FR2986380A1 - Dispositif de protection de ligne electrique - Google Patents

Abstract

Dispositif de protection de ligne électrique (14) de basse et /ou moyenne tension, apte à détourner des surtensions transitoires vers la terre (15), ledit dispositif comportant un circuit entre la terre et la ligne électrique, le circuit comportant au moins deux varistances (11) et un déconnecteur thermiques (13) connectés en série, un pont thermique (12) reliant le déconnecteur thermique aux varistances pour provoquer l'ouverture du déconnecteur en réponse à un échauffement des varistances.

Description

L'invention se rapporte au domaine de la protection des lignes de transport d'énergie. Plus particulièrement, l'invention concerne les dispositifs de protection ayant pour effet de détourner des surtensions transitoires d'une ligne électrique, en particulier une ligne à basse tension, par exemple inférieure à 500V ou une ligne à moyenne tension, par exemple inférieure à 20kV. Il est connu qu'une varistance peut être utilisée pour protéger une ligne électrique. Une varistance a une résistance d'isolement très élevée lorsqu'elle est soumise à une moyenne ou basse tension. Cette résistance disparaît brutalement, en quelques millisecondes, lorsqu'elle est soumise à une surtension transitoire très élevée, ayant par exemple pour origine la foudre. Il est également connu que, même lorsqu'elle est en bon état et présente donc une résistance d'isolement maximale, une varistance est traversée par un courant très faible, de l'ordre du milliampère, appelé « courant de fuite ». Plus la tension appliquée est élevée, plus le courant de fuite est élevé. Cela se traduit par un échauffement de la varistance qui entraîne une diminution de la résistance de la varistance. La diminution de la résistance de la varistance facilite l'écoulement du courant de fuite à travers ladite varistance. Ainsi la varistance s'échauffe progressivement et peut entrer dans une zone d'instabilité où il peut se produire un phénomène d'emballement thermique. Lors de l'emballement thermique, la température de la varistance progresse très rapidement ce qui peut entrainer la mise en court-circuit et donc la destruction de celle-ci, pouvant ainsi provoquer un incendie. Pour vérifier la robustesse d'un dispositif de protection contre les surtensions, on soumet celui-ci à un « test d'emballement thermique » au cours duquel on le soumet à une surtension élevée. Selon un mode de réalisation, l'invention fournit un dispositif de protection de ligne électrique de basse et /ou moyenne tension, apte à détourner des surtensions transitoires vers la terre, ledit dispositif comportant : un circuit entre la terre et la ligne électrique, le circuit comportant au moins deux varistances et un déconnecteur thermiques connectés en série, et un pont thermique reliant le déconnecteur thermique aux varistances pour provoquer l'ouverture du déconnecteur en réponse à un échauffement des varistances.

Selon un mode de réalisation, les caractéristiques électriques des varistances sont sensiblement identiques. Selon un mode de réalisation, les varistances sont sélectionnées parmi le groupe comprenant les varistances de forme circulaire, les varistances de forme rectangulaire et les varistances de forme carrée.

Selon un mode de réalisation, les varistances sont sélectionnées parmi le groupe comprenant les varistances 34x34mm, les varistances 34x44mm et les varistances 34x52mmm. L'épaisseur de la varistance dépend de la tension de fonctionnement nominale maximale. Cette tension nominale de fonctionnement peut varier de quelques dizaines de volts à plusieurs centaine de volts.

Selon un mode de réalisation, le circuit comporte trois varistances. Selon un mode de réalisation, les varistances sont de type ZnO. Selon un mode de réalisation, les varistances comportent chacune deux bornes et le déconnecteur thermique comporte une partie mobile, la partie mobile étant liée de manière détachable à une des deux bornes d'une varistance et la partie mobile étant agencée de sorte qu'en réponse à l'échauffement de la varistance, la partie mobile se détache de la borne de la varistance et ouvre le circuit. Selon un mode de réalisation, les varistances et le déconnecteur thermique sont agencés dans un boitier, un ressort est comprimé entre le boitier et la partie mobile et la partie mobile comporte un coulisseau apte à se translater sous l'effet du ressort en réponse à un échauffement des varistances. Selon un mode de réalisation les varistances sont agencées directement en série les unes avec les autres. Selon un mode de réalisation le déconnecteur thermique est agencé entre deux varistances du circuit.

Selon un mode de réalisation, la ligne électrique présente une tension nominale prédéterminée, chaque varistance comporte deux bornes et chaque varistance est apte à être sensiblement conductrice lorsque la tension à ses bornes est supérieure à une tension maximale de fonctionnement nominal, la somme des tensions maximales de fonctionnement nominal des au moins deux varistances connectées en série étant supérieure d'au moins 10% à la tension nominale de la ligne électrique. Selon un mode de réalisation, le dispositif de protection comporte deux varistances et la tension maximale de fonctionnement nominal de chaque varistance est égale à Ux1210%, où U représente la tension nominale prédéterminée de la ligne. Selon un mode de réalisation, le dispositif de protection comporte trois varistances connectées en série et la tension maximale de fonctionnement nominal de chaque varistance est égale à prédéterminée de la ligne. uxiio% 3 ou U représente la tension nominale Une idée à la base de l'invention est de retarder le phénomène d'emballement thermique d'une varistance dans un dispositif de protection de ligne électrique afin de laisser suffisamment de temps à un déconnecteur thermique pour agir en ouvrant le circuit avant la mise en court-circuit de la varistance par le phénomène d'emballement thermique.

La mise en court-circuit de la varistance par le phénomène d'emballement est très rapide, alors que le temps de réponse d'un déconnecteur thermique est de plusieurs secondes. Ainsi, certains aspects de l'invention partent du constat que l'agencement de deux ou trois varistances en séries permet de retarder la mise en court-circuit du dispositif par rapport à l'agencement d'une varistance unique dont les caractéristiques électriques sont équivalentes. Le retardement de la mise en court-circuit permet au pont thermique de diffuser suffisamment de chaleur depuis la varistance vers le déconnecteur thermique pour permettre l'ouverture du circuit avant la mise en court circuit du dispositif.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.

Sur ces dessins : La figure 1 représente un dispositif de protection selon un mode de réalisation, comportant un déconnecteur thermique en position fermée. La figure 2 représente le dispositif de la figure 1, le déconnecteur thermique étant en position ouverte. La figure 3 est un schéma électrique d'un dispositif de protection selon un mode de réalisation. La figure 4 représente un graphique de la tension et courant mesurés durant un test réalisé sur un mode de réalisation de l'invention.

La figure 5 représente un graphique de la tension et courant mesurés durant un test réalisé sur un dispositif de protection comportant une unique varistance. La figure 6 est un schéma électrique d'une variante du dispositif de protection.

Une varistance est un composant électrique constitué d'un frittage d'un mélange d'oxydes métalliques. Parmi ces oxydes métalliques, certains sont conducteurs, comme l'oxyde de zinc (ZnO), d'autres moins conducteurs et forment une couche inter granulaire entre les grains conducteurs. Cette structure est à la source d'un champ électrique, qui provoque une polarisation des grains conducteurs et qui s'oppose au passage du courant. En fonctionnement normal, une tension électrique basse, par exemple inférieure à 400V, n'est pas suffisante pour abaisser la barrière de potentiel et permettre au courant de passer d'un grain conducteur à l'autre. La résistance de la varistance est dans ce cas très élevée et seul un courant résiduel d'intensité inférieure à 1 milliampère traverse la varistance. Ce courant résiduel est appelé courant de fuite. En présence d'une surtension, qui peut être la conséquence d'un coup de foudre par exemple, cette barrière de potentiel est franchie. La résistance de la varistance devient subitement très faible grâce à la bonne conductivité de l'oxyde de zinc ce qui permet au courant électrique de traverser la couche inter granulaire. En condition normale, c'est-à-dire par exemple quelque centaines de volts, la résistance de la varistance est considérable. En présence d'une surtension, la résistance de la varistance diminue. La valeur de résistance diminue en fonction de l'élévation de la surtension de façon non linéaire. En présence d'une surtension élevée, c'est-à-dire plusieurs millions de volts, elle devient quasiment nulle. C'est cette propriété des varistances qui est utilisée dans les dispositifs de protection des lignes de transport d'énergie. Cependant ces propriétés des varistances se dégradent d'une part à la suite de coups de foudre répétés, soit par vieillissement progressif. Alors qu'à travers d'une varistance en bon état le courant de fuite présente une intensité inférieure à 1 milliampère, lorsque la varistance est dégradée, le courant de fuite dépasse quelques milliampères. La température de la varistance augmente et peut atteindre 120°C et plus. Il peut se produire alors un emballement thermique. Cet emballement thermique peut entrainer la mise en court-circuit et la destruction de la varistance. L'installation est donc exposée à un risque d'incendie. Un dispositif de protection de ligne électrique permettant de réduire ce risque va maintenant être présenté en référence à la figure 1.

Ce dispositif comporte une première varistance 1 et une seconde varistance (non représentée) superposées. Un déconnecteur thermique composé d'une partie fixe 2 et d'une partie mobile est disposé en contact avec la première varistance 1. La partie fixe 2 est brasée sur la partie mobile. La partie mobile est un coulisseau 3 relié la borne 4 du dispositif. Ainsi le courant peut traverser la borne 4, le coulisseau 3 et entrer dans la première varistance 1. La deuxième varistance est connectée à la première varistance et à la borne 5. Le déconnecteur thermique, la première varistance et la seconde varistance 1 sont montés en série entre les deux bornes 4 et 5 dans un boitier 10. Le coulisseau comprend un axe 7 pouvant se translater dans un perçage du boitier 10 et permettant au coulisseau d'uniquement se translater selon la direction de ce perçage lorsque le coulisseau n'est pas maintenu contre la partie fixe par l'intermédiaire de la brasure. Un ressort 6 hélicoïdal circonscrit à l'axe 7 est comprimé entre le boitier 10 et le coulisseau 3. Lorsqu'un courant traverse les varistances, celles-ci s'échauffent. La chaleur dégagée est diffusée en partie dans la partie fixe 2 et le coulisseau 3. Sous l'effet d'un échauffement important de la varistance, la brasure cède et le coulisseau se translate. La figure 2 représente le coulisseau 3 lorsqu'il est séparé de la partie fixe 2. Le coulisseau s'est translaté dans la direction de l'axe 7 vers une ouverture 8. Le coulisseau 3 et la partie fixe n'étant plus en contact, le circuit est donc ouvert et le courant ne peut plus traverser le dispositif de protection entre la borne 4 et la borne 5. L'ouverture 8 permet de déterminer, depuis l'extérieur, l'état, ouvert ou fermé, du déconnecteur thermique en fonction de la position d'un indicateur visuel 9 porté par le coulisseau 3.

La figure 3 représente un schéma électrique équivalent du dispositif décrit ci-dessus. Le circuit comporte deux varistances 11 et un déconnecteur thermique 13 montés en série. Le déconnecteur thermique 13 est connecté à la ligne électrique 14 devant être protégée et à une première varistance 11. La ligne électrique peut être tout conducteur servant à amener de l'énergie électrique sous une tension basse ou moyenne à un équipement électrique. La seconde varistance 11 est connectée à la première varistance et à la terre. Un pont thermique 12 permet de diffuser la chaleur émise par la seconde varistance 11 vers le déconnecteur thermique 13.

Dans une variante, le pont thermique 12 est relié à la première varistance pour diffuser la chaleur émise par la première varistance 11 vers le déconnecteur thermique. Lorsqu'on dispose en série deux varistances tel que cela est représenté sur la figure 3, on a constaté de manière surprenante un allongement du temps avant la mise en court-circuit des varistances 11 par rapport à un dispositif équivalent comportant une varistance unique. Cela permet de laisser au déconnecteur thermique 13 le temps d'opérer en ouvrant le circuit. Ainsi un percement du dispositif de protection tel qu'il est décrit dans la figure 3 est évité car le circuit est ouvert avant que la température de la varistance devienne assez importante pour détruire le dispositif de protection par inflammation. Ainsi il n'est pas nécessaire de changer l'ensemble du dispositif de protection. De même, les risques d'incendie dus à la forte hausse de température sont évités.

A titre illustratif, pour protéger une ligne électrique dont la tension nominale est de 230 Volt en courant alternatif, un dispositif comportant deux varistances en série identiques, dont la tension maximale de fonctionnement nominal à chaque fois est de 125 Volts en courant alternatif, peut être utilisé. Ainsi, la tension maximale de fonctionnement équivalente des deux varistances en série égale à 250 Volts en courant alternatif. Or, une telle tension maximale de fonctionnement de 250 Volts en courant alternatif convient pour protéger cette ligne électrique à 230V (marge de sécurité d'environ 10%). Dans une variante présentée dans la figure 6, le dispositif de protection comporte deux sous-ensembles comportant chacun deux varistances 11. Dans chaque sous ensemble, les deux varistances 11 sont montées en série. Les deux sous ensembles sont montés en parallèle entre le déconnecteur thermique 13 et la terre 15. Un pont thermique 12 permet de diffuser la chaleur émise par chacune des premières varistances 11 vers le déconnecteur thermique 13. Bien que cette dernière variante ait été décrite avec deux sous ensembles de deux varistances 11 montées en série, dans des variantes, un nombre plus important de sous-ensembles en parallèle peut être utilisé dans le dispositif. Par ailleurs, les sous-ensembles peuvent comporter 3 varistances en série. L'effet de retardement décrit ci-dessus va maintenant être illustré au travers des résultats de deux tests. Le premier test est effectué avec un dispositif selon la figure 1 et le second test est effectué avec un dispositif de protection équivalent ne comportant qu'une seule varistance. Ainsi, la somme des tensions sous une intensité de 1mA des deux varistances montées en série du dispositif selon la figure 1 est sensiblement égale à la tension sous une intensité de 1mA de la varistance du dispositif ne comportant qu'une seule varistance. En référence à la figure 4 on voit des courbes d'intensité et de tension correspondant au premier test. Dans ce test, le dispositif de protection est soumis à une tension continue de 800 Volts à l'aide d'un générateur, tel que cela est visible sur la courbe 16 de la figure 4.

Les deux varistances ont des caractéristiques électriques sensiblement identiques. Ces caractéristiques électriques ont été choisies pour que la tension d'utilisation équivalente maximale du montage soit proche de 600Volts en courant continu sous une intensité de 1mA. Les deux varistance utilisées sont des varistance dont les dimensions sont 20 de 34x34mm en largeur et en longueur, dont la tension maximale de fonctionnement nominal est de 210Volts en courant alternatif et 270Volts en courant continu, la tension en courant continu sous une intensité de 1mA étant entre 290 et 300Volts, le courant de décharge maximum étant de 40kA (8/20ps). De cette manière, la tension en courant continu équivalente sous 1 mA est 25 entre 580 et 600 Volts La courbe 16 correspond à l'évolution en fonction du temps de la tension aux bornes 4 et 5 du dispositif de protection. Les courbes 17 et 18 correspondent à l'évolution en fonction du temps de l'intensité traversant le dispositif de protection selon deux échelles d'intensités 30 différentes.

L'échelle de temps sur l'axe des abscisses est de 5 secondes par division. L'échelle sur l'axe des ordonnées correspond à 200 volts par division pour la courbe 16, 2 ampères par division pour la courbe 17 et 100 ampères par division pour la courbe 18.

La première division en abscisses correspond à l'état initial où aucun courant ne traverse le dispositif et aucune tension n'est imposée aux bornes du dispositif de protection. Lors d'une mise sous tension 19, une tension continue d'environ 800 volts est imposée aux bornes du dispositif de protection. Cette mise sous tension 19 induit un courant qui traverse la varistance. Ce courant mesuré est de 3 ampères lors de la mise sous tension 19 et diminue progressivement jusqu'à atteindre un palier à 0.4 ampère avant d'être brusquement interrompu environ 7 secondes après la mise sous tension 19. Cette interruption 20 correspond à l'ouverture du circuit par le déconnecteur thermique 13. En effet lors de la mise sous tension 19, la varistance est soumise à une tension supérieure à sa tension maximale de fonctionnement. Le courant traversant la varistance induit un échauffement progressif des varistances 11 et donc l'échauffement du déconnecteur thermique 13 par l'intermédiaire du pont thermique 12 entre la varistance et le déconnecteur thermique. Lorsque l'échauffement induit sur le déconnecteur thermique 13 devient trop important celui-ci ouvre le circuit formé par les varistances 11 et le déconnecteur thermique 13. L'intensité du courant devient donc nulle. Le même test, effectué sur un dispositif ne comportant qu'une unique varistance, va maintenant être décrit en référence à la figure 5 et comparé au test décrit ci-dessus. La varistance de ce test est choisie pour que sa tension d'utilisation nominale en courant continu soit comprise entre 590 et 600Volt sous une intensité de 1mA. Celle-ci est par ailleurs agencée dans le même type de boitier que dans le test ci-dessus.

La varistance utilisée est une varistance dont les dimensions sont de 34x34mm en largeur et en longueur, dont la tension maximale de fonctionnement nominal est de 385Volts en courant alternatif et 505Volts en courant continu, la tension en courant continu sous une intensité de imA étant entre 590 et 600Volts, le courant de décharge maximum étant de 40kA (8/20ps). Ainsi, la tension en courant continu sous une intensité de 1mA de la varistance du second test est sensiblement égale à la tension équivalente en courant continu sous une intensité de 1mA des deux varistances du premier test, c'est-à-dire à la somme des tensions aux bornes de ces deux varistances.

Lors de ce test, celle-ci est soumise à une tension continue proche de 800V. La courbe 21 correspond à l'évolution dans le temps de la tension aux bornes 4 et 5 du dispositif de protection. Les courbes 22 et 23 correspondent à l'évolution dans le temps de l'intensité traversant le dispositif de protection selon deux échelles d'intensités différentes. L'échelle de temps sur l'axe des abscisses est de 100 millisecondes par division. L'échelle sur l'axe des ordonnées correspond à 200 volts par division pour la courbe 21, 5 ampères par division pour la courbe 22, 100 ampères par division pour la courbe 23.

Dans une phase initiale, aucun courant ne traverse la varistance et aucune tension n'est imposée aux bornes du dispositif. Une tension d'environ 750 volts est ensuite imposée aux bornes du dispositif lors de la mise sous tension 24. Cette mise sous tension 24 induit un courant dans la varistance dont l'intensité est d'environ 27 ampères. Cette intensité diminue progressivement jusque 8 ampères, 170 millisecondes après mise sous tension. A partir de 170 millisecondes après la mise sous tension, l'intensité du courant augmente subitement jusqu'à plus de 250 ampères. Cette hausse subite correspond à la mise en court-circuit 25 de la va rista n ce. En effet, de même que dans le test ci-dessus, la varistance est soumise à une tension plus importante que sa tension d'utilisation nominale en courant continu. Le courant la traversant provoque l'échauffement de celle-ci et donc du déconnecteur thermique. Cependant cet échauffement est très rapide et donc la chaleur n'est pas transmise suffisamment rapidement au déconnecteur thermique pour provoquer l'ouverture de celui-ci avant la destruction de la varistance.

Ainsi, le dispositif qui ne comporte qu'une seule varistance est détruit seulement 170 millisecondes après la mise sous tension avant que l'ouverture du circuit n'ait pu être effectuée. A contrario, le dispositif comportant deux varistances n'est toujours pas mis en court-circuit 7 secondes après la mise sous tension. Durant cette période, la chaleur a pu être diffusée au déconnecteur thermique et donc celui-ci a pu s'ouvrir avant la destruction du dispositif de protection. On a constaté qu'un effet d'allongement similaire pouvait être constaté avec plusieurs varistances en série, jusqu'à 3 varistances Il est supposé que cet effet est imputable à une variabilité physique des varistances entrainant un certain degré de décorrelation statistiques entre leurs réponses respectives à la mise sous tension. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. L'usage du verbe « comporter », « comprendre » ou « inclure » et de ses formes conjuguées n'exclut pas la présence d'autres éléments ou d'autres étapes que ceux énoncés dans une revendication. L'usage de l'article indéfini « un » ou « une » pour un élément ou une étape n'exclut pas, sauf mention contraire, la présence d'une pluralité de tels éléments ou étapes. Dans les revendications, tout signe de référence entre parenthèses ne saurait être interprété comme une limitation de la revendication.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de protection de ligne électrique (14) de basse et /ou moyenne tension, apte à détourner des surtensions transitoires vers la terre (15), ledit dispositif comportant un circuit entre la terre et la ligne électrique, le circuit comportant au moins deux varistances (11) et un déconnecteur thermique (13) connectés en série, un pont thermique (12) reliant le déconnecteur thermique aux varistances pour provoquer l'ouverture du déconnecteur en réponse à un échauffement des varistances.
2. 2. Dispositif de protection de ligne électrique selon la revendication 1, dans lequel les caractéristiques électriques des varistances (11) sont identiques.
3. 3. Dispositif de protection de ligne électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les varistances (11) comportent chacune deux bornes et dans lequel le déconnecteur thermique (13) comporte une partie mobile, la partie mobile (3) étant liée de manière détachable à une des deux bornes d'une varistance et la partie mobile étant agencée de sorte qu'en réponse à l'échauffement de la varistance, la partie mobile se détache de la borne de la varistance et ouvre le circuit.
4. 4. Dispositif de protection de ligne électrique selon la revendication 3, dans lequel les varistances et le déconnecteur thermique sont agencés dans un boitier (10) et un ressort (6) est comprimé entre le boitier et la partie mobile (3), et dans lequel la partie mobile comporte un coulisseau apte à se translater sous l'effet du ressort en réponse à un échauffement des varistances (11).
5. 5. Dispositif de protection de ligne électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les varistances (11) sont agencées directement en série les unes avec les autres.
6. 6. Dispositif de protection de ligne électrique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le déconnecteur thermique (13) est agencé entre deux varistances (11) du circuit.
7. 7. Dispositif de protection selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la ligne électrique (14) présente une tension nominale prédéterminée et dans lequel chaque varistance (11) comporte deux bornes et chaque varistance est apte à être sensiblement conductrice lorsque la tension à ses bornes est supérieure à une tension maximale de fonctionnement nominal, la somme des tensions maximales de fonctionnement nominal des au moins deux varistances connectées en série étant supérieure d'au moins 10% à la tension nominale de la ligne électrique (14).
8. 8. Dispositif de protection selon la revendication 7, dans lequel le dispositif de protection comporte deux varistances (11) et dans lequel la tension maximale de Ux110%, où U fonctionnement nominal de chaque varistance est égale à 2 représente la tension nominale prédéterminée de la ligne.
9. 9. Dispositif de protection selon la revendication 7, dans lequel le dispositif de protection comporte trois varistances (11) connectées en série et dans lequel la tension maximale de fonctionnement nominal de chaque varistance est égale à Ux110% 3 où U représente la tension nominale prédéterminée de la ligne.
10. 10. Dispositif de protection de ligne électrique selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le circuit comporte trois varistances (11).