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NOUVEAUX' PARAFOUDRES A ECLATEURS MULTIPLES.
La présente invention concerne un nouveau type de parafoudres à éclateurs multiples et son mode de construction. Elle concerne plus par- ticulièrement les appareils destinés à la protection des installations con-- tres les effets de surtensions et particulièrement contre celles dues aux décharges atmosphériques.
Un mode de protection classique des appareils électriques con- siste à disposer entrefil et terre un parafoudre constitué d'un éclateur à air en série avec une résistance de limitation,
La distance explosive de l'éclateur est telle que l'amorçage n'ait pas lieu sous la tension normale existant entre fil et terre., mais quand une surtension affecte un fil de ligne, due à un coup de foudre par exemple, une onde à. haute fréquence à front raide se propage et augmente dans de fortes proportions la tension entre ligne et sol, de telle sorte que l'arc s'amorce dans l'éclateur etla décharge s'écoule vers le sol gé-' néralement à traversla résistance de limitation.
Cette résistance est indispensable pour éviter que le courant de la ligne, qui trouve un chemin par l'arc amorcée ne prenne une valeur trop élevée.
Ce courant sera dénomme courant de suite, comme il est de coutume.
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Pour éviter que les courants de décharge de grande intensité ne produisent une chute de tension excessive aux bornes de la résistance de limitation, ce qui a pour effet de porter l'appareil à protéger à un poten- tiel dangereux, on est conduit à donner à cette résistance une valeur très faible. D'autre part, dès que la décharge s'est complètement écoulée vers la terre, il est désirable d'interrompre, le plus rapidement possible, le courant de suite et de ramener le parafoudre dans ses conditions de fonc- tionnement initiales.
On a trouvé que, si l'on choisit la valeur de la résistance de limitation suffisamment faible pour que la chute de tension, lors d'une for- te décharge, reste dans des limites tolérables, le courant de suite dans l'éclateur prend une valeur telle que l'intervalle explosif de cet éclateur n'a généralement pas la longueur suffisante pour l'interrompre.
Or, on ne peut pas augmenter la distance explosive sans ac- croître la différence de potentiel d'amorçage et diminuer de ce fait l'ef- ficacité du parafoudre.
Dans beaucoup de cas, on obtient des résultats satisfaisants en utilisant, pour limiter le courant, une résistance dont la valeur décroît quand le courant qui la parcourt augmente et vice-versa, de telle sorte que cette résistance soit beaucoup plus faible lorsqu'elle est traversée simul- tanément par le courant de choc et le courant de suite, que lorsque ce der- nier seul subsiste.
On a trouvé cependant que, si l'on utilise un tel dispositif sur un réseau à très haute tension et que la résistance de limitation a une valeur minima telle que la différence de potentiel entre ses extrémités n'atteigne pas une valeur excessive quand elle est parcourue par le courant de charge, la valeur que prend la résistance quand elle n'est plus traversées que par le courant de suite, est insuffisante pour limiter celui-ci à une intensité compatible avec le pouvoir de coupure des intervalles explosifs dis- posés en série,
On voit donc qu'il est très désirable de prévoir dans un para- foudre, un éclateur tel que la distance explosive soit suffisamment petite, pour que l'arc s'amorce en présence d'une surtension anormale,
mais ayant un pouvoir de coupure suffisamment élevé pour interrompre le courant de sui- te dont l'intensité est généralement plus grande que celle que peut suppor- ter l'éclateur.
L'invention a pour objet un parafoudre répondant à cette condi- tion et qui est essentiellement caractérisé par le fait qu'il comporte un éclateur principal entre les électrodes duquel s'amorce l'arc initial, sous l'effet d'une surtension d'une valeur donnée, ainsi que plusieurs autres électrodes formant une suite d'éclateurs auxiliaires en série., dont l'ensem- ble est en dérivation sur l'éclateur principale la somme des distances explosives de ces éclateurs auxiliaires est plus gran- de que la distance explosive de l'éclateur principal.
Les électrodes de l'éclateur principal et celles des éclateurs auxiliaires sont disposées les unes par rapport aux autres de telle façon que l'arc initial, en se déplaçant dans une direction prédéterminée par l'action d'un champ magnétique, se subdivise progressivement en plusieurs arcs élémentaires en série dont la longueur totale croit progressivement.
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Le champ magnétique est créé, par exemple, au moyen d'une ou plusieurs bobines connectées en série avec les électrodes de l'éclateur principal, et disposées par rapport à celles-ci de façon que la réaction de leurs champs magnétiques et de celui dû au courant dans l'arc provoque le déplacement de cet arc dans la direction désirée.Il est,en outre, désira- ble de prévoir des moyens distincts pour limiter ou ralentir le mouvement de l'arc, en créant en un point choisi de son trajet, éloigné du disjoncteur principale une force antagoniste de celle qui provoque son déplacement.
Cet effet peut être obtenu par réaction., produite dans un sens convenable, du champ magnétique dû au courant dans 1-'arc,, soit avec le champ magnétique créé par chaque bobine soit avec un autre champ magnétique bien choisi.
Pour faciliter l'exposé de l'invention et en mieux faire saisir les caractéristiques techniques et les avantages, on¯va en décrire quelques types de réalisation, étant entendu que ces exemples n'ont aucun caractère limitatif, quant au mode de mise en oeuvre et aux applications de l'inven- tion.
- La figure 1 est une vue en plan d'un dispositif d'extinction d'arc conforme à l'invention; - La plaque supérieure et les bobines ont été enlevées, de façon à mieux faire voir la disposition de l'éclateur.
- La figure 2 est une vue en élévation partiellement en coupe du même appareil, - La figure 3 est une variante de réalisation de la précédente.
- La figure 4 est une soupe suivant l'axe 4-4 de la figure 3.
- La figure 5 est le schéma du circuit électrique de l'appareil que représentent les figures 1 & 2.
- La figure 6 est le schéma des circuits électriques de l'appa- reil que représentent les figures 3 & 4.
- La figure 7 est une vue en plan d'une autre variante de l'in- vention.
- La figure 8 est une autre vue en plan du même appareil, dans lequel la plaque et les bobines supérieures ont été enlevées, pour mieux en faire apparaître la structure interne.
- La figure 9 est une vue en bout partiellement en coupe, sui- vant l'axe 9-9 de la figure 7.
- La figure 10 est une vue en coupe suivant l'axe 10-10 de la figure 8 avec la plaque supérieure en position.
- La figure 11 est une autre vue en coupe suivant l'axe 11-11 de la figure 8.
La figure 12 est une vue partiellement en coupe suivant l'axe 12-12 de la figure 8.
La figure 13 est une vue de côté, en élévation, de l'appareil que représente la figure 7.
- La figure 14 est une vue schématique des électrodes de l'appa- reil de la figure 7, montrant comment progresse l'arc qui doit être inter- rompu.
- Enfin, la figure 15 est une vue partiellement en coups, ana- logue à celle de la figure 11, représentant, une modification de structure de l'appareil de la. figure 7, telle qu'elle apparaîtrait si cette vue était faite suivant l'axe 11-11 de la figure 8.
Le parafoudre que représentent les figures 1, 2 lE 5 comporte deux pièces métalliques 10 & 11 divergentes à partir de l'intervalle explo- sif 12 et se terminant par deux parties parallèles.. Plusieurs électrodes 13
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à 17, de forme allongée, située dans le même plan que les précédentes et parallèles aux branches parallèles de celles-ci, définissent une suite d'éclateurs auxiliaires en série entre les électrodes 10 & Il? dont l'en- semble est donc en parallèle avec l'éclateur 12.
Pour que le nombre de ces éclateurs auxiliaires augmente progressivement, quand on s'éloigne vers la gauche de l'éclateur 12, les électrodes 14 à 16 sont plus longues que les électrodes 13 à 17, en sorte que les premières sont les plus approchées, de l'éclateur 12, l'électrode 15 étant la plus longue de toutes celles consti- tuant les éclateurs auxiliaires.
On voit donc qu'en s'éloignant de 12, les électrodes 10, 15 & 11 limitent deux intervalles explosifs et les électrodes 10, 14, 15, 16 & 11 en limitent quatre ; enfin, une série de six éclateurs est définie par les électrodes 10, 13, 14, 15, 16, 17 & 11. Les électrodes 10 & 11 et les élec- trodes auxiliaires sont comprises entre une paire de plaques parallèles 18, 19 en matière isolante ; les électrodes sont fixées de toute manière conve- nable, par exemple au moyen de vis 20, à l'une des plaques 18 & 19 ou aux deux.
Deux paires de bobines adjacentes 21, 22 et 24, 23 sont fixées sur la face extérieure des plaques 18 & 19, l'axe de chaque bobine étant sen- siblement perpendiculaire aux axes longitudinaux des électrodes, comme repré- senté. Chacun des enroulements a pour noyau un tore 25 en matière isolante et les joues 26 & 27 sont métalliques et reliées respectivement à chacune des extrémités de l'enroulement qu'elles contiennent. Des tiges filetées 28 se vissant dans la partie taraudée des plaques 26, forment, en 28', un éclateur réglable avec la face interne des joues métalliques, en vue de limiter une surtension accidentelle aux bornes des dits enroulements. Le sens des enrou- lements est celui figuré par les petites flèches de la figure 2.
Une vis à tête fraisée 29, passe à travers la plaque isolante 18 et vient se visser dans un trou taraudé 29' dans l'électrode principale 10, afin d'établir une connexion électrique entre celle-ci et la joue 27 de la bobine 22.
De même,une vis 30 sertà relier électriquement l'électrode 11, à travers la plaque isolante 19, à la joue métallique 27 de la bobine 23.
Les bobines 22 & 23 sont ainsi montées en série avec les électro- des 10 et 11 et l'intervalle explosif qu'elles limitent. La joue 26 de la bobine 22 est électriquement réunie à une extrémité de l'enroulement (ou à la plaque conductrice à laquelle il est fixé électriquement) de la bobine 21, tandis que l'autre extrémité de l'enroulement de cette bobine 21 (ou la plaque conductrice à laquelle elle est connectée) peut être reliée direc- tement, ou par l'intermédiaire d'une résistance de limitation 31, à l'appa- reil ou à la ligne 32, dont il s'agit d'assurer la protection, comme le re- présente de façon schématique la figure 5.
De façon similaire, une extrémité de la bobine 24 est reliée à la bobine 23 avec laquelle elle est montée en série, tandis que son autre ex- trémité est reliée au sol directement, ou par l'intermédiaire d'un éclateur auxiliaire et d'une inductance. Il est évidentque cet arrangement peut être inversé, de telle sorte que la bobine 21 soit alors reliée au sol et la bo- bine 24 au fil de ligne.
On remarquera que les enroulements 22 & 23 sont disposés symé- triquement par rapport aux électrodes 10 & 11 de l'éclateur principal et aux extrémités des électrodes auxiliaires, alors que des enroulements 21 & 24 sont symétriques par rapport aux autres extrémités des dites électrodes.
De plus, les enroulements sont montés en série et dans un sens tel que le cou- rant parcourt les bobines 22 et 23 dans une certaine direction sinistror- sum par exemple (comme le représentent les flèches, figure 1) alors que les bobines 21 & 24 sont parcourues dans un sens opposée c'est-à-dire dextror- sumo Par conséquent, le champ ou flux magnétique produit par et à l'inté- rieur des bobines 22 & 23 et une partie du flux magnétique de retour pro- duit par et à l'extérieur des bobines 21 & 24 traversent tous deux les in- tervalles explosifs principaux et secondaires dans la direction de bas en
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haut, sensiblement normale au plan des intervalles,, comme représenté par les flèches en traits interrompus à droite de la fige 2;
d'autre part, le champ ou flux magnétique produit par et à l'intérieur des bobines 21 et '24 et ce- lui produit par et à l'extérieur des bobines 22 et 23 traversent tous deux les autres extrémités des électrodes, dans la direction de haut en bas., sen- siblement normale au plan des intervalles, comme représenté par les flèches en traits interrompus à gauche de la fig. 2.
Dans des conditions normales de fonctionnement, il ne'passe pas de courant entre les électrodes 10 & 11,et la différence de potentiel entre celles-ci est celle qui existe normalement entre ligne et terre. Aucun cou- rant ne passe dans les bobines et la différence de potentiel aux bornes des éclateurs 28' est évidemment nulle.,
Si une surtension dangereuseapparaît sur la ligne 32,un axe s'amorce entre les électrodes 10 & 11 de l'éclateur 12 et un courant de dé- charge s'établit de la ligne vers la terre, à travers les bobines 21 & 22, l'intervalle explosif 12 et les bobines 23 & 24. Si, comme cest généralemert le cas;
,, le front d'ondes est très raide, la brusque variation de courant dans les bobines provoque l'amorçage des éclateurs 28', après quoi le cou- ra-nt traverse ceux-ci au lieu de passer par les bobines. Après écoulement de la décharge, le courant de suite est établi d'abord en suivant le même trajet; mais comme il n'a pas de composante à front raide auquel les bobi- nes offriraient une impédance élevés, il aura tendance à s'écouler à travers les bobines, et le champ magnétique qu'il engendre provoquera une rapide ex- tinction de l'arc.
En effet, la force résultant de la réaction entre le champ ma- gnétique, issu des bobines 22 & 23, traversant 1'* intervalle 12 et celui pro- duit par le courant dans l'arc;,, provoque le déplacement de l'arc dans le sens prévu par la règle d'Ampère (principe du moteur) c'est-à-dire vers la gauche de la figure 1 (de manière similaire au déplacement des conducteurs disposés sur l'armature d'un moteur).
Du fait de ce déplacement!} l'arc se fractionne progressivement en un certain nombre d'arcs élémentaires en série jusque à ce que six arcs soient établis en série, dans le cas actuel, dans la région située entre les parties divergentes des électrodes 10 & 11, à proximité de leurs branches parallèles. -Si ce mouvement se poursuivait., ar- rivés à l'extrémité gauche de la figure 1, les arcs tendraient à se réunir sur l'extrémité des électrodes et à ne plus former qu'un seul arc.
Mais ce phénomène est évité du fait que le sens du champ entre les bobines de gauche est inverse de celui régnant entre les bobines de droite;, si bien que la pro- gression de l'arc vers la gauche est arrêtée sensiblement vers le milieu des électrodes auxiliaires; la différence de potentiel aux bornes de chaque arc, est alors insuffisante pour le maintenir allumé; il y a donc extinction de tous les arcs. On voit que, .grâce au système objet de l'invention, on arrive à concilier les caractéristiques d'un éclateur à distance explosive relati- vement petite pour de faibles décharges, et celles de plusieurs éclateurs à distance explosive totale plus grande, pour couper des courants élevés.
Le mode de réalisation que représentent, les figures 3, 4 et 6 est sensiblement identique au précédent.) en ce qui concerne la disposition des électrodes. De même, le champ magnétique sert à provoquer le déplacement initial de l'arc qui s'est amorcé entre une paire d'électrodes 35 & 36 vers les éclateurs auxiliaires; ce champ est issu des bobines 33 & 34 correspon- dant aux bobines 22 & 23 de l'appareil précédent.
Mais, à la différence de celui-ci, il n'y a pas de deuxième paire de bobines pour créer un champ ma- gnétique de sens inverse dans la partie gauche des intervalles explosifs et ce sont les lignes de forces du champ, issues des bobines 36, que l'on uti- lise à cet effet., en les concentrant au moyen d'une pièce 37 en métal magné- tique, comme le représente la figure 4 qui est une vue en coupe suivant l'axe 4-4 de la figure 3;et on montre, à plus grande échelle, les éléments désignés par les mêmes chiffres de référence.
Le mode de réalisation que représentent les figures 7 à 14 permet de loger dans le même encombrement un nombre plus grand d'intervalles explo- sifs auxiliaires que cela n'est possible avec les modes de réalisation que - présentent les figures de 1 à 6; de plus! les variations d'énergie soudaine;.
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liées aux transformations de l'arc initial en une pluralité d'arcs sont réduites et l'arc initial se déplace vers la région ou'il se fractionne sans allongement notable. Enfin, contrairement aux dispositions que repré- sentent les figures 1 à 6, on n'utilise pas de champ magnétique auxiliai- re de direction opposée à celui existant dans la région où s'amorce l'arc initial.
Dans l'appareil que représentent les figurés 7 à 14, on dispo- se une série de bandesou cloisons, en matière isolante 42, 43, 44 entre une paire de plaques 40 & 41, également en matière isolantes définissant une chambre d'explosion de section en U, dont l'extrémité ouverte est en libre communication avec l'atmosphère. L'éclateur principal 47 est consti- tué par les électrodes 45 & 46, disposées près de l'extrémité ouverte de la chambre; deux groupes d'électrodes 48 à 54 et 56 à 61 disposées côte à côte,. sont situés l'un en face de l'autre et en ligne respectivement avec les électrodes 45 & 46.
Les électrodes sont portées par des nièces isolantes 62, elles-mêmes fixées aux parois opposées de la chambre; ces pièces servent à maintenir un espace approprié entre les électrodes métal- liques, pour des raisons qui sertont indiquées plus loin,, L'assemblage et la fixation de chaque électrode et de son support se fait au moyen d'une vis 63.
Comme on le voit sur les figures 7 & 9, une paire de bobines 64 & 65, à section rectangulaire, est bobinée sur des carcasses en matière isolante 64' & 65' respectivement; elles sont fixées.sur la face externe des parois isolantes 40 & 41. De même que dans l'appareil décrit plus haut, ces bobines sont montées de telle façon que les axes des enroulements coupant sensiblement de façon transversale tous les intervalles explosifs, et la section droite de chaque bobine se trouve vis-à-vis de la paire d'é- lectrodes principales 45 & 46, comme dans l'appareil précédent; mais à la différence de celui-ci, les électrodes auxiliaires se trouvent également devant les dites bobines.
Une extrémité de chaque bobine est électrique- ment reliée, par une vis de fixation 66, à une extrémité d'une barre métal- lique 67, montée sur un support isolant, comportant deux saillies faisant partie intégrante de la carcasse 64' ou 65-'- Une broche métallique 68 est fixée à l'extrémité opposée de la barre 67.
L'autre extrémité de chaque enroulement est électriquement re- liée au moyen d'une vis de fixation 69, à une extrémité d'une autre barre métallique 70 montée de façon similaire sur les joues de la bobine à l'op- poséde la barre 67 et à une certaine distance de celle-ci, de façon à ménager-un intervalle explosif 71 entre ellesAux extrémités opposées des barres 70, sont fixées des broches métalliques 72; des électrodes 45 & 46 de l'éclateur principal sont connectées comme le représentent les figures 9 & 10, avec les bornes 73 & 74, montées sur la face extérieure des dites plaques isolantes 40, & 41, de telle sorte que les électrodes 45 & 46 puis- sent être respectivement reliées aux enroulements.
La borne 73 comporte une cavité cylindrique creuse dans laquelle vient se loger la broche 68 de la bobine supérieure 64, alors que la broche 68 de la bobine inférieure 65 vient se loger dans la cavité cylindrique pré- vue dans la borne 74. Afin d'assurer un bon contact entre la queue de la borne 73 et la barre 67 de la bobine 64, comme le représente la figure 9, ainsi qu'entre la queue de la bobine 74 avec la barre 67 de la bobine 65, l'épaisseur globale de la carcasse de la bobine à léextrémité droite, telle que la représente la figure 13 où se trouvent les broches 68, est inférieure à l'épaisseur de l'extrémité gauche.
Ce mode de construction assure un bon contact entre les bornes 73 & 74 respectivement et les barres 67, avant que viennent en contact les surfaces des joues adjacentes aux plaques 40 & 41.
Sous réserve de détails de structure importants, dont il sera question plus loin, l'appareil qui vient d'être décrit constitue un ensem- ble à un éclateur et une paire de bobines, plusieurs éléments identiques pouvant être empilés et connectés en série. Dans ce cas,, une seule bobine serait interposée entre chaque élément ou groupe d'électrodes avec les bro-
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ches 72 des enroulements inférieurs et supérieurs insères dans les douilles 73 ou 74 de 1''élément se trouvant respectivement au-dessus de l'enroule- ment 64 et au-dessous de l'enroulement 65.
De toute façon, la branche 72 des bobines, celle supérieure,par exemple, est connectée directement,, ou par l'intermédiaire d'une résistance de limitation., à l'appareil ou à la ligne à protéger, tandis que la broche 72 de la bobine inférieure est re-- liée à la terre directement ou par l'intermédiaire d'un éclateur addition- nel et d'une inductance.
De même que dans les appareils que représentent les figures de 1 à 6 inclusivement, il apparaît que les enroulements 64 & 65 sont montés en série avec les électrodes 45 & 46 et l'éclateur qui est entre elles, tandis que les éclateurs 71 offrent un trajet en shunt assurant la protec- tion des deux en.roulements au moment du passage des composantes transitoi- res du courant de décharge.Après l'amorçage de l'éclateur 47 qui établit l'arc entre les électrodes principales 45, 46, et après écoulement de la dé- charge, le courant de suite allant vers la terre traverse les bobines 64 & 65, dans la même direction, de telle sorte que le champ magnétique que pro- duisent les bobines traverse les éclateurs dans la même direction.
Ce champ provoque le déplacement vers la gauche de l'arc initial qui a jailli entre les électrodes 45 & 46, comme le représente la figure 8. Cependant, du fait de la disposition des électrodes auxiliaires., l'arc iritial se divise en trois arcsg l'un suivant une direction sensiblement perpendiculaire entre les électrodes 46 & 55, le second parallèle entre les électrodes 55 & 48 et le troisième à nouveau perpendiculaire entre les électrodes 48 & 45.
La progression de l'arc est représentée sur la figure 14, la première phase qui vient d'être décrite étant celle figurée par les lignes en pointillés 80.En s'éloignant des électrodes 45 & 46, l'arc initial se subdivise en quinze arcs élémentaires la dernière série étant représentée par la ligne en pointillés 81. Tout mouvement subséquent est arrêté par la barrière iso- lante 43 et les supports isolants 62 qui offrent un trajet relativement long à d'éventuelles décharges rampantes;, par rapport à l'isolement gazeux entre électrodes.
Pour expliquer comment on réduit la tendance de l'arc à suivre la surface des plaques 40,41, il convient de remarquer que les électrodes et les supports isolants 62 sont espacés d'une distance déterminée, de la face interne de ces plaques, comme le représentent, de façon plus claire les figures 11 & 12.
Afin d'éviter¯que l'arc saute par dessus quelques élec- trodes, la face interne des plaques 40 & 41 est ondulée, ou encore leur pro- fil est tel, vis-à-vis de celui des électrodes, que des amorces d'écrans isolants se trouvent disposées entre les électrodes, si bien que se trouve éliminée la tendance que pourrait avoir un arc à se détacher d'une électro- de, pour atteindre la suivante en suivant un trajet en ligne droite, le- quel rencontrerait l'isolement.
On peut atteindre ce résultat,, suivant une variante que repré- sente la figure 15, où l'on voit une paire de tiges métalliques intermédiai- res 82-83 disposées dans l'espace compris entre les électrodes auxiliaires dans le plan médian des intervalles explosifs. On. a trouvé que, dans ce cas, les arcs ne peuvent pas contourner l'électrode auxiliaire qui est plus gros- se, sans venir en contact avec les petites tiges intermédiaires; il s'ensuit que le nombre d'arcs en série augmentant, il faudrait un accroissement de la tension pour les maintenir allumés.
Lorsqu'on monte plusieurs éclateurs et bobines en série, la dis- tribution de la tension est contrôlée au moyen des résistances 84 & 85 (figu- res 7, 9 & 13) réunies en série au moyen du boulon conducteur 86 (figure 8 & 13) et desbandes de cuivre 87 & 88 (figures 7 & 13) et en shunt sur l'écla- teur principal par des boulons conducteurs 89 & 90 (figures 7, 8 &: 9), asso- ciés aux bandes de cuivre 91 & 92 (figures 8 & 9). Celles-ci sont respecti- vement reliées à la vis conductrice 63 (figures 8 & 9) Qui supporte les élec- trodes principales 45 & 46.
Les écrous vissés sur les boulons 86, 89 & 90 (fi- ,,ures 8 & 9)servent à maintenir les plaques isolantes 40 & 41 et les écla- teurs fortement serrés entre eux.
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Une petite pièce 93, qu'appuie un ressort 94 sur la face interne de l'une des plaques isolantes vis-à-vis de l'éclateur principal, sert à fa- ciliter l'amorçage de l'arc. Ainsi qu'on le voit, la pièce 93 et le ressort 94 sont reliés par le boulon 90 et la bande de cuivre 92 à l'une des électro- des de l'éclateur principal.
On a donc décrit dans ce qui précède une réalisation de l'inven- tion dans laquelle des électrodes auxiliaires sont placées et disposées de manière à constituer un nombre relativement grand de distances explosives au- xiliaires, occupant un espace minimum, et des éléments magnétiques sont pré- vus pour que les arcs auxiliaires se déplacent sur toute la longueur des dis- tances explosives auxiliaires vers leurs extrémités, pour effectuer l'inter- ruption sans utiliser un champ magnétique de réaction.
Dans la réalisation des figures 7 à 15, inclusivement;, l'arc ini- tial n'est pas allongé jusqu'à une certaine valeur, mais il tend à être frag- menté progressivement et pas en une fois.Il en résulte une transformationfa- cile de l'arc initial unique en plusieurs arcs terminaux qui sont rapidement éteints par suite de la grande tension requise pour leur maintien, sans don- ner lieu aux variations brusques d'énergie nécessaires si l'arc initial ren- contrait toutes les électrodes auxiliaires au même moment.
Bien que l'on ait décrit et représenté une réalisation de l'in- vention ainsi que plusieurs modifications à cette réalisation, il est évi- dent qu'on ne désire pas se limiter à ces réalisations particulières données simplement à titre d'exemples et sans aucun caractère restrictif et que, par conséquent, toutes les variantes ayant même principe et même objets que les dispositions décrites ci-dessus, rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.
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NEW MULTIPLE SPARK PROTECTION SPREADERS.
The present invention relates to a new type of surge arresters with multiple spark gaps and its method of construction. It relates more particularly to devices intended for the protection of installations against the effects of overvoltages and particularly against those due to atmospheric discharges.
A conventional method of protection for electrical devices consists of placing between wire and earth a surge arrester consisting of an air spark gap in series with a limiting resistor,
The explosive distance from the spark gap is such that ignition does not take place under the normal voltage existing between wire and earth., But when an overvoltage affects a line wire, due to a lightning strike for example, a wave at. high frequency with a steep edge propagates and greatly increases the voltage between line and ground, so that the arc starts in the spark gap and the discharge flows towards the ground generally through the resistance of limitation.
This resistance is essential to prevent the current in the line, which finds a path through the arc initiated, from taking too high a value.
This current will be called current immediately, as is customary.
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To prevent the discharge currents of great intensity from producing an excessive voltage drop across the limiting resistor, which has the effect of bringing the device to be protected to a dangerous potential, one is led to give to this resistance a very low value. On the other hand, as soon as the discharge has completely flowed to earth, it is desirable to interrupt, as quickly as possible, the follow-on current and to return the arrester to its initial operating conditions.
It has been found that, if one chooses the value of the limiting resistor sufficiently low so that the voltage drop, during a strong discharge, remains within tolerable limits, the follow-on current in the spark gap takes a value such that the explosive interval of this spark gap is generally not long enough to interrupt it.
However, the explosive distance cannot be increased without increasing the difference in ignition potential and thereby reducing the efficiency of the surge arrester.
In many cases, satisfactory results are obtained by using, to limit the current, a resistance whose value decreases when the current flowing through it increases and vice versa, so that this resistance is much lower when it is the impulse current and the following current cross simultaneously, only when the latter alone remains.
It has been found, however, that, if such a device is used on a very high voltage network and the limiting resistor has a minimum value such that the potential difference between its ends does not reach an excessive value when it is traversed by the load current, the value which the resistance takes when it is only traversed by the follow-on current, is insufficient to limit the latter to an intensity compatible with the breaking capacity of the explosive intervals arranged in series,
It can therefore be seen that it is very desirable to provide in a lightning arrester, a spark gap such that the explosive distance is sufficiently small, so that the arc starts in the presence of an abnormal overvoltage,
but having a sufficiently high breaking capacity to interrupt the following current, the intensity of which is generally greater than that which the spark gap can withstand.
The subject of the invention is a surge arrester meeting this condition and which is essentially characterized by the fact that it comprises a main spark gap between the electrodes of which the initial arc starts, under the effect of a surge d 'a given value, as well as several other electrodes forming a series of auxiliary spark gaps, the whole of which is bypassed on the main spark gap, the sum of the explosive distances of these auxiliary spark gaps is greater than the explosive distance from the main spark gap.
The electrodes of the main spark gap and those of the auxiliary spark gap are arranged with respect to each other in such a way that the initial arc, moving in a predetermined direction by the action of a magnetic field, is gradually subdivided into several elementary arcs in series, the total length of which increases progressively.
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The magnetic field is created, for example, by means of one or more coils connected in series with the electrodes of the main spark gap, and arranged with respect to these so that the reaction of their magnetic fields and that due current in the arc causes the arc to move in the desired direction. It is, moreover, desirable to provide separate means to limit or slow down the movement of the arc, creating at a chosen point of its distance from the main circuit breaker an antagonistic force to that which causes its displacement.
This effect can be obtained by reaction, produced in a suitable direction, of the magnetic field due to the current in the arc, either with the magnetic field created by each coil or with another well chosen magnetic field.
To facilitate the presentation of the invention and to better understand the technical characteristics and advantages, we will describe some types of embodiment, it being understood that these examples are in no way limiting, as to the mode of implementation. and applications of the invention.
- Figure 1 is a plan view of an arc extinguishing device according to the invention; - The upper plate and the coils have been removed, in order to better show the arrangement of the spark gap.
- Figure 2 is an elevational view partially in section of the same device, - Figure 3 is an alternative embodiment of the previous one.
- Figure 4 is a soup along the axis 4-4 of Figure 3.
- Figure 5 is the electrical circuit diagram of the device shown in Figures 1 & 2.
- Figure 6 is the diagram of the electrical circuits of the apparatus shown in Figures 3 & 4.
FIG. 7 is a plan view of another variant of the invention.
- Figure 8 is another plan view of the same apparatus, in which the plate and the upper coils have been removed, to better show the internal structure.
- Figure 9 is an end view partially in section, taken along line 9-9 of Figure 7.
- Figure 10 is a sectional view along the axis 10-10 of Figure 8 with the upper plate in position.
- Figure 11 is another sectional view along the line 11-11 of Figure 8.
FIG. 12 is a view partially in section along the line 12-12 of FIG. 8.
Figure 13 is a side elevational view of the apparatus shown in Figure 7.
FIG. 14 is a schematic view of the electrodes of the apparatus of FIG. 7, showing how the arc which must be interrupted progresses.
Finally, FIG. 15 is a partially cutaway view, analogous to that of FIG. 11, showing a structural modification of the apparatus of the. Figure 7, as it would appear if this view were taken along line 11-11 of Figure 8.
The arrester shown in Figures 1, 2 lE 5 comprises two metal parts 10 & 11 diverging from the explosive gap 12 and ending in two parallel parts. Several electrodes 13
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to 17, of elongated shape, located in the same plane as the preceding ones and parallel to the parallel branches of the latter, define a series of auxiliary spark gaps in series between the electrodes 10 & II? the assembly of which is therefore in parallel with the spark gap 12.
So that the number of these auxiliary spark gaps increases gradually, as we move away to the left from spark gap 12, electrodes 14 to 16 are longer than electrodes 13 to 17, so that the first are the closest, spark gap 12, electrode 15 being the longest of all those constituting the auxiliary spark gaps.
It can therefore be seen that by moving away from 12, the electrodes 10, 15 & 11 limit two explosive intervals and the electrodes 10, 14, 15, 16 & 11 limit four; finally, a series of six spark gaps is defined by the electrodes 10, 13, 14, 15, 16, 17 & 11. The electrodes 10 & 11 and the auxiliary electrodes are included between a pair of parallel plates 18, 19 of material. insulating; the electrodes are fixed in any suitable manner, for example by means of screws 20, to one of the plates 18 & 19 or to both.
Two pairs of adjacent coils 21, 22 and 24, 23 are fixed to the outer face of plates 18 & 19, the axis of each coil being substantially perpendicular to the longitudinal axes of the electrodes, as shown. Each of the windings has a core 25 of insulating material and the cheeks 26 & 27 are metallic and respectively connected to each of the ends of the winding which they contain. Threaded rods 28 screwed into the threaded part of the plates 26, form, at 28 ', an adjustable spark gap with the internal face of the metal cheeks, with a view to limiting an accidental overvoltage at the terminals of said windings. The direction of the windings is that shown by the small arrows in figure 2.
A countersunk screw 29, passes through the insulating plate 18 and is screwed into a tapped hole 29 'in the main electrode 10, in order to establish an electrical connection between the latter and the cheek 27 of the coil 22 .
Likewise, a screw 30 serves to electrically connect the electrode 11, through the insulating plate 19, to the metal cheek 27 of the coil 23.
The coils 22 & 23 are thus connected in series with the electrodes 10 and 11 and the explosive interval which they limit. The cheek 26 of the coil 22 is electrically joined to one end of the winding (or to the conductive plate to which it is electrically attached) of the coil 21, while the other end of the winding of this coil 21 ( or the conductive plate to which it is connected) can be connected directly, or by means of a limiting resistor 31, to the device or to the line 32, which is to be ensured. protection, as shown diagrammatically in figure 5.
Similarly, one end of coil 24 is connected to coil 23 with which it is mounted in series, while its other end is connected to the ground directly, or through an auxiliary spark gap and spark plug. an inductance. It is obvious that this arrangement can be reversed, so that the coil 21 is then connected to the ground and the coil 24 to the line wire.
It will be noted that the windings 22 & 23 are arranged symmetrically with respect to the electrodes 10 & 11 of the main spark gap and to the ends of the auxiliary electrodes, while the windings 21 & 24 are symmetrical with respect to the other ends of said electrodes.
In addition, the windings are mounted in series and in a direction such that the current travels through the coils 22 and 23 in a certain direction sinistror- sum for example (as shown by the arrows, figure 1) while the coils 21 & 24 are traversed in an opposite direction ie dextror- sumo Consequently, the magnetic field or flux produced by and inside the coils 22 & 23 and part of the return magnetic flux produced through and out of coils 21 & 24 both pass through the main and secondary explosive intervals in the down-to-down direction.
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top, substantially normal to the plane of the intervals ,, as represented by the arrows in dashed lines to the right of fig 2;
on the other hand, the magnetic field or flux produced by and inside the coils 21 and '24 and that produced by and outside the coils 22 and 23 both pass through the other ends of the electrodes, in the direction from top to bottom, substantially normal to the plane of the intervals, as represented by the arrows in dashed lines to the left of FIG. 2.
Under normal operating conditions, no current flows between electrodes 10 & 11, and the potential difference between them is that which normally exists between line and earth. No current passes through the coils and the potential difference at the terminals of spark gaps 28 'is obviously zero.
If a dangerous overvoltage appears on line 32, an axis is initiated between electrodes 10 & 11 of spark gap 12 and a discharge current is established from the line to earth, through coils 21 & 22, explosive interval 12 and coils 23 & 24. If, as is usually the case;
,, the wave front is very steep, the sudden variation of current in the coils causes the ignition of spark gaps 28 ', after which the current passes through them instead of passing through the coils. After the discharge has flowed, the following current is first established by following the same path; but since it does not have a steep-edged component to which the coils would offer a high impedance, it will tend to flow through the coils, and the magnetic field it generates will cause the l to be extinguished rapidly. 'bow.
Indeed, the force resulting from the reaction between the magnetic field, issuing from the coils 22 & 23, crossing the gap 12 and that produced by the current in the arc; ,, causes the displacement of the arc in the direction provided by Ampère's rule (motor principle), that is to say to the left of FIG. 1 (in a manner similar to the displacement of the conductors placed on the armature of a motor).
Due to this displacement!} The arc progressively splits into a certain number of elementary arcs in series until six arcs are established in series, in the present case, in the region situated between the divergent parts of the electrodes 10 & 11, near their parallel branches. -If this movement continued., Arrived at the left end of Figure 1, the arcs would tend to meet on the end of the electrodes and form only a single arc.
But this phenomenon is avoided by the fact that the direction of the field between the left coils is opposite to that prevailing between the right coils ;, so that the progression of the arc to the left is stopped appreciably towards the middle of the lines. auxiliary electrodes; the potential difference at the terminals of each arc is then insufficient to keep it on; there is therefore extinction of all the arcs. It can be seen that, thanks to the system which is the subject of the invention, it is possible to reconcile the characteristics of a spark gap with a relatively small explosive distance for low discharges, and those of several spark gaps with a greater total explosive distance, for cutting. high currents.
The embodiment shown in Figures 3, 4 and 6 is substantially identical to the previous one.) As regards the arrangement of the electrodes. Likewise, the magnetic field serves to cause the initial displacement of the arc which is initiated between a pair of electrodes 35 & 36 towards the auxiliary spark gaps; this field comes from coils 33 & 34 corresponding to coils 22 & 23 of the previous device.
But, unlike this one, there is no second pair of coils to create a reverse magnetic field in the left part of the explosive intervals and these are the lines of force of the field, resulting from the coils 36, which are used for this purpose, by concentrating them by means of a piece 37 of magnetic metal, as shown in figure 4 which is a sectional view along axis 4-4 of FIG. 3, and the elements designated by the same reference numerals are shown on a larger scale.
The embodiment shown in FIGS. 7 to 14 makes it possible to accommodate in the same space a greater number of auxiliary explosive intervals than is possible with the embodiments that - present in FIGS. 1 to 6; Furthermore! sudden energy changes ;.
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related to the transformations of the initial arc into a plurality of arcs are reduced and the initial arc moves towards the region where it splits without noticeable elongation. Finally, unlike the arrangements shown in FIGS. 1 to 6, no auxiliary magnetic field of direction opposite to that existing in the region where the initial arc is initiated is used.
In the apparatus shown in Figures 7 to 14, there is a series of strips or partitions, of insulating material 42, 43, 44 between a pair of plates 40 & 41, also of insulating material defining an explosion chamber of U-shaped section, the open end of which is in free communication with the atmosphere. The main spark gap 47 is formed by the electrodes 45 & 46, disposed near the open end of the chamber; two groups of electrodes 48 to 54 and 56 to 61 arranged side by side ,. are located opposite each other and in line with electrodes 45 & 46, respectively.
The electrodes are carried by insulating nieces 62, themselves fixed to the opposite walls of the chamber; these parts serve to maintain an appropriate space between the metal electrodes, for reasons which will be indicated later, The assembly and the fixing of each electrode and its support is done by means of a screw 63.
As can be seen in Figures 7 & 9, a pair of coils 64 & 65, with a rectangular section, is wound on carcasses of insulating material 64 '& 65' respectively; they are fixed on the external face of the insulating walls 40 & 41. As in the apparatus described above, these coils are mounted in such a way that the axes of the windings intersecting substantially transversely all the explosive intervals, and the cross section of each coil is located opposite the pair of main electrodes 45 & 46, as in the previous apparatus; but unlike the latter, the auxiliary electrodes are also located in front of said coils.
One end of each coil is electrically connected, by a fixing screw 66, to one end of a metal bar 67, mounted on an insulating support, comprising two projections forming an integral part of the frame 64 'or 65- '- A metal pin 68 is attached to the opposite end of the bar 67.
The other end of each winding is electrically connected by means of a fixing screw 69, to one end of another metal bar 70 similarly mounted on the cheeks of the spool opposite the bar. 67 and at a certain distance therefrom, so as to leave an explosive gap 71 between themAt the opposite ends of the bars 70, metal pins 72 are fixed; electrodes 45 & 46 of the main spark gap are connected as shown in Figures 9 & 10, with terminals 73 & 74, mounted on the outer face of said insulating plates 40, & 41, such that electrodes 45 & 46 can be respectively connected to the windings.
The terminal 73 has a hollow cylindrical cavity in which the pin 68 of the upper coil 64 is housed, while the pin 68 of the lower coil 65 is housed in the cylindrical cavity provided in the terminal 74. In order to ensure good contact between the tail of terminal 73 and the bar 67 of the coil 64, as shown in figure 9, as well as between the tail of the coil 74 with the bar 67 of the coil 65, the overall thickness of the spool carcass at the right end, as shown in Fig. 13 where the pins 68 are located, is less than the thickness of the left end.
This method of construction ensures good contact between the terminals 73 & 74 respectively and the bars 67, before the surfaces of the cheeks adjacent to the plates 40 & 41 come into contact.
Subject to important structural details, which will be discussed later, the apparatus which has just been described constitutes an assembly with a spark gap and a pair of coils, several identical elements being able to be stacked and connected in series. In this case, a single coil would be interposed between each element or group of electrodes with the pins.
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ches 72 of the lower and upper windings inserted into the sockets 73 or 74 of the element located respectively above the winding 64 and below the winding 65.
In any case, branch 72 of the coils, the upper one, for example, is connected directly ,, or via a limiting resistor., To the device or to the line to be protected, while pin 72 of the lower coil is connected to earth directly or through an additional spark gap and inductor.
As in the devices shown in Figures 1 to 6 inclusive, it appears that the windings 64 & 65 are mounted in series with the electrodes 45 & 46 and the spark gap which is between them, while the spark gap 71 offers a shunt path ensuring the protection of the two windings when the transitory components of the discharge current pass. After the ignition of the spark gap 47 which establishes the arc between the main electrodes 45, 46, and after discharge of the discharge, the follow-on current to earth passes through coils 64 & 65, in the same direction, so that the magnetic field produced by the coils passes through the spark gaps in the same direction.
This field causes the movement to the left of the initial arc which sprang between the electrodes 45 & 46, as shown in figure 8. However, due to the arrangement of the auxiliary electrodes, the initial arc divides into three. arcsg one following a direction substantially perpendicular between electrodes 46 & 55, the second parallel between electrodes 55 & 48 and the third again perpendicular between electrodes 48 & 45.
The progression of the arc is represented in FIG. 14, the first phase which has just been described being that represented by the dotted lines 80. Moving away from the electrodes 45 & 46, the initial arc is subdivided into fifteen elementary arcs, the last series being represented by the dotted line 81. Any subsequent movement is stopped by the insulating barrier 43 and the insulating supports 62 which provide a relatively long path for any creeping discharges ;, with respect to the gas isolation between electrodes.
To explain how the tendency of the arc to follow the surface of the plates 40,41 is reduced, it should be noted that the electrodes and the insulating supports 62 are spaced a determined distance from the internal face of these plates, as represent it more clearly in Figures 11 & 12.
In order to prevent the arc from jumping over a few electrodes, the internal face of the plates 40 & 41 is corrugated, or their profile is such, with respect to that of the electrodes, that the primers insulating screens are placed between the electrodes, so that the tendency that an arc could have to detach from one electrode, to reach the next following a straight line path, which would encounter isolation.
This result can be achieved, according to a variant shown in FIG. 15, where we see a pair of intermediate metal rods 82-83 arranged in the space between the auxiliary electrodes in the median plane of the intervals. explosives. We. found that, in this case, the arcs cannot bypass the auxiliary electrode which is larger, without coming into contact with the small intermediate rods; it follows that as the number of arcs in series increases, it would take an increase in voltage to keep them ignited.
When several spark gaps and coils are mounted in series, the voltage distribution is controlled by means of resistors 84 & 85 (figures 7, 9 & 13) joined in series by means of conductive bolt 86 (figure 8 & 13) and copper strips 87 & 88 (figures 7 & 13) and shunted on the main spacer by conductive bolts 89 & 90 (figures 7, 8 &: 9), associated with copper strips 91 & 92 (figures 8 & 9). These are respectively connected to the conductive screw 63 (Figures 8 & 9) which supports the main electrodes 45 & 46.
The nuts screwed on the bolts 86, 89 & 90 (wires 8 & 9) are used to hold the insulating plates 40 & 41 and the spark plugs tightly together.
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A small part 93, supported by a spring 94 on the internal face of one of the insulating plates with respect to the main spark gap, serves to facilitate the initiation of the arc. As seen, the part 93 and the spring 94 are connected by the bolt 90 and the copper strip 92 to one of the electrodes of the main spark gap.
In the above, therefore, an embodiment of the invention has been described in which auxiliary electrodes are placed and arranged so as to constitute a relatively large number of auxiliary explosive distances, occupying a minimum space, and magnetic elements are designed so that the auxiliary arcs move along the entire length of the auxiliary explosive distances towards their ends, to effect the interruption without using a reaction magnetic field.
In the embodiment of Figures 7 to 15, inclusive ;, the initial arc is not elongated to a certain extent, but tends to be fragmented gradually and not all at once. This results in a transformationfa - single initial arc cile in several terminal arcs which are quickly extinguished as a result of the high voltage required for their maintenance, without giving rise to the abrupt variations of energy necessary if the initial arc encounters all the electrodes auxiliaries at the same time.
Although an embodiment of the invention has been described and shown as well as several modifications to this embodiment, it is obvious that we do not wish to limit ourselves to these particular embodiments given simply by way of examples and. without any restrictive character and that, consequently, all the variants having the same principle and the same objects as the arrangements described above, would come within the scope of the invention as they did.