FR2483698A1 - Procede et dispositif de limitation de courants de defaut - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA LIMITATION DES COURANTS DE DEFAUT DANS UNE LIGNE DE TRANSPORT D'ENERGIE ELECTRIQUE. L'INVENTION CONSISTE A UTILISER UN DISPOSITIF A EMISSION DE COURANT LIMITEE 1, BRANCHE EN SERIE DANS UNE LIGNE DE TRANSPORT D'ENERGIE ELECTRIQUE, POUR LIMITER LES COURANTS DE DEFAUTS SUSCEPTIBLES D'APPARAITRE DANS CETTE LIGNE. CE DISPOSITIF COMPREND ESSENTIELLEMENT UNE CATHODE 9, UNE ANODE 12 ET EVENTUELLEMENT UNE GRILLE 11. L'EMISSION PEUT S'EFFECTUER PAR EFFET THERMO-IONIQUE, EFFET DE CHAMP OU EFFET PHOTO-ELECTRIQUE. APPLICATION A LA PROTECTION DES RESEAUX DE DISTRIBUTION D'ENERGIE ELECTRIQUE.

Description

La présente invention concerne de façon générale les limiteurs de courants

diedéfaut dans les systèmes de

distribution d'énergie électrique et elle porte plus parti-

culièrement sur des dispositifs et des procédés de limita-

tion des courants de défaut par commande d'émission dans des réseaux de lignes de transmission et de distribution

d'énergie électrique.

Le développement des réseaux de distribution d'énergie électrique au cours de la dernière décennie a fait apparaître la nécessité d'un dispositif capable de maintenir dans les limites des caractéristiques du matériel existant, comme les transformateurs et les disjoncteurs, les courants de défaut susceptibles d'être extrêmement élevés. Aucun limiteur de courant de défaut connu n'a été commercialisé à ce jour. Les dispositifs connus n'ont eu

aucun succès, pour des raisons techniques ou économiques.

Ces dispositifs se classent en deux grandes caté-

gories. Dans la première catégorie, un circuit accordé dans lequel la réactance inductive annule pratiquement la réactance capacitive est branché en. série avec une ligne d'énergie électrique pour donner une faible impédance à la fréquence de l'énergie électrique. Lorsqu'un défaut

(c'est-à-dire un court-circuit) se produit, un interrup-

teur met le condensateur en court-circuit et la réactance

inductive limite le courant. Parmi les inconvénients figu-

rent une grande taille, un investissement initial élevé et

un coût d'exploitation élevé.

Dans la seconde catégorie, une impédance en parallèle avec un interrupteur de dérivation fermé au repos est placée en série avec la ligne d'énergie électrique. En cas de détection d'un défaut, l'interrupteur de dérivation est ouvert et le courant est transféré vers l'impédance de

limitation de courant. Parmi les techniques essayées figu-

rent l'utilisation d'un arc instable dans le vide commandé par un champ magnétique ou d'autres disjoncteurs à tension

d'arc élevée en parallèle avec des résistances; l'utilisa-

tion d'interrupteurs en parallèle avec des fusibles eux-

mêmes en parallèle avec des résistances; et la commande de

supraconducteurs pour les faire passer dans un état à résis-

tance élevée. Certains des inconvénients sont liés à la.

difficulté de la commutation et à la lenteur de réaction, à cause du temps nécessaire pour les opérations de détection et de commutation. Les diodes à semiconducteur ont une très faible conductivité avec une saturation en courant rapide sous une

très faible tension lorsqu'elles fonctionnent en polarisa-

tion inverse. En branchant deux diodes de ce type montées t8te-b8che en série dans un circuit, on obtiendrait une limitation de courant pour des courants inférieurs à 1 A avec une tension inférieure à 10 V. Cependant, ces diodes

ne seraient pas utilisables en pratique pour les applica-

tions de puissance nécessitant des courants de plusieurs milliers d'ampères et des tensions de plusieurs milliers

de volts.

Parmi les buts généraux de l'invention figurent la réduction de la taille et du poids, l'augmentation du

rendement de fonctionnement, la diminution de-l'investisse-

ment et des coûts d'exploitation et l'augmentation de la fiabilité de fonctionnement des limiteurs de courant dans

les applications de puissance.

L'invention a également pour but de réaliser un limiteur de courant de défaut destiné à réduire à zéro -un courant de surcharge, afin d'éliminer la nécessité de disjoncteurs, ou bien destiné à amener le courant à un niveau suffisamment faible pour prolonger considérablement

la durée de vie opérationnelle des disjoncteurs.

L'invention a également pour but d'offrir la possibilité de supprimer le dispositif de détection et l'interrupteur de dérivation, rendant ainsi le limiteur de

courant entièrement autonome en ce qui concerne la détec-

tion et la limitation du courant de défaut comme l'absorp-

tion de l'énergie pendant le fonctionnement en présence

d'un défaut.

L'invention a également pour but de réaliser un

dispositif de limitation de courant de défaut par l'utili-

sation de la limite de saturation d'émission d'un émetteur thermolonique. L'invention a également pour but de réaliser un limiteur de courant thermoïonique qui fonctionne dans la région étroite entre une émission Schottky raisonnablement limitée pendant un défaut, et une conduction à courant limité par la charge d'espace, à basse tension, pendant le fonctionnement normal et au début d'un défaut, avec ou sans grille. L'invention a également pour but de réaliser un limiteur de courant présentant une émission à cathode froide commandée par une grille, pour assurer à la fois la

fonction de limitation de courant et la fonction d'ouver-

ture de circuit.

L'invention a également pour but d'offrir un procédé et un dispositif destinés à limiter le courant au

moyen d'un photo-émetteur.

L'invention a également pour but de réaliser un limiteur de courant comprenant un dispositif à plasma tel qu'un dispositif à décharge de Penning ou McClure à faible

densité, pour limiter et réduire le courant.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de

la description qui va suivre de d1ivers modes de réalisation et en

se référant aux dessins annexés sur lesquels:

La figure 1 est un schéma d'un mode de réalisa-

tion d'un limiteur de courant correspondant à l'invention

qui comprend deux limiteurs de courant de défaut unidi-

rectionnels fonctionnant en parallèle,t8te-beche, avec un interrupteur de dérivation et une résistance d'absorption d'énergie dans une phase d'une ligne d'énergie électrique;

La figure 2A représente la caractéristique cou-

rant-tension de deux limiteurs de courant de défaut de type thermolonique branchés t8te-bgche, pour trois températures;

La figure 2B représente la caractéristique courant-

tension d'un dispositif thermoïonique bidirectionnel fonc-

tionnant dans la région d'émission Schottky;

La figure 2C représente la caractéristique courant-

tension pour un limiteur de courant de défaut à émission de champcommandée par une grille ou à émission thermofonique;

La figure 2D représente la caractéristique courant-

tension pour un limiteur de courant de défaut commandé par une grille dans lequel la tension de grille est réduite en fonction du temps; La figure 3 représente une cathode segmentée avec un gradient vertical pour définir une forte augmentation de courant sous l'effet d'une augmentation de tension, dans un limiteur de courant de défaut qui correspond à un autre mode de réalisation de l'invention; La figure 4A.représente un limiteur de courant de

défaut comportant des électrodes segmentées avec un écarte-

ment variable pour définir une faible augmentation de cou-

rant sous l'effet d'une tension croissante; La figure 4B représente un limiteur de courant de défaut qui correspond à l'invention et qui comporte des électrodes continues à écartement variable; La figure 4C représente un limiteur de courant de défaut qui correspond à l'invention et qui comporte une série de diodes à émission-bidirectionnelle commandée, avec un écartement variable;

La figure 5 est un schéma qui représente un limi-

teur de courant de défaut bidirectionnel, sans interrupteur de dérivation ou résistance d'absorption dans une phase d'une ligne d'énergie électrique; La figure 6 représente un circuit destiné à rendre bidirectionnel un limiteur de courant de défaut unidirectionnel; La figure 7 représente une onde de courant pendant

un défaut lorsqu'on utilise un limiteur de courant corres-

pondant à l'invention;

La figure 8 représente un autre mode de réalisa-

tion de l'invention qui comporte un photo-émetteur et un circuit destiné à limiter un courant de défaut; La figure 9 est un graphique représentant le courant en fonction de la tension pour le mode de décharge dit non amorcé;

La figure 10 représente un réseau d'anodes cylin-

driques placées entre des plaques de cathode et un champ magnétique parallèle, pour une décharge de Penning; La figure liA est une vue de dessus d'une cellule de McClure; et La figure l1B est une coupe d'un réseau de cellules de McClure. Considérations générales L'invention concerne un procédé et un appareil destinés à limiter une surintensité ou un courant de défaut indésirables dans une ligne d'énergie électrique, en plaçant dans le circuit électrique un dispositif quelconque choisi parmi divers dispositifs à émission commandée. Le dispositif comprend une cathode de laquelle partent des électrons et qui présente une limitation d'émission à un niveau de courant prédéterminé, ce qui établit entre la

cathode et l'anode un courant de saturation qui est indé-

pendant de la tension aux bornes du dispositif.

Dans un émetteur thermolonique, c'est la tempé-

rature de la cathode qui détermine la saturation ou la

limite d'émission du courant, comme le montre la figure 2A.

Bien que la tension augmente, les électrons circulent avec une vitesse plus élevée lorsqu'ils traversent l'espace et le courant n'augmente pas. Ceci résulte du fait que lorsque la vitesse des électrons augmente, la densité en volume des

électrons diminue dans l'espace, maintenant ainsi le cou-

rant constant. On utilise ce phénomène pour limiter un courant de défaut, conformément à un mode de réalisation de l'invention. La figure 2B est similaire à la figure 2A mais

elle fait intervenir l'émission Schottky, comme on l'envi-

sagera ci-après de façon plus détaillée. Dans un émetteur à effet de champ, une gril-le placée entre la cathode et l'anode détermine la limite de saturation du courant d'émission, comme le montre la figure 2C. C'est également le cas lorsqu'une grille est placée entre la cathode et l'anode dans un émetteur thermolonique fonctionnant dans le mode de limitation du courant par la charge d'espace. Dans un cas comme dans l'autre, la grille permet de réduire le courant de façon continue jusqu'à zéro si on le désire, en réduisant simplement la tension de grille, comme le montre

la figure 2D.

Structure et fonctionnement des modes de réalisation des

figures 1, 3, 4, 5, 6, 8, 10 et 11.

Emission thermolonique On va maintenant considérer la figure 1 qui montre qu'un dispositif à émission thermolonique qui correspond à l'invention comprend deux limiteurs unidirectionnels de

courant de défaut, 1, fonctionnant en parallèle, tête-

bêche, avec un interrupteur de dérivation 2 et une résis-

tance d'absorption d'énergie 3. Un capteur 4 ouvre l'inter-

rupteur de dérivation 2 lorsqu'un défaut est détecté. La figure montre une phase d'une ligne électrique, avec un

générateur 5 et une impédance de source 6. Un défaut poten-

tiel 7 est placé en parallèle sur la charge normale 8. On peut considérer le tube 10 comme étant un dispositif thermolonique ou un dispositif à émission par effet de champ à cathode froide. On considérera tout d'abord le

tube 10 en fonctionnement thermoïonique.

La cathode 9 en une matière à faible énergie

d'extraction est placée dans un tube de limitation de cou-

rant de défaut 10 qui contient également une grille 11 et une anode 12. Pour réduire la dissipation de puissance

pendant le fonctionnement normal, il est important de choi-

sir soigneusement la matière de la cathode 9. Pendant l'émission thermolonique en régime établi, la puissance d'entrée appliquée à la cathode de l'émetteur est égale à

la puissance dissipée à partir de la cathode et les princi-

paux éléments contribuant à cette dissipation de puissance sont les suivants:

1. Le processus d'émission thermolonique d'élec-

trons refroidit la cathode exactement comme le processus d'évaporation refroidit la source d'atomes ou de molécules qui s'évaporent. L'énergie emportée par un électron qui quitte la cathode est:0 + 2 kTC9 en désignant par 0 l'énergie d'extraction de la cathode, par k la constante

de Boltzmann et par T la température absolue de la cathode.

Par conséquent, la puissance perdue par l'émetteur du fait de ce processus est égale à - (0 + 2kT), en désignant par e c

I le courant d'émission et par e la charge de l'électron.

2, Le rayonnement à partir de la cathode est pro-

portionnel à Tc. Le rayonnement résultant dépend de la tempé-

rature des corps qui entourent la cathode. Si par exemple la cathode est entièrement entourée par une anode cylindrique coaxiale, la puissance dissipée sous l'effet du rayonnement

résultant est égale à ao k (T 4-T).

c a 3. La cathode perd de la puissance par conduction par ses conducteurs électriques et cette puissance est liée

à TC-Tb, en désignant par Tb la température de l'embase.

4. Dans le cas d'un tube empli d'un gaz à basse

pression, il existe une perte faible qui est due à la con-

duction et à la convection de la chaleur dans le gaz.

Lorsqu'un vide poussé est établi dans le tube 10, le rapport entre la chute de tension sans claquage pendant un défaut et la chute de tension pendant le fonctionnement normal est très supérieur à celui qui existe si le tube est empli d'un gaz. Si au contraire le tube contient un gaz ou une vapeur à faible potentiel d'ionisation, comme du césium, du sodium et/ou du potassium, la chute de tension

aux bornes du tube 10 est plus faible pendant la conduc-

tion normale, à cause de la neutralisation de la charge

d'espace et d'autres effets qu'on envisagera ultérieurement.

Les mérites relatifs des deux modes de fonctionne-

ment, c'est-à-dire dans le vide ou dans un gaz à basse

pression, sont liés aux considérations économiques consis-

tant dans la présence ou l'absence du capteur 4 et de l'interrupteur de dérivation 2. Ces éléments ne sont pas essentiels du fait que les tubes de limitation de courant de défaut 10 sont capables de fonctionner de façon autonome sans eux. La question à trait au compromis économique entre l'investissement que représenterÈ22capteur et l'interrupteur de dérivation, d'une part, et le cout d'exploitation plus élevé, d'autre part, dû. à la dissipation de puissance plus

élevée des tubes fonctionnant sans le capteur et l'inter-

rupteur. Pendant le fonctionnement normal, l'interrupteur de dérivation 2 est dans la position fermée et il shunte les tubes 10. L'interrupteur 2 a pour but d'établir un chemin à basse impédance pour-le courant normal afin de réduire au minimum la puissance dissipée pendant le fonctionnement normal. Lorsque le capteur 4 détecte un courant de défaut, -5 l'interrupteur 2 s'ouvre et le courant est transféré aux tubes de limitation de courant de défaut 10. Si les tubes ont une capacité thermique suffisante, la résistance d'absorption d'énergie 3 peut ne pas être nécessaire. La résistance 3 a pour but d'aider à l'absorption de la grande

quantité d'énergie qui est dissipée pendant un défaut.

Pour réduire encore davantage la dissipation de

puissance pendant le fonctionnement normal, il est impor-

tant de faire fonctionner la cathode 9 à une température

aussi basse que possible. Ceci implique la nécessité d'uti-

liser une cathode à faible énergie d'extraction. Les catho-

des fabriquées en tungstène souffrent de l'inconvénient qui consiste en ce que le tungstène a une énergie d'extraction

relativement élevée de O72 aJ. Le tungstène thorié conte-

nant du thorium sur le tungstène réduit l'énergie d'extrac-

tion à 0,42 aJ. Les cathodes constituées par une base métallique en nickel,"Konel" ou en alliages de platine, revêtues d'une couche d'oxydes de terres rares, comme le baryum et le strontium, donnent une énergie d'extraction de cathode d'environ Q.16 à 0, 2aJ.9!Ufait que ces oxydes sont instables dans l'air, la cathode est tout d'abord revêtue de carbonates ou de nitrates de baryum ou de strontium, par pulvérisation ou immersion, puis est ensuite soumise à un traitement de séchage. Pendant l'établissement du vide, la cathode est activée par chauffage à une température supérieure à la température normale de fonctionnement, et les revêtements sont convertis en oxydes, les gaz

libérés étant évacués par les pompes à vide.

Pour l'utilisation avec des vapeurs telles que celles de césium, les cathodes réalisées en hexaborure de lanthane LaB6 sont souhaitables. La faible concentration de césium nécessaire pour obtenir une faible énergie d'extraction pour l'hexaborure de lanthane réduit également les pertes liées à la conduction thermique, la résistance électrique et la désionisation par collision dans le plasma lorsqu'on choisit le mode correspondant à la présence d'un gaz ou d'une vapeur. Le LaB6 a un point de fusion de 2800 K et il a été signalé que l'énergie d'extraction descend jusqu'à Osl,3aJ, en présence d'une légère quantité

de césium. Les hexaborures de samarium et d'europium mani-

festent un comportement similaire. On pourrait également

utiliser d'autres borures, carbures et siliciures métalli-

ques. Par exemple, le diborure de titane (TiB2) fond à 3250 K. Les énergies d'extraction en l'absence de césium varient de 0934à 1,îo aJ pour les borures, de O032 à 0278 aJ

pour les carbures et de 0 à0,69 aJ pour les siliciures.

Le césium adsorbé sur ces surfaces réduit considérablement

l'énergie d'extraction.

Une cathode à faible énergie d'extraction peut

conduire à une température de fonctionnement considérable-

ment réduite pour la cathode, comme le montre l'équation de RichardsonDushalan (appelée ci-après équation R-D), qui

est l'équation fondamentale régissant l'émission thermolo-

nique J= Ao(l-r)T exp [-0/kt], dans laquelle: J est la densité du courant émis en A/cm2 Ao est une constante universelle égale à 120,4 A/(cm2-K 2)

r est un coefficient de réflexion.

Du fait que l'énergie d'extraction 0 figure dans l'expo-

sant, une faible réduction de 0 permet d'augmenter forte-

ment le courent émis par effet thermoionique.

- L'équation R-D donne le courant de saturation

ou de limitation qui peut circuler dans un tube thermoloni-

que lorsque le champ électrique à la cathode n'est pas suffisamment grand pour abaisser notablement la barrière de potentiel. Ceci se produit dans des tubes ayant un grand

écartement entre la cathode et l'anode, et la caractéristi-

que courant-tension est représentée sur la figure 2A pour une paire de tubes de ce type fonctionnant en parallèle, tSte-beche, comme le montre la figure 1. On voit sur la figure 2A que la saturation du courant (lorsqu'on n'utilise pas la grille 11 ou lorsqu'elle est absente) est déterminée par les températures T1, T2, et T3 sur la cathode qui sont de plus en plus élevées. La saturation ou la limitation du courant est la condition qui consiste en ce que le courant traversant le tube 10 est indépendant de la tension V entre

la cathode 9 et-l'anode 12.

Comme le montre la figure 2A, la première partie du courant, présentant une croissance rapide, correspond à un courante limité par la cha;ge d'espace qui croît comme

V 3/2 en l'absence du modelage qui sera envisagé ultérieure-

ment. La seconde partie du courant est presque constante et est pratiquement indépendante de V. Cette seconde partie est liée à la vitesse d'émission thermolonique qui est limitée par la température. La partie limitée par la charge d'espace est régie par la loi de Langmuir- Child (qu'on appellera ci-après loi ou équation L-C) qui s'écrit J(A/cm2) 2,33 x 106 v3/2/d2, pour un champ uniforme entre une cathode et une anode planes

séparées par un espace de d (cm) et en présence d'une ten-

sion V (volts). Pour une diode comportant des cylindres longs et concentriques, on a J (A/cm) = 14,6 x 10 6 V 3/2 /Br a Dans la relation ci-dessus, ra est le rayon de l'anode en cm et B est un nombre qui tend vers zéro lorsque le rapport entre le rayon de l'anode et le rayon de la cathode, rc, tend vers 1. Lorsque ra/rc devient grand, B passe de 1,1 à 1. On notera que l'équation R-D fixe une limite supérieure au nombre d'électrons qui peuvent être émis par une cathode donnée à une température T, et que l'équation L-C détermine le nombre effectif d'électrons qui atteignent l'anode. Le courant ne peut jamais être supérieur à la valeur d'émission mais il peut être inférieur du fait des limitations de

charge d'espace.

La présence du facteur V3/2 dans l'équation L-C

a la conséquence suivante: pour maintenir la tension mini-

male Vmin à une valeur faible pour l'obtention du courant de saturation, on doit donner une valeur faible à l'espace qui il sépare la cathode et l'anode. Lorsque la tension s'élève aux bornes d'un espace de faible valeur, le champ électrique finit par devenir suffisamment grand pour abaisser la barrière de potentiel, ce qui conduit à l'émission Schottky, comme le montre la figure 2B. L'équation de Schottky (S) est la suivante: JA,(l-r)T2 exp [- {0-e(eE)1/2l /kT], en désignant par e la charge de l'électron et par E le champ électrique au niveau de la cathode. a L'équation S est essentiellement une équation R-D modifiée de façon à faire intervenir les effets du champ électrique. L'émission Schottky empêche l'apparition du courant de saturation, comme le montre la figure 2B. Pour éviter ou minimiser l'émission Schottky sans utiliser une grille, il faut un espace de valeur élevée, ce qui est l'exigence contraire à celle de l'équation L-C. Dans cette

situation, la plage de paramètres de fonctionnement accep-

tables est limitée. Cependant, on peut trouver une plage de fonctionnement étroite qui satisfait les deux exigences en maintenant JL- C {JS jusqu'à la tension minimale donnant le courant de saturation nominal, et en ne permettant pas à JS d'augmenter d'un facteur supérieur à 2 ou 3 au-delà du courant de saturation nominal lorsque V passe de V min à Vmax' ces valeurs étant déterminées par la ligne d'énergie

électrique.

Conformément à un aspect de l'invention, il est

possible d'avoir un viol virtuel de la loi L-C. Ceci intro-

duit une plus grande souplesse et élargit la plage des paramètres de fonctionnement. Par exemple, si la cathode

est segmentée et si on maintient une tension sur la lon-

gueur de la cathode segmentée 14, comme le montre la figure 3, il est possible de modeler la dépendance fonctionnelle du courant vis-à-vis de la tension de façon que le courant croisse plus rapidement (exposant plus élevé) qu'avec l'exposant 3/2 que permet la loi L-C. Chacune des tensions

V1, V2, V3 et Vnî' Vn est maintenue sur le segment corres-

pondant de la cathode 14, comme il est représenté.

Lorsqu'on augmente la tension V sur l'anode 15, les élec-

trons émis par un nombre de segments de plus en plus grand seront Lecueillis progressivement, augmentant ainsi rapidement

le courant total.

Il est également possible de modeler la dépendance fonctionnelle du courant vis-à-vis de la tension de façon que le courant croisse plus lentement qu'avec l'exposant 3/2 que permet la loi L-C. Comme le montre la figure 4A, la cathode 16 ainsi que l'anode 17 sont segmentées. Du fait que le courant varie en fonction inverse de d (loi L-C), les

électrodes les plus proches atteindront en premier le cou-

rant de saturation et elles seront suivies progressivement par les autres. De façon similaire, le champ électrique est plus faible pour les électrodes les plus éloignées, ce qui minimise l'émission Schottky. Le courant total augmentera

ainsi plus lentement qu'avec une autre configuration.

La figure 4B illustre le même principe mais avec une électrode continue 18 et une électrode continue 19 ayant des formes telles que l'espace varie d'une manière prédéterminée afin de limiter la croissance du courant. En chauffant les deux électrodes, par exemple en maintenant

le tube 10 à une température suffisamment élevée, l'élec-

trode 18 ou l'électrode 19 peut être la cathode émissive.

Ainsi, le tube 10 n'est pas nécessairement unidirectionnel, mais peut être bidirectionnel. Ceci supprime l-a nécessité

d'avoir des tubes 10 disposés en parallèle en configura-

tion tête-bêche, comme il est représenté sur la figure 1, et un seul-tube 10 peut suffire. La figure 4C montre un tube bidirectionnel 10 dans lequel les électrodes 20 sont

disposées en série et sont isolées et séparées par l'enve-

loppe diélectrique 21.

La figure 5 représente le tube bidirectionnel de limitation de courant de défaut 10 dans un circuit de ligne d'énergie électrique similaire à celui décrit en relation avec la figure 1, et dans lequel la référence 7 désigne le

défaut. potentiel. Dans ce cas, les pertes en fonctionne-

ment normal sont suffisamment faibles pour qu'aucun inter-

rupteur de dérivation ne soit nécessaire. Il existe égale-

ment une capacité thermique suffisante dans les électrodes et l'enveloppe diélectrique 21 pour que la résistance d'absorption d'énergie soit également supprimée. Du fait que le courant ne doit pas être transféré d'un interrupteur de dérivation vers le tube, il n'est pas nécessaire qu'il y ait une croissance rapide du courant dans le tube, en fonction de la tension. A la place, une croissance plus lente que V3/2 est souhaitable pour des courants supérieurs au courant normal dans un tube qui fonctionne dans le circuit sans

interrupteur de dérivation.

Outre la technique consistant à chauffer les deux électrodes de façon que le tube de limitation de courant de défaut 10 soit bidirectionnel, il est possible de supprimer l'un des tubes de la paire de tubes unidirectionnels 10,

tout en acceptant les courants alternatifs. Ceci est repré-

senté sur la figure 6. En ajoutant les quatre diodes à semiconducteur 22, de la manière représentée, un seul tube

unidirectionnel 10 peut accepter des courants alternatifs.

La figure 7 représente le courant de charge normal (CCN) et le courant de défaut disponible en fonction du temps (CDP) On voit également sur la figure le courant de défaut tel qu'il

est limité par l'invention (CDL).

Grille On va maintenant considérer le rôle d'une grille dans le dispositif de limitation de courant de défaut. En retournant à la figure 1, on voit qu'une grille 11 est placée à l'intérieur du tube de limitation de courant de

défaut 10. Jusqu'à présent, on a fait fonctionner le limi-

teur de courant de défaut sans employer la grille. Cepen-

dant, dans le cas de l'émission thermolonique dans un vide

poussé ou avec un gaz à basse pression, une grille 11 pro-

che de la cathode 9 permet d'atteindre un niveau de cou-

rant de saturation arbitrairement bas,-pour une tension relativement faible, v. Lorsque la tension V continue à augmenter, le courant atteignant l'anode 12 sera limité ou

commandé par la tension v sur la grille.-Ceci est représen-

té sur la figure 2C qui montre la caractéristique courant-

tension pour un limiteur de courant de défaut commandé par une grille, pour des tensions v1, v2, V3 ayant des valeurs de plus en plus élevées. La grille 11 constitue fondamenta-

lement pour la cathode 9 un écran qui la protège du champ produit par l'anode 12. Le problème de l'émission Schottky est ainsi supprimé. De plus, il est possible d'obtenir un courant de saturation allant vers l'anode qui soit inférieur au niveau de saturation de l'émission de l'émetteur. En fait, comme le montre la figure 2D, le courant peut être

réduit à un niveau arbitrairement bas en réduisant la ten-

sion v(t) sur la grille 11. Ainsi, avec la grille, le limi-

teur de courant de défaut peut même remplir la fonction d'un interrupteur ou d'un disjoncteur. La grille 11 doit être suffisamment transparente pour réduire au minimum le courant qu'elle recueille, tout en constituant un écran efficace pour la cathode 9, vis-à-vis du champ que produit

l'anode 12.

Emission de champ On va maintenant considérer une cathode à

émission de champ dans le limiteur de courant de défaut.

L'application d'un champ électrique élevé (par exemple 107V/cm) à une cathode réduit fortement la largeur de la barrière de potentiel. L'émission de champ consiste en un passage des électrons, par effet tunnel, à travers la barrière de potentiel amincie, à la surface de la cathode, alors qu'avec l'émission thermolonique ou l'émission Schottky, les électrons passent par-dessus la barrière de potentiel. L'émission de champ est fondamentalement régie par l'équation de Fowler-Nordheim 6,2 x 6 (F/0/"2 2 (-6,83x2 J(A/cm) =62 x 10 6 2 E exp (-6,8 x 107) (Sous la forme ci-dessus, cette équation n'est pas corrigée pour tenir compte du potentiel image.) F est le niveau de ?ermi en unités égales à 0,5 ali -a t est 3e chzmp électriqe la cathode

enV/ m.La densité de courant d'émission J continue à augmen-

ter lorsque E augmente.

Il en résulte qu'une grille 11 est nécessaire entre la cathode 9 et l'anode 12, comme le montre la figure 1, pour limiter ou commander le courant en commandant le champ électrique sur la cathode 9. La grille 11 doit être

suffisamment transparente pour recueillir très peu de cou-

rant. Comme le montre la figure 2C, diverses tensions de grille v3 > v2> v1 positives par rapport au potentiel de cathode donnent un courant constant si elles sont maintenues constantes au-delà d'une valeur minimale. Si on désire réduire ou bloquer le courant, comme il est représenté sur la figure 2D, on peut réduire la tension de grille v(t) en

fonction du temps.

On peut procéder de deux manières pour faire fonctionner de façon bidirectionnelle un tube à émission de champ 10 de type unidirectionnel, comme celui qui est représenté sur la figure 1. Comme le montre la figure 6, le

tube peut conserver son caractère unidirectionnel intrinsè-

que et néanmoins fonctionner de façon bidirectionnelle, par l'adjonction des diodes 22. Selon une variante, la cathode et l'anode peuvent échanger leurs rôles à chaque demi-cycle et être considérées seulement comme des électrodes 20 dans un tube de limitation de courant de défaut 10, tel que celui représenté sur la figure 5. On peut parvenir à ceci en réalisant les deux électrodes en une matière à faible énergie d'extraction avec un renforcement local du champ électrique, comme par exemple une électrode en forme de brosse (réseau d'aiguilles). On peut utiliser des variantes du processus direct d'émission de champ, comme l'émission de champ thermolonique, des pellicules d'oxydes sur la cathode avec des ions positifs pour produire des champs électriques intenses, des cathodes à effet Malter, des cathodes à zones de champ, etc. Par exemple, une diode tunnel utilise des couches minces d'aluminium, Al, et d'or,

Au, séparées par une couche mince d'oxyde d'aluminium.

Lorsqu'on applique une tension aux bornes de la jonction

avec l'or porté à un potentiel positif, les électrons tra-

versent la barrière d'oxyde par effet tunnel, de l'alumi-

nium vers l'or. Lorsqu'on augmente la tension, une partie des électrons reçoit une énergie suffisante pour pénétrer

dans la couche d'or et ces électrons sont émis dans l'espa-

ce libre et ils sont accélérés en direction de l'anode. La

couche d'or joue ici le râle de la grille mentionnée précé-

demment. Effet photoélectrique

* On va maintenant considérer un limiteur de cou-

rant de défaut utilisant un tube à effet photoélectrique 100, représenté sur la figure 8. Ce tube fonctionne avec un interrupteur de dérivation 2 et une résistance d'absorption d'énergie 3. Un capteur 4 ouvre l'interrupteur de dérivation 2 lorsqu'un défaut est détecté. L'interrupteur 2 est en

position fermée pendant le fonctionnement normal. Simultané-

ment, le capteur déclenche une source lumineuse 30 qui peut

être électrique ou chimique. Un miroir 31, du type parabo-

lique, contribue à concentrer la lumière sur des électrodes 32 dont l'énergie d'extraction 0 a une valeur faible. En fonction de la polarité, l'une des électrodes 32 joue le rôle de la cathode et l'autre électrode 32 joue le râle de

l'anode. Le tube 100 est ainsi bidirectionnel. Les principa-

les fréquences spectrales f de la lumière sont telles qu'on

ait: hf D 0, en désignant par h la constante de Planck.

Le courant dans le tube 100 croit rapidement si bien que l'arc présent dans l'interrupteur 2 peut être éteint rapidement et transféré vers le tube 100. Le courant

dans le tube 100 est maintenu aussi longtemps que l'impul-

sion lumineuse continue. Lorsque la lumière s'éteint, le

courant cesse de circuler dans le tube 100 et il est trans-

féré vers la résistance 3. La résistance 3 limite le courant

et absorbe la puissance dissipée.

Le tube photoélectrique 100 peut être un tube à vide ou un tube empli d'un gaz. Dans le cas d'un tube à vide, le courant est entièrement du aux photo-électrons. La croissance du courant de photo-électrons est limitée par la charge d'espace, comme décrit précédemment, et le courant

de saturation est déterminé par l'intensité de la lumière.

Si le tube 100 est empli d'un gaz, le courant est à là fois

fonction des photo-électrons émis et des paires électron-

ion qui sont formés par ionisation dans le gaz.

Décharge dans un gaz à basse pression

La figure 9 est un graphique du courant en fonc-

tion de la tension pour l'un quelconque des dispositifs décrits précédemment fonctionnant dans le mode de décharge dans un gaz. Si on fait croître la tension entre une paire d'électrodes planes parallèles dans un tube contenant un gaz à basse pression, le courant croit d'abord rapidement jusqu'au point A de la courbe courant-tension de la figure 9,

ce qui correspond à la tension VA. Lorsque la tension conti-

nue à augmenter de VA à VB, le courant demeure approximati-

vement constant de A à B. Pour les applications de limita-

tion de courant de défaut, il est souhaitable que la tension VA soit faible et que la tension VB soit grande, avec un rapport VB/VA élevé. On peut parvenir à ceci par un choix approprié de paramètres tels qu'un gaz à faible potentiel d'ionisation avec une section efficace d'ionisation élevée, la pression, la température, etc. On peut placer en série un nombre n de telles électrodes, de façon qu'une tension totale V < (n-l)VB puisse 6tre appliquée aux bornes de la

série d'espaces, sans dépasser VB pour un espace quelcon-

que, comme le montre le tube 10 de la figure 5 comportant les électrodes 20. On évite ainsi la partie restante de la

courbe courant-tension.

Si dans une décharge à basse pression, correspon-

dant à une pression inférieure ou égale à _1333 P7,,on incorpore à la cathode une source d'électrons ionisants (comme par exemple par émission thermolonique, émission de

champ, photo-émission, etc), de façon que la vitesse d'ioni-

sation soit constanté, un courant constant plus élevé sera maintenu sur la plage de tension étendue allant de V à VB' Ceci résulte du fait que les électrons libres et les ions libres sont recueillis à une vitesse égale à celle à laquelle ils sont formés sans avalanche. Pour tout courant appréciable, cette région de la décharge dépend de la source d'ionisation supplémentaire et correspond à ce

qu'on appelle le mode non amorcé.

Un gaz ou une vapeur utilisant les métaux alca-

lins tels que le césium, le rubidium, le potassium, le sodium et le lithium (à température élevée) a l'avantage d'avoir un faible potentiel d'ionisation et une pression de vapeur élevée à une température modérée. La facilité d'ionisation et le degré d'ionisation élevé qu'on peut obtenir avec ces vapeurs de métaux alcalins les rend intéressants pour une telle application et donne une plage de tension étendue VA à VB pour laquelle le courant (limité) est pratiquement constant. Ces vapeurs sont cependant

indésirables du fait de leurs caractéristiques corrosives.

On peut utiliser des gaz pour lesquels la corrosion ne

constitue pas un problème, en passant à des aires d'élec-

trodes élevées et en utilisant davantage de paires d'élec-

trodes avec une plus petite plage de tension pour chaque

paire d'électrodes.

Pour des pressions très faibles (inférieures ou

égales à 13,3 PR) pour lesquelles le courant est dû essen-

tiellement aux électrons émis par la cathode, la présence d'un petit nombre d'ions positifs près de la cathode peut avoir un effet avantageux. Du fait de sa faible vitesse, un seul ion peut effectivement neutraliser un grand nombre d'électrons, dans la proportion approximative de [Mi/Mej1/2, en désignant par Mi la masse de l'ion et par M la masse de l'électron. Ainsi, la limitation de la e croissance du courant par la charge d'espace peut être

vaincue et on peut obtenir, lorsqu'on le désire, une aug-

mentation beaucoup plus rapide du courant en fonction de

la tension, jusqu'au niveau de saturation.

Dans un limiteur bidirectionnel de courant de

défaut par émission de champ utilisant un réseau d'aiguil-

les sur les deux électrodes, un certain niveau d'ionisation du gaz par effet de champ se produit sur l'anode, et une

certaine ionisation par chocs se produit près de la catho-

de pour fournir des ions destinés à la neutralisation de la

charge d'espace.

Dans un limiteur de--courant de défaut par émission thermolonique, outre l'ionisation du gaz par chocs près de la cathode, il est possible qu'une ionisation de surface

constitue une source d'électrons et d'ions. On peut facile-

ment comprendre l'ionisation de surface en considérant la

relation entre les potentiels d'ionisation du gaz et l'éner-

gie d'extraction de la surface sur laquelle le gaz est projeté. Si le potentiel d'ionisation du gaz est inférieur à l'énergie d'extraction de la surface, l'atome de gaz donne un électron de valence à la surface ayant une énergie d'extraction élevée et il devient un ion. Cependant, l'ionisation de surface se produit non

seulement de la manière décrite ci-dessus, mais occasionnel-

lement dans des circonstances inattendues. Par exemple, l'ionisation de surface du potassium, K, et du sodium, Na, montre un comportement thermodynamique étonnamment proche à partir de deux matières très différentes. Le rhénium a une

énergie d'extraction de 0178 aJ(l'une des énergies d'extrac-

tion les plus élevées pour un métal) et l'hexaborure de

lanthane, LaB6, a une énergie d'extraction de 0A42 aJ.

Néanmoins, Na et K, avec des potentiels de première ionisa-

tion respectivement égaux à 0,32 et0,69aJ ont essentielle-

ment les mêmes caractéristiques d'ionisation de surface à partir de ces deux surfaces. Ceci peut être dû au fait que

LaB6 comporte des régions microscopiques à énergie d'extrac-

tion très faible et à énergie d'extraction très élevée.

Le LaB6 est à la fois un excellent émetteur d'électrons à effet thermolonique, à cause de sa faible énergie d'extraction et un bon émetteur par ionisation de surface. Il retient également le césium absorbé, ce qui abaisse son énergie d'extraction à J,-13 aJ0 Lorsque la corrosion par les vapeurs de métaux alcalins constitue un problème, on peut faire en sorte que le métal alcalin imprègne le volume de la matière de l'électrode, par une diffusion commandée vers la surface, à une température élevée. Une concentration ne dépassant pas une partie pour 1000 du volume de l'électrode donne

néanmoins une densité d'environ 1020 atomes de métal alca-

lin par cm. Lorsqu'on compare ceci avec la densité de

13 3

vapeur de 10 atomes/cm à Q',133 Sa_, il est clair qu'une source de diffusion d'atomes alcalins dans l'électrode ne serait pas rapidement épuisée. On pourrait établir une

telle source pour maintenir une faible énergie d'extrac-

tion en surface et, si on le désire, elle pourrait être constituée par une source d'ions afin de neutraliser la

charge d'espace d'électrons.

A des pressions extrêmement faibles, inférieures ou égales à O1013 Fa, la décharge dans un gaz peut être maintenue en appliquant un champ magnétique dans une direc- tion parallèle à un réseau d'anodes cylindriques 100 entre

deux plaques de cathode 101, comme le montre la figure 10.

Les cathodes peuvent fonctionner en mode d'émission thermolonique ou en mode d'émission de champ. La commande

du champ magnétique et/ou la commande de l'émission à par-

tir des cathodes peuvent effectivement commander le courant.

Une telle décharge est appelée décharge de Penning.

Un autre procédé de commande du courant avec une décharge sous une pression extrêmement faible qui évite la nécessité d'un champ magnétique consiste à utiliser un réseau de cellules de McClure, comme celui représenté sur la figure iiB. La figure liA est une vue de dessus d'une telle cellule de McClure. La figure 11B est une coupe de chaque cellule selon la ligne A-A, montrant les cathodes cylindriques 200 coaxiales par rapport aux anodes centrales 201. Dans les cellules de Penning comme de McClure, les électrons ont un long chemin libre moyen avant d'être recueillis par l'anode et ils ont une probabilité élevée d'ioniser le gaz à très basse pression. Dans le cas des

cellules de Penning, c'est la combinaison des champs élec-

trique et magnétique qui produit le long chemin libre moyen.

Dans le cas des cellules de McClure, c'est la conservation du moment angulaire des électrons qui leur donne un long chemin libre moyen avant qu'ils soient capturés par chaque anode centrale. Les électrons peuvent donc être emprisonnés au moyen d'un champ purement électrostatique. La décharge de Penning comme celle de McClure peuvent être maintenues à des pressions extrêmement basses, très inférieures à 0.0C^ Pa. Pour des pressions inférieures à Q'Q23, les décharges sont maintenuesessentiellement pour neutraliser la charge d'espace d'électrons. Les cathodes peuvent être des émetteurs thermxoloniques ou des émetteurs commandés à effet de champ, comme il a été indiqué précédemment. On obtient une grande capacité d'acheminement de courant en connectant

des cellules en parallèle et on peut obdenir des tensions ela-

vées en les connectant en série.

On vient de décrire le procédé consistant à limi- ter un courant de défaut électrique dans une ligne d'énergie électrique par commande de l'émission de courant. On a décrit divers modes de réalisation du dispositif destiné à la mise en oeuvre de l'invention. Cependant, de nombreuses modifications peuvent 8tre apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Dispositif à émission limitée (1) destiné à être utilisé pour la limitation des courants de défaut dans une ligne d'énergie électrique, ce dispositif comprenant un élément de cathode (9), un élément d'anode (12) et des

moyens destinés à produire une émission de porteurs de cou-

rant à partir de la cathode, caractérisé en ce que l'émis-

sion de porteurs de courant est limitée au-dessus du niveau

de courant qui est établi par les moyens destinés à produi-

re l'émission.

2. Dispositif à émission limitée selon la reven-

dication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à produire l'émission de porteurs de courant comprennent des moyens destinés à chauffer la cathode, grâce à quoi l'émission de porteurs de courant est limitée par effet thermolonique.

3. Dispositif à émission limitée selon la reven-

dication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à produire l'émission de porteurs de courant comprennent une

électrode de grille (11).

4. Dispositif à émission limitée selon la reven-

dication 3, caractérisé en ce que l'électrode de grille (11) commande l'émission des porteurs de courant par effet

de champ.

5. Dispositif à émission limitée selon la reven-

dication 3, caractérisé en ce que l'électrode de grille (11) commande l'émission thermolonique des porteurs de courant.

6. Dispositif à émission limitée selon l'une

quelconque des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que

la cathode comprend une couche de surface en une matière qui s'ionise à une vitesse qui diminue au-dessus d'un

niveau déterminé par le volume et la surf-ce Spéci-

*ique de cette matière.

7. Dispositif à émission limitée selon la reven-

dication 6, caractérisé en ce que la cathode (200) est cylindrique et l'anode (201) est cylindrique et coaxiale

par rapport à la cathode.

8. Dispositif à émission limitée selon la revendi-

cation 6, caractérisé en ce que l'anode et la cathode (18,

19) sont séparées par une distance variable.

9. Procédé de limitation d'un courant de défaut - dans une ligne d'énergie électrique, caractérisé en ce qu'on place un dispositif àAémission limitée en série avec la ligne d'énergie électrique, grâce à quoi les courants

correspondant aux niveaux normaux de fonctionnement circu-

lent sans être limités et les courants correspondant à des niveaux supérieurs qui sont dûs à un défaut sont limités

par les caractéristiques d'émission de courant du disposi-

tif à émission limitée.