FR2658656A1

FR2658656A1 - High-voltage varistor

Info

Publication number: FR2658656A1
Application number: FR9001896A
Authority: FR
Inventors: Pham Van Doan; Thuries Edmond
Original assignee: GEC Alsthom SA
Current assignee: Alstom Holdings SA
Priority date: 1990-02-16
Filing date: 1990-02-16
Publication date: 1991-08-23
Anticipated expiration: 2010-02-16
Also published as: FR2658656B1

Abstract

The invention relates to a high-voltage varistor. Its subject is a varistor consisting of a stack (4) of discs (5) based on zinc oxides, placed in an insulating column (1) filled with an insulating gas (30), characterised in that it comprises at least one reservoir (6, 46, 46A, 46B) arranged within the stack, the said reservoir communicating through at least one insulating tube (23, 40, 41, 40A, 41A, 50B, 51B) with a condenser (8) arranged outside the column, the said reservoir containing a fluid (7) having a low boiling point, high latent heat of evaporation and good dielectric behaviour. Application to high-voltage electrical equipment.

Description

VARISTANCE A HAUTE TENSION
La présente invention concerne une varistance à haute tension, du type constitué par un empilage de disques à base d'oxyde de zinc, placé dans une colonne isolante rempli d'un gaz d'isolement sous pression.HIGH VOLTAGE VARISTANCE
The present invention relates to a high voltage varistor, of the type consisting of a stack of discs based on zinc oxide, placed in an insulating column filled with an insulating gas under pressure.

Le fonctionnement des varistances constituées de disques en oxydes métalliques à base d'oxyde de zinc dépend beaucoup de la température des disques. Lorsque la tension aux bornes d'une varistance reste inférieure à une valeur de seuil donnée caractéristique de la varistance considérée, sa résistance ohmique est élevée et la varistance est traversée par un faible courant; toutefois, la valeur de ce courant est une fonction croissante de la température, de sorte que si la température s'élève le courant croît, entraînant un échauffement par effet Joule qui a pour effet d'accroître le courant; il peut en résulter un emballement thermique nuisible conduisant à la destruction de la varistance. The operation of the varistors made up of discs of metal oxides based on zinc oxide depends a lot on the temperature of the discs. When the voltage across a varistor remains below a given threshold value characteristic of the varistor considered, its ohmic resistance is high and the varistor is crossed by a low current; however, the value of this current is an increasing function of the temperature, so that if the temperature rises the current increases, causing a heating by Joule effect which has the effect of increasing the current; this can result in harmful thermal runaway leading to the destruction of the varistor.

I1 est donc important de pouvoir refroidir la varistance. It is therefore important to be able to cool the varistor.

On connaît des méthodes de refroidissement par vaporisation de liquides ayant une chaleur de vaporisation élevée, par exemple les fluocarbones de formule C2C13F3, appelés commercialement fréons. On pourra se reporter à cet égard à la communication CIGRE Symposium mai 1987 à
Vienne, The fluorcarbon, C2C13F3 as a boiling cooling and insulating medium in traction inverters, par Th. FACKLAM,
D. KÔNIG et G. WIEGNER.There are known methods of cooling by vaporization of liquids having a high heat of vaporization, for example fluocarbons of formula C2C13F3, commercially called freons. In this regard, reference may be made to the communication CIGRE Symposium May 1987 at
Vienne, The fluorcarbon, C2C13F3 as a boiling cooling and insulating medium in traction inverters, by Th. FACKLAM,
D. KÔNIG and G. WIEGNER.

On connaît aussi des dispositifs appelés caloducs (en anglais "heat pipes"), pour refroidir les points chauds, sous tension ou non. On pourra consulter l'article
IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, Vol.There are also known devices called heat pipes (in English "heat pipes"), for cooling hot spots, energized or not. We can consult the article
IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, Vol.

PAS-lOl, N"9 septembre 1982, "Feasability of an insulating heat pipe for high voltage applications" par R.PAS-lOl, N "September 9, 1982," Feasability of an insulating heat pipe for high voltage applications "by R.

DETHLEFSEN, A. EGLI et K.T. FELDMAN,Jr. DETHLEFSEN, A. EGLI and K.T. FELDMAN, Jr.

Un but de l'invention est de réaliser une varistance refroidie efficacement et économiquement par une combinaison nouvelle des moyens de l'art antérieur précités. An object of the invention is to produce a varistor effectively and economically cooled by a new combination of the means of the aforementioned prior art.

L'invention a pour objet une varistance constituée d'un empilement de disques à base d'oxydes de zinc, placé dans une colonne isolante remplie d'un gaz d'isolement, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un réservoir disposé au sein de l'empilement, ledit réservoir communiquant par au moins un tube isolant avec un condenseur disposé à l'extérieur de la colonne, ledit réservoir contenant un fluide ayant une température d'ébullition faible, une grande chaleur latente de vaporisation et une bonne tenue diélectrique. The subject of the invention is a varistor consisting of a stack of discs based on zinc oxides, placed in an insulating column filled with an insulating gas, characterized in that it comprises at least one reservoir disposed at the within the stack, said reservoir communicating by at least one insulating tube with a condenser arranged outside the column, said reservoir containing a fluid having a low boiling temperature, a high latent heat of vaporization and good behavior dielectric.

Dans un premier mode de réalisation, les disques comportent un trou central définissant un canal dans lequel est placé ledit tube isolant relié directement audit condenseur. In a first embodiment, the discs have a central hole defining a channel in which is placed said insulating tube connected directly to said condenser.

Avantageusement, la portion d'empilement situé sous ledit réservoir est placée entre deux disques métalliques munis chacun d'un trou central et de canaux radiaux. Advantageously, the stacking portion located under said tank is placed between two metal discs each provided with a central hole and radial channels.

Dans un second mode de réalisation, les disques ne comportent pas de trou central, et lesdits tubes isolants sont disposés à l'extérieur de l'empilement et se rejoignent sur un collecteur relié audit condenseur. In a second embodiment, the discs do not have a central hole, and said insulating tubes are arranged outside the stack and meet on a collector connected to said condenser.

Avantageusement, la varistance comprend deux réservoirs disposés respectivement au tiers et aux deux tiers de la hauteur de l'empilement d'éléments de varistance. Advantageously, the varistor comprises two reservoirs disposed respectively at one third and two thirds of the height of the stack of varistor elements.

Le réservoir est réalisé en cuivre ou en laiton et est en bon contact thermique avec les éléments de varistance qui lui sont contigus. The tank is made of copper or brass and is in good thermal contact with the varistor elements adjacent to it.

Lesdits tubes isolants sont par exemple réalisés en polytétrafluoroéthylène. Said insulating tubes are for example made of polytetrafluoroethylene.

Le condenseur est protégé des rayons du soleil par un écran isolant et est percé de trous. The condenser is protected from the sun's rays by an insulating screen and is pierced with holes.

Le fluide est avantageusement un fréon, tel que le fréon 113, de formule C2C13F3, éventuellement additionné d'hexafluorure de soufre ou d'azote. The fluid is advantageously a freon, such as freon 113, of formula C2C13F3, optionally supplemented with sulfur hexafluoride or nitrogen.

Le gaz d'isolement est choisi parmi l'air sec et l'hexafluorure de soufre pur ou mélangé d'azote. The isolation gas is chosen from dry air and pure or mixed nitrogen hexafluoride.

L'invention sera bien comprise à la lumière de la description donnée ci-après de deux modes de réalisation, en référence au dessin annexé dans lequel:
- la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une varistance selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 est une vue en coupe axiale d'une varistance selon un second mode de réalisation de l'invention,
- la figure 3 est une vue en coupe axiale d'une varistance selon une variante de réalisation de la figure 2.The invention will be clearly understood in the light of the description given below of two embodiments, with reference to the appended drawing in which:
FIG. 1 is a view in axial section of a varistor according to a first embodiment of the invention,
FIG. 2 is a view in axial section of a varistor according to a second embodiment of the invention,
FIG. 3 is a view in axial section of a varistor according to an alternative embodiment of FIG. 2.

Dans les deux modes de réalisation décrits, il est tenu compte d'une observation qui a été faite par les utilisateurs de parafoudres: le point le plus chaud est le plus souvent au milieu de la colonne de varistances. In the two embodiments described, account is taken of an observation which has been made by the surge arrester users: the hottest point is most often in the middle of the varistors column.

La figure 1 représente une vue en coupe axiale d'une varistance utilisant des éléments à base d'oxydes de zinc qui se présentent sous la forme de disques percés en leur centre d'un trou, de telle sorte qu'un empilage de tels disques présente un canal axial mis à profit comme il est indiqué plus loin. Figure 1 shows an axial sectional view of a varistor using elements based on zinc oxides which are in the form of discs drilled in the center of a hole, so that a stack of such discs has an axial channel used as indicated below.

Dans la figure 1, la référence 1 désigne une colonne en matériau isolant tel que la porcelaine, fermée à chacune de ses extrémités par des couvercles métalliques 2 et 3, constituant les prises de courant de la varistance. In FIG. 1, the reference 1 designates a column made of insulating material such as porcelain, closed at each of its ends by metal covers 2 and 3, constituting the taps of the varistor.

Un empilement 4, constitué d'éléments de varistances 5 ayant un trou central 9, est disposé dans l'axe de la colonne. A peu près au milieu de la colonne est disposée une enceinte fermée 6, en matériau ayant une bonne conductivité thermique, par exemple en cuivre; l'enceinte étanche est en bon contact thermique avec l'élément de varistance 26 situé juste au-dessus d'elle; l'enceinte étanche est surmontée d'un tube isolant 23, par exemple en polytétrafluoroéthylène, connu sous la marque déposée
Téflon.A stack 4, consisting of varistor elements 5 having a central hole 9, is arranged in the axis of the column. Approximately in the middle of the column is disposed a closed enclosure 6, made of a material having good thermal conductivity, for example copper; the sealed enclosure is in good thermal contact with the varistor element 26 located just above it; the sealed enclosure is surmounted by an insulating tube 23, for example made of polytetrafluoroethylene, known under the registered trademark
Teflon.

Le tube 23 traverse de manière étanche le couvercle 2 et est relié, à l'extérieur de la colonne de porcelaine, à un condenseur 8. The tube 23 passes tightly through the cover 2 and is connected, outside the porcelain column, to a condenser 8.

L'enceinte 6 est en contact à sa partie inférieure avec un disque métallique 11, de préférence en cuivre, ayant un trou central 17 communiquant avec des canaux radiaux 17A. The enclosure 6 is in contact at its lower part with a metal disc 11, preferably made of copper, having a central hole 17 communicating with radial channels 17A.

Le disque 11 est en bon contact thermique avec l'élément de varistance 27 situé juste au-dessous de lui. The disc 11 is in good thermal contact with the varistor element 27 located just below it.

L'enceinte 6 est remplie d'un fluide 7 qui s'évapore à une température basse, par exemple comprise entre 45 et 50 degrés Celsius, et qui possède une grande chaleur latente de vaporisation. On demande par ailleurs à ce fluide d'avoir une température d'ébullition faible et une bonne tenue diélectrique. Ce fluide peut être par exemple le fréon 113, de formule C2C13F3. The enclosure 6 is filled with a fluid 7 which evaporates at a low temperature, for example between 45 and 50 degrees Celsius, and which has a great latent heat of vaporization. This fluid is also required to have a low boiling temperature and good dielectric strength. This fluid can be, for example, freon 113, of formula C2C13F3.

On remplit l'enceinte à température ambiante, la varistance étant hors service, et on choisit un niveau 10 de fluide, alors complètement liquide, un peu au-dessus de l'enceinte 6. The enclosure is filled at ambient temperature, the varistor being out of service, and a level 10 of fluid, then completely liquid, is chosen a little above the enclosure 6.

La colonne de varistance est posée sur un socle 12 en cuivre, ayant un trou central 16 communiquant avec des canaux radiaux 16A ; cette disposition assure une circulation du gaz d'isolement 30 qui remplit l'intérieur de la porcelaine; cette circulation s'effectue par les canaux radiaux 16A, par le trou 16, par le canal 20 formé par les trous alignés des éléments de varistance, par le trou 17 et par les canaux radiaux 17A; le gaz 30 peut être de l'air sec ou de l'hexafluorure de soufre sous une pression de quelques bars, pur ou mélangé d'azote. The varistor column is placed on a copper base 12, having a central hole 16 communicating with radial channels 16A; this arrangement ensures a circulation of the isolation gas 30 which fills the interior of the porcelain; this circulation takes place through the radial channels 16A, through the hole 16, through the channel 20 formed by the aligned holes of the varistor elements, through the hole 17 and through the radial channels 17A; the gas 30 can be dry air or sulfur hexafluoride under a pressure of a few bars, pure or mixed with nitrogen.

La colonne 4 est tenue serrée à l'aide d'un ressort 13 par l'intermédiaire d'une plaque métallique 14 reliée électriquement au couvercle 2 par des tresses métalliques 15. The column 4 is held tight by means of a spring 13 by means of a metal plate 14 electrically connected to the cover 2 by metal braids 15.

Le fonctionnement est le suivant:
- les éléments de varistance cèdent de la chaleur à l'enceinte 6 dont le liquide 7 s'échauffe; lorsque la température du liquide 7 dépasse la température de vaporisation, le liquide s'évapore et le gaz 18 ainsi produit monte vers le condenseur 8 qui se trouve à une température plus basse. Le gaz se condense à l'intérieur du condenseur 8, et le liquide 19 ainsi formé descend le long du tube 23, à contre-courant du gaz 18.The operation is as follows:
- The varistor elements give off heat to the enclosure 6, the liquid 7 of which heats up; when the temperature of the liquid 7 exceeds the vaporization temperature, the liquid evaporates and the gas 18 thus produced rises to the condenser 8 which is at a lower temperature. The gas condenses inside the condenser 8, and the liquid 19 thus formed descends along the tube 23, counter-current to the gas 18.

Pendant ce fonctionnement, le niveau 10 est très fluctuant, en raison de l'ébullition dans l'enceinte 6. During this operation, the level 10 is very fluctuating, due to the boiling in the enclosure 6.

Grâce à cette vaporisation active, suivie de recondensation, on arrive à maintenir la température des disques 5 à une valeur très acceptable. Thanks to this active vaporization, followed by recondensation, it is possible to maintain the temperature of the discs 5 at a very acceptable value.

Par le canal 9 et les canaux 16 et 17A, il se crée une circulation de gaz qui favorise les échanges de chaleur et assure une meilleure répartition de la température des disques. Via channel 9 and channels 16 and 17A, a gas circulation is created which promotes heat exchange and ensures a better distribution of the temperature of the discs.

Un écran isolant 22 permet d'éviter que le soleil frappe directement le condenseur 8. L'écran est maintenu par des pattes 25. Des ouvertures 24 permettent d'évacuer le gaz chaud au-dessus du condenseur 8. An insulating screen 22 makes it possible to prevent the sun from directly striking the condenser 8. The screen is held by lugs 25. Openings 24 allow the hot gas to be discharged above the condenser 8.

Grâce à la diminution de la température à l'intérieur de la colonne 1, il est possible d'utiliser des fibres optiques fluorescentes 31 pour détecter des décharges partielles à l'intérieur de l'enveloppe de porcelaine 1, en particulier sur les éléments de varistance 5, ou tout fonctionnement de la varistance pendant une décharge électrique (foudre par exemple). By virtue of the decrease in temperature inside the column 1, it is possible to use fluorescent optical fibers 31 to detect partial discharges inside the porcelain shell 1, in particular on the elements of varistor 5, or any operation of the varistor during an electric shock (lightning, for example).

La fibre 31 est reliée à une traversée étanche 32 traversant le couvercle 3; une fibre plastique 33, reliée à la fibre 31, sert à la transmission des informations. The fiber 31 is connected to a sealed bushing 32 passing through the cover 3; a plastic fiber 33, connected to the fiber 31, is used for the transmission of information.

La figure 2 est une variante de réalisation utilisée lorsque les disques constituant les éléments de varistance ne possèdent pas de trou central. Figure 2 is an alternative embodiment used when the discs constituting the varistor elements do not have a central hole.

Les éléments communs aux figures 1 et 2 ont reçu les mêmes numéros de référence. The elements common to Figures 1 and 2 have been given the same reference numbers.

A peu près au milieu de la colonne d'éléments 5 est placé un réservoir 46, en cuivre ou en laiton en bon contact thermique avec les éléments de varistances qui lui sont contigus. Des tubes en matériau isolant, de préférence au nombre de deux, référencés 40 et 41, sont reliés d'une part au réservoir 46 et d'autre part à un collecteur métallique 43; le collecteur 43 est relié au condenseur 8 par un tube métallique 48 traversant le couvercle 2 de manière étanche. Almost in the middle of the column of elements 5 is placed a tank 46, of copper or brass in good thermal contact with the varistor elements which are contiguous to it. Tubes of insulating material, preferably two in number, referenced 40 and 41, are connected on the one hand to the tank 46 and on the other hand to a metal manifold 43; the collector 43 is connected to the condenser 8 by a metal tube 48 passing through the cover 2 in a sealed manner.

Le fonctionnement est tout à fait analogue à celui qui a été décrit en référence à la figure 1. Operation is completely analogous to that which has been described with reference to FIG. 1.

Dans la figure 3, on a représenté une variante de réalisation de la figure 2, dans laquelle on a placé deux réservoirs 46A et 46B, respectivement au tiers et aux deux tiers de la hauteur de la colonne. Le réservoir 46A est relié au collecteur métallique 43 par des tubes en matériau isolant 40A et 41A; le réservoir 46B est relié au collecteur 43 par des tubes isolants 50B, 51B. In Figure 3, there is shown an alternative embodiment of Figure 2, in which two tanks 46A and 46B have been placed, respectively at one third and two thirds of the height of the column. The tank 46A is connected to the metal manifold 43 by tubes of insulating material 40A and 41A; the reservoir 46B is connected to the collector 43 by insulating tubes 50B, 51B.

Le fonctionnement du dispositif de la figure 3 est identique au fonctionnement des dispositifs précédemment décrits. The operation of the device in FIG. 3 is identical to the operation of the devices described above.

Dans les trois exemples de réalisation décrits et représentés, il est possible d'augmenter la tenue diélectrique du fluide de refroidissement (de préférence du fréon) le long des tubes 23 ou 40, 41 ou 40A, 41A, ou 50B,51B, en le mélangeant à de l'hexafluorure de soufre à 1 bar par exemple ou avec de l'azote. In the three embodiments described and shown, it is possible to increase the dielectric strength of the cooling fluid (preferably freon) along the tubes 23 or 40, 41 or 40A, 41A, or 50B, 51B, by mixing with sulfur hexafluoride at 1 bar for example or with nitrogen.

Claims

1 / High voltage varistor consisting of a stack (4) of discs (5) based on zinc oxides, placed in an insulating column (1) filled with an insulating gas (30), characterized in that that it comprises at least one reservoir (6, 46, 46A, 46B) disposed within the stack, said reservoir communicating by at least one insulating tube (23, 40, 41, 40A, 41A 50B, 51B) with a condenser (8) disposed outside the column, said tank containing a fluid (7) having a low boiling temperature, a high latent heat of vaporization and good dielectric strength.

2 / Varistor according to claim 1, characterized in that the discs have a central hole defining a channel in which is placed said insulating tube (23) connected directly to said condenser (8).

3 / Varistor according to claim 2, characterized in that the stacking portion located under said tank (6) is placed between two metal discs (11, 12) each provided with a central hole (17, 16) and channels radial (17A, 16A).

4 / Varistor according to claim 1, characterized in that the discs do not have a central hole and that said insulating tubes (40, 41, 40A, 41A, 50B, 51B) are arranged outside the stack (4 ) and meet on a collector (43) connected to said condenser (8).

5 / varistor according to claim 4, characterized in that it comprises two reservoirs (46B, 46A), respectively arranged at one third and two thirds of the height of the stack (4) of varistor elements.

6 / Varistor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the reservoir is made of copper or brass and is in good thermal contact with the varistor elements which are contiguous to it.

7 / Varistor according to one of claims 1 to 6, characterized in that said insulating tubes (23, 40, 41, 40A, 41A, 50A, 50B) are made of polytetrafluoroethylene.

8 / Varistor according to one of claims 1 to 7, characterized in that said condenser (8) is protected from the sun's rays by an insulating screen (22).

9 / varistor according to claim 8, characterized in that said screen (22) is pierced with holes (24).

10 / Varistor according to one of claims 1 to 9, characterized in that said fluid (7) is a freon, such as freon 113, of formula C2C13F3.

11 / Varistor according to claim 10, characterized in that said freon is supplemented with sulfur hexafluoride or nitrogen.

12 / Varistor according to one of claims 1 to 11, characterized in that said isolation gas (30) is chosen from dry air and pure or mixed nitrogen hexafluoride.