[0001] L'invention concerne des appareils électriques moyenne et haute tension utilisant
un matériau électriquement isolant pour surmoulage sur appareils moyenne ou haute
tension. L'invention concerne plus particulièrement des disjoncteurs utilisant un
tel matériau.
[0002] Les appareils électriques moyenne et haute tension comportent des éléments conducteurs
entre lesquels peut régner une tension élevée. C'est le cas, dans un disjoncteur,
des éléments conducteurs reliés respectivement aux contacts du disjoncteur et placés
en partie à l'extérieur de la chambre de coupure, lorsque les contacts sont écartés
l'un de l'autre pour effectuer une coupure. Pour des raisons de sécurité, il est impératif
que les éléments conducteurs restent isolés l'un de l'autre et qu'un arc électrique
ne puisse s'établir entre eux dans l'air à l'extérieur de la chambre de coupure. Or
l'air atmosphérique n'est pas un très bon isolant : son pouvoir isolant est de l'ordre
de 3 kV/mm, et ce pouvoir isolant est très sensible à la composition de l'air et notamment
à la vapeur d'eau qu'il contient. D'autre part, les appareils électriques devant être
conçus pour être aussi compacts et légers que possible, la distance entre les éléments
conducteurs est strictement limitée, ce qui limite la possibilité d'utiliser l'air
comme isolant. Pour satisfaire simultanément ces deux objectifs, il existe deux techniques.
[0003] La première technique consiste, dans le cas d'un disjoncteur, à placer la chambre
de coupure à l'intérieur d'une enceinte étanche et sous pression remplie d'un gaz
à haut pouvoir isolant, le fluide généralement utilisé étant le gaz SF
6. Mais ce gaz présente un risque pour l'environnement, et il est souhaitable d'en
réduire l'usage.
[0004] La seconde technique consiste à augmenter la distance entre les éléments conducteurs
qui est effective du point de vue de l'isolation, appelée distance de contournement.
C'est la distance correspondant à un chemin qui relie les éléments conducteurs en
suivant le contour extérieur de l'appareil. On réalise une telle augmentation en disposant
autour de l'appareil un isolateur de géométrie appropriée, comportant généralement
une série de protubérances ou d'ailettes qui allongent le dit chemin. Il est courant
depuis longtemps de réaliser de tels isolateurs en verre ou céramique. Mais ces matériaux
sont fragiles et ne se prêtent pas à la fabrication d'éléments par surmoulage sur
un appareil. Il est courant d'utiliser des polymères tels que des résines époxy ou
élastomères, qui se prêtent bien à la technique du surmoulage, mais le domaine d'application
industrielle de ces polymères est limité à des tensions relativement peu élevées,
ne dépassant pas 36 kV. Cependant, à partir de 24 kV, la mise en oeuvre de ces polymères
demande un soin tout particulier, ce qui rend le procédé délicat et coûteux. En effet,
les polymères à l'état solide comportent des vides dans lesquels la permittivité électrique
ε est très inférieure à celle du polymère lui-même. Il en résulte que le champ électrique
dû à la tension entre les éléments conducteurs se répartit préférentiellement à la
limite de ces vides. Ceci provoque des décharges partielles à l'intérieur de ces vides
qui ont pour effet de détériorer le polymère et d'affecter son pouvoir isolant.
[0005] L'invention vise à procurer un moyen d'isolation électrique solide pour appareils
électriques moyenne ou haute tension, permettant une réalisation compacte et économique
des dits appareils et évitant l'emploi de gaz pour l'isolation.
[0006] L'invention concerne l'utilisation d'un matériau isolant convenant pour former un
surmoulage sur un appareil moyenne ou haute tension, caractérisé par le fait qu'il
comprend une charge minérale présentant une permittivité électrique ε croissante avec
le champ électrique appliqué, dans une proportion comprise entre 5 à 50% en volume,
et une matrice dans laquelle ladite matière est dispersée.
[0007] La propriété de ce matériau d'avoir une permittivité électrique qui augmente avec
le champ appliqué a pour effet d'assurer une répartition régulière du champ électrique
dans le matériau, la répartition de celui-ci étant fonction de la permittivité, et
d'éviter l'établissement de champs élevés dans certaines zones.
[0008] De façon préférée, la dite charge est choisie dans le groupe constitué par (i) l'oxyde
de zinc ZnO dopé, le dopant étant choisi parmi l'oxyde de bismuth Bi
2O
3, l'oxyde de cobalt Co
3O
4 ou CoO, l'oxyde d'antimoine Sb
2O
3, l'oxyde de manganèse MnO
2 ou Mn
3O
4 et les oxydes des métaux de transition, et (ii) un semi-conducteur à large bande
interdite.
[0009] La matrice est formée de façon appropriée d'une composition polymère choisie dans
la famille des élastomères, des thermodurcissables et des thermoplastiques.
[0010] La charge minérale est formée de façon appropriée d'une matière en particules ayant
une granulométrie comprise entre 100 nm et 500µm.
[0011] La proportion de charge minérale est comprise de façon appropriée entre 15 et 30%
en volume.
[0012] La charge minérale est constituée de préférence de poudre d'oxyde de zinc dopé ayant
une granulométrie de 50 à 200 µm et est présente en proportion d'environ 18% en volume.
[0013] Selon un aspect particulier, l'invention a pour objet un disjoncteur moyenne ou haute
tension, comportant une chambre de coupure, des contacts placés à l'intérieur de la
chambre de coupure, un mécanisme pour créer un déplacement relatif entre les contacts,
comprenant des éléments conducteurs connectés respectivement aux contacts et disposés
au moins en partie à l'extérieur de la chambre de coupure, caractérisé par le fait
qu'il comprend un surmoulage formé sur la chambre de coupure, constitué d'un matériau
isolant tel que défini ci-dessus.
[0014] Selon un aspect plus particulier, l'invention a pour objet un disjoncteur moyenne
tension, comportant une ampoule à vide, des contacts placés à l'intérieur de l'ampoule
à vide, un mécanisme pour déplacer l'un au moins des contacts, comprenant des éléments
conducteurs connectés respectivement aux contacts et disposés au moins en partie à
l'extérieur de l'ampoule à vide, caractérisé par le fait qu'il comprend un surmoulage
formé sur l'ampoule à vide, constitué d'un matériau isolant tel que défini ci-dessus.
[0015] L'invention sera bien comprise à la lecture de la description ci-après, faite en
référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est un graphique montrant la variation de la permittivité électrique en
fonction du champ pour un constituant possible du matériau isolant ;
- la figure 2A montre un modèle utilisé pour étudier par simulation la répartition du
champ électrique dans un matériau isolant, et la figure 2B représente le résultat
de la simulation;
- la figure 3 représente schématiquement un disjoncteur du type à ampoule à vide selon
un exemple de réalisation de l'invention.
[0016] Le matériau isolant pour moyenne et haute tension utilisé pour l'invention comprend
une charge minérale dispersée dans une matrice. La charge minérale possède la propriété
d'avoir une permittivité électrique ε qui augmente de manière substantielle en fonction
du champ électrique appliqué. Cette propriété est illustrée à la figure 1, qui présente
la variation de la permittivité relative ε en fonction du champ électrique en V/mm
(en échelle logarithmique), pour un exemple de matériau isolant selon l'invention.
Le matériau en question comporte 30% en volume d'une charge minérale formée d'oxyde
de zinc ZnO dopé, obtenu par broyage d'une céramique utilisée pour des varistances
du commerce. La charge présente une granulométrie de 250 µm. Elle est dispersée dans
une matrice formée de silicone de type LSR. Comme le montre la figure 1, la permittivité
relative ε de ce matériau reste à une valeur constante, d'environ 7, jusqu'à un champ
d'environ 270 V/mm. Pour des valeurs supérieures du champ, la permittivité relative
e augmente de façon rapide. Elle atteint 15 pour un champ de 300 V/mm, 32 pour un
champ de 340 V/mm et 37 pour un champ de 360 V/mm.
[0017] Cette propriété a pour avantage que le champ électrique appliqué au matériau se répartit
de façon régulière. Cela s'explique par le principe de Poisson, selon lequel le champ
se répartit en raison inverse de la permittivité ε : dans des milieux de permittivités
respectives ε1, ε2, la répartition des champs respectifs E1, E2 obéit à la relation
ε1.E1 = ε2.E2. Dans le cas d'un matériau ayant la propriété décrite ci-dessus, une
élévation éventuelle du champ dans une région du matériau aboutirait à une augmentation
rapide de la permittivité ε dans cette région, ce qui, en vertu du principe de Poisson,
aurait à son tour pour effet d'y abaisser le champ et ainsi de neutraliser une telle
élévation.
[0018] La figure 2A représente un modèle utilisé pour étudier par simulation l'effet sur
la répartition des lignes de champ d'un tel matériau isolant. Ce modèle comprend une
couche formée d'une électrode 1 et d'une pièce 2 en matériau isolant selon l'invention,
placée entre deux couches 3 et 4 de polymère isolant. L'électrode 1 a une section
en forme de triangle rectangle et a sa base 5 reliée à une source de tension 6. La
pièce 2 a une section trapézoïdale complémentaire. L'extrémité 6 de l'électrode 1
est située dans le plan médian des couches 3 et 4. La couche 3 de polymère est reliée
à la terre en un point 7 situé dans le dit plan médian.
[0019] La répartition du champ déterminée par simulation est illustrée à la figure 2B. On
note que les lignes de champ C se répartissent de façon très régulière dans la couche
3 de polymère.
[0020] Le matériau isolant dans les appareils selon l'invention est constitué comme indiqué
plus haut d'une charge minérale présentant une permittivité électrique ε croissante
avec le champ électrique appliqué, dans une proportion comprise entre 5 à 50% en volume,
et une matrice dans laquelle ladite matière est dispersée.
[0021] Selon un exemple de réalisation, la dite charge est constituée de particules d'oxyde
de zinc ZnO dopé, le dopant étant choisi parmi l'oxyde de bismuth Bi
2O
3, l'oxyde de cobalt Co
3O
4 ou CoO, l'oxyde d'antimoine Sb
2O
3, l'oxyde de manganèse MnO
2 ou Mn
3O
4 et les oxydes des métaux de transition. Un tel constituant est connu pour son utilisation
sous forme de céramique dans les varistances de parafoudres. Pour obtenir la charge
de ZnO dopé sous forme de particules, on peut partir d'une varistance du commerce
sous forme de céramique, ayant les caractéristiques de permittivité désirées, et broyer
cette céramique au moyen d'un broyeur approprié. La forme des particules de la charge
est de façon appropriée sphérique ou ellipsoïdale, mais il est aussi envisageable
d'utiliser des particules de forme allongée, telles que des morceaux de fibres, ou
des particules de forme aléatoire.
[0022] La granulométrie de la charge est de façon appropriée comprise entre 100 nm et 500
µm. La granulométrie est à choisir en particulier en fonction de la tension de service.
Une granulométrie adaptée aux moyennes tensions, de 10 à 50 kV, est comprise entre
50 µm et 200 µm. Pour des tensions plus élevées, une granulométrie plus fine est appropriée.
[0023] Un autre constituant envisageable pour la charge minérale est un semi-conducteur
à large bande interdite tel que le carbure de silicium SiC, en particules telles que
décrit ci-dessus en référence au ZnO dopé.
[0024] La matrice est formée de façon appropriée d'une composition polymère convenant pour
réaliser des surmoulages pour appareils électriques moyenne ou haute tension. Une
telle composition peut être choisie dans la famille des élastomères et des résines
thermodurcissables. A titre d'exemple d'élastomère, on peut citer l'EPDM (éthylène-propylène-diène).
Comme résine appropriée, on citera les silicones et les résines époxy. On peut aussi
utiliser des polymères thermoplastiques tels que le polyéthylène ou le polyméthacrylate
de méthyle. Le choix de la composition polymère sera fait par l'homme de métier en
fonction des éléments propres à chaque cas d'espèce, notamment : tension de service,
géométrie de l'appareil sur lequel le surmoulage est à former et forme extérieure
du surmoulage, conditions ambiantes (température, hygrométrie).
[0025] La proportion de charge minérale est comprise de façon appropriée entre 15 et 30%
en volume. Une proportion comprise entre 15 et 20% en volume, de préférence de l'ordre
de 18% en volume, apparaît comme convenable au regard des différentes exigences à
satisfaire. Au total, un matériau de surmoulage comprenant environ 18% en volume d'une
poudre de ZnO dopé, d'une granulométrie de 50 à 200 µm, dispersée dans une résine
thermodurcissable ou un élastomère, est un exemple de réalisation approprié pour réaliser
un surmoulage sur un appareil moyenne tension tel qu'un disjoncteur moyenne tension.
[0026] La figure 3 représente schématiquement un disjoncteur moyenne tension dont l'organe
de coupure est une ampoule à vide désignée dans son ensemble par la référence 10.
L'ampoule à vide comporte un boîtier 11 de forme généralement cylindrique à l'intérieur
duquel sont disposés un contact fixe 12 et un contact mobile 13, ce dernier étant
déplaçable pour s'écarter du contact fixe, comme représenté sur la figure 3A, pour
réaliser la coupure. Des éléments conducteurs 14 et 15 reliés respectivement au contact
fixe 12 et au contact mobile 13 passent à travers des ouvertures ménagées dans les
parois d'extrémité respectivement 16 et 17 du boîtier 10, l'élément conducteur 15
étant mobile en translation pour déplacer le contact 13 et relié à un organe d'actionnement,
non représenté. Un soufflet 18 est disposé autour de l'élément conducteur mobile 15
pour assurer la tenue sous vide de l'espace intérieur du boîtier 10.
[0027] Dans la position de coupure représentée, une tension élevée existe entre les éléments
conducteurs 14 et 15 et il importe d'assurer l'isolation électrique entre eux.
[0028] Le boîtier 10 est enrobé dans un surmoulage qui, dans l'exemple de réalisation de
la figure 3, est constitué de façon homogène d'un matériau isolant tel que défini
plus haut, à savoir une poudre de ZnO dopé dispersée dans une matrice telle que silicone
ou résine thermodurcissable.
[0029] Le disjoncteur tel que décrit présente l'avantage sur les appareils connus de ne
pas contenir de gaz isolant SF
6. Il est en outre de réalisation très compacte.
[0030] Il est envisageable d'enrober un surmoulage tel que décrit ci-dessus dans un second
surmoulage constitué d'une résine appropriée telle qu'une résine époxy.
1. Disjoncteur moyenne ou haute tension, comportant une chambre de coupure, des contacts
placés à l'intérieur de la chambre de coupure, un mécanisme pour créer un déplacement
relatif entre les contacts, comprenant des éléments conducteurs connectés respectivement
aux contacts et disposés au moins en partie à l'extérieur de la chambre de coupure,
caractérisé par le fait qu'il comprend un surmoulage formé sur la chambre de coupure, constitué d'un matériau
isolant comprenant une charge minérale présentant une permittivité électrique ε croissante
avec le champ électrique appliqué, dans une proportion comprise entre 5 et 50 % en
volume, et une matrice convenant au surmoulage dans laquelle ladite charge est dispersée.
2. Disjoncteur moyenne tension, comportant une ampoule à vide, des contacts placés à
l'intérieur de l'ampoule à vide, un mécanisme pour déplacer l'un au moins des contacts,
comprenant des éléments conducteurs connectés respectivement aux contacts et disposés
au moins en partie à l'extérieur de l'ampoule à vide, caractérisé par le fait qu'il comprend un surmoulage formé sur l'ampoule à vide, constitué d'un matériau isolant
comprenant une charge minérale présentant une permittivité électrique ε croissante
avec le champ électrique appliqué, dans une proportion comprise entre 5 et 50 % en
volume, et une matrice convenant au surmoulage dans laquelle ladite charge est dispersée.
3. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel ladite charge du matériau
de surmoulage est choisie dans le groupe constitué par (i) l'oxyde de zinc ZnO dopé,
le dopant étant choisi parmi l'oxyde de bismuth Bi2O3, l'oxyde de cobalt Co3O4 ou CoO, l'oxyde d'antimoine Sb2O3, l'oxyde de manganèse MnO2 ou Mn3O4 et les oxydes des métaux de transition, et (ii) un semi-conducteur à large bande
interdite.
4. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la matrice du matériau
de surmoulage est formée d'une composition polymère choisie dans la famille des élastomères,
des thermodurcissables et des thermoplastiques.
5. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la charge minérale du
matériau de surmoulage est formée d'une matière en particules ayant une granulométrie
comprise entre 100 nm et 500 µm.
6. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la proportion de charge
minérale du matériau de surmoulage est comprise entre 15 et 30 % en volume.
7. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la charge minérale du
matériau de surmoulage est constituée de poudre d'oxyde de zinc dopé ayant une granulométrie
de 50 à 200 µm et est présente en proportion d'environ 18 % en volume.
1. Mittel- bzw. Hochspannungsschalter mit einer Schaltkammer, innerhalb der Schaltkammer
angeordneten Kontakten, einem Mechanismus zum Erzeugen einer relativen Verlagerung
zwischen den Kontakten, mit leitfähigen Teilen, die mit den jeweiligen Kontakten verbunden
und zumindest teilweise außerhalb der Schaltkammer angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Anformung aufweist, die an der Schaltkammer ausgebildet ist und aus einem
Isolierstoff besteht, das einen mineralischen Füllstoff mit einer dielektrischen Leitfähigkeit
ε, die mit dem angelegten elektrischen Feld ansteigt, in einem Verhältnis von zwischen
5 und 50 Vol.-% sowie eine für die Anformung geeignete Matrix aufweist, in welcher
der Füllstoff verteilt ist.
2. Mittelspannungsschalter mit einer Vakuumschaltrohre, innerhalb der Vakuumschaltröhre
angeordneten Kontakten, einem Mechanismus zum Verlagern zumindest eines der Kontakte,
mit leitfähigen Teilen, die mit den jeweiligen Kontakten verbunden und zumindest teilweise
außerhalb der Vakuumschaltröhre angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Anformung aufweist, die an der Vakuumschaltröhre ausgebildet ist und aus
einem Isolierstoff besteht, das einen mineralischen Füllstoff mit einer dielektrischen
Leitfähigkeit ε, die mit dem angelegten elektrischen Feld ansteigt, in einem Verhältnis
von zwischen 5 und 50 Vol.-% sowie eine für die Anformung geeignete Matrix aufweist,
in welcher der Füllstoff verteilt ist.
3. Schalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem der Füllstoff ausgewählt ist
aus der Gruppe von (i) dotiertem Zinkoxid ZnO, wobei der Dotierungsstoff ausgewählt
ist aus Wismutoxid, Bi2O3, Kobaltoxid Co3O4 oder CoO, Antimonoxid Sb2O3, Manganoxid MnO2 oder Mn3O4 und Übergangsmetalloxiden, und (ii) einem Halbleiter mit breiter Bandlücke.
4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Matrix aus einer Polymerzusammensetzung
gebildet ist, die aus der Familie der Elastomere, Duroplasten und Thermoplasten ausgewählt
ist.
5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der mineralische Füllstoff aus einem
teilchenförmigen Stoff mit einer Korngröße von zwischen 100 nm und 500 µm gebildet
ist.
6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der mineralische Füllstoff in einem
Verhältnis von zwischen 15 und 30 Vol.-% vorliegt.
7. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der mineralische Füllstoff aus dotiertem
Zinkoxidpulver mit einer Korngröße von 50 bis 200 µm besteht und in einem Verhältnis
von etwa 18 Vol.-% vorliegt.
1. Medium- or high-voltage circuit breaker, comprising an interrupter chamber, contacts
positioned inside the interrupter chamber, a mechanism for producing a relative displacement
of the contacts, comprising conductive members connected respectively to the contacts
and arranged at least in part outside the interrupter chamber, characterized by the fact that it comprises an overmoulding formed on the interrupter chamber and
consisting of an insulating material comprising a mineral filler having an electrical
permittivity ε which increases with the applied electrical field, in a proportion
of between 5 and 50 % by volume, and a matrix suitable for overmoulding, in which
said filler is dispersed.
2. Medium-voltage circuit breaker, comprising a vacuum bulb, contacts positioned inside
the vacuum bulb, a mechanism for displacing at least one of the contacts, comprising
conductive members connected respectively to the contacts and arranged at least in
part outside the vacuum bulb, characterized by the fact that it comprises an overmoulding formed on the vacuum bulb and consisting
of an insulating material comprising a mineral filler having an electrical permittivity
e which increases with the applied electrical field, in a proportion of between 5
and 50 % by volume, and a matrix suitable for overmoulding, in which said filler is
dispersed.
3. Circuit breaker according to anyone of claims 1 or 2, wherein said filler is selected
from the group consisting of (i) doped zinc oxide ZnO, the doping agent being selected
from bismuth oxide Bi2O3, cobalt oxide Co3O4 or CoO, antimony oxide Sb2O3, manganese oxide MnO2 or Mn3O4, and transition metal oxides, and (ii) a semiconductor with a wide forbidden band.
4. Circuit breaker according to anyone of claims 1 to 3, wherein the matrix is formed
of a polymeric composition selected from the group of elastomers, thermosetting plastics
and thermoplastics.
5. Circuit breaker according to anyone of claims 1 to 4, wherein the mineral filler is
formed from a particulate material having a particle size of between 100 nm and 500
µm.
6. Circuit breaker according to anyone of claims 1 to 5, wherein the proportion of mineral
filler is between 15 and 30 % by volume.
7. Circuit breaker according to anyone of claims 1 to 6, wherein the mineral filler consists
of doped zinc oxide powder having a particle size of 50 to 200 µm and is present in
a proportion of approximately 18 % by volume.