EP2402971B1 - Dispositif electrique a moyenne ou a haute tension comportant une enveloppe isolante - Google Patents

Dispositif electrique a moyenne ou a haute tension comportant une enveloppe isolante Download PDF

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EP2402971B1 EP20100305711 EP10305711A EP2402971B1 EP 2402971 B1 EP2402971 B1 EP 2402971B1 EP 20100305711 EP20100305711 EP 20100305711 EP 10305711 A EP10305711 A EP 10305711A EP 2402971 B1 EP2402971 B1 EP 2402971B1
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Josef Cardinaels
Eduard De Ridder
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Nexans SA
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H37/323—Thermally-sensitive members making use of shape memory materials
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    • H01H83/00—Protective switches, e.g. circuit-breaking switches, or protective relays operated by abnormal electrical conditions otherwise than solely by excess current
    • H01H83/10—Protective switches, e.g. circuit-breaking switches, or protective relays operated by abnormal electrical conditions otherwise than solely by excess current operated by excess voltage, e.g. for lightning protection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00—Details of spark gaps
    • H01T1/14—Means structurally associated with spark gap for protecting it against overload or for disconnecting it in case of failure
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    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/02—Details
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    • H01H31/00—Air-break switches for high tension without arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H31/003—Earthing switches
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    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H01H39/004—Closing switches

Definitions

  • the invention relates to a medium or high voltage electrical device comprising an insulating envelope.
  • a shielded arrester device for medium or high voltage comprises a polymer insulating jacket with inner and outer conductive layers, in which zinc oxide blocks are inserted. These blocks, made of a non-linear doped zinc oxide material, are insulating under normal operating conditions but become more conductive when the voltage increases, thereby suppressing transient overvoltages by discharging a certain amount of energy. by current conduction. When the overvoltage is gone, the arrester device is supposed to return to its insulating state.
  • the current through the blocks remains too high, for example when the voltage is too high because of a ground fault somewhere upstream of the line or when the blocks become too conductive , for example at the end of life or because of an overload.
  • the energy generated in the system can cause the arrester to explode, parts of which are projected several meters around, which is dangerous for equipment and people in the vicinity.
  • the US Patent 4,538,201 discloses a surge arrester device having a first and a second electrode, a heat sensitive means and a contact element, which is electrically connected with the first electrode and is mounted to contact the second electrode when the temperature of the temperature sensitive means reaches a predetermined value, following the heat transfer.
  • This heat sensitive means is composed of a material whose shape is a function of temperature, for example a shape memory alloy, and also serves as a contact element.
  • this means therefore performs a short circuit of the surge arrester body carrying the two electrodes in question, eliminating its rise in temperature.
  • the short-circuit is reversible if the shape-memory alloy element is chosen with a reversible characteristic, that is to say that it resumes its initial shape and interrupts the short-circuit when the temperature has changed. down. This action is temporary and does not generate a fault in the electrical circuit.
  • the object of the invention is to provide an arrangement that solves this problem of temperature rise, for medium and high voltage applications that can be easily mounted on existing arrester bodies, without substantially changing their design.
  • the invention finds application in any medium or high voltage electrical device comprising an insulating envelope.
  • the invention therefore relates to a medium or high voltage electrical device comprising, in an insulating envelope, a body and a fault generating arrangement, active when a predetermined value of the temperature inside said envelope is exceeded, connected to an electrode of said body and having a temperature-sensitive device, characterized in that said temperature-sensitive device ensures the piercing of said envelope, by said arrangement, in case of a temperature greater than said predetermined value, and its connection with an outer electrode (6) connected to the earth.
  • this heat-sensitive device ensures the piercing of the envelope, generally made of polymer, and the creation of a short-circuit between the inner electrode of the body and the electrode outside the envelope and grounding, in the event of a temperature exceeding said predetermined value.
  • This short circuit will be detected by the electrical network protection systems that will operate instantly.
  • the body is electrically disconnected before reaching the temperature that can cause it to explode, and on the other hand the hole made by drilling into the casing allows a reduction of the pressure inside the casing. envelope.
  • the short circuit created between the inner electrode of the body and the outer electrode allows the operator to detect the fault and intervene to repair immediately.
  • the arrangement according to the invention finds its application in various equipment, for example circuit breakers and medium and high voltage transformers.
  • said temperature sensitive device is a shape memory alloy.
  • Said temperature sensitive device may be a direct actuator.
  • said shape memory alloy device is J-shaped and is disposed near said housing, so as to take a straight form of drilling, in case of a temperature greater than said predetermined value.
  • said shape memory alloy device is a push element of a piercing needle, in the event of a temperature greater than said predetermined value.
  • Said temperature sensitive device may also be an indirect actuator.
  • said shape memory alloy device is a release element of a piercing needle subjected to the force of a compression spring, in the event of a temperature greater than said predetermined value.
  • the energy source is then provided by a spring, but it is also possible to use a pressurized piston of gas or an explosive chemical element sensitive to pressure.
  • the figure 1 represents a shielded arrester device equipping an interface with a horizontal contact bar 1 contained in an envelope 4 for connection to equipment.
  • This arrester device comprises a surge arrester body 2 consisting of a series of blocks of zinc oxide material and provided with an electrode 3 which comprises an upper flange 3A having an orifice in which is connected the end of the bar of contact.
  • the arrester body 2 also has a lower electrode 5 connected to the earth.
  • the arrester body 2 is housed in the insulating casing 4, preferably in polymer coated on a portion of its inner face and on its outer face with a layer of conductive material.
  • the invention proposes to equip such a device with a defect detection arrangement, active when exceeding a predetermined value of the temperature, preferably of the order of 150 ° C., within the casing 4.
  • This device is connected to the electrode 3 of the surge arrester body and comprises a temperature-sensitive device, preferably a shape-memory alloy, which pierces the envelope 4, by this arrangement, by case of temperature greater than the predetermined value, and its connection with an outer metal electrode 6 connected to the ground.
  • this arrangement consists of a direct actuator and the shape memory alloy device 5 is J-shaped and is disposed near the inner wall of the envelope 4, so as to take a straight form of drilling, dotted, in case of temperature greater than the predetermined value.
  • This device is more precisely a blade 5 folded at right angles and one branch is fixed to the electrode 3 by its free end and the other vertical branch here is disposed near the inner face of the envelope 4.
  • This other branch has a sharp beveled free end and is free to move.
  • the blade 5 takes a straight shape as shown in dashed lines and pierces while making the casing 4 while being housed in the external electrode 6 connected to the ground and fixed on the external face of the casing 4.
  • this external electrode 6 has a receiving cavity of the blade 5 which abuts against a lower bottom of this cavity.
  • this arrangement also consists of a direct actuator and the shape memory alloy device is a pushing element 7 of a piercing needle 8, in case of a temperature higher than the predetermined value.
  • This thrust element 7 is arranged as a spring in an extension of the piercing needle 8 and abuts against a fixed housing 9.
  • this thrust element 7 unfolds, in case of temperature higher than the predetermined value, and just push the needle 8 which pierces the envelope 4 and is housed in the external electrode 6 having a form of receiving the tip of the needle 8.
  • this arrangement consists of an indirect actuator and the shape memory alloy device is a ring-shaped release member 10 of a piercing needle 8 subjected to the force of a compression spring 11 , if the temperature exceeds the predetermined value.
  • the compression spring 11 is housed in a cavity 7 arranged in the electrode 3, also visible on the figure 1 around an extension of the piercing needle 8 which is retained by the release device 10, itself also fixed to the electrode 3.
  • the release device 10 deforms and releases the needle 8 which, pushed by the spring 11, pierces the envelope 4 and is housed in the external electrode 6 having a form of receiving the tip of the needle 8.
  • the invention finds application in any electrical device with an insulating jacket made of polymer or equivalent.
  • a coupling device for coupling or decoupling information signals in medium voltage power distribution networks comprising, in a polymer-type insulating envelope whose surface is provided with an electrically conductive coating which is potential of the earth, a coupling capacitor 12, which can be realized as a ceramic capacitor.
  • This coupling capacitor is formed of at least one ceramic disk, provided with both electrode sides and connections, one of the coupling capacitor connections being an electrode 3 which has an upper flange 3A having an orifice in which is connected the end of a high-voltage contact bar.
  • connection of the coupling capacitor 12 is connected to an electrical network, which is connected to the earth potential by means of a lower electrode 5 and which forms a voltage divider with the coupling capacitor, so that a interesting information signal can be taken at the signal output in the form of protective low voltage.
  • This electrical network is housed in a cartridge 13, replaceable, also housed in the insulating casing 4.
  • the electrode 3 contains in a cavity 7 a device according to the invention as previously described.

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Description

  • L'invention concerne un dispositif électrique à moyenne ou à haute tension comportant une enveloppe isolante.
  • Dans une configuration considérée, un dispositif de parafoudre blindé pour moyenne ou haute tension comporte une enveloppe isolante en polymère avec des couches interne et externe conductrices, dans lequel des blocs d'oxyde de zinc sont insérées. Ces blocs, faits d'un matériau d'oxyde de zinc dopé non linéaire, sont isolants dans les conditions de fonctionnement normales mais deviennent plus conductrices quand la tension augmente, ce qui permet de supprimer des surtensions transitoires en évacuant une certaine quantité d'énergie par conduction de courant. Lorsque la surtension a disparu, le dispositif de parafoudre est supposé revenir à son état isolant.
  • Cependant, dans certaines circonstances, il peut arriver que le courant au travers des blocs reste trop élevé, par exemple lorsque la tension est trop élevée à cause d'un défaut de terre quelque part en amont de la ligne ou lorsque les blocs deviennent trop conducteurs, par exemple en fin de vie ou à cause d'une surcharge. Il en résulte une montée en température des blocs et du matériau polymère les entourant, qui peut conduire éventuellement à un défaut électrique du produit. Lorsque ceci apparaît, l'énergie générée dans le système peut causer l'explosion du parafoudre, dont des parties sont projetées à plusieurs mètres à la ronde, ce qui s'avère dangereux pour les équipements et les personnes se trouvant à proximité.
  • Il est donc envisagé, dans un tel cas, d'expulser la série de blocs en matériau d'oxyde de zinc hors de l'enveloppe, ce qui cause un phénomène moins violent et n'entraîne pas de tels dommages. Ceci étant, cette solution pose un autre problème. Lorsque les blocs sont évacués, il n'existe plus en fait de dispositif d'arrêt de parafoudre et le système se retrouve non protégé et cette condition ne peut pas être détectée, sauf par inspection visuelle directe.
  • Le brevet US 4 538 201 décrit un dispositif d'arrêt de parafoudre comportant une première et une seconde électrode, un moyen sensible à la chaleur et un élément de contact, qui est électriquement connecté avec la première électrode et qui est monté de façon à venir en contact avec la seconde électrode lorsque la température du moyen sensible à la température atteint une valeur prédéterminée, suite à la transmission de chaleur. Ce moyen sensible à la chaleur est composé d'un matériau dont la forme est une fonction de la température, par exemple un alliage à mémoire de forme, et sert également d'élément de contact.
  • En cas de montée en température, ce moyen réalise donc un court-circuit du corps de parafoudre portant des deux électrodes en question, supprimant sa montée en température.
  • En principe, le court-circuit est réversible si on choisit l'élément en alliage à mémoire de forme avec une caractéristique réversible, c'est-à-dire qu'il reprend sa forme initiale et interrompt le court-circuit quand la température a descendu. Cette action alors est temporaire et ne génère pas un défaut dans le circuit électrique.
  • Cette solution de l'art antérieur n'est applicable que pour des systèmes en basse tension, puisque les électrodes se trouvent dans l'air et l'élément sensible à la température est agencé en parallèle au système de blocs d'oxyde de zinc, avec sa pointe de contact à peu de distance de l'électrode de terre.
  • L'objet de l'invention est de proposer un agencement qui résolve ce problème de montée en température, pour des applications en moyenne et haute tension qui peut être aisément monté sur des corps de parafoudre existants, sans modification substantielle de leur conception.
  • Plus spécifiquement décrit dans le cadre d'un dispositif de parafoudre, l'invention trouve une application dans tout dispositif électrique à moyenne ou à haute tension comportant une enveloppe isolante.
  • L'invention concerne donc un dispositif électrique à moyenne ou à haute tension comportant dans une enveloppe isolante un corps et un agencement générateur de défaut, actif lors d'un dépassement d'une valeur prédéterminée de la température à l'intérieur de ladite enveloppe, connecté sur une électrode dudit corps et comportant un dispositif sensible à la température, caractérisé en ce que ledit dispositif sensible à la température assure le perçage de ladite enveloppe, par ledit agencement, en cas de température supérieure à ladite valeur prédéterminée, et sa connexion avec une électrode extérieure (6) connectée à la terre.
  • L'intégration de ce dispositif sensible à la chaleur assure le perçage de l'enveloppe, en général en polymère, et la création d'un court-circuit entre l'électrode intérieure du corps, et l'électrode extérieure à l'enveloppe et mise à la terre, en cas de température supérieure à ladite valeur prédéterminée. Ce court-circuit sera détecté par les systèmes de protection de réseau électrique qui vont opérer instantanément. Ainsi d'une part le corps est déconnecté électriquement, avant d'atteindre la température pouvant entraîner son explosion, et d'autre part l'orifice réalisé par perçage dans l'enveloppe permet une diminution de la pression à l'intérieur de l'enveloppe.
  • De plus, le court-circuit créé entre l'électrode intérieure du corps et l'électrode extérieure permet à l'opérateur de détecter le défaut et d'intervenir pour réparer immédiatement.
  • Comme l'enveloppe isolante du système a été percée, ce concept d'opération est irréversible.
  • L'agencement conforme à l'invention trouve son application dans divers équipements, par exemple des disjoncteurs et des transformateurs à moyenne et haute tension.
  • Selon un mode de réalisation préféré, ledit dispositif sensible à la température est en alliage à mémoire de forme.
  • Ledit dispositif sensible à la température peut être est un actionneur direct.
  • Selon une première variante, ledit dispositif en alliage à mémoire de forme est en forme de J et est disposé à proximité dudit carter, de façon à prendre une forme droite de perçage, en cas de température supérieure à ladite valeur prédéterminée.
  • Selon une seconde variante, ledit dispositif en alliage à mémoire de forme est un élément de poussée d'un pointeau de perçage, en cas de température supérieure à ladite valeur prédéterminée.
  • Ledit dispositif sensible à la température peut également être un actionneur indirect.
  • Dans ce cas, de préférence, ledit dispositif en alliage à mémoire de forme est un élément de libération d'un pointeau de perçage soumis à l'effort d'un ressort de compression, en cas de température supérieure à ladite valeur prédéterminée.
  • La source d'énergie est alors fournie par un ressort, mais il est également possible d'utiliser un piston sous pression de gaz ou un élément chimique explosif sensible à la pression.
  • L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures ne représentant que des modes de réalisation préférés de l'invention.
    • La figure 1 est une vue en coupe verticale d'un dispositif de parafoudre blindé.
    • Les figures 2 et 3 sont des vues en coupe verticale de variantes de réalisation d'un dispositif sensible à la température, partie d'un dispositif de parafoudre conforme à l'invention.
    • Les figures 4 et 5 sont des vues en perspective d'une variante de réalisation d'un dispositif sensible à la température, partie d'un dispositif de parafoudre conforme à l'invention.
    • La figure 6 est une vue en coupe verticale d'un dispositif de couplage blindé.
  • La figure 1 représente un dispositif de parafoudre blindé équipant une interface avec une barre de contact horizontale 1 contenue dans une enveloppe 4 pour connexion à un équipement. Ce dispositif de parafoudre comporte un corps de parafoudre 2 constitué d'une série de blocs en matériau d'oxyde de zinc et pourvu d'une électrode 3 qui comporte une bride supérieure 3A présentant un orifice dans lequel est connectée l'extrémité de la barre de contact. Le corps de parafoudre 2 comporte également une électrode inférieure 5 connectée à la terre.
  • Le corps de parafoudre 2 est logé dans l'enveloppe isolante 4, de préférence en polymère revêtu sur une partie de sa face interne et sur sa face externe d'une couche de matériau conducteur.
  • L'invention propose d'équiper un tel dispositif d'un agencement de détection de défaut, actif lors d'un dépassement d'une valeur prédéterminée de la température, de préférence de l'ordre de 150°C, à l'intérieur de l'enveloppe 4. Ce dispositif est connecté sur l'électrode 3 du corps de parafoudre et comporte un dispositif sensible à la température, de préférence en alliage à mémoire de forme, assurant le perçage de l'enveloppe 4, par cet agencement, en cas de température supérieure à la valeur prédéterminée, et sa connexion avec une électrode métallique extérieure 6 connectée à la terre.
  • Selon une première variante, représentée sur la figure 2, cet agencement est constitué d'un actionneur direct et le dispositif en alliage à mémoire de forme 5 est en forme de J et est disposé à proximité de la paroi intérieure de l'enveloppe 4, de façon à prendre une forme droite de perçage, en pointillées, en cas de température supérieure à la valeur prédéterminée.
  • Ce dispositif est plus précisément une lame 5 pliée à angle droit et dont une branche est fixée à l'électrode 3 par son extrémité libre et l'autre branche ici verticale est disposée à proximité de la face interne de l'enveloppe 4. Cette autre branche a une extrémité libre biseautée coupante et est libre de se déplacer. En cas de température supérieure à la valeur prédéterminée, la lame 5 prend une forme droite telle que représentée en pointillés et perce en se faisant l'enveloppe 4 tout en venant se loger dans l'électrode externe 6 connectée à la terre et fixée sur la face externe de l'enveloppe 4. Avantageusement, cette électrode externe 6 présente une cavité de réception de la lame 5 qui vient en butée contre un fond inférieur de cette cavité.
  • Selon une deuxième variante, représentée sur la figure 3, cet agencement est également constitué d'un actionneur direct et le dispositif en alliage à mémoire de forme est un élément de poussée 7 d'un pointeau de perçage 8, en cas de température supérieure à la valeur prédéterminée.
  • Cet élément de poussée 7 est disposé tel un ressort dans un prolongement du pointeau de perçage 8 et est en butée contre un boîtier fixe 9. Ici représenté avec une forme longitudinale en zigzag, à température normale, cet élément de poussée 7 se déplie, en cas de température supérieure à la valeur prédéterminée, et vient pousser le pointeau 8 qui perce l'enveloppe 4 et se loge dans l'électrode externe 6 comportant une forme de réception de la pointe du pointeau 8.
  • Selon une troisième variante, représentée sur les figures 4 et 5, cet agencement est constitué d'un actionneur indirect et le dispositif en alliage à mémoire de forme est un élément de libération 10, en forme de bague, d'un pointeau de perçage 8 soumis à l'effort d'un ressort de compression 11, en cas de température supérieure à la valeur prédéterminée.
  • Le ressort de compression 11 est logé dans une cavité 7 agencée dans l'électrode 3, également visible sur la figure 1, autour d'un prolongement du pointeau de perçage 8 qui est retenu par le dispositif de libération 10, lui même aussi fixé à l'électrode 3. En cas de température supérieure à la valeur prédéterminée, le dispositif de libération 10 se déforme et libère le pointeau 8 qui, poussé par le ressort 11, perce l'enveloppe 4 et se loge dans l'électrode externe 6 comportant une forme de réception de la pointe du pointeau 8.
  • Précédemment décrit dans le cadre d'un dispositif de parafoudre, l'invention trouve son application dans tout dispositif électrique à enveloppe isolante en polymère ou équivalent.
  • A titre d'exemple, est représenté sur la figure 6, un dispositif de couplage pour le couplage ou le découplage de signaux d'information dans des réseaux de distribution d'énergie à moyenne tension comprenant, dans une enveloppe isolante de type polymère dont la surface est munie d'un revêtement électriquement conducteur qui est au potentiel de la terre, un condensateur de couplage 12, qui peut être réalisé sous forme de condensateur céramique.
  • Ce condensateur de couplage est formé d'au moins un disque céramique, muni des deux côtés d'électrodes ainsi que de connexions, l'une des connexions du condensateur de couplage étant une électrode 3 qui comporte une bride supérieure 3A présentant un orifice dans lequel est connectée l'extrémité d'une barre de contact à haute tension.
  • L'autre connexion du condensateur de couplage 12 est reliée à un réseau électrique, qui est raccordé au potentiel de la terre au moyen d'une électrode inférieure 5 et qui forme un diviseur de tension avec le condensateur de couplage, de sorte qu'un signal d'information intéressant peut être prélevé à la sortie de signal sous forme de basse tension de protection.
  • Ce réseau électrique est logé dans une cartouche 13, remplaçable, également logée dans l'enveloppe isolante 4.
  • Tout comme dans la variante illustrée sur la figure 1, l'électrode 3 contient dans une cavité 7 un dispositif conforme à l'invention tel que précédemment décrit.

Claims (8)

  1. Dispositif électrique à moyenne ou à haute tension comportant dans une enveloppe isolante (4) un corps (2, 12, 13) et un agencement générateur de défaut, actif lors d'un dépassement d'une valeur prédéterminée de la température à l'intérieur de ladite enveloppe (4), connecté sur une électrode (3) dudit corps (2,12, 13) et comportant un dispositif sensible à la température, caractérisé en ce que ledit dispositif sensible à la température assure le perçage de ladite enveloppe (4), par ledit agencement, en cas de température supérieure à ladite valeur prédéterminée, et sa connexion avec une électrode extérieure (6) connectée à la terre.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif sensible à la température est en alliage à mémoire de forme.
  3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit dispositif sensible à la température est un actionneur direct.
  4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit dispositif en alliage à mémoire de forme (5) est en forme de J et est disposé à proximité dudit carter (4), de façon à prendre une forme droite de perçage, en cas de température supérieure à ladite valeur prédéterminée.
  5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit dispositif en alliage à mémoire de forme est un élément de poussée (7) d'un pointeau de perçage (8), en cas de température supérieure à ladite valeur prédéterminée.
  6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif sensible à la température est un actionneur indirect.
  7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit dispositif en alliage à mémoire de forme est un élément de libération (10) d'un pointeau de perçage (8) soumis à l'effort d'un ressort de compression (11), en cas de température supérieure à ladite valeur prédéterminée.
  8. Dispositif de parafoudre selon l'une des revendications précédentes.
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