverture centrale dans le support conique 29, de l'intérieur à l'extérieur du boîtier 21, de manière que la collerette 31 vienne s'appuyer contre le bord de l'ouverture centrale du support 29. La borne à haute tension 30 est munie d'une cavité permettant 15 de recevoir un organe de guidage 32 qui fait saillie vers le haut d'un anneau de blindage 19 disposé à la partie supérieure de l'empilement de résistances 11. Un ressort 3 3, travaillant en compression, est placé entre la collerette 31 et l'anneau de blindage 19. Le raccordement électrique entre la borne à haute 20 tension 30 et l'anneau de blindage ou électrode à haute tension 19 s'effectue par l'intermédiaire du ressort 33. Si désiré, un ruban en matériau bon conducteur électrique peut être enroulé autour du fil qui forme le ressort 33.

Une électrode de base 18, mise à la terre, est placée à la 25 partie inférieure de l'empilement de résistances 12, cette électrode étant supportée par la pièce métallique de base 22 du boîtier 21, par l'intermédiaire d'une pièce isolante 35. La pièce siolante 35 présente un appendice alésé et traverse une ouverture centrale pratiquée dans la pièce de base 22. Une borne de 30 mise à la terre 36 prolonge l'électrode mise à la terre 18 en traversant l'alésage pratiqué dans l'appendice de la pièce isolante 35.

Un support isolant 41, ayant une forme générale conique, permet de supporter la barre conductrice 16 de l'organe de 35 raccordement 14 ainsi que le dispositif éclateur 17. Ce support isolant 41 est raccordé à la partie cylindrique 24 du boîtier 21 ainsi qu'à la barre 13 et au dispositif éclateur 17. Le support 41 est muni d'ouverture 37 mettant en communication la chambre entourant les empilements de résistances en forme de disque 11 40 et 12 et la chambre formant l'intérieur du capot 26 qui contient le dispositif éclateur 17. Le dispositif éclateur 17 est également supporté par une pièce d'isolation 38 qui est munie d'un appendice s'étendant à travers une ouverture pratiquée dans la paroi d'extrémité 27 du capot 26. Une barre conductrice 39 traverse 45 la pièce d'isolation 38 et permet la mise à la terre de l'une des électrodes entre lesquelles se produisent les étincelles du dispositif éclateur 17. L'autre électrode de production d'étincelles du dispositif éclateur 17 est raccordé électriquement à la barre 16 de l'organe de raccordement 14.

50 L'électrode de base 18 et la barre conductrice 39 sont raccordées puis mises à la terre de la manière représentée à la figure 1. Un dispositif compteur 40 peut être éventuellement utilisé pour compter le nombre de mises en action du parafoudre. De préférence, les parties métalliques du boîtier 21 et du 55 capot 26 sont également mises à la terre au moyen de dispositifs appropriés (non représentés).

La chambre formée par le boîtier 21 qui contient les empilements 11,12 de résistances ayant la forme de disque et la chambre formée par le capot 26 contenant le dispositif à espace d'a-60 morçage d'arc 17 sont hermétiquement fermés bien qu'elles soient en communication mutuelle par l'intermédiaire des ouvertures 37 ménagées dans le support 41. Le boîtier 21 et le capot 26 sont remplis d'hexafluorure de soufre (SF6), à l'état gazeux, sous une pression au moins égale à 2 kg/cm2. Il est à 65 remarquer que, si la pression de l'hexafluorure de soufre gazeux est inférieure à 2 kg/cm2, les caractéristiques d'isolation du gaz ne sont pas pleinement mises à profit. Dans ce cas, un espace plus grand serait nécessaire, pour permettre l'isolation, entre les

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empilements de résistances 11,12 et la partie 24 du boîtier devient plus élevée. Toutefois, un intervalle de décharge corres-

métallique. Ceci entraînerait une augmentation notable des di- pondant à une tension nominale de décharge supérieure à envi- .

mensions d'ensemble du parafoudre. ron 35 KV a tendance à ne pas être fiable du fait que la tension

Lors du fonctionnement du dispositif, une surtension appli- de décharge devient trop instable. Dans un parafoudre ayant quée à la borne à haute tension 30 provoque une réduction s une tension nominale de 50 KV, il est nécessaire d'avoir une d'impédance des empilements de résistances en forme de disque tension nominale de décharge d'environ 35 KV lorsque l'impé-

11 et 12, à l'égard du passage du courant de surchage à travers dance de l'empilement de résistance mis en dérivation 12 cor-

ces résistances, en fonction des caractéristiques de ces résis- respond à environ 35 % de l'impédance totale des deux empile-

tances en forme de disque 13. La tension à la borne 30 aug- ments 11 et 12. Ainsi, si la tension nominale du parafoudre est mente et, en même temps, la tension appliquée au dispositif à iode 50 KV, la tension nominale de l'intervalle de décharge du intervalle d'amorçage d'arc 17 augmente également jusqu'à ce dispositif éclateur monté en parallèle étant de 50 X 0,35 = 17,5

qu'elle atteigne la tension d'armoçage d'arc ou de décharge. KV, et le rapport de la tension nominale de décharge à la ten-

L'empilement de résistance en forme de disque 12 se trouve sion nominale de l'intervalle d'amorçage d'arc du dispositif écla-

alors mis en dérivation du fait de l'amorçage d'arc. Ceci aug- teur étant de 2, la tension nominale de décharge est de:

mente le niveau de protection de parafoudre. Lorsque la tension is 17,5 X 2—35 KV.

à la borne 30 tombe à un niveau prédéterminé, le dispositif à En conséquence, le dispositif éclateur monté en parallèle 17

intervalle d'amorçage d'arc 17 interrompt le courant de dé- est de préférence raccordé de manière à permettre de mettre en charge. dérivation une impédance correspondant à 15 à 35 %, environ,

En supposant que la tension nominale du parafoudre soit de l'impédance totale de l'empilement de résistance en forme de

50 KV, et que l'impédance de l'empilement de résistance 12 ^disque 11 et 12.

corresponde à 15 % de l'impédance totale des empilements 11 et On comprendra également que la pression de l'hexafluorure

12, la tension nominale du dispositif à intervalle d'amorçage de soufre (SF6), à l'état gazeux, ne doit pas être inférieure à

d'arc 17, monté en parallèle, est de: 50 X 0,15 =7,5 KV. 2 kg/cm2, de manière à permettre d'utiliser efficacement les ca-

En supposant en outre que le rapport de la tension de dé- ractéristiques d'isolation et de coupure de ce gaz. L'hexafluo-

charge à la tension nominale du dispositif à amorçage d'arc 17 25rure de soufre à l'état gazeux contribue également à la coupure o a tension de décharge _ . de l'arc entre les électrodes du dispositif éclateur 17 au moment soit 06 z te wSi**a"uirca , , , ZK ce oui est t f . »

tension nominala de la chute de la surtension.

une valeur usuelle, la tension de décharge du dispositif à inter- Sur les figures 2 et 3, qui représentent d'autres formes valle d'amorçage d'arc 17 est: 7,5 X 2= 15 KV. Avec ces valeurs d'exécution du dispositif selon l'invention, les parties similaires et lorsqu'on utilise l'hexafluorure de soufre à l'état gazeux, sous 3oou identiques à celles du dispositif représenté à la figure 1 sont une pression d'au moins 2 kg/cm2, la distance nécessaire entre désignées par les mêmes chiffres de référence que dans cette les électrodes de décharges d'arc du dispositif 17 est d'environ dernière figure. Dans le dispositif représenté à la figure 2, deux

0,8 mm. Il est à remarquer qu'une distance de l'ordre de 0,8 mm ensembles parallèles d'empilement en forme de disque, ayant entre les électrodes de décharges d'arc est la valeur minimale tous les deux la même tension nominale, permettent d'augmen-

qui permet d'obtenir une décharge stable ainsi que des caracté- 35 ter la quantité de courant pouvant être appliqué au parafoudre.

ristiques de coupure stable dans le dispositif à intervalle d'amor- Un ensemble d'empilement de résistances est désigné par les

çage d'arc. références 1 la et 12a et correspond aux empilements de résis-

En effectuant les mêmes calculs dans le cas de parafoudres tances 11 et 12 de la figure 1. L'autre ensemble d'empilement ayant une tension nominale de 14 KV, on voit que la tension de résistance 11b et 12b correspond également aux empilements nominale de l'intervalle de décharge d'arc serait de: 14X0,15 4011 et 12 de la figure 1. Les empilements de résistances lia et

=2,1 KV et que la tension de décharge nominale serait de 11b sont connectés en parallèle au moyen d'un anneau de blin-

4,2 KV. La distance nécessaire entre les électrodes de décharges dage 19 et d'un organe de raccordement 14, modifiés. Les empi-

d'arc ayant une tension nominale de décharge de 4,2 KV est lements 12a et 12b sont également raccordés en parallèle par d'environ de 1 mm lorsque le capot entourant ces électrodes est l'intermédiaire de l'organe de raccordement modifié 14 et de rempli d'azote. Toutefois, lorsque l'on utilise l'hexafluorure de 45 l'électrode de base modifiée 18. Le dispositif éclateur monté en soufre gazeux sous une pression de l'ordre de 2 kg/cm2, la dis- parallèle 17 est raccordé aux empilements 12a et 12b de ma-

tance entre ces électrodes de décharges d'arc est réduite à envi- nière à permettre leur mise en dérivation lors de l'amorçage de ron 0,2 mm. On comprendra qu'il est pratiquement impossible l'arc dans le dispositif éclateur 17.

d'obtenir une décharge et des caractéristiques de coupure fia- Dans le dispositif représenté à la figure 3, l'empilement 12b bles lorsque les électrodes sont aussi rapprochées. sode la figure 2 est supprimé et le dispositif éclateur 17 est monté à En conséquence, dans le parafoudre selon l'invention, la la place de cette empilement de manière à permettre un agence-tension nominale est au moins égale à 50 KV, environ, et l'im- ment plus simple. Après l'amorçage de l'arc dans le dispositif pédance de l'empilement de résistance mis en dérivation 12 éleateur 17, aucun courant ne circule dans l'empilement 12a qui correspond au moins à 15 % de l'impédance totale des empile- conduit le courant pendant un intervalle de temps relativement ments de résistance 11 et 12 pendant la décharge de l'arc dans le 55 court en comparaison avec celui pendant lequel le courant est dispositif éclateur 17. Ainsi, on peut utiliser la distance mini- conduit dans les empilements lia et 11b. La capacité de conmale de 0,8 mm permettant d'obtenir un fonctionnement fiable, duction de courant nécessaire dans l'empilement mis en dériva-entre les électrodes de décharges d'arc. tion est quelque peu inférieure à celle des empilements 1 la et

Si l'on augmente la valeur du pourcentage de l'impédance 11b. On peut donc utiliser l'agencement plus simple du parafou-

totale des empilements de résistance 11 et 12 qui correspond à 6l)dre représenté à la figure 3.

l'impédance de l'empilement de résistance mis en dérivation 12, On pourrait ajouter encore d'autres ensembles d'empile-

on doit également augmenter la distance entre les électrodes de ments de résistance en forme de disque, monté en parallèle,

décharge d'arc, du fait que la tension nominale de décharge dans le dispositif représenté à la figure 2.

1 feuille dessins

Claims (4)

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1. Parafoudre, caractérisé par le fait qu'il comprend: au moins deux empilements (11,12) de résistances non-linéaires, chacun de ces empilements comprenant une pluralité d'éléments de résistance non-linéaire (13), en oxyde métallique et connectés en série:

un dispositif éclateur (17), connecté à l'un de ces empilements (12) et agencé de manière à permettre de mettre cet empilement en dérivation à la terre;

un boîtier hermétiquement fermé (21), contenant ces empilements de résistance et ce dispositif éclateur, ce boîtier étant rempli d'hexafluorure de soufre, à l'état gazeux, sous une pression d'au moins 2 kg/cm2;

l'impédance dudit empilement de résistances (12) étant de l'ordre de 15 à 35% de l'impédance totale des deux empilements de résistances pendant la décharge de l'arc dans le dispositif éclateur (17) ; et la tension nominale du parafoudre étant au moins égale à 50 KV.

2. Parafoudre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits éléments de résistance non-linéaire (13) sont en oxyde de zinc.

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REVENDICATIONS

3. Parafoudre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il cmprend, en outre, deux empilements supplémentaires (11b, 12b) de résistances non-linéaires ayant respectivement la même tension nominale que lesdits empilements (11,12) et étant connectés en parallèle avec ceux-ci.

4. Parafoudre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, un empilement supplémentaire de résistances non-linéaires, connecté en parallèle avec l'empilement qui n'est pas mis en dérivation, et ayant la même tension nominale que celui-ci.