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MEMOIRE DESCRIPTIF à l'appui d'une demande de
BREVET D'INVENTION pour "Transformateur de tension capacitif" par la Société : BBC Société Anonyme Brown, Boveri & Cie, à CH-BADEN (Suisse).
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Transformateur de tension capacitif.
La présente invention concerne des transformateurs de tension capacitifs tels que ceux utilisés dans des installations haute tension blindées et isolées par un gaz sous pression, principalement pour des tensions de plus de 100 kV, en vue de mesurer la tension de conducteurs de courant alternatif. En l'occurrence, une électrode de mesure est installée dans un compartiment de gaz entre une électrode haute tension conduisant la tension à mesurer et une électrode basse tension raccordée à la terre.
La capacité haute tension située entre l'électrode haute tension et l'électrode de mesure, de même que la capacité basse tension située entre l'électrode de mesure et la terre forment un diviseur de tension capacitif qui reproduit la haute tension à mesurer de la même manière qu'une tension de sortie se situant dans un domaine de tension plus bas et appropriée pour alimenter un système électronique de mesure ou des instruments de mesure. En l'occurrence, le rapport de transformation, c'est-à-dire le quotient entre la tension de sortie et la haute tension, correspond à peu près au quotient entre la capacité haute tension et la capacité basse tension.
Des transformateurs de tension capacitifs selon la notion générique de la revendication 1 sont connus, par exemple, d'après"Technical Information Series n 77 CRD 111, mai 1977 : New Techniques for Current and Voltage Measurement on Power Transmission Lines", page 5 et suivantes de la "Genera 1 Electric Company" et "Smit-Mededelingen NO 4, 1969 : The ESPOM, a capacitor-coupled electronic voltage transformer" des"Smit Nijmegen Electrotechnische fabrieken N. V.".
Dans les transformateurs de tension capacitifs décrits dans ces références, l'électrode de mesure
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et l'électrode basse tension ne sont séparées que par un espace rempli de gaz isolant qui, comparativement aux dimensions des électrodes, doit être très étroit, cependant que la capacité basse tension doit être suffisamment importante pour obtenir un rapport de transformation suffisamment petit d'autant plus que cette capacité est formée exclusivement par la capacité située entre l'électrode de mesure et l'électrode basse tension.
Dans de tels transformateurs de tension, la capacité basse tension dépend de manière très sensible de la géométrie de l'électrode de mesure, ainsi que de l'électrode basse tension et de leur position mutuelle.
De légères modifications dans la forme ou les dimensions d'une de ces électrodes, notamment suite à des fluctuations de température, ou un léger décalage relatif de ces électrodes se traduisent par des modifications relativement importantes du rapport de transformation. Si le transformateur de tension doit répondre à des conditions rigoureuses concernant la précision, les conditions imposées concernant le coefficient de dilatation thermique des matières, la stabilité mécanique de la structure et la précision lors de la fabrication et du montage sont tout aussi rigoureuses et le transformateur de tension devient proportionnellement coûteux.
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Telle qu'elle est caractérisée dans les revendications, l'invention a pour but de fournir un transformateur de tension capacitif qui a une haute précision de mesure dans unelarge gamme de conditions marginales et dans lequel les conditions imposées à la qualité de la matière, à la stabilité mécanique et à la précision lors de la fabrication et du montage restent dans des limites tolérables.
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Les avantages offerts par l'invention résident principalement dans le fait que les capacités dépendant de manière sensible de paramètres géométriques qui ne sont que difficilement contrôlables, n'exer- cent qu'une influence relativement faible sur le rapport de transformation du diviseur de tension. En conséquence, les tolérances permises sont beaucoup plus grandes, de sorte que la réalisation du transformateur de tension est beaucoup plus économique.
L'invention sera décrite ci-après en se référant à un schéma et aux dessins annexés n'illustrant qu'un mode de réalisation et dans lesquels : la figure 1 est une coupe longitudinale d'un transformateur de tension capacitif suivant l'invention ; et la figure 2 est un schéma de remplacement dans lequel sont illustrées les capacités intervenant dans le transformateur de tension capacitif suivant l'invention, ainsi que d'autres impédances.
La figure 1 illustre un transformateur de tension capacitif renfermant, dans sa structure de base, une électrode haute tension qui est formée par une partie d'un conducteur intérieur 1 réalisé sous forme d'un tube conducteur rectiligne, une électrode basse tension 3 entourant coaxialement le conducteur intérieur 1 et faisant en même temps partie d'un logement 2, cette électrode entourant partiellement un compartiment de gaz 4, de même qu'une électrode dé mesure 5 sous forme d'une enveloppe cylindrique entourant également coaxialement le conducteur intérieur et installée dans le compartiment de gaz 4.
La tension prise à l'électrode de mesure 5 est acheminée à un dispositif de traitement de signaux 6 qui est réalisé, de préférence, sous forme d'un système électronique de mesure traitant le signal de mesure de ma-
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nière numérique ou analogique. Un tel système électronique de mesure est décrit, par exemple, dans la demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne DE-OS 28 16 647.
Suivant l'invention, entre l'électrode basse tension 3 et l'électrode de mesure 5, dans le compartiment de gaz 4, est installée une électrode de garde 7 tandis que, entre l'électrode de mesure 5 et la terre, est prévu un condensateur supplémentaire répondant aux conditions rigoureuses imposées concernant la stabilité. L'électrode de garde 7 comporte trois parties sous forme d'enveloppes cylindriques entourant coaxialement le conducteur intérieur 1, à savoir une première partie 8 qui entoure la face extérieure de l'électrode de mesure 5, ainsi qu'une deuxième et une troisième partie 9a, 9b ayant le même
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diamètre que l'électrode de mesure 5 et raccordée de part et d'autre à la première partie 8, chaque fois dans le prolongement et dans le sens axial de cette électrode de mesure.
Le raccordement entre la première partie 8 et la deuxième partie 9a ou la troisième partie 9b est réalisé par des éléments circulaires 10a et lOb. Le condensateur supplémentaire est réalisé sous forme d'un condensateur à plaques 11 et il est installé dans un récipient 12 qui communique avec le compartiment de gaz 4. L'électrode de garde 7 est raccordée avec conduction d'électricité à une électrode d'un condensateur de complément 13 dont l'autre électrode est raccordée à la terre. Le condensateur de complément 13 peut être réalisé, par exemple, sous forme d'un condensateur au mica. En outre, l'électrode de garde 7 est raccordée à la terre via un dispositif de compensation 14.
L'électrode de mesure 5 prend appui, au moyen d'éléments d'isolation 15a, 15b, sur l'électrode de garde 7,
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tandis que cette dernière prend appui, à l'intervention d'éléments d'isolation 16a, 16b, sur l'électrode basse tension 3.
La figure 2 illustre un montage de remplacement dans lequel sont représentées les capacités intervenant dans le transformateur de tension suivant l'invention, ainsi que d'autres impédances. Dans ce montage de remplacement, les points désignés par des chiffres représentent les éléments du transformateur de tension qui sont désignés par les mêmes chiffres en figure 1, tout en indiquant les potentiels appliqués à ces éléments.
De manière correspondante, C15 et C17 représentent les capacités existant entre le conducteur intérieur 1 et l'électrode de mesure 5 ou l'élec-
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trode de garde 7, C35 les capacités j o o/ situées entre l'électrode basse tension 3 et l'électrode de mesure 5 ou l'électrode de garde 7 et, de la même manière, C57 représente la capacité située entre l'électrode de mesure 5 et l'électrode de garde 7.
Cp et CE représentent les capacités du condensateur à plaques 11 ou du condensateur de complément 13, tandis que Zs représente l'impédance d'entrée du dispositif de traitement de signaux 6 et ZK représente l'impédance du dispositif de compensation 14.
Le transformateur de tension suivant l'invention renferme deux diviseurs de tension capacitifs parallèles, à savoir un premier diviseur de tension qui est formé par la capacité C15 située entre le conducteur intérieur 1 et l'électrode de mesure 5 comme capacité haute tension, et par la capacité de l'élec- trode de mesure 5 vis-à-vis de la terre, y compris la capacité Cp du condensateur à plaques 11 comme capa-
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cité basse tension ern cité deuxième diviseur de tension formé par la capacité C17 située entre le conducteur intérieur 1 et l'électrode de garde 7 comme
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capacité haute tension, et par la capacité de l'élec- trode de garde 7 vis-à-vis de la terre,
y compris la
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capacité du condensateur de complément 13 comme h < capacité basse tension. Les deux diviseurs de tension sont accouplés par la capacité C57 située entre l'électrode de mesure 5 et l'électrode de garde 7.
Dans le premier diviseur de tension, la tension de sortie est prise à l'électrode de mesure 5. Grâce à la protection offerte par l'électrode de garde 7 située entre ces deux électrodes, la capacité C35 entre l'électrode basse tension 3 et l'électrode de mesure 5 est très petite. La capacité basse tension, qui est déterminante pour le rapport de transformation du diviseur de tension, est formée presque exclusivement par la capacité Cp du condensateur à plaques 11.
Par suite du faible rôle que joue la capa-
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cité C--entre basse tension 3 et l'électrode de mesure 5, étant donné que la capacité haute tension C15 située entre le conducteur intérieur 1 et l'électrode de mesure 5 dépend, de manière moins sensible, des tolérances de montage, on obtient une stabilité beaucoup meilleure du rapport de transformation vis-à-vis des tolérances de la géométrie de l'électrode basse tension 3 et de l'électrode de mesure 5, ainsi que de leur position relative.
On obtient une haute stabilité du rapport de transformation vis-à-vis de la température, en particulier, lorsque l'intérieur du récipient 12 dans lequel se trouve le condensateur à plaques 11, est en communication avec le compartiment de gaz 4, car alors les fluctuations de la constante diélectrique du gaz isolant, suite aux variations de température ou également de densité, ne peuvent exercer aucun effet.
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Si un courant non négligeable vis-à-vis du courant passant par la capacité C. r entre le conducteur intérieur 1 et l'électrode de mesure 5 venait à
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passer par la capacité C--entre l'électrode de mesure 5 et l'électrode de garde 7, le couplage du premier diviseur de tension au deuxième par la capacité C relativement sensible aux tolérances géométriques et située entre l'électrode de mesure 5 et l'électrode de garde 7 (ce deuxième diviseur de tension ayant, avec la capacité C37 située entre l'électrode basse tension 3 et l'électrode de garde 7, une capacité également sensible vis-à-vis des tolérances géométriques) pourrait rendre le résultat de la mesure tributaire des capacités précitées C57 et C37 et, partant,
à nouveau de manière sensible, des paramètres géométriques. Toutefois, on évite une telle influence gênante si la capacité C37 située entre l'électrode basse tension 3 et l'électrode de garde 7 est complé-
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tée par la capacité CE du condensateur de complément b 13 et si celui-ci est calculé de telle sorte que le rapport de transformation du deuxième diviseur de tension soit à peu près égal au rapport de transformation du premier diviseur de tension. De la sorte, l'électrode de mesure 5 et l'électrode de garde 7 re- çoivent à peu près le même potentiel et le courant passant par la capacité C--située entre ces deux électrodes est faible et négligeable.
La capacité qui, dans le transformateur de tension de ce type, dépend de manière particulièrement critique de paramètres géométriques et qui est située entre l'électrode de mesure et l'électrode entourant extérieurement cette dernière et influençant fortement la tension de sortie dans les transformateurs de tension connus, n'influence guère la tension de sortie dans le transformateur de tension suivant l'invention, puisqu'aussi bien l'élec-
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trode entourant extérieurement l'électrode de mesure (dans ce cas l'électrode de garde) reçoit à peu près le même potentiel que l'électrode de mesure et qu'ainsi il ne passe guère de courant par la capacité critique.
Afin de préserver l'égalité approximative des potentiels appliqués à l'électrode de mesure 5 et à l'électrode de garde 7, même au cours de processus transitoires, l'électrode de garde 7 est raccordée à la terre via le dispositif de compensation 14 dont l'impédance ZK est calculée de telle sorte que les constantes de temps pour les décharges de l'électrode de mesure 5 et de l'électrode de garde 7 soient à peu près égales.
L'écart toléré entre les rapports de transformation du deuxième et du premier diviseur de tension dépend des conditions imposées à propos de la précision du transformateur de tension, de la force du couplage, c'est-à-dire des dimensions de la capacité C--entre l'électrode de mesure 5 et l'électrode de garde 7, ainsi que d'autres paramètres. En règle générale, dans le cas d'une conception géométrique optimale, des écarts de + 20% sont tolérables. En tout cas, les conditions imposées à la stabilité des capacités dans le deuxième diviseur de tension sont beaucoup moins rigoureuses que dans le premier diviseur de tension.
En conséquence, ainsi qu'on l'a déjà mentionné, le condensateur de complément 13 peut également être réalisé, par exemple, sous forme d'un condensateur au mica et il peut être installé à l'extérieur du logement.
En théorie, il serait également possible d'omettre le condensateur de complément 13 et de raccorder l'électrode de garde 7 à la sortie d'un amplificateur d'une amplification de + 1, amplificateur à l'entrée duquel est appliquée la tension de sortie
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prise à l'électrode de mesure 5. Néanmoins, par suite des tensions relativement élevées appliquées à l'électrode de mesure et à l'électrode de garde, cette méthode serait assez coûteuse ; de plus, elle serait limitée dans la gamme de fréquences et, par conséquent, elle altérerait, par exemple, le traitement des phénomènes transitoires.
La géométrie spéciale du transformateur de
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tension décrit ici dans lequel les parties 9a, de l'électrode de garde 7 sont situées dans le prolongement axial de l'électrode de mesure 5, assure une répar- tition de champ homogène dans la zone de l'électrode de mesure 5 et elle réduit la sensibilité des capacités vis-à-vis des décalages axiaux des électrodes. Cet effet est encore renforcé du fait que des parties de la paroi intérieure de l'électrode basse tension 3 viennent se situer chaque fois dans le prolongement des parties précitées 9a, 9b de l'électrode de garde 7.
Dans des transformateurs de tension capacitifs du type décrit ici où un conducteur intérieur rectiligne formant l'électrode haute tension est entouré coaxialement par les autres électrodes, l'homogénéité de la répartition de champ est particulièrement remarquable. Il est toutefois évident que l'invention peut également être avantageusement adoptée dans des diviseurs de tension capacitifs d'une autre conception, par exemple, du type décrit dans le document mentionné ci-dessus en deuxième lieu.