WO2010146084A1 - Structure apte a ameliorer la tenue dielectrique de composants electriques - Google Patents

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WO2010146084A1
WO2010146084A1 PCT/EP2010/058466 EP2010058466W WO2010146084A1 WO 2010146084 A1 WO2010146084 A1 WO 2010146084A1 EP 2010058466 W EP2010058466 W EP 2010058466W WO 2010146084 A1 WO2010146084 A1 WO 2010146084A1
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WO
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electrically insulating
conductive
plate
extension cone
electrically
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/058466
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English (en)
Inventor
Floriane Decq
Daniel Piccoz
Yves Florian
Alain Chaumette
Original Assignee
Areva T&D Sas
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Publication date
Application filed by Areva T&D Sas filed Critical Areva T&D Sas
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B17/00—Insulators or insulating bodies characterised by their form
    • H01B17/42—Means for obtaining improved distribution of voltage; Protection against arc discharges

Definitions

  • the present invention relates to a structure capable of improving the dielectric strength of an electrical component and, more particularly, the dielectric strength of medium and high voltage electrical components.
  • Gas-insulated medium voltage switchgear generally have cells with current feedthroughs and expansion devices.
  • the current feedthroughs are parts fixed to the carcass of the cell, or tank, which make it possible to pass current and voltage from the outside of the cell inside the cell and vice versa.
  • Expansion devices are used to connect busbars from one cell to another cell.
  • the tank is connected to the earth potential and the electrical components are brought to high potentials (for example 95kVc [kVc for kiloVolt shock]).
  • the invention advantageously makes it possible not to increase the bulk of the structure and not to increase the cost thereof while significantly improving the dielectric performance of the devices. It is also known in the prior art to use dielectric parts to prevent the formation of electrical arcs on the surface of insulators that surround conductors. US Pat. No. 3,812,284 thus discloses various structures in which a dielectric piece constitutes a screen between a single electrical conductor and the insulator surrounding this conductor. The arc on the surface of the insulation results from the formation of a parasitic conductive coating on the surface of the insulation due to poor weather or environmental conditions.
  • a dielectric piece of inorganic material is placed, either in contact with the sole insulator or in contact with the insulator and the conductor, between the dielectric and the conductor.
  • a physical seal between the dielectric piece and the conductor is absolutely necessary for the proper functioning of the protective device.
  • physical sealing between elements, it is meant the prohibition of passage of a solid, a fluid or a gas between these elements.
  • the invention relates to a structure capable of improving the dielectric strength between two conductors at different potentials, the two conductors being separated by an electrically insulating piece along which an electric arc is propagated along a path of travel when the potential difference exceeds a threshold value, characterized in that it comprises at least one electrically insulating element placed on the path of travel, the electrically insulating element being positioned in such a way that there is no physical seal, on the one hand, between the electrically insulating element and the least one of the conductors and, on the other hand, between the electrically insulating member and the electrically insulating member.
  • a first of the two conductive elements is an electrically conductive wall provided with an opening which is traversed by a current crossing formed by a conductive element whose first part is surrounded by a piece of electrically insulating material which forms an extension cone; beyond one side of the electrically conductive wall and a second part extending beyond the extension cone, - the second of the two conductive elements is the second part of the conductive element which extends beyond beyond the cone of extension,
  • the electrically insulating part is the extension cone which surrounds the first part of the conductive element
  • the electrically insulating element comprises at least one plate of electrically insulating material provided with an opening through which the current crossing passes.
  • a first of the two conductive elements is an electrically conductive wall provided with an opening which is traversed by an extension device conducting element connected to another conductive element, the other conducting element comprising a first part surrounded by a cone of an electrically insulating extension having a flared portion supported on one side of the wall and a second portion extending beyond the extension cone,
  • the second of the two conductive elements is the second part of the other conductive element which extends beyond the extension cone
  • the electrically insulating part is the electrically insulating extension cone which bears on the electrically conductive wall, and
  • the electrically insulating element comprises at least one plate made of electrically insulating material and provided with an opening into which the extension cone passes.
  • FIG. 1 represents a sectional view of a first exemplary structure of the invention
  • FIG. 2 shows a sectional view of a second exemplary structure of the invention
  • FIG. 3 represents a sectional view of a first exemplary structure of the invention capable of improving the dielectric strength of a current crossing
  • - Figure 4 shows a sectional view of a second example of structure of the invention capable of improving the dielectric strength of a current crossing;
  • Figure 5 shows a sectional view of an improvement of the structure shown in Figure 4.
  • Figure 6 shows a sectional view of a structure of the invention which uses a structure according to the structure of Figure 3;
  • - Figure 7 shows a perspective view of the structure shown in Figure 6;
  • Figures 8 and 9 show electric field amplitude distribution curves which illustrate the dielectric strength of a structure of the invention according to Figure 6;
  • FIG. 10 represents a sectional view of a structure of the invention capable of improving the dielectric strength of three current traverses connected in parallel;
  • - Figure 11 shows a perspective view of the structure shown in Figure 10;
  • FIG. 12 shows a partial sectional view of an improvement of the structure of Figure 10
  • FIG. 13 represents electric field amplitude distribution curves comparative of a structure of the invention according to Figure 10 and a structure of the invention according to Figure 12;
  • Figure 14 shows a sectional view of an exemplary structure of the invention according to Figure 10 provided with a holding device
  • Figures 15 and 16 show a sectional view of two examples of structure of the invention capable of improving the dielectric strength of an extension device
  • FIG. 17 represents a sectional view of a structure of the invention that uses a structure in accordance with the structure of FIG. 16.
  • Figures 1 and 2 show sectional views of two structural examples of the invention.
  • the structure whose dielectric strength is to be improved consists of two electrically conductive parts C1, C2 which are separated by an electrically insulating part I.
  • the electrically conductive parts C1 and C2 are in contact with or near the insulating part I.
  • the figures 1 and 2 show the case where each conductive part C1, C2 has a surface facing a surface of the electrically insulating part I. In other configurations, the insulating part I enters one and / or the other conductive parts, or even through one and / or the other of these parts.
  • FIG. 1 corresponds to the case where the conductive parts C1, C2 have surfaces of dimensions greater than the surfaces of the insulating part I whereas, conversely, the structure of FIG. 2 corresponds to the case where the conductive parts C1, C2 have surfaces of dimensions smaller than the dimension of the surfaces of the insulating part.
  • a first conductive part for example the part C1
  • the second conductive part for example the conductive part C2 is put at the potential of the earth.
  • an electric arc appears which propagates along the insulating part I, along a path, between the conductive parts C1 and C2.
  • the structure of the invention is capable of improving the dielectric strength of the structure consisting of elements C1, I, C2, that is to say capable of pushing the threshold beyond which the threshold is very substantially towards higher values.
  • an electric arc appears.
  • the Applicant has found that the fact of placing, on the path of the path of the electric arc, an electrically insulating element pb close to both the conductor put at the potential of the earth and the insulating part I, but without contact defining a physical seal with them, very substantially improves the dielectric strength.
  • the elements pa, pb are preferably in the form of a perforated plate which surrounds either the insulating part I ( Figure 1) or a conductive part C1, C2 ( Figure 2).
  • the distance d1 which separates an element pa, pb from a conductive part C1, C2 can reach, for example, 10 mm and the distance d2 separating an element pa, pb from the insulating part I can also reach, for example, 10mm.
  • Each plate pa, pb has a thickness substantially between 0.5mm and 18mm.
  • FIG. 3 represents a sectional view of a first exemplary structure of the invention capable of improving the dielectric strength of a current crossing.
  • the current crossing comprises a conductive element 1 surrounded by a piece of electrically insulating material 2.
  • the current through through an opening 01, a wall 3 of conductive material of the vessel.
  • the piece of electrically insulating material 2 has substantially a cone shape 4 inside the vessel.
  • the tank is brought to the potential of the earth.
  • the structure of the invention is in the form of a plate pi pierced with an opening 02 placed inside the tank.
  • the plate pi is fixed on the wall 3, for example by studs.
  • the plate pi is made of an electrically insulating material, for example polyoxymethylene also known by the abbreviation "POM".
  • the openings 01 and 02 have substantially identical dimensions and are positioned opposite one another.
  • FIG. 4 represents a sectional view of a second exemplary structure of the invention capable of improving the dielectric strength of a current crossing.
  • the plate pi shown in Figure 2 differs from that shown in Figure 1 in that the openings 01 and 02 do not have the same diameter.
  • the thickness h of the plate pi can vary, for example, between 0.5mm and 18mm for the model studied.
  • FIG. 5 represents a sectional view of an improvement of the structure represented in FIG. 4.
  • the plate p1 has, at the level of the opening 02, the inside of the cell, a return R of length hr and thickness ep that extends, along the axis of the current crossing, the space in which the current crossing is housed.
  • the return R preferably has a length hr of between 1 mm and 12 mm and a thickness ep between 0.5 mm and 18 mm.
  • this improvement of the structure of the invention further improves the dielectric strength of the current crossing.
  • FIG. 6 represents a view in section, from above, of another example of structure of the invention capable of improving the dielectric strength of a current crossing.
  • Figure 7 is a perspective view of the structure of Figure 6 in the absence of current flow.
  • the structure S of the invention here has a form of open compartment in which the current crossing is housed.
  • the pierced wall pi of the opening 02 has a substantially rectangular shape and is extended, on three of its sides, by three walls p2, p3, p4, a fourth wall p5 parallel to the wall pi closing the space defined by the walls. pl4.
  • the walls pl-p5 thus form a parallelepipedal compartment open on one of its sides.
  • the material in which the structure S is made is, for example, polyoxymethylene.
  • the mounting of the wall pi relative to the current crossing corresponds, by way of example, to that shown in Figure 2 (presence of the game d2).
  • the wall pi advantageously makes it possible to improve the dielectric strength of the current throughput with respect to Earth.
  • the p2-p4 walls allow them to improve the dielectric strength of the current crossing with respect to electrical components located in the vicinity of the current crossing.
  • the presence of the wall p5 also contributes to improving the dielectric strength of the current crossing, especially for electric arcs propagating in a direct line.
  • FIGS. 8 and 9 represent electric field amplitude distribution curves which illustrate the dielectric strength of a structure of the invention in accordance with the structure of FIG. 6.
  • FIG. 9 is a zoomed view of the zone Za of FIG. FIG. 8.
  • the electric field E whose amplitude is represented on the ordinate of the curves is the field present, in the sectional plane of FIG. 6, along the cone 4, at a distance X measured from the opening 02.
  • the geometric and electrical conditions for obtaining the curves of FIGS. 8 and 9 are as follows:
  • Relative permittivity of the electrically insulating material which constitutes the box equal to 4;
  • the electric field E takes on particular values weak in the part of the zone Za where the wall pi of the insulating box is opposite the dielectric part 2.
  • the minimum value El is substantially equal to 270V / mm.
  • zone Za is the zone of appearance of electric arcs and cone 4 defines a path zone of these arcs.
  • the structure of the invention by lowering the amplitude of the electric field in the arcing zone, advantageously makes it possible to improve the dielectric strength of the current crossing.
  • the electric field E takes values generally less than 490 V / mm in the zone Za and it is then possible to hold a potential of 95kVc in lightning shock.
  • the value of the relative permittivity of the electrically insulating material which constitutes the structure of the invention as well as the thickness of the walls of this structure are adjustment parameters of the dielectric strength.
  • FIG. 10 represents a sectional view of a structure able to improve the dielectric strength of three current traverses connected in parallel.
  • Figure 11 is a perspective view of the structure shown in Figure 10, in the absence of current traverses.
  • the structure S here takes the form of a box with three compartments, each compartment containing a current crossing.
  • Figure 12 shows a partial sectional view of an improvement of the structure of Figure 10.
  • a return R is present at each wall pi.
  • FIG. 13 represents curves C1 and C2 of electric field amplitude distribution.
  • the curve C1 is associated with a structure of the invention according to FIG. 10 (absence of return R at the walls pi of the box) and the curve C2 is associated with a structure of the invention according to FIG. 12
  • FIGS. 10 and 12 have, moreover, the same characteristics, namely the same POM material, the same thickness of the walls, and the same dimensions for the box formed by the plaster walls. p5.
  • the return R has a length hr of 6mm.
  • the electric field E whose amplitude is represented on the ordinate of the curves C1 and C2 is the field present in the section plane of the respective figures 10 and 12, along the cone 4, as a function of the distance X measured from the opening 02.
  • the amplitude of the electric field takes a minimum value substantially equal to 200V / mm in the arcing zone and remains below a critical field of the material (600 V / mm per second). example) over a longer distance (6mm for Cl, 8mm for C2).
  • the curve C2 thus clearly illustrates that the dielectric withstand performance of the current crossing is improved in the presence of the return R. It follows from the description above that the structure of the invention has better performance when a game separates the wall pi of the crossing.
  • FIG. 14 illustrates, by way of non-limiting example, such means.
  • These means consist of arms B1, B2 which are extensions of the walls p5 and whose ends are fixed on a fixed element F of the structure in which the current feedthroughs are placed.
  • FIG. 15 represents a sectional view of a first exemplary structure of the invention capable of improving the dielectric strength of an extension device.
  • the extension device is formed of a conductive bar 5 connected to a conductive element 6 which passes through, without electrical contact, a wall 3 of tank which is put at the potential of the earth.
  • an electrically insulating extension cone 7 surrounds the conductive element 6, a flared part of the electrically insulating cone 7 bearing on the wall 3.
  • the structure S of the invention is here formed by a plate p6 provided with an opening in which the cone 7 is inserted.
  • the plate p6 is located near the flared portion of the cone which bears on the wall 3, for example at a distance d2 between 0.5mm and 10mm.
  • the plate p6 has an outer perimeter of shape and dimension substantially identical to the perimeter that the flaring portion of the cone 7 on the wall 3 draws.
  • the plate p6 is fixed close to the wall 3 by any known means, for example by example of the studs.
  • the plate p6 has, for example, a thickness of 1 mm. It is made of an electrically insulating material, for example POM. It has been found that the presence of the plate p6 close to the flared portion of the cone which is in contact with the wall 3 advantageously makes it possible to lower locally the amplitude of the electric field in the zone where arcs arises. For a distance d2 substantially equal to 1 mm, the calculated amplitude of the electric field that triggers an electric arc is substantially equal to 600V / m.
  • FIG. 16 represents a sectional view of a second exemplary structure of the invention capable of improving the dielectric strength of an extension device.
  • the opening of the plate p6 here comprises a flare Ev whose shape substantially accompanies the shape of the flare of the cone 7.
  • the function of the flared portion Ev is identical to that of the return R mentioned above (local lowering of the amplitude of the electric field).
  • FIG. 17 represents a sectional view of a third exemplary structure of the invention capable of improving the dielectric strength of an extension device.
  • the flare Ev is extended here by a tube 9 whose function is to electrically isolate the conductive bar 5 from any adjacent conductive element, for example the conductive bar of a neighboring expansion device.
  • Mechanical means for example a disc 10 of insulating material placed between the conductive element 5 and the inner surface of the cylinder 10, hold the cylinder in position around the conductive bar 5.
  • the table below gives the results of measurements of the arcing limits in the ambient air for two identical extension devices, referenced Extension 1 and Extension 2, each provided with an improvement structure. of holding The measurements were carried out under a pressure of 1004 mBar, with a temperature of 15.2 ° C and a humidity of 27.2%.
  • the spark initiation limit for an extension device identical to the devices that have been measured and devoid of any particular dielectric withstand structure is 6OkVc.
  • the "correction thresholds" are values derived from the measured bootstrap limits that take into account a correction factor that reflects the conditions of use.
  • An advantage of the invention is that it makes it possible to obtain a dielectric strength that is substantially greater than that of the prior art, while keeping a substantially identical dimensioning of the parts.
  • the structures of the invention are advantageously compact, easy to install and low cost.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Insulating Bodies (AREA)

Abstract

L'invention concerne une structure apte à améliorer la tenue diélectrique entre deux conducteurs (C1, C2) portés à des potentiels différents, les deux conducteurs étant séparés par une pièce électriquement isolante (I) le long de laquelle est susceptible de se propager un arc électrique selon un trajet de cheminement lorsque la différence des potentiels dépasse une valeur de seuil, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément électriquement isolant (pa, pb) positionné sur le trajet de cheminement de telle sorte qu'il n'y ait pas d'étanchéité physique, d'une part, entre l'élément électriquement isolant et au moins un des deux conducteurs et, d'autre part, entre l'élément électriquement isolant et la pièce électriquement conductrice. Application à la tenue diélectrique de composants moyenne et haute tension (traversées de courant, dispositifs d'extension, etc.).

Description

STRUCTURE APTE A AMELIORER LA TENUE DIELECTRIQUE DE COMPOSANTS ELECTRIQUES
Domaine technique et art antérieur La présente invention concerne une structure apte à améliorer la tenue diélectrique d'un composant électrique et, plus particulièrement, la tenue diélectrique de composants électriques moyenne et haute tension. Les tableaux moyenne tension à isolation dans le gaz (type GIS) possèdent généralement des cellules équipées de traversées de courant et de dispositifs d'extension. Les traversées de courant sont des pièces fixées sur la carcasse de la cellule, ou cuve, qui permettent de faire passer courant et tension de l'extérieur de la cellule à l'intérieur de la cellule et réciproquement. Les dispositifs d'extension permettent de relier des jeux de barres d'une cellule à une autre cellule. La cuve est reliée au potentiel de la terre et les composants électriques sont portés à des potentiels élevés (par exemple 95kVc [kVc pour kiloVolt choc] ) . Des moyens pour isoler électriquement ces composants par rapport à la terre sont nécessaires pour établir un bon fonctionnement électrique. Parmi ces moyens, il est connu de placer les conducteurs électriques dans une atmosphère faite d'hexafluorure de soufre (SFε) et de séparer les conducteurs entre eux ou de la terre par des isolants. L'hexafluorure de soufre (SFε) est un gaz qui possède d'excellentes propriétés diélectriques. Il est également connu d'augmenter la distance de cheminement (distance entre conducteurs et terre) des isolants par l'ajout d'ailettes isolantes ou de diminuer l'intensité du champ électrique par l'ajout de déflecteurs. Les tableaux des générations futures devront être à isolation dans un gaz autre que le SF6. En effet, le gaz SF6 présente un potentiel de réchauffement climatique très important (ce potentiel est en effet 23800 fois plus élevé que celui du CO2) . L'air ou des gaz tels que l'azote (N2), l'oxyde d'azote
(N2O) , ou le dioxyde de carbone (CO2) devront alors être utilisés à la place du SF6 du fait de leurs meilleures qualités environnementales et toxicologiques .
Toutefois, ces gaz ont des propriétés diélectriques deux à trois fois moins performantes que celles du SF6. Ceci représente un inconvénient. Sans modification des structures d'isolation existantes, les performances en tenue électrique des composants électriques seront très sensiblement dégradées, ce qui n'est pas acceptable. Un accroissement des dimensions des structures isolantes existantes de type cônes ou ailettes permettrait d'améliorer l'isolation électrique. Toutefois, cet accroissement des dimensions conduirait rapidement à concevoir des composants encombrants dont le coût serait prohibitif.
L' invention permet avantageusement de ne pas augmenter l'encombrement de la structure et de ne pas accroître le coût de celle-ci tout en améliorant de manière très significative les performances diélectriques des dispositifs. II est également connu de l'art antérieur d'utiliser des pièces diélectriques pour prévenir la formation d'arcs électriques en surface d'isolants qui entourent des conducteurs. Le brevet US 3 812 284 divulgue ainsi différentes structures dans lesquelles une pièce diélectrique constitue un écran entre un conducteur électrique unique et l'isolant qui entoure ce conducteur. L'arc électrique à la surface de l'isolant résulte de la formation d'un revêtement conducteur parasite en surface de l'isolant du fait de mauvaises conditions climatiques ou d'environnement. Pour prévenir la formation de l'arc électrique, une pièce diélectrique en matériau inorganique est placée, soit au contact du seul isolant, soit au contact de l'isolant et du conducteur, entre le diélectrique et le conducteur. Une étanchéité physique entre la pièce diélectrique et le conducteur est absolument nécessaire au bon fonctionnement du dispositif de protection. Par « étanchéité physique » entre éléments, il faut entendre l'interdiction de passage d'un solide, d'un fluide ou d'un gaz entre ces éléments.
Exposé de l'invention
L' invention concerne une structure apte à améliorer la tenue diélectrique entre deux conducteurs portés à des potentiels différents, les deux conducteurs étant séparés par une pièce électriquement isolante le long de laquelle est susceptible de se propager un arc électrique selon un trajet de cheminement lorsque la différence des potentiels dépasse une valeur de seuil, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément électriquement isolant placé sur le trajet de cheminement, l'élément électriquement isolant étant positionné de telle sorte qu'il n'y ait pas d'étanchéité physique, d'une part, entre l'élément électriquement isolant et au moins un des conducteurs et, d'autre part, entre l'élément électriquement isolant et la pièce électriquement isolante .
Selon un premier mode de réalisation de 1' invention :
— un premier des deux éléments conducteurs est une paroi électriquement conductrice munie d'une ouverture qui est traversée par une traversée de courant formée par un élément conducteur dont une première partie est entourée par une pièce en matériau électriquement isolant qui forme un cône d'extension au-delà d'un côté de la paroi électriquement conductrice et une deuxième partie s'étend au-delà du cône d'extension, - le deuxième des deux éléments conducteurs est la deuxième partie de l'élément conducteur qui s'étend au-delà du cône d'extension,
— la pièce électriquement isolante est le cône d'extension qui entoure la première partie de l'élément conducteur, et
— l'élément électriquement isolant comprend au moins une plaque en matériau électriquement isolant munie d'une ouverture à travers laquelle passe la traversée de courant. Selon un deuxième mode de réalisation de
1' invention : — un premier des deux éléments conducteurs est une paroi électriquement conductrice munie d'une ouverture qui est traversée par un élément conducteur de dispositif d'extension relié à un autre élément conducteur, l'autre élément conducteur comprenant une première partie entourée par un cône d'extension électriquement isolant dont une partie évasée prend appui sur un côté de la paroi et une deuxième partie s'étend au-delà du cône d'extension,
— le deuxième des deux éléments conducteurs est la deuxième partie de l'autre élément conducteur qui s'étend au-delà du cône d'extension,
— la pièce électriquement isolante est le cône d'extension électriquement isolant qui prend appui sur la paroi électriquement conductrice, et
— l'élément électriquement isolant comprend au moins une plaque faite en matériau électriquement isolant et munie d'une ouverture dans laquelle passe le cône d'extension.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures jointes, parmi lesquelles :
La figure 1 représente une vue en coupe d'un premier exemple de structure de l'invention ;
La figure 2 représente une vue en coupe d'un deuxième exemple de structure de l'invention ; La figure 3 représente une vue en coupe d'un premier exemple de structure de l'invention apte à améliorer la tenue diélectrique d'une traversée de courant ; - La figure 4 représente une vue en coupe d'un deuxième exemple de structure de l'invention apte à améliorer la tenue diélectrique d'une traversée de courant ;
La figure 5 représente une vue en coupe d'un perfectionnement de la structure représentée en figure 4 ;
La figure 6 représente une vue en coupe d'une structure de l'invention qui utilise une structure conforme à la structure de la figure 3 ; - La figure 7 représente une vue en perspective de la structure représentée en figure 6 ;
Les figures 8 et 9 représentent des courbes de répartition d'amplitude de champ électrique qui illustrent la tenue diélectrique d'une structure de l'invention conforme à la figure 6 ;
La figure 10 représente une vue en coupe d'une structure de l'invention apte à améliorer la tenue diélectrique de trois traversées de courant montées en parallèle ; - La figure 11 représente une vue en perspective de la structure représentée en figure 10 ;
La figure 12 représente une vue en coupe partielle d'un perfectionnement de la structure de la figure 10 ; - La figure 13 représente des courbes de répartition d'amplitude de champ électrique comparatives d'une structure de l'invention conforme à la figure 10 et d'une structure de l'invention conforme à la figure 12 ;
La figure 14 représente une vue en coupe d'un exemple de structure de l'invention conforme à la figure 10 munie d'un dispositif de maintien ;
Les figures 15 et 16 représentent une vue en coupe de deux exemples de structure de l'invention apte à améliorer la tenue diélectrique d'un dispositif d'extension ; et
La figure 17 représente une vue en coupe d'une structure de l'invention qui utilise une structure conforme à la structure de la figure 16.
Sur toutes les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments.
Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention
Les figures 1 et 2 représentent des vues en coupe de deux exemples de structure de l'invention. La structure dont la tenue diélectrique est à améliorer est constituée de deux pièces électriquement conductrices Cl, C2 qui sont séparées par une pièce électriquement isolante I. Les pièces électriquement conductrices Cl et C2 sont en contact ou à proximité de la pièce isolante I. Les figures 1 et 2 représentent le cas où chaque pièce conductrice Cl, C2 a une surface en regard d'une surface de la pièce électriquement isolante I. Dans d'autres configurations, la pièce isolante I pénètre dans l'une et/ou l'autre des pièces conductrices, voire traverse l'une et/ou l'autre de ces pièces. La structure de la figure 1 correspond au cas où les pièces conductrices Cl, C2 ont des surfaces de dimensions supérieures aux surfaces de la pièce isolante I alors que, à l'inverse, la structure de la figure 2 correspond au cas où les pièces conductrices Cl, C2 ont des surfaces de dimensions inférieures à la dimension des surfaces de la pièce isolante. Lors d'un test de tenue diélectrique de la structure formée par les éléments Cl, C2 et I, une première pièce conductrice, par exemple la pièce Cl, est portée à un potentiel Ve d'amplitude élevée et la deuxième pièce conductrice, par exemple la pièce conductrice C2, est mise au potentiel de la terre. Lorsque la différence entre le potentiel Ve et le potentiel de la terre dépasse un certain seuil, il apparaît un arc électrique qui se propage le long de la pièce isolante I, selon un trajet de cheminement, entre les pièces conductrices Cl et C2.
Avantageusement, la structure de l'invention est apte à améliorer la tenue diélectrique de la structure constituée des éléments Cl, I, C2, c'est-à-dire apte à repousser très sensiblement vers des valeurs plus élevées le seuil au-delà duquel un arc électrique apparaît. De façon inattendue, la Demanderesse a constaté que le fait de placer, sur le trajet de cheminement de l'arc électrique, un élément électriquement isolant pb proche à la fois du conducteur mis au potentiel de la terre et de la pièce isolante I, mais sans contact définissant une étanchéité physique avec ceux-ci, améliore très sensiblement la tenue diélectrique. Il a également été constaté une amélioration de la tenue diélectrique lorsqu'un élément électriquement isolant pa est placé, sur le trajet de cheminement de l'arc électrique, dans la zone où c'est le conducteur qui est porté au potentiel d'amplitude élevée Ve qui est à proximité de la pièce isolante I. Dans ce dernier cas, toutefois, l'amélioration de la tenue diélectrique est moindre que dans le premier cas. Les éléments pa, pb se présentent préférentiellement sous forme d'une plaque perforée qui entoure soit la pièce isolante I (figure 1), soit une pièce conductrice Cl, C2 (figure 2) . Dans tous les cas, la distance dl qui sépare un élément pa, pb d'une pièce conductrice Cl, C2 peut atteindre, par exemple, 10mm et la distance d2 qui sépare un élément pa, pb de la pièce isolante I peut également atteindre, par exemple, 10mm. Chaque plaque pa, pb a une épaisseur sensiblement comprise entre 0,5mm et 18mm.
La figure 3 représente une vue en coupe d'un premier exemple de structure de l'invention apte à améliorer la tenue diélectrique d'une traversée de courant .
La traversée de courant comprend un élément conducteur 1 entouré d'une pièce en matériau électriquement isolant 2. La traversée de courant traverse, par une ouverture 01, une paroi 3 en matériau conducteur de la cuve. La pièce de matériau électriquement isolant 2 présente sensiblement une forme de cône 4 à l'intérieur de la cuve. La cuve est portée au potentiel de la terre. La structure de l'invention se présente sous la forme d'une plaque pi percée d'une ouverture 02 placée à l'intérieur de la cuve. La plaque pi est fixée sur la paroi 3, par exemple par des goujons. La plaque pi est réalisée dans un matériau électriquement isolant, par exemple le polyoxyméthylène également connu sous l'abréviation « POM ». Les ouvertures 01 et 02 ont des dimensions sensiblement identiques et sont positionnées en regard l'une de l'autre.
La figure 4 représente une vue en coupe d'un deuxième exemple de structure de l'invention apte à améliorer la tenue diélectrique d'une traversée de courant. La plaque pi représentée en figure 2 diffère de celle représentée en figure 1 par le fait que les ouvertures 01 et 02 n'ont pas le même diamètre. Le diamètre de l'ouverture 02 est ici légèrement supérieur au diamètre de l'ouverture 01. Les ouvertures 01 et 02 étant toujours positionnées en regard l'une de l'autre, il s'en suit qu'une faible distance d2 (par exemple, d2=lmm) sépare, sur toute la circonférence de l'ouverture 01, la traversée de courant de la plaque pi. Comme cela apparaîtra à la lecture des résultats de mesures présentés ci-dessous, la Demanderesse a constaté que la présence du jeu d2 entre la plaque pi et la traversée de courant conduit à améliorer de façon substantielle la tenue diélectrique de la traversée de courant. L'épaisseur h de la plaque pi peut varier, par exemple, entre 0,5mm et 18mm pour le modèle étudié.
La figure 5 représente une vue en coupe d'un perfectionnement de la structure représentée en figure 4. La plaque pi présente, au niveau de l'ouverture 02, du côté intérieur de la cellule, un retour R de longueur hr et d'épaisseur ep qui prolonge, selon l'axe de la traversée de courant, l'espace dans lequel se loge la traversée de courant. Le retour R a préférentiellement une longueur hr comprise entre lmm et 12mm et une épaisseur ep comprise entre 0,5mm et 18mm. Comme cela apparaîtra ultérieurement en référence à la figure 13, ce perfectionnement de la structure de l'invention améliore encore la tenue diélectrique de la traversée de courant.
La figure 6 représente une vue en coupe, de dessus, d'un autre exemple de structure de l'invention apte à améliorer la tenue diélectrique d'une traversée de courant. La figure 7 est une vue en perspective de la structure de la figure 6 en l'absence de traversée de courant . La structure S de l'invention a ici une forme de compartiment ouvert dans lequel la traversée de courant vient se loger. La paroi pi percée de l'ouverture 02 a une forme sensiblement rectangulaire et se prolonge, sur trois de ses côtés, par trois parois p2, p3, p4, une quatrième paroi p5 parallèle à la paroi pi fermant l'espace défini par les parois pl- p4. Les parois pl-p5 forment ainsi un compartiment parallélépipédique ouvert sur un de ses côtés. Le matériau dans lequel la structure S est fabriquée est, par exemple, du polyoxyméthylène . Le montage de la paroi pi par rapport à la traversée de courant correspond, à titre d'exemple, à celui représenté en figure 2 (présence du jeu d2) .
Comme cela a été explicité ci-dessus, la paroi pi permet avantageusement d'améliorer la tenue diélectrique de la traversée de courant par rapport à la terre. Les parois p2-p4 permettent quant à elles d'améliorer la tenue diélectrique de la traversée de courant par rapport à des composants électriques situés au voisinage de la traversée de courant. De façon inattendue, il a été constaté que la présence de la paroi p5 contribue également à améliorer la tenue diélectrique de la traversée de courant, notamment pour les arcs électriques se propageant en ligne directe.
Les figures 8 et 9 représentent des courbes de répartition d'amplitude de champ électrique qui illustrent la tenue diélectrique d'une structure de l'invention conforme à la structure de la figure 6. La figure 9 est une vue zoomée de la zone Za de la figure 8. Le champ électrique E dont l'amplitude est représentée en ordonnée des courbes est le champ présent, dans le plan de coupe de la figure 6, le long du cône 4, à une distance X mesurée à compter de l'ouverture 02. Les conditions géométriques et électriques pour l'obtention des courbes des figures 8 et 9 sont les suivantes:
- Dimensions intérieures de la boite formée par les parois pl-p5:
•^Hauteur Ha égale à 135mm, ^ Largeur La égale à 95mm, ^Profondeur Pr égale à 135mm ;
- Epaisseur des parois pl-p5 égale à 2mm ;
- Permittivité relative du matériau électriquement isolant qui constitue la boîte égale à 4 ;
- Distance d2 égale à lmm. II apparaît sur les figures 8 et 9 que le champ électrique E prend des valeurs particulièrement faibles dans la partie de la zone Za où la paroi pi de la boîte isolante est en regard de la pièce diélectrique 2. Dans l'exemple choisi, la valeur minimale El est sensiblement égale à 270V/mm. Comme cela est connu de l'homme de l'art, la zone Za est la zone d'apparition des arcs électriques et le cône 4 définit une zone de cheminement de ces arcs. La structure de l'invention, en abaissant l'amplitude du champ électrique dans la zone d'apparition des arcs électriques, permet avantageusement d'améliorer la tenue diélectrique de la traversée de courant. Dans l'exemple choisi, le champ électrique E prend des valeurs globalement inférieures à 490 V/mm dans la zone Za et il est alors possible de tenir un potentiel de 95kVc en choc de foudre.
La valeur de la permittivité relative du matériau électriquement isolant qui constitue la structure de l'invention ainsi que l'épaisseur des parois de cette structure sont des paramètres de réglage de la tenue diélectrique.
Des calculs de champ électrique ont été effectués pour différentes valeurs de permittivité relative du matériau qui constitue les parois à savoir: 1 ; 2,3 ; 4 ; 13,5 ; 20. L'épaisseur des parois était dans tous les cas égale à 2mm. Il a été constaté qu'au- delà d'une certaine distance X sensiblement égale à 4mm, une augmentation de la valeur de la permittivité relative conduit à l'obtention d'un champ électrique d'amplitude d'autant plus élevée que l'on s'éloigne de la paroi de la cuve. Par contre, à proximité de la cuve, il a été constaté que ce sont les valeurs de permittivité relative égale à 2,3 et 4 qui conduisent à l'obtention de champs électriques dont les amplitudes sont les plus basses. Ce sont donc des valeurs de permittivité relative comprises entre 2 et 4 qui sont privilégiées pour le choix du matériau qui constitue les parois. D'autres valeurs de permittivité relative peuvent toutefois être utilisées comme, par exemple, des valeurs comprises entre 1,5 et 2 ou des valeurs comprises entre 4 et 20. De même, des calculs de champ électrique ont été effectués en faisant varier l'épaisseur des parois de la structure pour un matériau donné (matériau POM) . Il a été constaté que c'est l'épaisseur de la paroi pi qui a le plus d' influence sur la diminution de l'amplitude du champ électrique dans la zone Za. Une épaisseur de 7mm a donné de bons résultats.
La figure 10 représente une vue en coupe d'une structure apte à améliorer la tenue diélectrique de trois traversées de courant montées en parallèle. La figure 11 est une vue en perspective de la structure représentée en figure 10, en l'absence de traversées de courant. La structure S prend ici la forme d'une boîte à trois compartiments, chaque compartiment contenant une traversée de courant. La figure 12 représente une vue en coupe partielle d'un perfectionnement de la structure de la figure 10. Un retour R est présent au niveau de chaque paroi pi .
La figure 13 représente des courbes Cl et C2 de répartition d'amplitude de champ électrique. La courbe Cl est associée à une structure de l'invention conforme à la figure 10 (absence de retour R au niveau des parois pi de la boîte) et la courbe C2 est associée à une structure de l'invention conforme à la figure 12
(présence d'un retour R au niveau des parois pi de la boîte) . Hormis le retour R qui les distingue, les structures des figures 10 et 12 ont, par ailleurs, les mêmes caractéristiques, à savoir un même matériau POM, une même épaisseur des parois, et les mêmes dimensions pour la boîte formée par les parois pl-p5. Le retour R a une longueur hr de 6mm.
Le champ électrique E dont l'amplitude est représentée en ordonnée des courbes Cl et C2 est le champ présent, dans le plan de coupe des figures respectives 10 et 12, le long du cône 4, en fonction de la distance X mesurée à compter de l'ouverture 02. Sur la courbe C2, l'amplitude du champ électrique prend une valeur minimale sensiblement égale à 200V/mm dans la zone d' apparition des arcs électriques et reste inférieure à un champ critique du matériau (600 V/mm par exemple) sur une distance plus importante (6mm pour Cl, 8mm pour C2) . La courbe C2 illustre ainsi clairement que les performances de tenue diélectrique de la traversée de courant sont améliorées en présence du retour R. II ressort de la description ci-dessus que la structure de l' invention présente des performances meilleures lorsqu'un jeu sépare la paroi pi de la traversée. Il est alors préférable de disposer de moyens mécaniques aptes à maintenir la structure dans une position où ce jeu est conservé. La figure 14 illustre, à titre d'exemple non limitatif, de tels moyens. Ces moyens sont constitués de bras Bl, B2 qui sont des extensions des parois p5 et dont les extrémités sont fixées sur un élément fixe F de la structure dans laquelle sont placées les traversées de courant .
La figure 15 représente une vue en coupe d'un premier exemple de structure de l'invention apte à améliorer la tenue diélectrique d'un dispositif d'extension. Le dispositif d'extension est formé d'une barre conductrice 5 reliée à un élément conducteur 6 qui traverse, sans contact électrique, une paroi 3 de cuve qui est mise au potentiel de la terre. De façon connue en soi, un cône d'extension électriquement isolant 7 entoure l'élément conducteur 6, une partie évasée du cône électriquement isolant 7 prenant appui sur la paroi 3. La structure S de l'invention est ici formée par une plaque p6 munie d'une ouverture dans laquelle le cône 7 est inséré. La plaque p6 est située à proximité de la partie évasée du cône qui prend appui sur la paroi 3, par exemple à une distance d2 comprise entre 0,5mm et 10mm. De façon préférentielle, la plaque p6 a un périmètre extérieur de forme et de dimension sensiblement identiques au périmètre que dessine la partie évasée du cône 7 sur la paroi 3. La plaque p6 est fixée à proximité de la paroi 3 par tout moyen connu, par exemple des goujons. La plaque p6 a, par exemple, une épaisseur de lmm. Elle est faite dans un matériau électriquement isolant, par exemple le POM. Il a été constaté que la présence de la plaque p6 à proximité de la partie évasée du cône qui est au contact de la paroi 3 permet avantageusement d'abaisser localement l'amplitude du champ électrique dans la zone où prennent naissance les arcs électriques. Pour une distance d2 sensiblement égale à lmm, l'amplitude calculée du champ électrique qui déclenche un arc électrique est sensiblement égale à 600V/m.
La figure 16 représente une vue en coupe d'un deuxième exemple de structure de l'invention apte à améliorer la tenue diélectrique d'un dispositif d'extension. L'ouverture de la plaque p6 comprend ici un évasement Ev dont la forme accompagne sensiblement la forme de l' évasement du cône 7. La fonction de la partie évasée Ev est identique à celle du retour R mentionné précédemment (abaissement local de l'amplitude du champ électrique) . La figure 17 représente une vue en coupe d'un troisième exemple de structure de l'invention apte à améliorer la tenue diélectrique d'un dispositif d'extension. L' évasement Ev se prolonge ici par un tube 9 dont la fonction est d' isoler électriquement la barre conductrice 5 de tout élément conducteur voisin, par exemple de la barre conductrice d'un dispositif d'extension voisin. Des moyens mécaniques, par exemple un disque 10 en matériau isolant placé entre l'élément conducteur 5 et la surface intérieure au cylindre 10, maintiennent le cylindre en position autour de la barre conductrice 5.
Le tableau ci-dessous donne les résultats de mesures des limites d'amorçage d'arc électrique dans l'air ambiant pour deux dispositifs d'extension identiques, référencés Extension 1 et Extension 2, munis, chacun, d'une structure d'amélioration de tenue diélectrique conforme à la figure 17. Les mesures ont été effectuées sous une pression de 1004 mBar, avec une température de 15,2°C et un taux d'humidité de 27,2%. Pour mémoire, la limite d'amorçage d'un arc électrique pour un dispositif d'extension identique aux dispositifs ayant fait l'objet des mesures et dépourvu de toute structure de tenue diélectrique particulière est de 6OkVc.
TABLEAU
Figure imgf000020_0001
Dans le tableau ci-dessus, les « limites d'amorçage après correction » sont des valeurs déduites des limites d' amorçage mesurées qui prennent en compte un facteur de correction qui traduit les conditions d' utilisation.
Un avantage de l'invention est de permettre l'obtention d'une tenue diélectrique sensiblement supérieure à celle de l'art antérieur, tout en conservant un dimensionnement des pièces sensiblement identique .
Les structures de l'invention sont avantageusement compactes, faciles à installer et d'un coût peu élevé.

Claims

REVENDICATIONS
1. Structure apte à améliorer la tenue diélectrique entre deux conducteurs (Cl, C2) portés à des potentiels différents, les deux conducteurs étant séparés par une pièce électriquement isolante (I) le long de laquelle est susceptible de se propager un arc électrique selon un trajet de cheminement lorsque la différence des potentiels dépasse une valeur de seuil, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément électriquement isolant (pa, pb) placé sur le trajet de cheminement, l'élément électriquement isolant étant positionné de telle sorte qu'il n'y ait pas d'étanchéité physique, d'une part, entre l'élément électriquement isolant et au moins un des deux conducteurs et, d'autre part, entre l'élément électriquement isolant et la pièce électriquement conductrice .
2. Structure selon la revendication 1, dans laquelle :
- un premier des deux éléments conducteurs est une paroi électriquement conductrice (3) munie d'une ouverture (01) qui est traversée par une traversée de courant (1, 4) formée par un élément conducteur (1) dont une première partie est entourée par une pièce en matériau électriquement isolant qui forme un cône d'extension au-delà d'un côté de la paroi électriquement conductrice et une deuxième partie s'étend au-delà du cône d' extension, - le deuxième des deux éléments conducteurs est la deuxième partie de l'élément conducteur qui s'étend au-delà du cône d'extension,
- la pièce électriquement isolante est le cône d'extension qui entoure la première partie de l'élément conducteur (1), et
- l'élément électriquement isolant comprend au moins une plaque (pi) en matériau électriquement isolant munie d'une ouverture (02) à travers laquelle passe la traversée de courant.
3. Structure selon la revendication 2, dans laquelle l'ouverture (02) pratiquée dans la plaque (pi) est bordée par un retour (R) qui forme un espace dans lequel se loge le cône d'extension.
4. Structure selon la revendication 3, dans laquelle le retour (R) a une longueur (hr) sensiblement comprise entre lmm et 12mm et une épaisseur (ep) sensiblement comprise entre 0,5mm et 18mm.
5. Structure selon la revendication 2, dans laquelle la plaque (pi) a une forme sensiblement carrée ou rectangulaire et dans laquelle quatre plaques supplémentaires (p2, p3, p4, p5) solidaires de la plaque (pi) forment, avec la plaque (pi) , un compartiment en forme de parallélépipède rectangle ou de cube ouvert sur un de ses côtés et dans lequel la traversée de courant est logée.
6. Structure selon la revendication 1, dans laquelle :
— un premier des deux éléments conducteurs est une paroi électriquement conductrice (3) munie d'une ouverture (01) qui est traversée par un élément conducteur de dispositif d'extension relié à un autre élément conducteur, l'autre élément conducteur comprenant une première partie entourée par un cône d'extension (7) électriquement isolant dont une partie évasée prend appui sur un côté de la paroi (3) et une deuxième partie s'étend au-delà du cône d' extension,
— le deuxième des deux éléments conducteurs est la deuxième partie de la barre conductrice qui s'étend au-delà du cône d'extension,
— la pièce électriquement isolante est le cône d'extension électriquement isolant qui prend appui sur la paroi électriquement conductrice, et - l'élément électriquement isolant comprend au moins une plaque (pβ) faite en matériau électriquement isolant et munie d'une ouverture (02) dans laquelle passe le cône d'extension (7) .
7. Structure selon la revendication 6 dans laquelle l'ouverture (02) pratiquée dans la plaque (pi) est bordée par un évasement (Ev) dont la forme accompagne la forme de la partie évasée du cône d' extension .
8. Structure selon la revendication 6, dans laquelle un corps cylindrique creux (9) prolonge l'évasement (Ev) de façon à entourer le cône d'extension et tout ou partie du deuxième élément conducteur.
9. Structure selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans laquelle la plaque (pi) a une épaisseur sensiblement comprise entre 0,5mm et 18mm.
10. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'élément électriquement isolant (pa, pb, pi, p6) est fait dans un matériau dont la permittivité relative est comprise entre 1,5 et 20.
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