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Perfectionnements à la répartition de la tension dans les isolants du matériel de Commutation à haute tension
La présente invention concerne les appareils électriques pourvus de conducteurs constituant des électrodes, aux bornes desquelles il y a une différence de potentiel élevée et qui sont séparées par un isolant en matière diélectrique solide dont les surfaces entre les électrodes sont exposées à l'air ou dont la matière diélectrique solide contient des interstices remplis d'air,
Aux tensions élevées, ces surfaces ou interstices peuvent donner lieu à des décharges ou des arcs locaux aux endroits de concentration du champ, et il s'ensuit que l'isolant se détériore au voisinage des décharges et finit par entièrement se détruire.
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On a proposé de protéger l'isolant contre les décharges locales de ce genre, en réglant le gradient de potentiel entre les électrodes de manière à éviter toute concentration -de champ exagérée, et on a pourvu, à cet effet, .l'isolant solide de couches ou plaques capacitives espacées répartissant la chute de tension par capacité- Cette solution convient pour les manchons isolateurs ou dispositifs analogues faits de papier enroulé, car il est facile d'enrouler, entre les couches de papier, des couches conduc- trices de métal en feuille placées aux profondeurs voulues pendant le bobinage et servant d'armatures de condensateur.
Au contraire, dans le cas d'un isolant homogène obtenu par moulage sous pression de résine synthétique, par exemple, il est très difficile d'insérer des armatures de condensateur en feuilles à cause de leur manque de consistance, et il est pratiquement-Impossible de fixer ces Couches en place avec la précision voulue.
La présente invention concerne un procédé de répartition de la tension entre les électrodes, consistant à faire passer ùn faible courant de fuite par une résistance élevée reliant les électrodes et pouvant être utilisé dans les cas où la répartition de tension par divisionlcapacitive est hors de question soit pour des raisons de fabrication, soit dans le cas de tensions'continues ou' la division capacitive' est inefficace par principe.
Suivant la présente invention, l'isolant solide contient. entre les électrodes, au moins un vide rempli d'un liquide à haute rigidité diélectrique et ayant une conductibilité électrique telle qu'il laisse passer, entre les électrodes, un faible courant watté comparable, en grandeur, au courant déwatté.
La matière diélectrique-constituant'le liquide de rem- plissage peut être considérée comme un conducteur à haute résistan- ce ou comme un isolant de qualité inférieure. Les expressions "conducteur" et "isolant" peuvent être mises en opposition facile- ment en considérant le facteur de puissance, ou le rapport courant
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watté à courant déwatté,du courant circulant dans la matière sou- mise à la contrainte d'une tension d'une fréquence donnée.
Dans le cas de matières utilisées normalement comme des conducteurs, la composante résistive ou wattée est, aux fréquences normales ' de réseau, des milliers de fois supérieure à la composante capaci- tive ou déwattée, tandis que, dans le cas d'un bon isolateur, la composante capacitive est plusieurs milliers de fois supérieure à la composante wattée.
Dans ie cas de la matière utilisée dans la présente invention, la composante wattée doit être du même ordre de grandeur que le courant capacitif, c'est-à-dire non inférieure au dixième de celuui-ci,
Par l'expression "liquide" utilisée dans la présente demande pour la matière conductrice de remplissage du vide entre électrodes, on entend toutes les matières semi-liquides, par exem- ple les pâtes et gelées, pouvant être injectées dans le vide mais ne pénétrant et ne remplissant pas celui-ci sans intervention extérieure.
La résistance spécifique du liquide conducteur utilisé peut avoir des valeurs très différentes et le choix de la valeur dépend de/la tension, puisque le courant watté de fuite doit être limité à une valeur telle que la chaleur produite puisse être dissipée sans difficulté. Cela signifie en pratique que le courant watté de fuite ne peut pas dépasser environ un milliampère. Compte tenu de cette limitation, plus le courant watté de fuite est élevé, Mieux la tension est répartie.
De nombreuses matières liquides ont les qualités voulues pour jouer le rôle de matière de remplissage, par exemple: a) Les dispersions de conducteurs liquides ou solides dans une base isolante, comme du graphite dans une graisse ou de l'eau dans de l'huile, b) Les amines, alcools, glycols, chlorohydrine et phénols,
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et leurs mélanges; l'hexylène glycol s'est avéré excellent en particulier.
Il.va..de soi qu'on peut trouver d'autres matières liqui- des ayant les caractéristiques électriques voulues dans d'autres séries organiques homologues.
Dans le cas d'émulsions et de dispersions, on peut obte- nir les conductibilités voulues en variant la phase de dispersion, le milieu de dispersion ou l'agent d'émulsion.
Le vide dans l'isolant solide rempli par le conducteur liquide peut avoir la forme d'un espace tubulaire de section droite en forme d'anneau entourant une électrode centrale et reliant cette dernière à une électrode extérieure- Dans ce cas, on peut faire varier,le gradient de potentiel le long de l'espace tubulaire en faisant varier le rayon et/ou l'épaisseur radiale de l'espace tubulaire.
Le vide peut aussi se présenter sous la forme d'une ou plusieurs galeries percées dans l'isolant solide et reliant une électrode à l'autre.
L'invention peut être mise en pratique de plusieurs manières; certaines'formes d'exécution sont décrites ci-après à titre d'exemple avec référence'aux dessins annexés, dans lesquels:
La figure 1 est une vue en coupe d'une connexion semi- permanente, par fiche et-douille., de deux conducteurs sous haut tension à isolant solide.
La figure 2 est une vue en coupe'd'une connexion amovi-- ble par fiche et douille, pour interrapteur à enfichage.
La figure 3 est une vue de profil, en coupe, d'une partie d'un isolateur de passage pour conducteur haute tension.
La figure 4 est une vue. de profil,.en coupe, d'un isola- teur suspendu...
La figure 5 est une coupe d'une autre forme d'isolateur de passage.
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La figure 6 est une vue de profil, en coupe, d'une autre forme d'isolateur suspendu, et La figue 7 est une vue de profil, en coupe, d'encore une autre forme 'd'isolateur suspendu.
Dans la forme d'exécution de la figure 1, l'invention est appliquée à un dispositif à fiche et douille assurant une connexion bout à bout semi-permanente entre une paire de conduc- teurs haute tension allongés 10 et 11. Les deux conducteurs 10 et 11 sont enfermés dans des manchons 13, 14 en une matière isolante solide diélectrique, sauf à leurs extrémités qui ressor- tent et prennent la forme de bornes 15 et 16.
Chaque manchon ,isolant est garni d'un blindage extérieur métallique 17 mis à la terre, l'un des manchons 14 étant terminée à une extrémité, par une douille concentrique tronconique 18 qui contient la borne associée 16, tandis que l'autre manchon 13 se termine par une fiche tronconique 19 d'où émerge la borne 15 du conducteur correspondant 10. Les deux manchons 13 et 14 sont boulonnés l'un à l'autre par des boulons 20 qui réunissent des rebords radiaux 21, 22 solidaires des blindages métalliques 17, la fiche 19 étant insérée dans la douille 18, et les deux bornes 15 et 16 qui sont ainsi amenées l'une près de l'autre dans un creux 23 à la base de la douille 18, sont réunies électriquement l'une à l'autre par un connecteur à ressort convenable 24.
Une bague de scellement hermétique aux liquides 25 est logée entre les rebords 21 et 22.
Les parties étant assemblées de cette manière, il reste,,. entre la-face extérieure de la fiche isolante 19 et la face intérieure de la douille isolante 18, un vide étroit 26 de forme tronconique et de section annulaire dont les surfaces de délimi- tation sont parallèles entre elles de façon que ce vide soit d'é- paisseur uniforme. Le vide 26 est- rempli d'un liquide conducteur 27 à haute résistance qui remplit aussi le creux 23 au fond de la douille 18 et est en contact électrique, avec les deux conducteurs à haute tension 10 et 11 interconnectés à une extrémité du vide 26,
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et avec les blindages métalliques mis à la terre 17 à l'autre extrémité.
Le liquide 27 utilisé est choisi de façon à avoir une rigidité diélectrique élevée convenable, afin de résister à la contrainte électrostatique appliquée, et une résistance spécifique suffisante, par exemple 10 mégohms-centimètres, pour laisser passer un 'courant de fuite limité ne produisant qu'un échauffement pouvant être facilement dissipé. En pratique, le courant de fuite watté ne dépassera pas un milliampère environ.
Il est à remarquer que, comme l'épaisseur de la résistan- ce liquide 27,remplissant le vide 26 est faible, la chute de tension dans la couche 27 est faible, tandis que la chute de tension le long de la surface de la couche 27 est égale à la différence de,potentiel totale entre les conducteurs 10, 11 et la terre.
Si on veut réduire au minimum'la déformation du champ électrostatique radial, la, tension doit, en tout point de la résistance liquide 27, être /égale au potentiel électrostatique en ce point dû au champ radial; cependant avec des conducteurs concentriques, le gradient de potentiel radial n'est pas uniforme, mais il décroit des conducteurs centraux 10, 11 vers l'extérieur. avec la distance radiale.
Le gradient de potentiel le long de la résistance liquide 27 répond partiellement à la condition précitée à cause de la forme conique du vide 26, puisque la superficie de,. la section transversale de la couche liquide 27 diminue progressi- vement vers l'extrémité intérieure plus petite de la couche, et sa résistance par unité de longueur varie en proportion inverse de sa section transversale, de sorte qu'on obtient automatiquement une compensation partielle....
On peut cependant adapter avec .précision la répartition de la tension le.long de la surface de la couche liquide au gradient de potentiel électrostatique radial, en faisant varier convenablement l'épaisseur radiale de la couche 27 le long de celle-ci, ou en courbant convenablement les parois de délimitation
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du vide 26 dans le sens longitudinal, de façon à donner à la couche liquide 27 une courbe de forme exponentielle, ou par une combinaison des deux procédés.
La répartition de la tension le long des parois du vide'
2 6 est obtenue donc par la couche liquide 27, et l'épaisseur radiale du diélectrique solide séparant les conducteurs intérieurs
10,11 du manteau métallique 17 mis à la terre est déterminée uniquement par la contrainte diélectrique radiale maximum admissi- ble.
Un joint étanche est prévu par la bague de scellement 25 entre les rebords boulonnés 21, 22 du blindage métallique mis à la' terre et, si 'on le désire, un réservoir à liquide 28 peut être ajouté pour compenser toute perte de liquide et permettre sans danger la dilatation.
La forme d';exécution de la figure 1 est relative à une connexion semi-pennanente par fiche et douille. Dans le cas d'une connexion amovible par fiche et douille permettant d'isoler sous tension, par exemple une liaison entre,un interrupteur blindé amovible et une douille contenant une borne fixe, il n'est pas indiqué de remplir le vide entre la fiche d'interrupteur et la douille avec le liquide résistant, celui-ci empêchant la séparation des deux pièces. La figure 2 représente une forme d'exécution de ce genre, où la douille tronconique 30 est recouverte intérieu- renient d'une garniture isolante 31 en matière diélectrique solide et reçoit une fiche-borne d'interrupteur associée 32 venant en contact avec la borne fixe 33 de la douille.
La garniture 31 délimi- te, entre sa surface extérieure et la surface intérieure de la douille 30, un étroit espace annulaire 34 de forme tronconique qui est rempli de liquide résistant 34 mis en contact avec la borne 33 à une extrémité de la couche par l'intermédiaire d'une rondelle métallique 36 introduite à la base de la douille 30, et en contact, à l'autre extrémité de la couche liauide 35, avec le blindage métallique extérieur mis à la terre 37 entourant l'isolant 38 de
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la douille.
La couche de liquide 35 est donc confinée dans un vide pratiqué à l'intérieur de l'isolant 38 de la douille qui entoure le creux dans lequel la fiche 32 s'engage, et elle assure la répartition de tension, empêchant ainsi' les arcs de se produire sur la surface intérieure.de la'douille exposée à l'air. Un réservoir à liquide 39 est relié au vide annulaire 34 de façon à permettre les dilatations sans danger.
Dans une autre forme d'exécution représentée à la figure 3, l'invention est appliquée à un isolateur de passage consistant en un conducteur allongé 41 entouré par un isolateur solide oblong 40 à double tronc de cône. Chaque demi isolateur ou tronc de cône est entouré par un, manchon extérieur ou protecteur! en porcelaine ou autre matière isolante 42 pourvu de nervures extérieures 43 et prévu 'pour Utilisation dans l'atmosphère.
Les manchons 42 sont maintenus, à leurs, extrémités intérieures, par les rebords du support,central\ métallique mis à la terre, 44 de l'isolateur de passager et, aux extrémités extérieures, par des capots métalliques d'extrémité 45 fixés au conducteur central 41 qui' ressort.
peux étroits espaces allongés 46 de section,annulaire séparent ta face extérieure de l'isolateur solide 40 des parois intérieures de Branchons en porcelaine extérieure 42, et ces deux espaces sont remplis de liquide résistant 47 constituant des couches tronconiques creuses qui sont en contact électrique à leurs extré- mités respectives avec le support métallique mis a la terre 44 et les capots métalliques \d'extrémité 45. La différence de potentiel conducteur-ferré totale est appliquée longitudinalement à chacune des deux couches 47 de liquide résistant qui répartissent la tension et protègent les surfaces extérieures de l'isolateur de passage contre les arcs.
On obtiendra une bonne répartition de tension le long de chaque couche 47 de liquide résistant, si la résistance de la couche liquide est uniforme sur toute la longueur de l'isolateur de passage. Pour compenser la différence de diamètre entre le
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rebord 44 et les extrémités, l'épaisseur de chaque couche 47 de liquide résistant est plus grande à son extrémité extérieure qu'à son extrémité, inférieure voisine du rebord, ce qu'on obtient en faisant varier convenablement l'épaisseur radiale des espaces coniques 46,' comme la figure le montre.
Quoiqu'une résistance de valeur constante par unité de longueur des couches liquides 47 donne'généralement une bonne répartition dé la tension, il faut, dans certains cas, pouvoir compenser un renforcement de la capacité près des rebords 44 et les courants de fuite wattés à travers l'isolateur de passage, en diminuant la proportion résistive près des rebords, c'est-à-dire en augmentant, à ces endroits, a section transversale de chaque couche liquide 47. Une telle compensation est cependant d'ordinaire superflue.
Un réservoir à liquide résistant 48 est prévu à hauteur du support 44, et communique, de part et d'autre des rebords de celui-ci, avec les vides annulaires.
Dans une autre forme d'exécution représentée à la figure 4, l'invention réalise la répartition régulière de la tension par résistance dans un isolateur allongé du type suspendu 50 comprenant un noyau allongé 51 de matière isolante convenable pourvue d'oeillets métalliques de suspension 52 ou autres attaches noyées dans les deux extrémités du noyau. Dans le cas présent, les deux oeillets métalliques 52 constituent les deux électrodes qui sont séparées par l'isolant solide dunoyau 51; en service, un des oeillets porte un conducteur à haute tension et l'autre est fixé à un support convenable mis à la terre. Le noyau central 51 donne à l'isolateur la résistance mécanique nécessaire.
Le noyau isolant 51 est entouré par un manchon de porcelaine 53 pourvu de cloches de protection 54 et maintenu par une paire de capots métalliques d'extrémité à rebords 55 solidaires des oeillets métalliques 52. Un espace ou vide cylindrique 56 à mince section transversale annulaire est laissé entre le noyau
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central 51 et la face intérieure du manchon de porcelaine 53, et est rempli de liquide résistant 57 servant à répartir le' potentiel sur toute la.longueur de l'isolateur 50, entre les deux oeillets métalliques '52* Une valeur de résistance constante par unité de longueur-sur toute l'étendue de la couche liquide 57 procure normalement une répartition satisfaisante, mais si une répartition de tension irrégulière s'avère nécessaire,
ceci peut être obtenu en faisant varier l'épaisseur de l'espace annulaire 56 entre le noyau isolant et le'manchon. Un réservoir à liquide 58 est ici aussi relié à l'espace annulaire 56, pour permettre la dilatation.
Dans les quatre formes d'exécution représentées aux figures l'à 4, le liquide résistant est chaque fois contenu dans un espace tubulaire allongé à section transversale annulaire. Ceci convient dans ie cas d'une connexion semi-permanente par fiche et douille comme à la figure 1, puisque l'espace annulaire existe et qu'il suffit de le remplir avec du liquide résistant.
Dans les trois autres formés d'exécution, aucontraire, il faut prendra des mesures spéciales pour avoir un espace annulaire dans lequel le liquide se loge, et il peut être plus intéressant de prévoir des creux dautres formes entre les électrodes pour y mettre le liqui- de, surtout si l'isolant solide garnissant l'électrode est du type moulé, car-les difficultés de fabrication empêchent d'obtenir une section annulaire de-forme régulière et de petite dimension., Il est utile que la section transversale de l'espace occupé par le liquide soit aussi réduite que possible, de manière à réduire la résistivité du liquide utilisé pour répartir la tension.
La figure 5 représente,-: en coupe transversale, un isola- teur de passage 60 dont chaque moitié tronconique est percée d'une série de minces galeries longitudinales. Internes 61 allant du rebord du support central à l'extrémité extérieure de l'isola- teur de passage et réparties circonfé-rentiellement autour de l'isolateur près de sa surface extérieure. Ces galeries 61, il y en a huit dans le cas considéré, servent de réservoirs à des
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colonnes de liquide conducteur résistif 62 répartissant convenable+ ment la tension entre le conducteur central 63 et le support mis à la terre. Les galeries internes 61 peuvent être obtenues en mou- lant l'isolateur 60 autour d'une série de tiges pleines convenable- ment espacées qu'on retire ensuite de façon à laisser des galeries prêtes à recevoir le liquide.
On peut prévoir.un-groupe semblable de galeries circonfé- rentiellement réparties dans l'isolant de la douille de l'interrup- teur amovible décrit ci-dessus, au lieu de délimiter un espace annulaire pour le liquide en appliquant une garniture contre la paroi de la douille, comme représenté à la figure 2.
La 'figure 6 représente un isolateur suspendu constituant une variante de l'isolateur de la figure 4, dont le noyau isolant
70 peut être moulé avec une seule galerie concentrique. 71 reliant les deux extrémités et en communication' avec les. deux oeillets métalliques de suspension 72.,,cette galerie 71 contenant le liqui- de conducteur 73. Dans une autre variante représentée à la figure 7 le noyau isolant 80 de l'isolateur suspendu contient une galerie en hélice 81 obtenue en moulant le noyau autour d'un fil hélicoïdal qu'on retire ensuite de façon à avoir une galerie en hélice concen- trique à l'intérieur de l'isolateur 80, près de la périphérie de celui-ci.
Le liquide résistant remplit la galerie et est en contact avec les oeillets métalliques aux extrémités de l'isola- teur. Cette dernière solution est particulièrement intéressante parce qu'on dispose d'une très longue galerie de section relative- ment faible par rapport à la longueur-axiale de l'isolateur.
Dans les formes d'exécution des figures 5, 6 et,7, il ne faut pas de manchon de porcelaine extérieur et l'isolateur moulé peut être pourvu de nervures extérieures ou de cloches de'protec- tion faisant corps ou rapportées.