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PARAFOUDRE.
La présente invention concerne les parafoudres et plus spécia- lement un moyen d'empêcher le bris ou l'explosion de parafoudres à soupapes dans le cas de la mise hors service des parafoudres pour un motifquelcon- que.
Les parafoudres du type à soupapes consistent en principe en une série d'éclateurs et une série de soupapes constituées par des éléments ou blocs résistifs, reliées en série dans une enveloppe. Les éclateurs iso- lent normalement le parafoudre de la ligne à laquelle il est relié mais ils se déchargent lors de surtensions telles qu'une surtension due à la foudre, pour permettre à celle-ci de s'écouler à la terre à travers des soupapes qui, sous une tension excessive, présentent une résistance très faible et per- mettent une tension de décharge basse. Après écoulement de la surtension, les soupapes, grâ.ce à leur caractéristique de résistance variable, résuisent à peu de chose le courant résiduel dû à la tension normale du réseau, cou- rant qui peut alors être facilement interrompu par les éclateurs en série.
Quand des parafoudres de ce genre fonctionnent normalement, il ne se produit aucun gaz et l'enveloppe peut être scellée hermétiquement pour éviter l'introduction d'humidité, très néfaste au comportement électrique des soupapes et des éclateurs. Si cependant après écoulement d'une surtension, le parafoudre ne parvient pas à interrompre le courant résiduel du réseau, pour un motif quelconque et que les soupapes perdent leur faculté de limitation du courant, le parafoudre est traversé par le courant de court-circuit total du réseau auquel il est raccordé. Il s'ensuit un échauffement excessif des élé- ments du parafoudre, de la combinaison et des arcs qui produisent à l'inté- rieur de l'enveloppe une grande quantité de gaz par volatilisation des maté- riaux du parafoudre.
Comme l'enveloppe est hermétiquement scellée, la produc- tion de grandes quantités de gaz à haute température fait monter très rapi- ' dement la pression dans l'enveloppe qui peut provoquer le bris de la porce-
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laine avec une force explosive et mettre ainsi en danger les appareils et les opérateurs se trouvant à proximité.
Dans la demande de Brevet américain ? 99.122 du 8 mars 1950 de la Westinghouse Electric Corporation on revendique et décrit une cons- truction évitant de telles explosions dans le cas de la mise hors service d'un parafoudre à soupapes.
Dans ce type de parafoudre la pression .du gaz à l'intérieur, s'exerçant axialement, est utilisée pour briser des membranes qui obturent les extré- mités de l'enveloppe et oalayer ainsi le gaz dans l'enveloppe de manière à réduire la pression., et on prévoit des dispositifs pour diriger les gaz qui s'échappent aux deux extrémités à la rencontre les uns des autres, afin de produire un arc extérieur, transportant ainsi l'arc intérieur vers l'ex- térieur du parafoudre et arrêtant toute production supplémentaire de gaz à l'intérieur de l'enveloppe. Ce type de parafoudre s'est avéré tout-à-fait sa- tisfaisant, mais on a constaté que dans certaines conditions il est impossi- ble de transporter l'arc a l'extérieur de l'enveloppe assez rapidement pour éviter que la pression n'atteigne une force explosive.
. Cela se produit quand les éléments du parafoudre se trouvent déjà à haute température au moment où le courant de court-circuit commence à circuler, éventualité possible.
La pression à l'intérieur de l'enveloppe provoquée par la nais- sance et l'échauffement des gaz internes, est fonction de l'énergie d'arc disponible quand le courant de court-circuit traverse le parafoudre. L'éner- gie d'arc se transforme de plusieurs manières, en chaleur et en transformation chimique de matières solides du parafoudre, transformation de solides en gaz, échauffement des gaz, etc. Les trois derniers effets mentionnés intervien- nent dans la production de pressions explosives. Si le parafoudre est rela- tivement froid quand le courant de court-circuit commence à passer vers la terre, une grande partie est d'abord dissipée en échauffement des matières solides du parafoudre, tandis que le reste de l'énergie échauffe l'air ou les gaz présents dans l'enveloppe, ce qui augmente la pression.
Si au con- traire les matériaux du parafoudre sont déjà très chauds quand le courant de court-circuit commence à circuler, la plus grande partie de l'énergie d'arc est utilisée à volatiliser les matières solides et à chauffer les gaz ainsi obtenus, et la pression monte beaucoup plus rapidement. La vites- se à laquelle la pression augmente, une fois le courant de court-circuit établi, dépend donc de la proportion d'énergie d'arc utilisée d'une part à échauffer les matières solides et d'autre part à produire et à échauffer les gaz, c'est-à-dire qu'elle est déterminée par le fait que le parafoudre est déjà chaud ou non.
Le passage de courant résiduel normal à courant de court-cir- cuit dû à la mise hors service du parafoudre ne se fait pas nécessairement brusquement. Il peut se faire que le parafoudre est incapable d'interrompre le courant tout en maintenant ses caractéristiques de soupape ou de résis- tance variable.
Dans ce cas le courant continue à passer après décharge de la surtension., mais son intensité est limitée par la résistance des soupapes. Ce courant échauffe uniformément les soupapes jusqu'à ce que celles-ci perdent leurs caractéristiques de soupape et laissent passer le plein courant de court- circuit.
Cet échauffement prend un temps appréciable, jusqu'à une minute, et les soupapes peuvent atteindre une température de l'ordre de 800 C avant de perdre leurs caractéristiques de soupape.
Les soupapes sont alors très chaudes avant l'établissement du courant de court-circuit et la grande partie de l'énergie sert immédiatement à vola- tiliser les matières solides et à échauffer les gaz, de sorte que la pres- sion à l'intérieur de l'enveloppe monte extrêmement vite.
La possibilité de transporter l'arc intérieur à l'extérieur de l'enveloppe, comme décrit dans la demande précétée, dépend de l'aptitu- de qu'ont les colonnes de gaz sortant par les deux extrémités de se ren-
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contrer et de produire une décharge extérieure avant que la pression inter- ne du gaz n'ait atteint la tension de rupture de l'enveloppe. La vitesse des gaz a une limite bien définie et on peut donc déterminer avec précision le temps minimum nécessaire à la production d'un arc extérieur pour une en- veloppe d'une longueur donnée. Si la pression augmente rapidement à l'inté- rieur de l'enveloppe, il est donc évident qu'avec une petite variation de cette vitesse d'augmentation, on peut passer du cas où l'explosion.est évi- tée au cas où il est impossible d'éviter l'explosion.
Si le parafoudre est fortement échauffé par le passage ininterrompu de courant avant établisse- ment du courant de court-circuit, il se peut que l'arc ne soit pas toujours transporté à l'extérieur de l'enveloppe avec une rapidité suffisante pour éviter l'explosion du parafoudre tel qu'il est conçu dans la demande préci- tée.
La présente invention a, par conséquent, pour but principal de procurer un parafoudre à soupapes qui ne se brise ni n'explose dans le cas de sa mise hors service pour un motif quelconque et quelles que soient les conditions à l'intérieur du parafoudre.
L'invention a encore pour buts de procurer : - un parafoudre à soupapes comportant un dispositif pour relâ- cher la pression interne du gaz et un dispositif pour transporter un arc interne à l'extérieur, et dans lequel des moyens sont prévus pour être cer- tain que l'arc soit transporté à l'extérieur avant qu'une explosion soit possible dans toutes conditions, dès que le courant résiduel ne s'interrompt pas après une décharge et qu'il est évident que le parafoudre sera impuissant à maintenir le contrôle du courant résiduel.
- un parafoudre à soupapes comprenant des pièces fusibles, de préférence des disques en un métal à bas point de fusion intercalés entre les soupapes, qui fondent et provoquent une rupture de contournement des soupapes en réponse à un échauffement exagéré des soupapes, et un disposi- tif de ventillation de l'enveloppe pour relâcher la pression interne du gaz et provoquer une décharge extérieure de manière à transporter l'arc intérieur à l'extérieur de l'enveloppe.
D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront claire- ment de la description détaillée donnée ci-après avec référence au dessin annexé.
La figure 1 est une coupe verticale d'un parafoudre conforme à l'invention, prise approximativement suivant la ligne 1-1 de la figure 2.
La figure 2 est une coupe transversale approximativement suivant la ligne II-II de la figure 1 ; La figure 3 est une vue de face d'un parafoudre complet de station.
La forme d'exécution de l'invention représentée consiste en un parafoudre à soupapes tel qu'utilisé en technique de haute tension dans les stations, mais il est évident que l'invention n'est pas limitée à ce type dé- terminé de parafoudre. La figure 1 représente une pièce d'un parafoudre de sta- tion multiple, en détail. Le parafoudre élémentaire est contenu dans une en- veloppe en porcelaine creuse de forme générale cylindrique ou tubulaire et comprend plusieurs soupapes en forme d'éléments ou blocs à résistance varia- ble 2 et un ensemble éclateur 3 reliés en série en une colonne verticale à l'intérieur de l'enveloppe 1.
Dans la forme d'exécution représentée, la colonne de soupape est divisée en deux parties séparées par l'ensemble éclateur 3, mais il est entendu que tou- te autre disposition convenable peut être utilisée.
Les soupapes 2 peuvent être construites en toute matière résis- tive appropriée ayant des caractéristiques de soupape non linéaires c'est-à- dire une matière qui a une résistance très élevée ou étant semi-conductrice sous tension normale, et dont la résistance diminue fortement sous des sur- tensions élevées afin que la. surtension puisse se décharger aux bornes du
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parafoudre avec une faible tension de décharge, et dont la résistance réaug- menté après la décharge de manière à réduire le courant résiduel de réseau à une faible valeur que l'ensemble éclateur 3 interrompt facilement au pre- mier zéro de couranta Les blocs 2 sont faits de préférence de carbure de silicium granuleux mélan- gé à un liant appropriée tel que du silicate de sodium,
moulé et cuit dans la forme et aux dimensions désirées.
Une pellicule conductrice de contact en zinc ou en cuivre est appliquée de préférence sur les surfaces d'extrémité de chaque bloc afin de faciliter le contact électrique avec la soupape, et on peut recouvrir les parois latéra- les de celle-ci d'une pellicule isolante.. De telles soupapes sont bien con- nues et il est entendu qu'on peut utiliser tout type convenable de soupape ou d'élément à résistance non linéaire.
L'ensemble éclateur 3 est représenté sous la forme d'un tube en porcelaine 4 hermétique contenant plusieurs éclateurs. Les éclateurs sont constitués par une série d'électrodes métalliques 5 séparées par des entre- toises annulaires 6 à résistance élevée ou en matière isolante. Les éclateurs sont assemblés en une colonne dans le tube en porcelaine 4 et les bouts de celui-ci sont obturés par des chapeaux métalliques d'extrémité 7 scellés au tube de toute manière appropriée, par exemple en les soudant à une glaçure métallique sur le tube.
La colonne d'éclateurs repose sur le chapeau d'ex- trémité 7 inférieur et un ressort de compression 8 est intercalé entre le dessus de la colonne d'éclateurs et le chapeau d'extrémité 7 supérieur, afin de bien maintenir les éclateurs et assurer un bon contact électrique entre ces derniers et le chapeau d'extrémité supérieur.
L'enveloppe 1 du parafoudre élémentaire est fermée haut et bas par des plaques de fermeture d'extrémité métalliques 9 munies de membranes relativement minces ou cassables 10 constituant le scellement de l'envelop- pe 1. Des joints 11 sont intercalés entre les plaques 9 et les extrémités du l'enveloppe pour assurer une fermeture substantiellement hermétique de l'en- veloppe contre l'humidité.
Comme décrit dans la demande précitée, des entre- toises métalliques 12 sont intercalées entre le haut et le bas de la colon- ne d'éléments de parafoudre et les membranes adjacentes 10, et des plaques élastiques 13 séparent les entretoises 12 et les extrémités de la colonne de manière à maintenir les éléments de parafoudre bien en place et pour as- surer par pression un bon contact électrique entre les éléments du parafou- dre et aussi pour maintenir les entretoises 12 bien en contact avec les mem- branes 10.
Si on le désire ou s'il le faut, le bas de la colonne d'éléments de parafoudre peut comprendre une entretoise conductrice 14. Chaque entre- toise d'extrémité 12 est pourvue de prolongements axiaux 15 qui touchent la membrane adjacente et chacune de ces entretoises peut avoir une protubérance centrale 29 normalement écartée de la membrane mais pouvant venir en contact avec celle-ci quand une forte pression axiale est appliquée à l'entretoise, comme expliqué plus en détail dans la demande précitée.
Des pièces coulées d'extrémité identiques 16 sont placées sur le sommet et le fond de l'enveloppe et fixées à celle-ci par un ciment, comme indiqué en 17, ou de toute manière appropriée. Les pièces d'extrémité 16 ont une forme générale annulaire et on y fixe les plaques de fermeture 9 au moyen de boulons 18. Chaque pièce d'extrémité 16 est pourvue d'une excroissan- ce ou prolongement 19 située sur un côté et comprenant une ouverture ou pas- sage axial 20 communiquant avec la partie centrale de la pièce d'extrémité directement au-dessus de la membrane 10.
Un rebord 21 obture l'extrémité du passage 20
Les pièces d'extrémité 16 de parafoudres adjacents sont boulon- nés ensemble au moyen de boulons 22 passant dans des ouvertures pratiquées dans des oreilles 23 réparties sur le pourtour des pièces d'extrémité, de manière à réunir mécaniquement et électriquement deux parafoudres adjacents.
Les pièces d'extrémité 16 ont des épaulements annulaires intérieurs sur les- quels on fixe une plaque circulaire ou chicane 24 ou un autre dispositif ser- vant à dévier les gaz expulsés. Chaque chicane 24 est serrée entre les pièces
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d'extrémité adjacentes d'un ensemble parafoudre afin d'éviter que les gaz s'échappant d'une extrémité d'un parafoudre viennent pénétrer dans l'extrémité du parafoudre voisin, et pour dévier les gaz expulsés vers l'ouverture 20 de l'excroissance 19. La pièce d'extrémité supérieure 16 du parafoudre supérieur d'un ensemble à parafoudres multiples, tel que repré- senté à la figure 3, est obturée par une plaque ronde 25 maintenue par une pièce coulée de sommet 26 munie des bornes de connexion voulues 27 rapportées ou d'une venue.
Le fond du parafoudre inférieur est obturé par une plaque semblable maintenue par un socle 28 de toute construction appropriée sur lequel le parafoudre est posé.
Le parafoudre tel que décrit jusqu'ici fonctionne de la même façon que celui de là demande précitée. Quand le parafoudre est incapable d'interrompre le courant résiduel après la décharge d'une surtension, et ce- la pour n'importe quel motif, par exemple une surtension anormalement éle- vée due à la foudre, ou l'application d'une tension non statique dépassant les limites du parafoudre, le courant plein de court-circuit traversera le parafoudre, avec arcs de contournement des soupapes et fréquemment le cla- quage de certaines ou de toutes les soupapes. Les gaz produits provoquent très rapidement une forte pression à l'intérieur de l'enveloppe, pression appliquée axialement contre les deux entretoises d'extrémité 12 de la co- lonne d'éléments de parafoudre et donc contre les membranes 10.
Cette pres- sion axiale exagérée rompt les membranes 10 sous l'effet des entretoises 12,ce qui permet l'échappement des gaz et le relâchement de la pression à l'intérieur de l'enveloppe 1.
Le gaz s'échappant de chaque bout de chaque parafoudre est dirigé par la chicane correspondante dans le prolongement 19 de la pièce d'extrémité 16 d'où le gaz est envoyé en un jet concentré sur le gaz prove- nant de l'autre bout du même parafoudre. Les prolongements des pièces d' extrémité des deux bouts d'un même parafoudre sont placés dans les axes l' un de l'autre, de façon que les deux jets de gaz chaud ionisé s'échappant du parafoudre se rencontrent et provoquent une décharge extérieure très r a- pidement après la rupture des membranes, transportant ainsi le courant à l' extérieur du parafoudre, ce qui arrête la production de gaz à l'intérieur de l'enveloppe et empêche le développement de pressions internes dangereuses.
Comme cela a été expliqué, il se peut toutefois occasionnel- lement que le parafoudre soit incapable d'interrompre le courant résiduel après une décharge sans pour cela perdre immédiatement ses facultés de soupape; dans ces conditions un courant inférieur au courant de court-cir- cuit traverse continuellement les soupapes 2 et ceci pendant un temps rela- tivement long.
Cette situation peut perdurer pendant une minute et les soupapes sont échauffées à des températures extrêmement élevées,allant jusqu'à 800 C, avant qu'elles perdent leur caractéristique de limitation du courant complètement et laissent passer le plein courant de court-circuit du réseau. Quand alors les soupapes perdent leur pouvoir de limitation du courant., le brusque accroissement d'énergie pro- voque la volatilisation quasi instantanée d'une grande partie des matières des soupapes échauffées et une augmentation-extrêmement rapide de la pression.
L'intervention en temps utile de l'arc de shnntage à l'extérieur de l'enveloppe en porcelaine 1 dépend de la possibilité qu'ont les gaz expul- sés et déviés de se joindre avant que la pression interne des gaz ne dépas- se la tension de rupture de l'enveloppe. La vitesse des gaz expulsés est limi- tée avec précision à la vitesse du son et on peut donc déterminer exactement le temps le plus court possible pendant lequel les gaz peuvent se rejoindre, pour une longueur d'enveloppe donnée.
Par exemple., avec un parafoudre long de trois pieds (un mètre)? le temps nécessaire pour obtenir un arc extérieur st environ égal à 40% du temps qu'un courant à 60 périodes met à passer de zéro à la valeur de crête symétrique.Même sans les chicanes déviant les gaz expulsés l'un vers l'autre en vue d'un arc exté- rieur, la vitesse de montée de la pression à l'intérieur de l'enveloppe est
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du même ordre de grandeur que la vitesse d'accroissement du courant. Il est donc évident qu'on peut se trouver dans une situation critique même à cause d'un léger retard dans la rupture des membranes 10 et dans la ventilation de l'intérieur de l'enveloppe en porcelaine 1, ou par un léger retard de l'arc extérieur ou un petit changement dans la vitesse de production des gaz à l'intérieur de l'enveloppe.
Suivant la présente invention, on évite l'explosion de l'envelop- pe 1 dans les conditions précitées., en utilisant un moyen de produire un arc de contournement autour des soupapes quand le courant résiduel n'est pas interrompu, dès qu'il est évident que le parafoudre est incapable de réduire ou d'interrompre le courant. Dans ce but on place les soupapes 2 des disques 29 en matière fusible, telle que du plomb ou un autre métal à bas point de fusion, ou on prévoit un autre dispositif thermique qui provoque un défaut délibéré ou un court-circuit dans une partie de la trajectoire de décharge à l'intérieur de l'enveloppe 1.
Les disques à bas point de fusion 29 n'ont pas d'effet sur le fonctionnement normal du parafoudre, mais si le courant résiduel n'est pas interrompu après une décharge et si les soupapes 2 s' échauffent au-dessus de leurs températures normales de décharge., les disques 29 fondent et le métal fondu des disques coule sur les bords des soupapes et provoquent des arcs de contournement autour des soupapes à l'intérieur de l'enveloppe du parafoudre, ce qui produit un arc de réseau à l'intérieur de l'enveloppe. Le point de fusion des disques 29 sera atteint bien avant que les soupapes ne soient assez chaudes que pour perdre leur pouvoir de limitation du courant, de sorte que la matière des soupapes n'atteint pas la température extrêmement élevée qui serait atteinte autrement.
Dès qu'un arc se produit entre la paroi de l'enveloppe et les soupapes, l'air intérieur s'échauffe et sa pression augmente rapidement à un point tel que les membranes 10 se brisent. La pression du gaz interne con- tinue à monter, mais la vitesse de montée sera beaucoup moindre que dans le cas de gaz produits par la volatilisation plus ou moins brusque de matières de soupapes très chaudes. Le gaz s'échappant par les membranes rompues peut provoquer une décharge extérieure et transporter l'arc à l'extérieur de l' enveloppe avant que la pression interne n'atteigne une valeur dangereuse.
Les essais ont montré que le temps qui s'écoule entre le moment où le parafoudre est hors service et la production d'un arc de réseau à 1' intérieur de l'enveloppe peut être réduit dans un rapport de un à huit par l'emploi de disques fusibles 29.
Il ressort donc clairement que la température des soupapes et la pression interne atteintes pendant la période précédant la formation de l'arc sont très réduites par rapport à celles obtenues quand aucun arc ne se produit avant que les soupapes aient perdu leur pouvoir de limitation du courant.
Le danger de pressions explosives obtenues avant d'avoir pu transporter l' arc à l'extérieur de l'enveloppe est pratiquement éliminé.
Il est clair que l'invention procure un parafoudre à soupapes sérieusement protégé contre le risque de bris ou d'explosion de l'envelop- pe dans le cas de la mise hors service du parafoudre pour un motif quelcon- que.
Quoiqu'on ait décrit et représenté une forme d'exécution déter- minée de l'invention à titre d'exemple, il est évident que l'invention n'est pas limitée à celle-ci mais que de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre de l'invention.
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SURGE PROTECTOR.
The present invention relates to lightning arresters and more particularly to a means of preventing the breakage or explosion of valve arresters in the event of the arresters being taken out of service for any reason.
Surge arresters of the valve type consist in principle of a series of spark gaps and a series of valves formed by resistive elements or blocks, connected in series in a casing. The spark gaps normally isolate the surge arrester from the line to which it is connected, but they discharge during overvoltages such as overvoltage due to lightning, to allow the latter to flow to earth through valves. which, under excessive voltage, exhibit very low resistance and allow a low discharge voltage. After the overvoltage has elapsed, the valves, thanks to their variable resistance characteristic, reduce to little the residual current due to the normal voltage of the network, current which can then be easily interrupted by the spark gaps in series.
When surge arresters of this kind operate normally, no gas is produced and the casing can be hermetically sealed to prevent the introduction of humidity, which is very detrimental to the electrical behavior of the valves and spark gaps. If, however, after an overvoltage has elapsed, the surge arrester fails to interrupt the residual current of the network, for any reason whatsoever and the valves lose their ability to limit the current, the surge arrester is crossed by the total short-circuit current. of the network to which it is connected. This results in excessive heating of the elements of the arrester, the combination and arcs which produce a large quantity of gas inside the casing by volatilization of the materials of the arrester.
As the casing is hermetically sealed, the production of large quantities of gas at high temperature causes the pressure in the casing to build up very quickly which can cause the porce to break.
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wool with explosive force and thus endanger nearby equipment and operators.
In the US patent application? 99.122 of March 8, 1950 from the Westinghouse Electric Corporation claims and describes a construction preventing such explosions in the event of the shutdown of a valve arrester.
In this type of surge arrester the pressure of the gas inside, acting axially, is used to break membranes which block the ends of the casing and thus bleed the gas in the casing so as to reduce the pressure. pressure., and devices are provided for directing the gases which escape at both ends to meet each other, in order to produce an external arc, thus transporting the internal arc towards the outside of the arrester and stopping any additional gas production inside the enclosure. This type of surge arrester has proved to be quite satisfactory, but it has been found that under certain conditions it is impossible to transport the arc outside the enclosure quickly enough to prevent the pressure. achieves explosive force.
. This occurs when the surge arrester elements are already at high temperature when the short-circuit current begins to flow, a possible eventuality.
The pressure inside the casing, caused by the formation and heating of the internal gases, depends on the arcing energy available when the short-circuit current passes through the surge arrester. Arc energy is transformed in several ways, in heat and in the chemical transformation of solids of the arrester, transformation of solids into gas, heating of gases, etc. The last three effects mentioned are involved in the production of explosive pressures. If the arrester is relatively cool when the short-circuit current begins to flow to earth, a large part is first dissipated by heating the solids of the arrester, while the rest of the energy heats the air. or gases present in the casing, which increases the pressure.
If, on the other hand, the materials of the surge arrester are already very hot when the short-circuit current begins to flow, most of the arc energy is used to volatilize the solids and to heat the gases thus obtained, and the pressure is building up much faster. The rate at which the pressure increases, once the short-circuit current has been established, therefore depends on the proportion of arcing energy used on the one hand to heat the solids and on the other hand to produce and heat up the gases, that is, it is determined by whether the arrester is already hot or not.
The change from normal residual current to short-circuit current due to the arresting of the surge arrester does not necessarily occur suddenly. It may be that the arrester is unable to interrupt the current while maintaining its characteristics as a valve or variable resistance.
In this case the current continues to flow after discharge of the overvoltage, but its intensity is limited by the resistance of the valves. This current evenly heats the valves until they lose their valve characteristics and allow full short circuit current to pass.
This heating takes an appreciable time, up to one minute, and the valves can reach a temperature of the order of 800 ° C. before losing their valve characteristics.
The valves are then very hot before the short-circuit current is established and most of the energy is immediately used to volatilize the solids and heat the gases, so that the pressure inside of the envelope rises extremely quickly.
The possibility of transporting the inner arc to the outside of the casing, as described in the above application, depends on the ability of the columns of gas exiting at the two ends to meet.
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counter and produce an external discharge before the internal pressure of the gas has reached the rupture voltage of the envelope. The speed of the gases has a well-defined limit and therefore the minimum time necessary for the production of an external arc can be determined with precision for an envelope of a given length. If the pressure increases rapidly inside the envelope, it is therefore evident that with a small variation in this rate of increase, one can pass from the case where the explosion is avoided to the case where it is impossible to avoid the explosion.
If the surge arrester is greatly heated by the uninterrupted flow of current before establishing the short-circuit current, the arc may not always be transported outside the enclosure with sufficient rapidity to avoid explosion of the surge arrester as designed in the above application.
The main object of the present invention is therefore to provide a valve arrester which does not break or explode in the event of its being taken out of service for any reason and whatever the conditions inside the arrester.
Another object of the invention is to provide: a valve surge arrester comprising a device for releasing the internal pressure of the gas and a device for conveying an internal arc to the outside, and in which means are provided to be protected. - ensure that the arc is transported outside before an explosion is possible under all conditions, as soon as the residual current does not stop after a discharge and it is obvious that the surge arrester will be powerless to maintain the residual current control.
- a valve arrester comprising fusible parts, preferably discs of a low-melting point metal interposed between the valves, which melt and cause valve bypass rupture in response to excessive heating of the valves, and an arrangement. Ventilation tif of the envelope to release the internal pressure of the gas and cause an external discharge so as to carry the internal arc to the exterior of the envelope.
Other objects and advantages of the invention will become apparent from the detailed description given below with reference to the accompanying drawing.
Figure 1 is a vertical section of a surge arrester according to the invention, taken approximately along line 1-1 of Figure 2.
Figure 2 is a cross section approximately taken along line II-II of Figure 1; Figure 3 is a front view of a complete station surge arrester.
The embodiment of the invention shown consists of a valve arrester as used in high voltage technique in stations, but it is obvious that the invention is not limited to this defined type of surge arrester. . Figure 1 shows a part of a multiple station surge arrester, in detail. The elementary surge arrester is contained in a hollow porcelain casing of generally cylindrical or tubular shape and comprises several valves in the form of elements or blocks with variable resistance 2 and a spark gap assembly 3 connected in series in a vertical column to the l 'inside the envelope 1.
In the embodiment shown, the valve column is divided into two parts separated by the spark gap assembly 3, but it is understood that any other suitable arrangement can be used.
The valves 2 can be constructed of any suitable resistive material having non-linear valve characteristics, i.e. a material which has very high resistance or is semiconductor under normal voltage, and whose resistance decreases sharply. under high voltages so that the. overvoltage can discharge at the terminals of the
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lightning arrester with a low discharge voltage, and the resistance of which is readjusted after discharge so as to reduce the residual network current to a low value that the spark gap assembly 3 easily interrupts at the first zero currenta Blocks 2 are preferably made of granular silicon carbide mixed with a suitable binder such as sodium silicate,
molded and fired in the shape and size desired.
A conductive contact film of zinc or copper is preferably applied to the end surfaces of each block to facilitate electrical contact with the valve, and the side walls of the valve may be covered with a film. insulating. Such valves are well known and it will be understood that any suitable type of valve or non-linear resistance member can be used.
The spark gap assembly 3 is shown in the form of a hermetic porcelain tube 4 containing several spark gaps. The spark gaps are formed by a series of metal electrodes 5 separated by annular spacers 6 of high resistance or of insulating material. The spark gaps are assembled in a column in the porcelain tube 4 and the ends thereof are closed by metal end caps 7 sealed to the tube in any suitable way, for example by welding them to a metal glaze on the tube .
The spark gap column rests on the lower end cap 7 and a compression spring 8 is interposed between the top of the spark gap column and the upper end cap 7, in order to properly hold the spark gap and ensure good electrical contact between these and the top end cap.
The casing 1 of the elementary surge arrester is closed at the top and bottom by metal end closure plates 9 provided with relatively thin or breakable membranes 10 constituting the seal of the casing 1. Gaskets 11 are interposed between the plates 9. and the ends of the envelope to provide a substantially airtight seal of the envelope against moisture.
As described in the aforementioned application, metal spacers 12 are interposed between the top and the bottom of the column of arrester elements and the adjacent membranes 10, and elastic plates 13 separate the spacers 12 and the ends of the arrester. the column so as to keep the arrester elements in place and to ensure by pressure a good electrical contact between the elements of the arrester and also to keep the spacers 12 in good contact with the membranes 10.
If desired or required, the bottom of the column of arrester elements may include a conductive spacer 14. Each end spacer 12 is provided with axial extensions 15 which contact the adjacent membrane and each of them. these spacers may have a central protuberance 29 normally spaced from the membrane but capable of coming into contact with the latter when a strong axial pressure is applied to the spacer, as explained in more detail in the aforementioned application.
Identical end castings 16 are placed on the top and bottom of the casing and secured thereto by cement, as indicated at 17, or in any suitable manner. The end pieces 16 have a generally annular shape and the closure plates 9 are fixed thereto by means of bolts 18. Each end piece 16 is provided with a protuberance or extension 19 located on one side and comprising a opening or axial passage 20 communicating with the central part of the end piece directly above the membrane 10.
A rim 21 closes the end of the passage 20
The end pieces 16 of adjacent surge arresters are bolted together by means of bolts 22 passing through openings made in lugs 23 distributed around the perimeter of the end pieces, so as to mechanically and electrically join two adjacent surge arresters.
End pieces 16 have inner annular shoulders to which a circular plate or baffle 24 or other device for deflecting the expelled gases is attached. Each chicane 24 is tight between the parts
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ends of a surge arrester assembly in order to prevent the gases escaping from one end of a surge arrester from entering the end of the neighboring surge arrester, and to deflect the gases expelled towards the opening 20 of the protrusion 19. The upper end piece 16 of the upper surge arrester of a multiple surge arrester assembly, as shown in FIG. 3, is closed by a round plate 25 held by a top casting 26 provided with the terminals. required connection 27 reported or a visit.
The bottom of the lower surge arrester is closed by a similar plate held by a base 28 of any suitable construction on which the surge arrester is placed.
The surge arrester as described so far operates in the same way as that of the aforementioned application. When the surge arrester is unable to interrupt the residual current after the discharge of an overvoltage, for any reason, for example an abnormally high overvoltage due to lightning, or the application of a Non-static voltage exceeding the limits of the arrester, the full short-circuit current will flow through the arrester, with valve bypass arcs and frequently the breakdown of some or all of the valves. The gases produced very quickly cause a strong pressure inside the casing, pressure applied axially against the two end spacers 12 of the column of arrester elements and therefore against the membranes 10.
This exaggerated axial pressure breaks the membranes 10 under the effect of the spacers 12, which allows the gases to escape and the pressure to be released inside the casing 1.
The gas escaping from each end of each arrester is directed by the corresponding baffle in the extension 19 of the end piece 16 from which the gas is sent in a jet concentrated on the gas coming from the other end. the same surge arrester. The extensions of the end pieces of the two ends of the same arrester are placed in the axes of one another, so that the two jets of hot ionized gas escaping from the arrester meet and cause an external discharge. very quickly after the membranes rupture, thus carrying the current outside the arrester, which stops the production of gas inside the casing and prevents the development of dangerous internal pressures.
As has been explained, however, it may occasionally happen that the surge arrester is unable to interrupt the residual current after a discharge without immediately losing its valve power; under these conditions, a current less than the short-circuit current flows continuously through the valves 2 and this for a relatively long time.
This situation can last for up to a minute and the valves are heated to extremely high temperatures, up to 800 C, before they lose their current limiting characteristic completely and allow the full short circuit current to pass through the network. When the valves then lose their current limiting power, the sudden increase in energy causes almost instantaneous volatilization of much of the heated valve material and an extremely rapid increase in pressure.
The timely intervention of the shnntage arc on the outside of the porcelain casing 1 depends on the possibility of the expelled and deflected gases joining together before the internal pressure of the gases exceeds. is the breaking voltage of the envelope. The speed of the gases expelled is precisely limited to the speed of sound and it is therefore possible to determine exactly the shortest possible time during which the gases can meet, for a given envelope length.
For example., With a three-foot (one meter) long surge arrester? the time required to achieve an external arc is approximately 40% of the time that a 60 cycle current takes to go from zero to the symmetrical peak value, even without the baffles deflecting the expelled gases towards each other in view of an external arc, the rate of increase of the pressure inside the envelope is
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of the same order of magnitude as the rate of increase of the current. It is therefore evident that one can be in a critical situation even because of a slight delay in the rupture of the membranes 10 and in the ventilation of the interior of the porcelain casing 1, or by a slight delay in the outer arc or a small change in the rate of gas production inside the envelope.
According to the present invention, the explosion of the casing 1 is avoided under the aforementioned conditions, by using a means of producing a bypass arc around the valves when the residual current is not interrupted, as soon as it occurs. It is obvious that the arrester is unable to reduce or interrupt the current. For this purpose the valves 2 of the discs 29 are placed in a fusible material, such as lead or another low-melting point metal, or another thermal device is provided which causes a deliberate fault or a short-circuit in a part of it. the discharge path inside the envelope 1.
The low melting point discs 29 have no effect on the normal operation of the arrester, but if the residual current is not interrupted after a discharge and if the valves 2 heat up above their normal temperatures. discharge., the discs 29 melt and the molten metal from the discs flows over the edges of the valves and causes bypass arcs around the valves inside the arrester casing, which produces a network arc at the inside the envelope. The melting point of the discs 29 will be reached long before the valves are hot enough to lose their current limiting power, so that the valve material does not reach the extremely high temperature that would otherwise be achieved.
As soon as an arc occurs between the casing wall and the valves, the interior air heats up and its pressure rapidly increases to such an extent that the membranes 10 rupture. The pressure of the internal gas continues to rise, but the rate of rise will be much slower than in the case of gases produced by the more or less abrupt volatilization of very hot valve materials. Gas escaping through ruptured membranes can cause an external discharge and carry the arc out of the enclosure before the internal pressure reaches a dangerous value.
Tests have shown that the time elapsing between the moment when the surge arrester is out of service and the production of a network arc inside the enclosure can be reduced by a ratio of one to eight by the time. use of fusible discs 29.
It is therefore clear that the temperature of the valves and the internal pressure reached during the period preceding the formation of the arc are very reduced compared to those obtained when no arcing occurs before the valves have lost their current limiting power. .
The danger of explosive pressures obtained before the arc can be transported outside the envelope is practically eliminated.
It is clear that the invention provides a valve arrester seriously protected against the risk of breakage or explosion of the casing in the event of the arrester being taken out of service for any reason.
Although a particular embodiment of the invention has been described and shown by way of example, it is evident that the invention is not limited thereto but that numerous modifications can be made thereto. without departing from the scope of the invention.
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