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La présente invention concerne les dispositifs de protection, et plus spécialement un dispositif économique pour la protection des condensa- teurs série contre les surtensions.
On utilise fréquemment des condensateurs en série dans les réseaux de distribution pour neutraliser partiellement ou totalement l'impédance du circuit, de manière à améliorer la régulation de la tension. Comme ces con- densateurs sont mis en série dans la ligne et sont traversés par le courant de ligne, la tension aux bornes du condensateur est proportionnelle au cou- rant de ligne et cette tension peut atteindre des valeurs très élevées en cas de courts-circuits sur la ligne. Il n'est pas possible, en pratique, d'utiliser des condensateurs capables de résister à la tension maximum à laquelle ils pourraient être soumis en cas- de défauts dans la ligne, à cause du coût exagéré de tels condensateurs, et il faut donc prévoir un moyen de protection contre les surtensions.
Comme le condensateur doit ê- tre protégé instantanément à l'apparition d'une surtension, c'est-à-dire durant la première demi-période du courant de court-circuit, on utilise habituellement des éclateurs qui court-circuitent les condensateurs.
Les condensateurs série utilisés dans les lignes de transport de courant chaule)tension, et les groupes relativement importants de con- densateurs série utilisés dans les réseaux de distribution sont habituelle- ment protégés par des éclateurs mis en parallèle sur les condensateurs et pourvus d'extincteurs d'arc qui interviennent au moment voulu pour remettre les condensateurs en série ou de dispositifs de court-cirouitage de l'écla- teur servant à laisser s'éteindre l'arc et d'interruption subséquente du dispositif de court-circuitage pour remettre le condensateur en service.
Ces dispositifs de protection sont relativement coûteux et ne peuvent pas, de ce fait, être utilisés pour protéger des petits condensa- teurs série à basse tension comme on en utilise sur les lignes de distribu- tion à basse tension. Par exemple , il est souvent utile de mettre un con- densateur en série dans le primaire d'un transformateur de sous-station ali- mentant un circuit de distribution dans un quartier habité, afin d'éviter les variations de tension dues au démarrage de moteurs connectés côté basse tension. On peut utiliser, à cet effet, un ou plusieurs condensateurs basse tension ,230 volts par exemple, connectés en série avec le primaire du transformateur.
Une installation de ce genre étant relativement peu coû- teuse, il n'est évidemment pas économique d'utiliser les dispositifs compli- qués et coûteux qui protègent les gros groupes de condensateurs série pour protéger ces petits condensateurs basse tension, le coût du dispositif de protection étant disproportionné par rapport au coût des condensateurs mêmes. C'est pourquoi il a été jugé impossible jusqu'ici de protéger les petits condensateurs série basse tension, quoique cela soit très désirable dans de nombreux cas.
La présente invention a pour but principal de procurer un disposi- tif sûr et économique pour la protection de condensateurs série relative- ment petits.
L'invention a aussi pour but de procurer un dispositif de protec- tion de condensateurs série qui établisse, da façon sûre, un court-circuit du condensateur à l'apparition d'une surtension déterminée et qui soit capable de laisser passer sans interruption le courant de ligne jusqu'à remplacement ou remise en état du dispositif de protection.
L'invention consiste en un dispositif de protection de condensa- teur série comprenant une paire de contacts mobiles l'un par rapport à l'autre et poussés l'un vers l'autre mais normalement écartés par un inter- calaire contenant un éclateur, et un moyen répondant au passage du courant
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dans l'éclateur et permettant aux contacts de se toucher lorsqu'un arc s' établit dans l'éclateur.
L'invention ressortira clairement de la description détaillée de deux formes d'exécution représentées} à titre d'exemple, au dessin anne- xé,dans lequel
La figure 1 est une coupe longitudinale d'une forme d'exécution de l'invention donnée à titre d'exemple.
La figure 2 est une vue de face du dispositif de protection mon- té sur un condensateur ,et la figure 3 est une coupe longitudinale d'une autre forme d'exé- cution de l'invention.
La figure 1 du dessin montre un dispositif de protection 1 suivant l'invention destiné à protéger des condensateurs à tension relativement basse. Le dispositif de protection 1 est enfermé dans un boitier isolant tubulaire 2 en fibre ou autre matière isolante convenable résistant aux intempéries et ayant une rigidité mécanique ..suffisante. L'extrémité supérieure du boitier 2 est fermée par un capot métallique 3 qui peut être vissé dans le boitier en fibre 2 et est pourvu d'une vis-borne 4. Une pièce de contact métallique 5 est vissée dans le boitier 2, à son extrémité in- férieure, de façon à obturer cele-ci. La pièce de contact 5 pénètre dans le boitier 2 et est pourvue d'une ouverture centrale 6 et d'une surface annulaire de contact 7. Une vis -borne 8 peut être piquée sur le côté de la pièce de contact 5.
Une pièce de contact mobile est prévue à l'intérieur du boitier 2. La pièce de contact mobile se compose d'un cylindre de contact en cuivre 9 fermé, à son extrémité supérieure, par une plaque de cuivre 10. Le con- tact mobile 9, monté à l'intérieur du boitier, est associé au contact fixe 5, et un ressort de compression 11 est serré entre la plaque 10 du contact mobile et la face intérieure du capot 3, de manière à repousser le contact 9 dans la direction du contact fixe 5 et à fermer le circuit en- tre les bornes 4 et 8. Un shunt 12 relie, de préférence, le capot 3 à la plaque 10, afin que le ressort 11 ne soit pas traversé par le courant.
Les contacts 9 et 5 sont poussés l'un vers l'autre par le ressort 11, mais ils restent normalement écartés sous l'effet d'un intercalaire mon- té à l'intérieur du boitier 2. L'intercalaire contient un éclateur 13 et un support 14 fixé sur la pièce de contact fixe 5. L'éclateur 13 peut être de tout type convenable pouvant être réglé avec précision pour une tension de rupture relativement basse, et est représenté sous la forme d'un écla- teur scellé à basse pression L'éclateur 13 peut se composer par exemple d'électrodes espacées 15 enfermées dans une enveloppe de verre 16, les extrémités des électrodes traversant l'enveloppe et étant scellées au ver- re.
Un éclateur de ce type peut être vidé de son air et rempli avec un gaz inerte, la pression du gaz et la distance entre électrodes étant réglées de façon à obtenir la tension de rupture voulue, qui doit être de l'ordre de deux et demi fois la tension de service du condensateur à protéger.
L'éclateur 13 est placé à l'intérieur du contact mobile 9, avec son électrode supérieure en contact avec la plaque 10. L'électrode inférieu- re de l'éclateur est prolongée par une tige 17 qui traverse une rondelle de centrage en fibre 18 faisant partie de la pièce de contact mobile et vient toucher le support 14. Ce dernier consiste,de préférence , en une rondelle de matière résistive et est logé dans l'ouverture centrale 6 de la pièce de contact fixe 5. La pièce support résistive 14 est représentée serrée contre un épaulement de l'ouverture centrale 6 par un anneau de fixation
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19 vissé dans la pièce de contact 5. Une rondelle de centrage en fibre 55, percée d'un trou central, peut être prévue au sommet de la pièce de contact
5, pour guider la tige d'électrode 17 dans ses mouvements.
Le support 14 est,de préférence, une pièce résistive qui est nor- malement à l'état solide et présente une rigidité mécanique suffisante pour résister à la pression du ressort 11, mais qui peut céder ou perdre sa ré- sistance mécanique sous l'effet du passage de courant électrique. La pièce résistive 14 peut, par exemple être faite en matière thermoplastique chargée d'une quantité convenable de fins grains métalliques donnant, à la matière, la conductibilité voulue.La pièce résistive 14 consiste ,de préférence , en polystyrène moulé chargé d'une quantité relativement grarde de fine pou- dre d'aluminium. Une rondelle de ce genre a une conductibilité suffisante pour laisser passer le courant de court-circuit et protéger le condensateur.
Au passage du courant, la rondelle se ramollit très rapidement ou perd sa rigidité ou sa solidité mécanique de façon à céder, ou bien elle éclate si le courant est suffisamment important. Dans les conditions normales de tra- vail, quand aucun courant ne la traverse, la pièce résistive 14 est solide et suffisamment résistantemécaniquement pour maintenir 11 éclateur 13 dans la position représentée, de sorte que l'éclateur et la pièce résistive agisL sent comme un intercalaire qui maintient les pièces de contact 5 et 9 écartées contre l'effort du ressort 11. Il va de soi que, malgré qu'une matière préférée déterminée ait été indiquée pour la pièce 14, on peut utiliser d' autres matières convenables pouvant céder ou se ramollir sous l'effet du passage de courant dans l'éclateur.
A l'utilisation , le dispositif de protection 1 est mis directe-- ment aux bornes d'un condensateur 20 qu'il doit protéger. Le condensateur 20 est représenté connecté en série dans une ligne 21 qui peut consister, par exemple, en une ligne de distribution à tension relativement basse, le condensateur 20 pouvant lui-même être un relativement petit condensateur à basse tension. Comme le dispositif de protection 1 est de petite dimen- sion, il peut être facilement monté sur le condensateur lui-même, si on le désire. Ainsi que la figure 2 le montre, le dispositif de protection 1 peut être fixé directement aux bornes 22 du condensateur 20, à l'aide de pattes en cuivre 23 solidaires des bornes 22 et venant en contact avec les vis- bornes 4 et 8 du dispositif de protection , celui-ci étant ainsi monté di- rectement aux bornes du condensateur.
Des serrer-câble 24 de tout type con- venable peuvent être prévus sur les bornes 4 et 8 pour connecter les conduc- teurs de ligne.
En fonctionnement normal, les pièces de contact 5 et 9 du dispo- sitif de protection 1 sont maintenues écartées, comme précité et représen- té à la figure 1, et le condensateur protégé est directement en série dans la ligne. Dans le cas d'un court-circuit ou d'un courant exagéré dans la ligne 21, qui fait apparaître, aux bornes du condensateur, une différence de potentiel supérieure à la tension de rupture de l'éclateur 13, un arc @ se produit dans ce dernier et court-circuite le condensateur, protégeant celui-ci contre la surtension. Du courant circule alors de la borne-vis 4, à travers l'éclateur 13 et la pièce résistive 14, à la borne-vis 8.
Le cou- rant traversant la pièce résistive 14 ainsi que probablement l'échauffement dû à la résistance de contact entre la tige d'électrode et la pièce résis- tive font que cette dernière perd rapidement sa rigidité mécanique et cède ou éclate même, et la tige d'électrode 17 perce rapidement et facilement la pièce résistive 14 sous la force du ressort 11, de sorte que le contact 9 vient toucher le contact fixe 5 et établit un circuit de by-pass du con- densateur 20 de façon à protéger celui-ci et à court-circuiter simultanément l'éclateur 13 afin d'éteindre l'arc. La tige d'électride 17 traverse l'ouver-
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ture centrale 6 de la pièce de contact 5 et dépasse du fond du dispositif de protection, ce qui constitue une indication sûre et aisée de ce que le dispositif de protection a fonctionné.
Il faut noter que lorsqu'un arc s'est établi dans l'éclateur 13, le circuit de by-pass n'est pas interrompu pendantle fonctionnement du dis- positif de protection, puisque du courant circule sans interruption dans l'éclateur et la pièce résistive 14 jusqu'au moment où les pièces de contact 5 et 9 se touchent, le courant passant ensuite par les contacts sans s'inter- rompre. Ceci est une particularité importante de l'invention, puisqu'ainsi le condensateur est continuellement protégé dès établissement de l'arc.
Les caractéristiques de la pièce réistive 14 sont telles qu'elle cède ou éclate très rapidement pour des forts courants de court-circuit, pro- tégeant le condensateur en une petite fraction de seconde et empêchant la destruction de l'éclateur. Pour des courants plus faibles, la pièce résis- tive cède plus lentement, de sorte que le dispositif a des caractéristiques inverses de temps intéressantes, ne fonctionnant pas pour des surtensions transitoires modérées de courte durée qui ne mettent pas le condensateur en danger.
Après fonctionnement du dispositif, le condensateur est évidemment court-circuité par le dispositif da protection, les pièces de contact de ce dernier étant capables de véhiculer le courant de ligne de façon inin- terrompue. Pour remettre le condensateur en service, le dispositif de pro- tection 1 doit être remplacé ou remis en étata Le dispositif est facilement et rapidement remis en état en enlevant l'anneau de fixation 19 vissé dans la pièce de contact 5. Les restes de la pièce résistive 14 sont enlevés, on remet une nouvelle pièce résistive et on revisse l'anneau 19 dans la piè- ce de contact 5, formant ainsi l'éclateur 13 et l'électrode mobile 9 à repren- dre leur position originale représentée à la figure 1. Le dispositif est ain- si prêt à être réutilisé.
La description qui précède montre que l'invention procure un dis- positif de protection simple et économique convenant à la protection de condensateurs relativement petits à basse tension, et permettant d'utiliser ceux-ci avec une protection sans que cela entraine une dépense exagérée.Le dispositif est relativement simple et peut fonctionner de nombreuses fois puisqu'on peut facilement le remettre en état en remplaçant simplement la petite pièce résistive 14 peu coûteuse.
Le dispositif de protection décrit ci-dessus est destiné à des condensateurs de tension relativement basse, par exemple les condensateurs à tension de service de 575 volts, et à des cas d'application où les cou- rants de court-circuit ne sont pas trop élevés. Pour des tensions et des courants de court-circuit plus élevés, on peut utiliser la forme d'exécu- tion représentée à la figure 3. Le dispositif de protection 25 représenté à la figure 3 convient pour la protection de condensateurs à tensions de service relativement élevées, jusqu'à 4.160 volts, et pouvant laisser passer des courants de court-circuit de plusieurs milliers d'ampères.
Le dispositif de protection 25 est enfermé dans une enveloppe isolante 26, de préférence en porcelaine, quoiqu'on puisse aussi utiliser d'autres matières isolantes solides et résistantes aux intempéries. L'extré- mité supérieure 26 est fermée par un caôt en métal coulé 27 qui peut être cimenté à l'enveloppe 26, comme représenté en 28. Une borne filetée 29 est fixée sur le capot supérieur 27 et peut être pourvue d'un serre-câble conve- nable 30.
Une pièce annulaire coulée inférieure 31 est fixée sur le fond de l'enveloppe 26, de préférence par cimentage comme indiqué en 32, et le fond de l'enveloppe 26 est obturé par une plaque métallique 33 qui peut
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être boulonnée ou autrement fixée à la pièce coulée de fond 31. La plaque de fond 33 a une ouverture centrale et sert de pièce de contact fixe. Une borne filetée 34 pourvue d'un serre-câble 35 est montée sur la plaque 33.
Une pièce de contact mobile est montée à l'intérieur de l'envelop- pe 26.Le contact mobile est représenté sous la forme d'un tube de cuivre 36 qui peut être pourvu, à son extrémité inférieure, d'une bague de contact 37.
L'extrémité supérieure du contact tubulaire 36 est fermée par une plaque de cuivre supérieure 38, et un ressort de compression 39, compris entre la plaque supérieure 38 et la face intérieure du capot coulé 27, repousse le contact mobile dans la direction de la plaque de contact fixe 33. De préférence, un shunt 40 relie la plaque 38 au capot coulé 27 Une pièce de guidage en fibre 41 peut être attachas au capot coulé 27 et un têton de guidage 42, monté sur la plaque supérieure 39,s'introduit dans un trou cen- tral pratiqué dans la pièce de guidage 41 afin de guider le mouvement de la pièce de contact mobile 36.
Les pièces de contact 36 et 33 sont normalement maintenues écar- tées dans la position représentée au dessin, par un intercalaire qui con- tient un éclateur 43 et un support ou pièce résistive 44. L'éclateur 43 est disposé à l'intérieur de la pièce de contact mobile 36 et comprend une élec- trode supérieure 45 et une électrode inférieure 46, les deux électrodes étant faites,de préférence, de graphite. L'électrode supérieure 45 peut a- voir la forme d'une cuvette renversée, uomme représenté, et est montée sur ou fixée, de façon conductrice, à la plaque 38. Un tube en fibre 47 est fi- xé à la plaque 38 et entoure l'électrode 45 de façon à enfermer l'éclateur .et à porter l'électrode inférieure 46.
Celle-ci est montée dans un porte-é- lent,rode métal'.ique 48 vissé dans une plaque support 49 fixée au fond dur tube isolant 47. La position du porte-électrode 48 peut être réglée de façon à varier l'écartement des électrodes 45 et 46 et donc la tension de rupture de l'éclateur, en vissant plus ou moins profondément le porte-électrode 48 dans la plaque 49, un éorou de blocage 50 étant prévu pour fixer l'élec- trode dans la position choisie.
Le porte-électrode 48 -est prolongé par une tige 51 qui vient toucher la pièce support 44Celle-ci consiste, de préférence, en une rondel- le de matière résistive faite, de préférence, de la même matière que la piè- ce résistive 14 précitée, de façon qu'elle ait les mêmes caractéristiques.
La pièce résistive 44 est montée sur la plaque de contact 33 et peut être maintenue dans une pièce de centrage 52 vissée dans l'ouverture centrale de le plaque 33 La pièce résistive 44 est bloquée par un anneau de fixation 53 vissée sur la pièce de centrage 52. Un tuve de guidage en fibre 54 peut aussi être logé dans la pièce de centrage 52, de façon à guider la tige d' électrode 51 dans ses mouvements axiaux-
Le fonctionnement de ce dispositif est essentiellement le même que celui du dispositif de protection de la figure 1 décrit précédemment.
Le dispositif de protection 25 est connecté directement aux bornes du conden- sateur à protéger et, dans les conditions normales , les pièces de contact 33 et 36 sont maintenues écartées par l'éclateur 43 qui pose sur le support ou pièce résistive 44. A l'apparition, aux bornes du condensateur ,d'une surtension dépassant la tension de rupture de l'éclateur 43, un arc s'établit et du courant circule, dans le dispositif, de la borne 29, par l'éclateur et la pièce résistive 44, à la borne 34.. Comme précité, la pièce résistive 44 perd très rapidement sa résistance mécanique et cède, de sorte que la tige d'électrode 51 perce la pièce résistive et le contact mobile 36 est amené contre le contact 33 par le ressort 39.
Un circuit de by-pass pro- tège ainsi le condensateur et court-circuite aussi l'éclateur 43 de façon à éteindre l'arc. La tige d'électroie 51 dépasse du fond du dispositif et
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ceci est une indication visible que le dispositif a fonctionné.
Après fonctionnement,le dispositif 25 est facilement remis en é- tat pour une nouvelle utilisation en'enlevant l'anneau de fixation 53, remettant une nouvelle pièce résistive 44 et replaçant l'anneau 53. Le fonctionnement et les avantages du dispositif de protection 25 sont donc les mêmes que ceux décrits relativement au dispositif de la figure 1, mais le dispositif 25 est pourvu d'un éclateur plus robuste pouvant être utili- sé avec des tensions et des courants de court-circuit plus élevés.
La description qui précède montre que l'invention procure un dis- positif de protection convenant pour protéger des condensateurs relativement petits à basse tension montés en série, à cause de son faible prix de re- vient et de sa simplicité.Ce dispositif permet donc d'utiliser des conden- sateurs série dans des petites installations où il n'était pas possible de les utiliser jusqu'ici du fait que les seuls dispositifs de protection disponibles jusqu'ici étaient trop coûteux.
REVENDICATIONS
1.- Dispositif de protection, de préférence pour la protection des condensateurs série contre les surtensions, comprenant une paire-de contacts mobiles l'un par rapport à l'autre, un moyen d'action poussant les contacts l'un vers l'autre, et un intercalaire maintenant les contacts nor- malement écartés, cet intercalaire contenant un éclateur et un moyen répon- dant au passage de courant dans l'éclateur pour permettre aux contacts de venir se toucher lorsqu'un arc s'établit dans l'éclateur.
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The present invention relates to protection devices, and more especially to an economical device for the protection of series capacitors against overvoltages.
Series capacitors are frequently used in distribution networks to partially or completely neutralize the impedance of the circuit, so as to improve voltage regulation. As these capacitors are placed in series in the line and are crossed by the line current, the voltage at the terminals of the capacitor is proportional to the line current and this voltage can reach very high values in the event of short circuits. on the line. It is not possible, in practice, to use capacitors capable of withstanding the maximum voltage to which they could be subjected in the event of faults in the line, because of the exaggerated cost of such capacitors, and it is therefore necessary provide a means of protection against overvoltages.
Since the capacitor must be protected instantaneously when an overvoltage occurs, ie during the first half-period of the short-circuit current, spark-gaps are usually used which short-circuit the capacitors.
Series capacitors used in low voltage current transmission lines, and relatively large groups of series capacitors used in distribution networks are usually protected by spark gaps in parallel with the capacitors and fitted with fire extinguishers. arcing which occur at the time required to put the capacitors back in series or bypassing devices of the spark-gap used to let the arc go out and subsequent interruption of the short-circuiting device to reset the circuit. capacitor in service.
These protection devices are relatively expensive and therefore cannot be used to protect small low voltage series capacitors such as are used on low voltage distribution lines. For example, it is often useful to put a capacitor in series in the primary of a substation transformer supplying a distribution circuit in an inhabited district, in order to avoid voltage variations due to the start of the station. motors connected on the low voltage side. One or more low voltage capacitors, 230 volts for example, connected in series with the primary of the transformer can be used for this purpose.
Since an installation of this type is relatively inexpensive, it is obviously not economical to use the complicated and expensive devices which protect the large groups of series capacitors to protect these small low voltage capacitors, the cost of the device. protection being disproportionate to the cost of the capacitors themselves. Therefore, it has heretofore been considered impossible to protect small low voltage series capacitors, although this is very desirable in many cases.
The main object of the present invention is to provide a safe and economical device for the protection of relatively small series capacitors.
Another object of the invention is to provide a device for protecting series capacitors which, in a safe manner, short-circuits the capacitor on the appearance of a determined overvoltage and which is capable of passing the voltage without interruption. line current until replacement or repair of the protection device.
The invention consists of a series capacitor protection device comprising a pair of contacts movable with respect to one another and pushed towards each other but normally separated by an insert containing a spark gap, and a means responding to the passage of the current
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spark gap and allowing the contacts to touch when an arc is established in the spark gap.
The invention will emerge clearly from the detailed description of two embodiments shown by way of example, in the accompanying drawing, in which
FIG. 1 is a longitudinal section of an embodiment of the invention given by way of example.
Figure 2 is a front view of the protective device mounted on a capacitor, and Figure 3 is a longitudinal section of another embodiment of the invention.
FIG. 1 of the drawing shows a protection device 1 according to the invention intended to protect relatively low voltage capacitors. The protection device 1 is enclosed in a tubular insulating box 2 made of fiber or other suitable insulating material resistant to weathering and having sufficient mechanical rigidity. The upper end of the box 2 is closed by a metal cover 3 which can be screwed into the fiber box 2 and is provided with a terminal screw 4. A metal contact piece 5 is screwed into the box 2, at its lower end, so as to close the latter. The contact piece 5 penetrates into the housing 2 and is provided with a central opening 6 and an annular contact surface 7. A lead screw 8 can be stitched on the side of the contact piece 5.
A movable contact part is provided inside the housing 2. The movable contact part consists of a copper contact cylinder 9 closed, at its upper end, by a copper plate 10. The movable contact 9, mounted inside the housing, is associated with the fixed contact 5, and a compression spring 11 is clamped between the plate 10 of the movable contact and the inner face of the cover 3, so as to push the contact 9 in the direction of the fixed contact 5 and to close the circuit between the terminals 4 and 8. A shunt 12 preferably connects the cover 3 to the plate 10, so that the spring 11 is not crossed by the current.
The contacts 9 and 5 are pushed towards each other by the spring 11, but they normally remain apart under the effect of a spacer mounted inside the housing 2. The spacer contains a spark gap 13 and a bracket 14 attached to the stationary contact piece 5. The spark gap 13 may be of any suitable type which can be precisely adjusted for a relatively low breakdown voltage, and is shown as a sealed spark gap. low pressure The spark gap 13 may consist, for example, of spaced apart electrodes 15 enclosed in a glass envelope 16, the ends of the electrodes passing through the envelope and being sealed to the glass.
A spark gap of this type can be emptied of its air and filled with an inert gas, the gas pressure and the distance between the electrodes being adjusted so as to obtain the desired breakdown voltage, which must be of the order of two and a half. times the operating voltage of the capacitor to be protected.
The spark gap 13 is placed inside the movable contact 9, with its upper electrode in contact with the plate 10. The lower electrode of the spark gap is extended by a rod 17 which passes through a fiber centering washer. 18 forming part of the movable contact piece and comes into contact with the support 14. The latter preferably consists of a washer of resistive material and is housed in the central opening 6 of the fixed contact piece 5. The resistive support piece 14 is shown clamped against a shoulder of the central opening 6 by a fixing ring
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19 screwed into the contact piece 5. A fiber centering washer 55, drilled with a central hole, can be provided at the top of the contact piece
5, to guide the electrode rod 17 in its movements.
The support 14 is preferably a resistive part which is normally in the solid state and has sufficient mechanical rigidity to withstand the pressure of the spring 11, but which can give or lose its mechanical strength under pressure. effect of the passage of electric current. The resistive part 14 can, for example be made of thermoplastic material charged with a suitable quantity of fine metal grains giving the material the desired conductivity. The resistive part 14 preferably consists of molded polystyrene charged with a quantity relatively thick with fine aluminum powder. Such a washer has sufficient conductivity to pass the short-circuit current and protect the capacitor.
In the passage of the current, the washer softens very quickly or loses its rigidity or its mechanical solidity so as to give way, or it bursts if the current is strong enough. Under normal working conditions, when no current is flowing through it, the resistive part 14 is strong and mechanically strong enough to hold the spark gap 13 in the position shown, so that the spark gap and the resistive piece act as an interlayer. which keeps the contact pieces 5 and 9 apart against the force of the spring 11. It goes without saying that, although a certain preferred material has been indicated for the piece 14, other suitable materials can be used which may yield or. soften under the effect of current passing through the spark gap.
In use, the protection device 1 is placed directly across a capacitor 20 which it is to protect. Capacitor 20 is shown connected in series in line 21 which may consist, for example, of a relatively low voltage distribution line, capacitor 20 itself being a relatively small low voltage capacitor. As the protection device 1 is small in size, it can be easily mounted on the capacitor itself, if desired. As FIG. 2 shows, the protection device 1 can be fixed directly to the terminals 22 of the capacitor 20, using copper lugs 23 integral with the terminals 22 and coming into contact with the terminal screws 4 and 8 of the protection device, the latter being thus mounted directly to the terminals of the capacitor.
Cable clamps 24 of any suitable type can be provided on terminals 4 and 8 to connect the line conductors.
In normal operation, the contact pieces 5 and 9 of the protection device 1 are kept apart, as mentioned above and shown in FIG. 1, and the protected capacitor is directly in series in the line. In the case of a short-circuit or an exaggerated current in line 21, which causes a potential difference to appear at the terminals of the capacitor greater than the breakdown voltage of spark gap 13, an arc @ occurs in the latter and short-circuits the capacitor, protecting it against overvoltage. Current then flows from the screw terminal 4, through the spark gap 13 and the resistive part 14, to the screw terminal 8.
The current passing through the resistive part 14 as well as probably the heating due to the contact resistance between the electrode rod and the resistive part cause the latter to quickly lose its mechanical rigidity and give or even burst, and the electrode rod 17 quickly and easily pierces the resistive part 14 under the force of the spring 11, so that the contact 9 touches the fixed contact 5 and establishes a bypass circuit of the capacitor 20 so as to protect it here and simultaneously short-circuit the spark gap 13 in order to extinguish the arc. Electride rod 17 passes through the opening
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central ture 6 of the contact piece 5 and protrudes from the bottom of the protective device, which is a safe and easy indication that the protective device has operated.
It should be noted that when an arc is established in the spark gap 13, the bypass circuit is not interrupted during the operation of the protection device, since current flows without interruption in the spark gap and the resistive piece 14 until the contact pieces 5 and 9 touch each other, the current then flowing through the contacts without being interrupted. This is an important feature of the invention, since thus the capacitor is continuously protected as soon as the arc is established.
The characteristics of the reistive part 14 are such that it gives way or bursts very quickly for strong short-circuit currents, protecting the capacitor in a small fraction of a second and preventing destruction of the spark gap. At lower currents, the resistive part yields more slowly, so the device has interesting inverse time characteristics, not operating for moderate short duration transient overvoltages which do not endanger the capacitor.
After operation of the device, the capacitor is obviously short-circuited by the protection device, the contact parts of the latter being capable of carrying the line current in an uninterrupted manner. To put the capacitor back into service, the protective device 1 must be replaced or repaired. The device is easily and quickly repaired by removing the retaining ring 19 screwed into the contact piece 5. The remains of the resistive part 14 are removed, a new resistive part is replaced and the ring 19 is screwed back into the contact part 5, thus forming the spark gap 13 and the movable electrode 9 to return to their original position shown in FIG. figure 1. The device is then ready for reuse.
The foregoing description shows that the invention provides a simple and economical protection device suitable for the protection of relatively small low voltage capacitors, and allowing the latter to be used with protection without incurring undue expense. The device is relatively simple and can operate many times since it can be easily repaired by simply replacing the small inexpensive resistive part 14.
The protection device described above is intended for relatively low voltage capacitors, for example capacitors with an operating voltage of 575 volts, and for applications where the short-circuit currents are not too high. high. For higher short-circuit voltages and currents, the embodiment shown in Figure 3 can be used. The protection device 25 shown in Figure 3 is suitable for the protection of capacitors at relatively high operating voltages. high, up to 4,160 volts, and capable of passing short-circuit currents of several thousand amperes.
The protective device 25 is enclosed in an insulating envelope 26, preferably of porcelain, although other strong and weather resistant insulating materials may also be used. The upper end 26 is closed by a cast metal cap 27 which can be cemented to the casing 26, as shown at 28. A threaded terminal 29 is attached to the top cover 27 and may be provided with a clamp. - suitable cable 30.
A lower annular cast part 31 is fixed to the bottom of the casing 26, preferably by cementing as indicated at 32, and the bottom of the casing 26 is closed by a metal plate 33 which can
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be bolted or otherwise secured to the bottom casting 31. The bottom plate 33 has a central opening and serves as a stationary contact piece. A threaded terminal 34 provided with a cable clamp 35 is mounted on the plate 33.
A movable contact piece is mounted inside the casing 26. The movable contact is shown as a copper tube 36 which may be provided at its lower end with a contact ring. 37.
The upper end of the tubular contact 36 is closed by an upper copper plate 38, and a compression spring 39, included between the upper plate 38 and the inner face of the cast cover 27, pushes the movable contact in the direction of the plate. of fixed contact 33. Preferably, a shunt 40 connects the plate 38 to the cast cover 27 A fiber guide piece 41 can be attached to the cast cover 27 and a guide pin 42, mounted on the upper plate 39, is inserted in a central hole made in the guide piece 41 in order to guide the movement of the movable contact piece 36.
The contact pieces 36 and 33 are normally kept apart in the position shown in the drawing, by a spacer which contains a spark gap 43 and a support or resistive part 44. The spark gap 43 is placed inside the gap. movable contact piece 36 and comprises an upper electrode 45 and a lower electrode 46, both electrodes preferably being made of graphite. The upper electrode 45 may be in the shape of an inverted cup, as shown, and is mounted on or conductively attached to plate 38. A fiber tube 47 is attached to plate 38 and surrounds the electrode 45 so as to enclose the spark gap. and to carry the lower electrode 46.
This is mounted in an electrode holder, metal rod 48 screwed into a support plate 49 fixed to the hard bottom of the insulating tube 47. The position of the electrode holder 48 can be adjusted so as to vary the spacing. electrodes 45 and 46 and therefore the breaking voltage of the spark gap, by screwing the electrode holder 48 more or less deeply into the plate 49, a blocking hole 50 being provided to fix the electrode in the chosen position .
The electrode holder 48 -is extended by a rod 51 which comes into contact with the support part 44 This consists, preferably, of a washer of resistive material made, preferably, of the same material as the resistive part 14 above, so that it has the same characteristics.
The resistive part 44 is mounted on the contact plate 33 and can be held in a centering part 52 screwed into the central opening of the plate 33 The resistive part 44 is blocked by a fixing ring 53 screwed onto the centering part 52. A fiber guide tube 54 can also be housed in the centering piece 52, so as to guide the electrode rod 51 in its axial movements.
The operation of this device is essentially the same as that of the protection device of FIG. 1 described above.
The protection device 25 is connected directly to the terminals of the capacitor to be protected and, under normal conditions, the contact parts 33 and 36 are kept apart by the spark gap 43 which rests on the support or resistive part 44. A l 'appearance, at the terminals of the capacitor, of an overvoltage exceeding the breaking voltage of spark gap 43, an arc is established and current flows, in the device, from terminal 29, through the spark gap and the resistive part 44, at terminal 34 .. As mentioned above, the resistive part 44 very quickly loses its mechanical strength and gives way, so that the electrode rod 51 pierces the resistive part and the movable contact 36 is brought against the contact 33 by the spring 39.
A bypass circuit thus protects the capacitor and also short-circuits spark gap 43 so as to extinguish the arc. The belt rod 51 protrudes from the bottom of the device and
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this is a visible indication that the device has worked.
After operation, the device 25 is easily restored for further use by removing the retaining ring 53, putting in a new resistive piece 44 and replacing the ring 53. The function and advantages of the protective device 25 are therefore the same as those described with respect to the device of FIG. 1, but the device 25 is provided with a more robust spark gap which can be used with higher voltages and short-circuit currents.
The foregoing description shows that the invention provides a suitable protection device for protecting relatively small low voltage capacitors connected in series, because of its low cost price and its simplicity. 'use series capacitors in small installations where it was not possible to use them heretofore because the only protection devices available heretofore were too expensive.
CLAIMS
1.- Protection device, preferably for the protection of series capacitors against overvoltages, comprising a pair of contacts movable relative to each other, an action means pushing the contacts towards one another. another, and a spacer maintaining the contacts normally apart, this spacer containing a spark gap and a means responding to the flow of current in the spark gap to allow the contacts to come into contact when an arc is established in the spark gap. spark gap.