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PERFECTIONNEMENTS AUX.ISOLATEURS.ELECTRIQUES DE TRAVERSEE.
La présente invention concerne plus particulièrement les isola- teurs électriques de traversée ainsi que les phénomènes se produisant à la jonction entre diélectriques solides et fluides, situés dans un champ élec- trique alternatifo
Pour réaliser une connexion électrique convenable entre des appareils enfermés dans une cuve et le circuit extérieur auquel ils doivent être reliés;, il est d'usage courant d'utiliser une traversée isolante dans la parole ou le couvercle, de ladite cuve. Une telle traversée comprend un conducteur central., un élément isolant concentrique au conducteur, et un man- chon métallique de mise à la terre, symétriquement disposé, grâce auquel 1.' ensemble de la traversée est fixé sur la cuve.
Dans le cas d'appareils électriques immergés dans l'huile, la partie de l'isolateur de traversée, qui se prolonge à l'intérieur de la cuve, est totalement ou partiellement immergée dans l'huuile, L'un des problèmes importants qui se posent dans le fonctionne- ment des traversées associées à des contacts de coupure immergés dans 1-'huile, tels que ceux d'un disjoncteur, est dû au fait que la surface extérieure de l'isolateur de traversée, qui plonge dans l'huile, se recouvre souvent d'un dépôt de carbonée Ce dépôt est conducteur., ou tout au moins semi-conducteur, et la résistance diélectrique de là traversée est notablement réduite, en par- ticulier lorsque des quantités anormales d'humidité sont en suspension dans l'huile;
il peut se produire un amorçage, ou tout autre défaut électrique des appareils,pendant le fonctionnement normale si le dépôt de carbone n'est pas enlevé lors de visites fréquentes d'entretien.
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Le carbone ainsi déposé sur l'isolateur provient de la carbo- nisation, ou de la décomposition de l'huile, provoquées par l'arc électrique, lors de la coupure du couranto Inobservation révèle que les arcs en courant alternatif produisent des particules carbonisées d'huile, dont le diamètre varie entre moins de'0,1 et 10 microns environ, la plupart ayant un diamètre inférieur à 0,5 micron. L'analyse chimique révèle, qu'outre le carbone, ces particules contiennent en elles-mêmes, ou autour d'elles, des pourcentages appréciables d'acides et de solides, qui correspondent aux divers stades de décomposition de l'huile.
Lorsque ces particules se trouvent au voisinage de l'isolateur immergé d'une traversée, qui contient un conducteur parcouru par du courant alternatif, les particules se rassemblent suivant les lignes de champ électrique, et se déplacent graduellement vers la surface de l'isola- teura
Le dépôt de carbone ainsi produit est dû en grande partie aux distorsions du champ électrique entourant la surface isolante de la traver- sée. Ces distorsions peuvent se produire pour différentes causes.
Dans le cas d'isolateurs en céramique vernissée, comme la por- celaine, une cause provient de la non-homogénéité de la porcelaine ou de la glaçure, comme elle peut être provoquée par de petites poches de gaz ou d'air dans la porcelaine, ou par des particules étrangères qui s'y trouvent contenues et qui possèdent des propriétés diélectriques différentes de cel- les de la porcelaine.
Une autre cause de cette migration est due aux attractions en- tre les particules de carbone elles-mêmes, puisqu'elles ont des propriétés diélectriques différentes de celles de l'huile et de l'isolateur, ce qui provoque une distorsion du champ électrique, qui fait que des particules de carbone déjà déposées en attirent d'autres.
Un autre facteur important, favorisant le dépôt de carbone sur la porcelaine de la traversée, est le phénomène bien connu de "miroir-élec- trique" suivant lequel une particule se comporte comme si elle avait son image derrière la surface de la porcelaine. La force qui en résulte attire les particules de carbone vers la surface commune à l'huile et à l'isolateur, par suite du pouvoir inducteur spécifique plus élevé de ce dernier, qui crée un champ électrique plus intense sur le côté des particules tourné vers cet isolateur de traversée.
En même temps que cet effet de miroir électrique, il existe un autre phénomène, particulièrement visé par la présente invention, et qui con- cerne l'effet, sur le dépôt de carbone, de l'orientation du champ électrique entourant la traversée, par rapport à la surface de l'isolateur correspondant.
La Société demanderesse a découvert que l'orientation du champ électrique par rapport à la surface extérieure de l'isolateur est d'une très grande importan- ce dans la détermination de la quantité de carbone déposée. De nombreux es- sais montrent que, lorsque le champ électrique entourant la traversée a ses lignes de force parallèles à la surface immergée de l'isolateur, le dépôt de carbone est très important, alors que, lorsque les lignes de force tendent à devenir perpendiculaires à ladite surface, le dépôt de carbone est presque inexistant, même si l'intensité du champ est aussi grande, et même plus gran- de que celle existant dans les régions oû le dépôt de carbone est important.
Ce phénomène est en grande partie explicable par l'effet de "mi- roir électrique", suivant lequel une particule de carbone est attirée vers la surface isolante, et cette attraction est augmentée quand les lignes de force du champ électrique sont parallèles à la surface de l'isolateur. Ceci sera expliqué plus en détail ci-après, en se référant aux figures 2 et 3 qui re- présentent, graphiquement, la relation existant entre la direction du champ électrique et l'intensité de la force, due à l'effet de miroir, qui attire les particules de carbone vers la surface de l'isolateur.
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Une explication complémentaire de l'effet important, sur le dépôt de carbone, de l'orientation du champ par rapport à la surface, peut être trou- vée dans =ce fait que les alignements de particules de carbone se font suivant les lignes du champ électriqueo
Si le champ électrique est perpendiculaire à la surface, les li- gnes de rassemblement des particules sont aussi perpendiculaires à la surface de l'isolateuro Dans ce cas, seule la première particule touche la surface, et cette particule est attirée plus fortement par la particule suivants que par la surface isolanteo Par conséquent, si la ligne de particules est entraînée par des courants d'huile, elle entraînera avec elle la première particule, laissant à sa place une surface propre sur l'isolateur,
D'autre part, si les lignes de force font un angle aigu avec la surface,1'alignement des particules de carbone selon ces lignes de force fai- sant le même angle avec cette même surface, la force "image", attirant la par- ticule vers l'isolateur,peut être suffisante pour que la seconde particule, et même d'autres particules, soient entraînées vers la surface de l'isolateur, où elles sont retenues par l'intensité de cette force "image"o
Par conséquent, si l'angle du champ par rapport à la surface est progressivement diminué, à un certain moment, la force "image"sur la deuxième particule l'attirera sur la surface. De manière analogue, les particules - successives de l'alignement seront attirées vers la surface., comme un fil po- sé sur cette surface.
Dans le cas extrême, lorsque le champ est parallèle à la surfaces les particules étant alignées suivant les lignes de force., il n'y a aucune tendance à ce que des particules du même alignement exercent une for- ce entre elles, qui tendrait à retirer ces particules de la surface de l'iso- lateuro Chaque particule de l'alignement le plus voisin de la surface, adhè- re individuellement à cette surface, et les particules de carbone de cet ali- gnement offrent une grande résistance à l'enlèvement hors de la surface, par des courants d'huile agitéeo
La présente invention a notamment pour objet une surface extérieu- re perfectionnée de l'isolateur d'une traversée, du type immergé, améliorant les caractéristiques relatives du champ électrique par rapport à la surface de l'isolateur,
pour diminuer le dépôt de carboneo L'invention prévoit, dans une variante, un écran métallique coopérant à l'obtention d'un champ électri- que favorable, pour réduire au minimum le dépôt de carbone.
La construction perfectionnée de l'invention est telle qu'une normale à la surface de l'isolateur forme un angle minimum avec la direction des lignes du champ électrique,ou, en d'autres termes, telle que les lignes du champ électrique soient aussi perpendiculaires que possible à la surface de l'isolateur.
Ce résultat est obtenu, soit en adaptant la surface de l'iso- lateur à l'orientation d'un champ électrique existant, soit en donnant l'orien- tation voulue au champ électrique pour l'adapter à la surface d'un isolateur existanto
L'invention sera d'ailleurs bien comprise en se reportant à la description qui suit et aux dessins qui la accompagnent donnés à titre d'exem- ples non limitatifs et dans lesquels g - la figure I représente une construction connue de traversée, - les figures 2 et 3 représentent schématiquement les forces d'at- traction entre une particule de carbone et une surface isolan- te, le champ électrique étant:
, respectivement, parallèle et per- pendiculaire à la surface,,, - la figure 4 représente un isolateur de traversée perfectionné, construit conformément à l'inventiono
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- les figures 5 et 6 représentent des variantes du contour d'un isolateur de traversée, conformes à l'inventiono - les figures 7 et 8 représentent des isolateurs-de traversée ayant des écrans, conformément à l'invention,pour obtenir l'orientation désirée du champ électrique par rapport à la sur- face de l'isolateur correspondante
En se reportant à la figure I, on voit la partie, immergée dans l'huile, d'une traversée de type connu, I, dont l'isolateur 2 a une surface cannelée, pour augmenter les trajets de fuites entre le conducteur et la terre.
Ces cannelures habituelles s'obtiennent au moyen de jupes successives, sensi- blement circulaires, espacées les unes des autres dans le sens longitudinal.
Ainsi, l'isolateur 2 comporte onze jupes, numérotées de 3 à 139 de haut en bas de la figure 1. Un manchon métallique de montage et de mise à la terre, 14, est prévu, comme d'habitude, à la partie supérieure de l'isolateur 2, pour as- surer la fixation, à la surface de la cuve, de la traversée complète 1. Le machon 14 est au potentiel du solo
La traversée I comporte un conducteur central 15, muni, à sa par- tie inférieure d'une borne terminale circulaire 16. Des égalisateurs de ten- sion 17, de construction habituelle, sont disposés entre la surface extérieu- re du conducteur 15 et la surface intérieure de l'isolateur 2. On remarquera que ce dernier a un diamètre intérieur qui diminue, de haut en bas, suivant la construction bien connue de tels isolateurs.
Malgré cela, les diamètres extérieurs des jupes 3 à 13 restent à peu près les mêmes. Par conséquent, la différence entre le diamètre d'une jupe et le diamètre correspondant de la surface extérieure de l'isolateur, augmente, depuis le haut jusqu'en bas de l'isolateuro C'est ainsi que les ju- pes 3 à 7, à la partie supérieure de 2, ne font pas une grande saillie à l'ex- térieur de l'isolateur, les ondulations des jupes étant peu prononcées. Tou- tefois cette différence s'accentue progressivement pour les jupes 8 à 13, dans cet ordre.
On remarquera, en particulier pour les jupes 7 à 13, qu'il exis- te une grande distance entre jupes voisines, dans le sens longitudinal, ou axial, de l'isolateur 2. Comme on l'expliquera ci-après, c'est principale- ment dans ces régions,entre jupes successives, que se produit un important dépôt de carbone.
Le champ électrique est représenté par des lignes équipotentiel- les qui rayonnent vers l'extérieur, à partir du conducteur central 15. Les points d'une même ligne équipotentielle, comme son nom l'indique, sont au même potentiel par rapport à la tension entre conducteur 15 et terre, et on a indiqué ces valeurs en pourcentages, aux extrémités de ces lignes, qui sont repérées par les chiffres 90%, 80%, 70% etc., montrant le pourcentage de la tension totale entre conducteur et terre, correspondant à chaque ligne équi- potentielle.
On sait que les lignes de force du champ électrique sont normales aux lignes équipotentielles, et ces lignes de force sont représentées par les flèches voisines de la surface extérieure de l'isolateur 2. On remarquera que pour la partie supérieure de cet isolateur, les flèches sont parallèles, ou sensiblement parallèles, au corps de l'isolateur, entre les jupes 3 à 10. Com- me on l'a dit plus haut, de nombreux essais ont montré' que, dans ces conditions, le dépôt de carbone est important.
On voit qu'une traversée habituelle, comme celle de la figure I, offre de nombreuses surfaces sensiblement parallèles aux lignes du champ élec- trique, ces surfaces se trouvant principalement entre jupes voisines.
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On a représenté figures 2 et 3. une comparaison de la force due à l'effet de "miroir électrique". les lignes de champ étant, respectivement, parallèle et perpendiculaires à la surface de 1-'isolateur.
La figure 2 représenté une particule de carbone 18, au contact de la surface 19 de l'isolateur. Les lignes en pointillé, avec les flèches, représentent les lignes de champ électriques'dans la région de la particule de carboneo Dans ce cas, ces lignes sont parallèles à la surface. On voit qu'il y a une forte concentration, de lignes, juste en dessous de la surface de l'isolateur, provoquant une attraction intense sur la particule 18.
Cette attraction fait adhérer fortement la particule à la surface de l'isolateur
Quand les lignes de champ sont perpendiculaires à la surface (figure 3), on voit qu'il n'y a plus de concentration de lignes de champ, à la surface 21 de l'isolateur, comme dans le cas précédento Par conséquent, l'attraction maintenant la particule 20 contre 21 est moindre dans le cas de la particule 18 de la figure 3 que dans celui de la figure 2. En comparant ces deux figures 2 et 3, on voit que la force qui maintient une particule sur une surface isolante est beaucoup plus grande quand le champ est parallèle à la surface.,que lorsqu'il lui est perpendiculaireo
En se reportant maintenant figure 4, on voit la partie immergée d'une traversée 22, avec son isolateur 23, prévu conformément à l'invention, pour réduire le plus possible le dépôt de carbone à sa surface.
On remarque- ra que les lignes équipotentielles sont sensiblement les mêmes que dans la figure 1, la distribution du champ électrique dépendant principalement de la forme, de la disposition et des dimensions des éléments conducteurs, et, à un degré moindre, de la proximité d'autres surfaces conductrices, comme la cuve, par exemple.
Toutefois,la forme extérieure de 13 isolateur de traversée 23 (figure 4) est prévue pour que les surfaces isolantes extérieures ne soient pas parallèles aux lignes du champ électrique., comme dans l'isolateur de la figure 1, mais soient toutes inclinées de plus de 45 sur la direction de ces lignes; beaucoup de ces surfaces réalisent la condition optima d'être perpendiculaires auxdites lignes, ce qui élimine dans une très grande propor- tion le dépôt de carbone, même si le champ est aussi intense, et même plus, que dans les régions où ce dépôt est importante
L'isolateur 23 entoure un conducteur central 24, fixé à une tête métallique inférieure 25.
Des égalisateurs de tension 26 habituels sont prévus entre 23 et 24, et l'on a indiqué des lignes équipotentielles, comme dans la figure I.
Un manchon support et de mise à la terre 27 est fixé sur la cuves de transformateur par exemple, à l'endroit où la traversée passe dans la paroi ou le couvercle de cette cuve, afin de l'en rendre solidaire.
L'isolateur 23 comporte des jupes 28 à 42, dont le contour assure l'angle désiré entre le champ et la surface de cet isolateur.
Conformément à l'invention, le nombre des surfaces parallèles au champ est réduit au minimum. La plus grande partie est orientée de manière que la normale en un point quelconque forme un angle inférieur à 45 avec les lignes de champ, une grande partie de la surface de l'isolateur leur étant perpendiculaire,, la normale coïncidant alors avec lesdites lignes.
Pour déterminer la forme extérieure d'un isolateur, conformément à l'invention, celui-ci doit être prévu en fonction d'un champ électrique con- nu déterminéo C'est-à-dire que, connaissant les dimensions, formes et dispo- sition du manchon 27 et de la cuve par rapport au conducteur 24, on peut rele- ver très exactement la configuration du champ entre ce conducteur et toutes
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les surfaces voisines mises à la terreo Connaissant le champ électrique, l'in- vention permet de déterminer un contour particulier d'isolateur, dont la sur- face fera '.'angle désiré avec les lignes dudit champ.
On remarquera qu'au voisinage du manchon 27, entre les lignes équipotentielles 0 et 20%, correspondant à un gradient de potentiel relative- ment base les jupes de l'isolateur sont très rapprochéeso En outre, toutes les jupes 28 à 35 de cette région, sont sensiblement de mêmes dimensions, et leurs indentations ne sont pas profondes.
Mais., contrairement à l'isolateur de la figure 1, celui de la figurer ne comporte pas, entre deux jupes succes- sives, de surface longitudinale par rapport à l'isolateuro Ce sont en effet de telles surfaces, dans les isolateurs ordinaires, qui constituent la plus grande partie des surfaces parallèles aux lignes du champ, c'est-à-dire celles qui ont le dépôt de carbone le plus importanto
Dans l'isolateur de 1-'invention, deux jupes successives se rac- cordent suivant un cercle autour de l'isolateuro Ainsi par exemple, la face inférieure de la jupe 37 et la face supérieure de la jupe 38 se coupent sui- vant un cercleo Il n'y a pas entre 37 et 38 de surface longitudinale par rapport à l'isolateuro
En calculant un isolateur à jupes,
en vue d'allonger le trajet de fuite entre le conducteur et la terre, il est impossible que les deux faces de chaque jupe aient la position idéale désirée, par rapport aux lignes de champ, c'est-à-dire que ces dernières soient perpendiculaires à ces deux faces. Dans bien des cas, il faut donc se contenter d'un compromis, suivant lequel les deux faces de chaque jupe ne sont pas absolument perpendiculaires aux lignes de champ.
Bien souvent, la face inférieure de chaque jupe est plus voisine de la perpendiculaire idéale, que la face supérieureo On le voit en particulier pour les faces inférieures des jupes 37, 38 et 39,
On a représenté figure 5 et 6 des variantes de contour d'isola- teurs de traversée, conformes à l'invention, qui se distinguent principale- ment de la construction de la figure 4, en ce que les contours, suivant figure 5 et 6, comportent des creux profonds entre jupes successives, ces creux faisant des angles relativement aigus.
Les faces respectives des diverses jupes sont inclinées de manière analogue à celle de la figure 4;, les lignes du champ faisant au moins 45 avec presque toutes les surfaces de l'isolateur., Mais les angles présentés par les faces des diverses jupes sont prévus de telle sorte, les uns par rapport aux autres, que l'on obtient'des creux pro- fonds avec des angles rentrants relativement aiguso Les données de l'expé- rience montrent qu'une telle construction diminue la quantité de carbone qui vient en contact avec la surface de l'isolateurs et réduit en conséquence le dépôt qui en résulte.
On a représenté, figures 7 et 8, des variantes d'isolateurs de traversée, conformes à l'invention, ne comportant pas de contour denteléo
Leur construction est caractérisée en ce qu'au lieu d'adapter le contour de l'isolateur au champ, on adapte au contraire le champ à l'isola- teur en suivant les principes généraux exposés dans ce qui précède. On peut ainsi voir que c'est la méthode inverse de celle qui a conduit à obtenir les contours des figures 4, 5 et 6, qui ont été adaptés au champ.
On a représenté figure 7 la partie immergée d'une traversée 43, avec son isolateur 44, représenté schématiquement, et entourant le conducteur 45. Un manchon habituel 46 fixe la traversée à la cuve, comme connu.
Dans les réalisations des figures 7 et 8, on n'utilise pas les éléments égalisateurs de tension des figures I et 4. Cependant, on peut le faire, si on le désire., bien que leur présence modifie la distribution du champ ; il faut donc en tenir compte., pour obtenir l'orientation particulière
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désirée de ce champ vis à vis de la surface de l'isolateur,
On remarquera que la surface extérieure de l'isolateur 44 est lisse, et ne comporte pas de cannelures comme ceux des figures 1, 4, 5 et 6.
Pour modifier la direction du champ électrique à la partie supérieure de l'isolateur et empêcher les lignes de champ d'être parallèles à sa surface, (ce qui serait le cas),on prévoit un dispositif d'écran 47.
Cet écran est tronconique, avec sa petite base rigidement fixée à un cylindre de montage 48, fixé lui-même rigidement au manchon 46, par exemple,, par des vis 49, L'écran 47 est en treillis métallique, pour ne pas gêner la circulation de l'huile dans la cuve. Mais ceci est une simple mesu- re d'opportunité, et l'utilisation d'un treillis métallique, en lui-même, n'a aucun rapport avec le contrôle du champ électrique, qui est le véritable but à atteindreo
Les lignes équipotentielles s'alignent presque parallèlement au contour de l'écran 47, et, pour obtenir la configuration désirée de ces li- gnes, ce qui amène les lignes de champ à être presque perpendiculaires à la surface de l'isolateur, on donne à l'écran 47 l'angle au sommet désiré.
On a représenté figure 8 une autre variante de l'invention;;qui diffère de celle de la figure 7, principalement en ce qu'on utilise un écran métallique incurvé, au lieu du cône en treillis 47.
Pour orienter convenablement le champ électrique dans la région de l'isolateur 51, voisine du manchon de fixation 53, en particulier, on fi- xe, à la partie inférieure du manchon 53, un écran conique 54, dont la partie inférieure s'évase en s'arrondissant.\) de manière à obtenir l'orientation dé- sirée des lignes de champo Comme les lignes équipotentielles suivent appro- ximativement le contour incurvé de 54, celui-ci est recourbé suivant des rayons de courbure qui provoquent la configuration désirée des lignes équipo- tentielles, de telle sorte que les lignes de champ soient aussi perpendicu- laires que possible à la surface de 1?isolateur
La présente invention procure donc un moyen de diminuer le dépôt de carbone;
, en établissant une perpendicularité aussi parfaite que possible entre le champ électrique et la surface de l'isolateur, soit que l'isolateur soit adapté au champ,(figures 4, 5 et 6), soit que le champ soit adapté à l'isolateur (figures 7 et 8). Elle améliore donc le fonctionnement des iso- lateurs de traversée immergés dans l'huiles augmente leur durée utile et di- minue leur entretien.
Bien que l'on ait représenté quelques variantes préférées de réa- lisation de l'invention, il est bien entendu que 7.'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières données simplement à titre d'exemple, et sans aucun caractère restrictif et que, par conséquent., toutes les variantes utilisant les mêmes moyens techniques et ayant même objet ..que les dispositions indiqué'es ci-dessus rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention
R E S U M Eo
La présente invention concerne plus particulièrement les isolateurs électriques de traversée ainsi que les péhnomènes se produisant à la jonction entre diélectriques solides et fluides situés dans un champ électrique alter- natif.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.