EP0126984B1 - Isolateur électrique présentant une insensibilité à la pollution - Google Patents

Isolateur électrique présentant une insensibilité à la pollution Download PDF

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EP0126984B1
EP0126984B1 EP84104677A EP84104677A EP0126984B1 EP 0126984 B1 EP0126984 B1 EP 0126984B1 EP 84104677 A EP84104677 A EP 84104677A EP 84104677 A EP84104677 A EP 84104677A EP 0126984 B1 EP0126984 B1 EP 0126984B1
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zinc oxide
insulator
pollution
layer
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Ai Bui
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Ceraver SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B17/00—Insulators or insulating bodies characterised by their form
    • H01B17/50—Insulators or insulating bodies characterised by their form with surfaces specially treated for preserving insulating properties, e.g. for protection against moisture, dirt, or the like
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B19/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing insulators or insulating bodies
    • H01B19/04—Treating the surfaces, e.g. applying coatings

Definitions

  • the invention relates to electrical insulators having improved insensitivity to pollution and more particularly those whose dielectrics are made of glass or porcelain.
  • the semiconductor layer plays practically no role, because it is the polluted layer which fixes the distribution of potential, irregularly.
  • the present invention as defined by claim 1 overcomes these drawbacks.
  • composition of the coating according to the invention is known per se and in use for certain electronic components called varistors - see for example document EP-A-0 000 864.
  • varistors see for example document EP-A-0 000 864.
  • a pollution problem surface and current distribution between a polluted layer and the underlying varistor does not arise for such components.
  • a variation in the current density of the order of 10 6 corresponds to a variation in the voltage gradient close to 2.
  • the coefficients k and ⁇ are characteristic of the material and geometric dimensions (in particular the insulator's creepage distance, coating thickness).
  • the zinc oxide content in the coating is advantageously greater than 90%.
  • Said metal oxide is advantageously chosen from the group formed by bismuth oxide, manganese oxide, cobalt oxide, chromium oxide, antimony oxide.
  • the particular characteristic of the coating based on zinc oxide used in the context of the present invention is that it prevents the local formation of arcs in the dry areas.
  • the distribution of the electric field on the surface of the insulator is improved and this prevents the bypass arc.
  • the voltage can be stabilized below the threshold. bypass in the air.
  • FIG. 1 there is shown a section 1 of an insulator constituted by an assembly of insulating elements such as 2.
  • Each element 2 substantially comprises a dielectric 3 made of glass or porcelain for example, provided with a metal cover 4 and a metal connecting rod 5.
  • the dielectric 3 is coated externally with a thin layer 6 based on zinc oxide doped with at least one other metal oxide.
  • the layer 6 can have a thickness of between 0.05 and 0.5 mm.
  • this mixture is sintered at 1250 ° C. and then, for 10 grams of product, 0.5 mole of Bi 2 0 3 (0.2691 g of Bi 2 0 3 ) is added.
  • composition and thickness of the coating layer are adjusted according to the electrical characteristics desired for said layer.
  • the shape of the insulator also comes into play.
  • the establishment of the coating based on zinc oxide can be carried out according to various procedures.
  • an insulator comprising a porcelain dielectric
  • the powder is shaped, for example, by spraying or by vacuum deposition, in the form of a layer on the external surface of the dielectric.
  • the thickness of the layer is chosen to be sufficient to be compatible with the overheating it will have to undergo during the operation of the insulator and according to the desired electrical characteristics.
  • the deposition of the zinc oxide-based layer can be carried out in particular by vacuum deposition and spray deposition techniques.
  • the measurements were made at 25 ° C.
  • the curve (A) relates to a material corresponding to the composition of the first example mentioned above and the curve (B) to a semiconductor enamel used according to the prior art for coating a insulator.
  • the intensity of the current which crosses the zinc oxide is very important, higher than 1000 amperes and being able to reach 30000 amperes, whereas in the insulator according to the invention, the intensity is between the milliamp and the amp.
  • the action of the zinc oxide-based layer is local and manifests itself in several places at fairly short time intervals without causing the service to be interrupted.
  • the action is instantaneous; it concerns the entire arrester, which is passed through entirely, and causes the service to stop by opening the line protection circuit breakers.

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  • Inorganic Insulating Materials (AREA)
  • Organic Insulating Materials (AREA)
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  • Insulators (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Insulated Conductors (AREA)
  • Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)
  • Nitrogen Condensed Heterocyclic Rings (AREA)
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Description

  • L'invention concerne les isolateurs électriques présentant une insensibilité améliorée à la pollution et plus particulièrement ceux dont les diélectriques sont en verre ou en porcelaine.
  • On sait que les pollutions atmosphériques peuvent conduire, sur la surface des isolateurs, à la formation de dépôts conducteurs.
  • La résistance électrique au niveau de la couche superficielle de l'isolateur n'étant pas uniforme, on constate en milieu humide, la présence de zones sèches en série avec des zones humides.
  • Au niveau de ces zones sèches, il peut alors se produire des gradients de tension, bien plus élevés qu'au niveau des zones humides, et susceptibles d'atteindre le seuil de claquage dans l'air.
  • De plus lorsque l'étendue des zones sèches atteint une certaine proportion de la longueur de l'isolateur, il se produit alors un contour nement complet de ce dernier entraînant un court-circuit pour le réseau et sa mise hors service.
  • Afin de pallier ces inconvénients, il a déjà été proposé, dans le brevet US-A 3 795 499 pour les isolateurs en porcelaine et dans le brevet GB-A 1 240 854 pour les isolateurs organiques, de revêtir la surface du diélectrique par une couche semi-conductrice, de résistivité ne variant pas en fonction du courant, par exemple un émail semi-conducteur, de façon à juxtaposer à la couche polluée de résistivité irrégulière une couche sous-jacense de résistivité constante afin de maîtriser la répartition de potentiel le long de l'isolateur.
  • Toutefois cette solution n'est pas pleinement satisfaisante.
  • En effet, si le courant passant dans la couche semi-conductrice n'est pas nettement supérieur à celui qui passe dans la couche polluée, la couche semi-conductrice ne joue pratiquement pas de rôle, car c'est la couche polluée qui fixe la répartition du potentiel, de façon irrégulière.
  • Par contre, si le courant passant dans la couche semi-conductrice est nettement plus important que celui passant dans la couche polluée, les phénomènes résultant de la juxtaposition des zones sèches et des zones humides ne peuvent se produire, mais les pertes d'énergie sont alors trop élevées pour que cette solution soit économiquement acceptable. De plus, cette solution n'est pas fiable dans le temps.
  • On est donc obligé d'adopter une solution de compromis, qui n'est en fait satisfaisante que pour les cas de pollution légère.
  • Aussi, avec un revêtement semi-conducteur de résistivité définie, on ne peut, dans les cas de pollution importante, qu'atténuer les défauts explicités ci-dessus mais non pas les supprimer.
  • La présente invention telle que définie par la revendication 1 permet de remédier à ces inconvénients.
  • Il est à noter ici que la composition du revêtement selon l'invention est connu en soi et en emploi pour certains composants électroniques s'appellant varistances - voir par exemple le document EP-A-0 000 864. Bien sûr, un problème de pollution de surface et de répartition de courant entre une couche polluée et la varistance sous-jacente ne se pose pas pour de tels composants.
  • A titre d'exemple, dans le revétement conforme à l'invention, une variation de la densité de courant de l'ordre de 106 correspond à une variation du gradient de tension voisine de 2. Les coefficients k et α sont caractéristiques du matériau et des dimensions géométriques (notamment ligne de fuite de l'isolateur, épaisseur du revêtement).
  • La teneur en oxyde de zinc dans le revêtement est avantageusement supérieure à 90%.
  • Ledit oxyde métallique est choisi avantageusement dans le groupe formé par l'oxyde de bismuth, l'oxyde de manganèse, l'oxyde de cobalt, l'oxyde de chrome, l'oxyde d'antimoine.
  • La caractéristique particulière du revêtement à base d'oxyde de zinc utilisée dans le cadre de la présente invention est qu'il évite la formation locale d'arcs au niveau des zones sèches. La répartition du champ électrique à la surface de l'isolateur est améliorée et on prévient ainsi l'arc de contournement.
  • Ainsi, en cas de pollution importante, compte tenu des caractéristiques électriques de la couche à base d'oxyde de zinc, lorsque l'intensité augmente très fortement dans la couche d'oxyde de zinc, la tension peut être stabilisée au-dessous du seuil de contournement dans l'air.
  • Dès que les troubles résultant de la pollution diminuent, le courant revient à une valeur très faible ne créant pas de perte d'énergie sensible.
  • Ce fonctionnement se retrouve en cas de pollution légère, entrainant alors un très faible courant dans les zones polluées; le courant dans la couche superficielle à base d'oxyde de zinc est également très faible, ne créant pas de perte d'énergie sensible.
  • D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre et du dessin annexé dans lequel:.
    • La figure 1 représente schématiquement en coupe partielle une partie d'un isolateur conforme à l'invention.
    • La figure 2 est représentative des caractéristiques électriques de l'oxyde de zinc dopé entrant dans la constitution du revêtement conforme à l'invention et d'un émail semi-conducteur utilisé selon l'art antérieur pour le revêtement des isolateurs.
  • Sur la figure 1, on a représenté un tronçon 1 d'un isolateur constitué par un assemblage d'éléments isolants tels que 2. Chaque élément 2 comprend substantiellement un diélectrique 3 en verre ou en porcelaine par exemple, muni d'un capot métallique 4 et d'une tige métallique de solidarisation 5.
  • Selon l'invention, le diélectrique 3 est revêtu extérieurement par une mince couche 6 à base d'oxyde de zinc dopé par au moins un autre oxyde métallique.
  • La couche 6 peut présenter une épaisseur comprise entre 0,05 et 0,5 mm.
  • On donnera ci-après, à titre illustratif et nullement limitatif, trois exemples de composition d'une couche de revêtement:
    • Pour 10 grammes de matériau de revêtement:
      Figure imgb0001
  • Selon cet exemple, ce mélange est fritté à 1250°C puis, pour 10 grammes de produit, on ajoute 0,5 mole de Bi203 (0,2691 g de Bi203).
  • La composition et l'épaisseur de la couche de revêtement sont ajustées en fonction des caractéristiques électriques désirées pour ladite couche.
  • La forme de l'isolateur intervient également.
  • La mise en place du revêtement à base d'oxyde de zinc peut être réalisée selon différents procédes.
  • Ainsi, avec un isolateur comportant un diélectrique en porcelaine, on commence par réaliser ledit diélectrique.
  • Le matériau destiné à constituer le revêtement est préparé ainsi:
    • Le mélange pulvérulent d'oxyde de zinc et des oxydes métalliques additionnels est homogénéisé et broyé, puis subit un préfrittage à l'air ambiant vers 700° C pendant deux heures; le mélange calciné est rebroyé. De préférence on y incorpore ensuite un liant organique; on sèche l'ensemble par des moyens conventionnels et on rebroie le mélange obtenu: la granulométrie est alors de l'ordre du micron.
  • La poudre est mise en forme, par exemple, par projection ou par dépôt sous vide, sous forme d'une couche sur la surface externe du diélectrique. L'épaisseur de la couche est choisie suffisante pour être compatible avec les échauffements qu'elle aura à subir au cours du fonctionnement de l'isolateur et en fonction des caractéristiques électriques recherchées.
  • De même, pour un isolateur en verre, le dépôt de la couche à base d'oxyde de zinc peut être réalisé notamment par les techniques de dépôt sous vide et de dépôt par projection.
  • Sur la figure 2, on a porté en ordonnée le logarithme du gradient de tension E en kV/cm et en abscisse le logarithme de la densité de courant J en ampères/cm2.
  • Les mesures ont été faites à 25° C. La courbe (A) est relative à un matériau répondant à la composition du premier exemple précité et la courbe (B) à un émail semiconducteur utilisé selon l'art antérieur pour le revêtement d'un isolateur.
  • Comme on peut le constater très clairement sur la courbe (A), lorsque la densité de courant varie de 10-4 à 10+2, c'est-à-dire dans un rapport 106, la tension ne varie même pas dans un rapport 2, alors que dans le cas de l'émail semi-conducteur (courbe B) lorsque l'intensité varie dans le rapport 10, la tension varie également dans le même rapport 10.
  • Pour l'oxyde de zinc additionné d'oxydes métalliques, la courbe (A) répond à l'équation: I = k V a, α étant compris entre 20 et 50.
  • Si de telles propriétés électriques ont déjà été utilisées dans le domaine des parafoudres, il y a lieu de souligner que cette application diffère totalement de celle décrite dans la présente demande et que les résultats observés dans le cas des parafoudres ne peuvent être transposés aux isolateurs objet de la présente demande.
  • En effet, dans les parafoudres, l'intensité du courant qui traverse l'oxyde de zinc est très importante, supérieure à 1000 ampères et pouvant atteindre 30000 ampères, alors que dans l'isolateur conforme à l'invention, l'intensité se situe entre le milliampère et l'ampère.
  • Il s'ensuit en particulier, que la section d'oxyde de zinc dopé traversée dans un parafoudre est beaucoup plus importante que la section du revêtement de l'isolateur conforme à l'invention.
  • Dans le cas de l'isolateur conforme à l'invention, l'action de la couche à base d'oxyde de zinc est locale et se manifeste en plusieurs endroits selon des intervalles de temps assez courts sans entraîner l'interruption du service.
  • Par contre, dans les parafoudres, l'action est instantanée; elle concerne la totalité du parafoudre, qui est traversé entièrement, et entraîne l'arrêt du service par ouverture des disjoncteurs de protection de la ligne.
  • Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple, en particulier elle peut s'appliquer à des isolateurs du type support ou d'autres types.

Claims (3)

1. Isolateur électrique (1) présentant une insensibilité améliorée à la pollution comprenant un corps en un matériau diélectrique (3) choisi parmi le verre et la porcelaine, comportant un revêtement extérieur semi- conducteur (6), constitué par un dépôt de céramique caractérisé par le fait que, ledit dépôt de céramique comprend essentiellement de l'oxyde de zinc additionné d'au moins un oxyde métallique créant une non- linéarité dans la caractéristique tension-courant dudit oxyde de zinc, telle que 1 = kVa avec a compris entre 20 et 50, t'épaisseur dudit revêtement étant comprise entre 0,05 et 0,5 mm.
2. Isolateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la teneur en oxyde de zinc dans le revêtement est supérieure à 90%.
3. Isolateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'oxyde métallique est choisi dans le groupe formé par les oxydes de bismuth, manganèse, cobalt, chrome et antimoine.
EP84104677A 1983-04-29 1984-04-26 Isolateur électrique présentant une insensibilité à la pollution Expired EP0126984B1 (fr)

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