FR2589015A1 - Lightning arrester for transporting high currents in response to rapid signals - Google Patents
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- H01T2/00—Spark gaps comprising auxiliary triggering means
- H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap
Abstract
Description
La présente invention concerne un parafoudre pour l'écouw lement de courants forts en réponse è des signaux rapides et, plus particulièrement, un parafoudre capable d'écouler des courants forts sans dommage, avec un temps de réponse compatible avec la protection contre les Impulsions Electromagnétiques Nucléaires. The present invention relates to a surge arrester for the flow of strong currents in response to fast signals and, more particularly, to a surge arrester capable of flowing strong currents without damage, with a response time compatible with protection against electromagnetic pulses. Nuclear.
On connait déjà des parafoudres bipolaires comprenant une première électrode conductrice reliée s!ùn conducteur de transport d'énergie électrique, une deuxième électrode conductrice reliée a la terre et disposée à une certaine distance de la première électrode et des entretoises isolantes permettant de maintenir les deux électrodes à une distance prédéterminée l'une de l'autre. La présence d'un gaz rare dans l'espace situé entre les deux électrodes permet, par ionisation de ce gaz lorsque la tension entre les deux électrodes dépasse un seuil donné, de réaliser 11 écoulement vers la terre des charges liées à une surtension accidentelle temporaire due, notamment, à des perturbations atmosphériques. Bipolar surge arresters are already known comprising a first conductive electrode connected to a conductor for transporting electrical energy, a second conductive electrode connected to ground and disposed at a certain distance from the first electrode and insulating spacers making it possible to maintain the two. electrodes at a predetermined distance from each other. The presence of a rare gas in the space located between the two electrodes allows, by ionization of this gas when the voltage between the two electrodes exceeds a given threshold, to carry out 11 flow to earth of the charges linked to a temporary accidental overvoltage due, in particular, to atmospheric disturbances.
Un tel type d'éclateur de protection d'une installation électrique contre les surtensionsne permet pas de répondre de façon optimum à tous les cas de fonctionnement possibles et, notamment, ne permet pas un écoulement suffisamment rapide de charges électriques importantes vers le sol en cas d'apparition de signaux de surtension rapides, notamment parce que le seuil de déclenchement entre les electrodes est trop élevé. Such a type of spark gap for the protection of an electrical installation against overvoltages does not allow an optimum response to all possible operating cases and, in particular, does not allow a sufficiently rapid flow of large electrical charges towards the ground in the event appearance of rapid overvoltage signals, in particular because the trigger threshold between the electrodes is too high.
La présente invention vise à améliorer les dispositifs parafoudres déjà connus et à permettre, en particulier, ltecoulement efficace de courants forts en réponse à des signaux très rapides conduisant à des surtensions entre une ligne d'alimentation en énergie électrique et le sol. The present invention aims to improve the lightning arresters already known and to allow, in particular, the efficient flow of strong currents in response to very fast signals leading to overvoltages between an electrical power supply line and the ground.
L'invention a, plus particulièrement, pour objet de réduire le seuil d'amorçage d'un parafoudre, tout en maintenant une possibilité d'écoulement de charges importantes. The object of the invention is more particularly to reduce the starting threshold of a surge arrester, while maintaining the possibility of large loads flowing.
Ces buts sont atteints grâce à un parafoudre caractérisé en ce que les première et seconde électrodes définissent des parties centrales qui sont placées en regard l'une de l'autre à une distance prédéterminée l'une de l'autre, en ce qu'il comprend, en outre, une troisième électrode en forme d'anneau qui est interposée entre les première et seconde électrodes autour des parties centrales de cellesci, et dont le rebord interne est situé à une plus faible distance de la partie centrale de l'électrode reliée au conducteur de transport d'énergie électrique que de la partie centrale de 11 électrode reliée à la terre, et en ce que la troisième électrode annulaire et la seconde électrode reliée à la masse sont reliées entre elles par un condensateur. These aims are achieved by a surge arrester characterized in that the first and second electrodes define central parts which are placed opposite one another at a predetermined distance from each other, in that it further comprises a third ring-shaped electrode which is interposed between the first and second electrodes around the central parts thereof, and the internal rim of which is located at a shorter distance from the central part of the connected electrode to the electrical energy transport conductor only from the central part of the electrode connected to earth, and in that the third annular electrode and the second electrode connected to ground are connected together by a capacitor.
La troisième électrode constitue, avec la première électrode, un éclateur dont la tension d'amorçage est relativement basse et qui assure, de façon rapide, l'amorçage d'une petite charge dans un espace réduit, lequel amorçage crée rapidement une ionisation de l'ensemble du gaz compris entre les première et deuxième électrodes massives à plus fort pouvoir d'écoulement qui assurent l'évacuation effective vers le sol des charges liées aux surtensions transitoires. The third electrode constitutes, with the first electrode, a spark gap whose ignition voltage is relatively low and which ensures, quickly, the ignition of a small charge in a reduced space, which ignition quickly creates an ionization of the 'all of the gas between the first and second massive electrodes with higher flow power which ensure the effective evacuation to the ground of the charges linked to transient overvoltages.
Le rebord interne de l'électrode annulaire centrale peut présenter la forme de dents de scie ou toute autre configuration visant à multiplier les points d'amorçage, tout en minimisant la capacité parasite résiduelle entre cette électrode annulaire et la pre mière électrode. The internal rim of the central annular electrode may have the shape of a sawtooth or any other configuration aimed at increasing the initiation points, while minimizing the residual parasitic capacity between this annular electrode and the first electrode.
D'une manière générale, le rebord interne de l'électrode annulaire centrale est situé le plus près possible de la première électrode, par exemple à une distance comprise entre environ 0,2 et 0,5 mm de la partie centrale de la première électrode. Generally, the internal rim of the central annular electrode is located as close as possible to the first electrode, for example at a distance of between approximately 0.2 and 0.5 mm from the central part of the first electrode .
Selon un mode de réalisation particulier, les première et seconde électrodes présentent chacune une partie annulaire péri phérique en forme de bride isolée de la partie annulaire périphérique de l'autre électrode par lesdits moyens d'entretoise et d'isolation électrique. According to a particular embodiment, the first and second electrodes each have a peripheral annular portion in the form of a flange isolated from the peripheral annular portion of the other electrode by said spacer and electrical insulation means.
La distance entre les parties centrales des première et seconde électrodes est très nettement inférieure à la distance qui sépare les parties annulaires périphériques des première et seconde électrodes. The distance between the central parts of the first and second electrodes is very much less than the distance which separates the peripheral annular parts of the first and second electrodes.
Selon une caractéristique particulièreD les moyens d'entretoise et d'isolation électrique comprennent une première bague annulaire en matériau céramique interposée entre la partie périphérique de la première électrode et la troisième électrode annulaires et une seconde bague annulaire en matériau céramique interposée entre la troisième électrode annulaire et la partie périphérique de la seconde électrode. According to a particular characteristic D the spacer and electrical insulation means comprise a first annular ring of ceramic material interposed between the peripheral part of the first electrode and the third annular electrode and a second annular ring of ceramic material interposed between the third annular electrode and the peripheral part of the second electrode.
De preférence, les première et seconde bagues annulaires en céramique sont identiques entre elles et la partie centrale de la premiere électrode est située a une distance h1 par rapport à la partie périphérique de cette première électrode qui est supérieure à la distance h2 séparant la partie centrale de la seconde électrode et la partie périphérique de cette seconde électrode. Preferably, the first and second ceramic annular rings are identical to each other and the central part of the first electrode is located at a distance h1 from the peripheral part of this first electrode which is greater than the distance h2 separating the central part of the second electrode and the peripheral part of this second electrode.
D'autres caractéristiques et avantages de 11 invention ressortiront de la description suivante d'un mode particulier de réalisation donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexes9 sur lesquels - la fig. 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un parafoudre
selon l'invention, - la fig. 2 est une vue en coupe selon la ligne Il-Il de la fbg, 1, - la fig. 3 est une représentation symbolique équivalente du para
foudre de la fig. 1 en cas de surtension transitoire rapide et, - la fig. 4 montre, en coupe axiale, une variante de réalisation du
parafoudre de la fig. 1.Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the following description of a particular embodiment given by way of example, with reference to the accompanying drawings9 in which - FIG. 1 is a schematic view in axial section of a surge arrester
according to the invention, - fig. 2 is a sectional view along the line Il-Il of the fbg, 1, - fig. 3 is an equivalent symbolic representation of para
lightning of fig. 1 in the event of rapid transient overvoltage and, - fig. 4 shows, in axial section, an alternative embodiment of the
arrester from fig. 1.
On voit, sur la fig. 1, un parafoudre 10 selon l'invention interposé entre une ligne conductrice 1 de transport d'énergie électrique et la terre. We see in fig. 1, a lightning arrester 10 according to the invention interposed between a conductive line 1 for transporting electrical energy and the earth.
Le parafoudre 10 comprend deux électrodes métalliques massives 11, 12 en forme de coupelles disposées en regard ltune de l'autre et maintenues écartées par des anneaux isolants en céramique 14, 15 formant entretoises. The arrester 10 comprises two massive metal electrodes 11, 12 in the form of cups arranged facing one another and kept apart by ceramic insulating rings 14, 15 forming spacers.
Les première et deuxième électrodes conductrices 11, 12 présentent chacune une partie périphérique annulaire 111, 121 formant bride qui repose sur les anneaux de céramique 14, 15, une partie centrale plane en forme de disque 113, 123 et une partie tronconique 112, 122 de liaison entre la partie périphérique annulaire 111, 121 et la partie centrale plane 113, 123. The first and second conductive electrodes 11, 12 each have an annular peripheral part 111, 121 forming a flange which rests on the ceramic rings 14, 15, a flat central disc-shaped part 113, 123 and a frustoconical part 112, 122 of connection between the annular peripheral part 111, 121 and the planar central part 113, 123.
Les parties centrales 113, i23 des première et seconde électrodes 11, 12 peuvent être écartées l'une de l'autre d'une distance d de l'ordre de 1 à 1,5 mm par exemple, pour une gamme de produits dont la tension d'amorçage statique s'étale de 200 à 400 volts. The central parts 113, i23 of the first and second electrodes 11, 12 can be spaced from one another by a distance d of the order of 1 to 1.5 mm for example, for a range of products whose static ignition voltage ranges from 200 to 400 volts.
Cette dimension peut être différente pour d'autres applications, notamment pour des basses tensions de l'ordre de 90 volts où cette valeur pourrait être comprise entre environ 0,5 et 0,7 mm.This dimension may be different for other applications, in particular for low voltages of the order of 90 volts where this value could be between approximately 0.5 and 0.7 mm.
Comme on peut le voir sur la fig. 1, les première et seconde électrodes 11, 12 en forme de coupelles sont dissymétriques, la première électrode 11 présentant une partie de liaison tronconique 112 s'étendant dans le sens axial sur une distance h1 plus importante que la partie de liaison tronconique 122 de la seconde électrode qui s'étend sur une distance h2. Par ailleurs, les deux anneaux isolants 14, 15, formant entretoises entre les parties périphériques formant brides 111, 121 des électrodes 1 et 2, sont identiques et servent, en outre, au maintien d'une troisième électrode métallique 13 en forme de rondelle qui est enserrée entre les anneaux isolants 14, 15 de manière à présenter un rebord interne 130 qui est situé le plus près possible de la périphérie de la partie centrale 113 de l'électrode supérieure 11 reliée à la ligne d'alimentation 1. Le rebord interne 130 de l'ouverture de l'électrode centrale annulaire 13 peut ainsi etre situé à une distance e comprise entre environ 0,2 et 0,5 mm de la périphérie-de la partie centrale 113 de l'électrode 11. As can be seen in fig. 1, the first and second electrodes 11, 12 in the form of cups are asymmetrical, the first electrode 11 having a frustoconical connection part 112 extending in the axial direction over a distance h1 greater than the frustoconical connection part 122 of the second electrode which extends over a distance h2. Furthermore, the two insulating rings 14, 15, forming spacers between the peripheral parts forming flanges 111, 121 of the electrodes 1 and 2, are identical and are used, moreover, to maintain a third metal electrode 13 in the form of a washer which is clamped between the insulating rings 14, 15 so as to have an internal rim 130 which is located as close as possible to the periphery of the central part 113 of the upper electrode 11 connected to the supply line 1. The internal rim 130 of the opening of the annular central electrode 13 can thus be located at a distance e of between approximately 0.2 and 0.5 mm from the periphery of the central part 113 of the electrode 11.
Le rebord interne 130 de l'électrode centrale 13 peut présenter des pointes 131 grâce à une découpe en forme de dents de scie, comme représenté sur la fig. 2. L'électrode centrale 13 peut etre réalisée, par exemple, en un alliage de ferro-nickel et comporte un appendice 132 permettant la connexion à l'une des armatures d'un condensateur 17 dont l'autre armature est reliée à la masse. The internal rim 130 of the central electrode 13 may have points 131 by virtue of a cut in the shape of a sawtooth, as shown in FIG. 2. The central electrode 13 can be made, for example, of a ferro-nickel alloy and has an appendix 132 allowing connection to one of the armatures of a capacitor 17 whose other armature is connected to ground .
Les entretoises 14, 15, formant une paroi cylindrique extérieure pour le dispositif parafoudre, ou une enceinte extérieure indépendante 16, sont réalisées de manière à assurer une étanchéité entre l'environnement extérieur et l'espace interne 18 compris entre les électrodes 11 et 12 et les entretoises 14, 15, de telle sorte que cet espace interne 18 du parafoudre 10 peut être rempli d'un gaz, par exemple un gaz rare, tel que de l'argon, de l'hélium ou du néon, ou d'un mélange de ces gaz. The spacers 14, 15, forming an external cylindrical wall for the arrester device, or an independent external enclosure 16, are produced so as to ensure a seal between the external environment and the internal space 18 comprised between the electrodes 11 and 12 and the spacers 14, 15, so that this internal space 18 of the arrester 10 can be filled with a gas, for example a rare gas, such as argon, helium or neon, or a mixture of these gases.
Les électrodes il et 12, qui peuvent être réalisées, par exemple, en ferro-nickel ou en d'autres métaux ou alliages åppropries, sont assemblées sur les anneaux tubulaires 14, 15 en céramique par brasage ou thermo-compression, les anneaux 14, 15 pouvant être noétal- lisés ou non. The electrodes 11 and 12, which can be made, for example, of ferro-nickel or of other suitable metals or alloys, are assembled on the tubular rings 14, 15 in ceramic by brazing or thermo-compression, the rings 14, 15 may or may not be formalized.
L'ensemble du parafoudre 10 présente une symétrie de révolution avec une section circulaire et la coaxialité des électrodes supérieures 11, inférieure 12 et centrale 13, ainsi que des entretoises en céramique 14, 15 peut être réalisée grâce à un moule extérieur 16 en graphite ou en matériau réfractaire dans lequel sont disposés les différents composants du dispositif parafoudre. The whole arrester 10 has a symmetry of revolution with a circular section and the coaxiality of the upper 11, lower 12 and central 13 electrodes, as well as ceramic spacers 14, 15 can be produced by means of an external mold 16 in graphite or made of refractory material in which the various components of the arrester are arranged.
L'électrode centrale 13 présente une relativement faible épaisseur, tandis que l'électrode inférieure 12, reliée à la masse, est plus massive. The central electrode 13 has a relatively small thickness, while the lower electrode 12, connected to ground, is more massive.
Le condensateur 17 connecté, entre 11 électrode centrale 3 et l'électrode inférieure 12 reliée à la terre, peut être intégré dans la structure du parafoudre 10 selon différentes techniques qui peuvent inclure, par exemple, a mise en oeuvre d'un disque de titanate de baryum métallisé ou d'une varistance ou, encore, d'un élé- ment réalisé par sérigraphie. The connected capacitor 17, between 11 central electrode 3 and the lower electrode 12 connected to earth, can be integrated into the structure of the arrester 10 according to various techniques which may include, for example, the use of a titanate disc of metallized barium or of a varistor or, again, of an element produced by screen printing.
A titre d'exemple, pour répondre à l'arrivée d'une transitoire rapide de l'ordre de 10 kV/r s, par exemple, le condensateur 17 peut présenter une capacité de l'ordre de 150 pF. For example, to respond to the arrival of a fast transient of the order of 10 kV / r s, for example, the capacitor 17 may have a capacity of the order of 150 pF.
Les électrodes 11 et 12, constituant un éclateur principal, peuvent être adaptées pour créer un amorçage en statique pour une tension de l'ordre de 200 ou 250 volts, tandis que l'électrode centrale 13 peut être située par rapport à l'électrode supérieure 11 reliée à la ligne électrique 1, de manière à définir un éclateur auxiliaire créant un amorçage pour une tension de l'ordre de 80 volts. The electrodes 11 and 12, constituting a main spark gap, can be adapted to create a static ignition for a voltage of the order of 200 or 250 volts, while the central electrode 13 can be located relative to the upper electrode. 11 connected to the electrical line 1, so as to define an auxiliary spark gap creating an ignition for a voltage of the order of 80 volts.
Toutefois, l'éclateur principal peut, également, s'adapter à des tensions inférieures ou supérieures à la plage de 200-250 volts pour des applications particulières. Ainsi, le parafoudre selon l'invention pourrait être adapté, par exemple, pour des tensions d'amorçage statique de l'ordre de 400 volts ou 90 volts.However, the main spark gap can also be adapted to voltages lower or higher than the range of 200-250 volts for particular applications. Thus, the arrester according to the invention could be adapted, for example, for static ignition voltages of the order of 400 volts or 90 volts.
La troisième électrode 13 constitue, avec la première électrode 11, un éclateur auxiliaire de démarrage ou d'auto-déclenchement qui permet d'accélérer l'amorçage d'une petite charge dans un espace réduit, créant une ionisation du gaz qui, par effet d'avalanches, permet ensuite de créer un écoulement des charges vers la seconde électrode massive 12 à fort pouvoir d'écoulement, reliée à la terre. The third electrode 13 constitutes, with the first electrode 11, an auxiliary spark gap for starting or self-triggering which makes it possible to accelerate the initiation of a small charge in a reduced space, creating an ionization of the gas which, by effect avalanches, then creates a flow of charges to the second massive electrode 12 with high flow power, connected to the ground.
La valeur de la capacité du condensateur 17 est choisie en fonction de la pente des transitoires auxquelles le dispositif doit réagir. En régime normal, de non amorçage, la présence du condensateur 17 reste masquée vis-à-vis du réseau d'alimentation auquel est reliée la ligne 1, de sorte que ce condensateur ne crée pas d'amortissement supplémentaire sur la ligne 1. The value of the capacitance of the capacitor 17 is chosen as a function of the slope of the transients to which the device must react. In normal, non-priming mode, the presence of the capacitor 17 remains hidden from the supply network to which the line 1 is connected, so that this capacitor does not create additional damping on the line 1.
En cas d'apparition d'un signal transitoire créant une surtension, le schéma équivalent du parafoudre 10 de la fig. 1 est celui représenté sur la fig. 3. Le parafoudre 10 présente, au front d'onde du signal transitoire, un court-circuit et le signal transitoire se retrouve alors entièrement-aux bornes de l'éclateur constitué par les électrodes 11 et 13. Cette ionisation locale crée une avalanche générale dans le gaz entre les électrodes massives 11 et 12, laquelle avalanche a été initiée par l'éclateur constitué des électrodes 11 et 13. Dans cette nouvelle étape d'avalanche générale, le condensateur 17 se vide vers la terre par le canal du plasma d'arc et l'ensemble est prêt à recevoir une nouvelle impulsion de quelque polarité que ce soit. In the event of the appearance of a transient signal creating an overvoltage, the equivalent diagram of the arrester 10 in FIG. 1 is that shown in FIG. 3. The arrester 10 has a short circuit at the wavefront of the transient signal and the transient signal is then found entirely at the terminals of the spark gap constituted by the electrodes 11 and 13. This local ionization creates a general avalanche in the gas between the massive electrodes 11 and 12, which avalanche was initiated by the spark gap constituted by the electrodes 11 and 13. In this new general avalanche step, the capacitor 17 is emptied towards the earth by the plasma channel d 'arc and the set is ready to receive a new impulse of any polarity.
Dans la description qui précède, on a considéré le cas de coupelles dissymétriques constituant les première et seconde électrodes 11, 12. In the foregoing description, the case of asymmetrical cups constituting the first and second electrodes 11, 12 has been considered.
On notera que, dans un but de simplification d'outillage, les coupelles 11, 12 peuvent etre symetriques et correspondre à la forme de la plus petite coupelle 12. Dans ce cas, il est cependant nécessaire de rapporter par soudure électrique, une pièce métallique 19 sur la partie centrale 113 de l'une (1) de ces coupelles symétriques de faible hauteur, afin de recréer une disymétrie (fig. It will be noted that, for the purpose of simplifying tooling, the cups 11, 12 can be symmetrical and correspond to the shape of the smallest cup 12. In this case, it is however necessary to bring together by metal welding, a metal part 19 on the central part 113 of one (1) of these symmetrical cups of low height, in order to recreate an asymmetry (fig.
4). La pièce rapportée 19 peut favoriser la mise en court-circuit lors de la destruction du composant, si ce paramètre est exigé et sinon se comporte de manière équivalente à la partie centrale 113 de l'électrode 11 de la fig. 1. 4). The insert 19 can promote short-circuiting during the destruction of the component, if this parameter is required and otherwise behaves in an equivalent manner to the central part 113 of the electrode 11 of FIG. 1.
Claims (11)
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| FR8515933A FR2589015B1 (en) | 1985-10-23 | 1985-10-23 | SURGE PROTECTOR FOR THE FLOW OF STRONG CURRENTS IN RESPONSE TO FAST SIGNALS |
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| FR8515933A Expired - Fee Related FR2589015B1 (en) | 1985-10-23 | 1985-10-23 | SURGE PROTECTOR FOR THE FLOW OF STRONG CURRENTS IN RESPONSE TO FAST SIGNALS |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2589015B1 (en) | 1994-06-17 |
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