CA1250916A - Isolateur electrique presentant une insensibilite amelioree a la pollution - Google Patents
Isolateur electrique presentant une insensibilite amelioree a la pollutionInfo
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Abstract
: Isolateur électrique présentant une insensibilité améliorée à la pollu-tion. Il comprend un corps en un matériau diélectrique choisi parmi le verre et la céramique comportant un revêtement semi-conducteur. Ce revêtement est constitué par un dépôt de céramique comprenant essentiellement de l'oxyde de zinc additionné d'au moins un oxyde métallique créant une non-linéarité dans la caractéristique tension-courant dudit oxyde de zinc, l'épaisseur dudit revêtement étant comprise entre 0,05 et 0,5 mm.
Description
Isolateur éleotri~ue ~esentant une insen~ibilité_améliorée à la pollu-tion L'invention ooncerne les isolateurs électriques pré~entant une insensibilité améliorée à la pollution et plu~ partioulièrement ceux dont les diélectriques sont en verre ou en poroslalne.
On sait que les pollution~ atmosphériques peuvent conduire, sur la sur~ace des i301ateurs~ à la formation de dépôt~ conducteurs.
La résistance électriquo au niveau de la couohe superficielle de l'isolateur n'étant pas uniforme, on constate en milieu humide, la pré-tO 3enoe de zones sèches en série avec des zones humide~.
Au nlveau de ces zone~ sèohes, il peut alor~ ~e produire des gradient3 de tension, bien plus élevés qu'au niveau des zones humides, et susceptibles d'atteindre le seuil de claquage dans l'air.
De plus lorqque l'étendue des zone3 ~èches atteint une oertaine proportion de la longueur de l'isolateur, il se produit alors un contour nement complet de oe dernier entra~nant un court-circuit pour le ré~eau et Ya mise hors service.
A~in de pallier ¢es inoonvénients, il a déJà été proposé 7 dan~ le brevet américain USP 3 795 499 pour les isol2teurs en poroelaine et dan3 le brevet anglais n 1 240 854 pour les isolateur~ organiques, de revêtir la surface du diélectrique par une ¢ouohe ssmi-oonductrice, de réqistivité ne variant pas eD ~onction ~u oourant, par 0xemple un émail semi-conducteur, de ~açon à Juxtapo~er à la oouche polluée de rési~ti-vité irrégulière une eouche sous-Jaoente de reqi~tivit~ constante a~in de ma~triser la répartition de potentiel le long de l'i~olateur.
Toutefois cette solution n'e~t pa3 pleinement satis~aisante.
En e~et, si le ¢ouran~ pa~sant dans la couche ~e~i-aonductrice n'est pas nettement supérieur à e81ui qui pasqe dans la couche polluée, la couche semi-conductrice ne joue pratiquement pas de rôle, car c'est la couche polluée qui fixe la répartition du potentiel, de façon irrégu-lière.
Par oontre, si le courant passant dans la couche 3emi-conductrice est nettement plus ~mportant que celui passant dans la couche polluée, les phénomènes résultant de la juxtaposition des zone~ sèches et des _ 2 - ~25~
, zo~e3 hu~ides ne peuvent se produire~ mai8 les perte~ d'énergle 90~t alors trop élevée~ pour que cette solution 34it économiquement accepta-bla. De plus, cette solutlon n'est pa~ fiable dan~ le temp~.
On e~t donc obligé d'adopter une solution de compromis~ qu~ n'e~t en ~ait ~ati ~ai~ante que pour les ca~ de pollution l~gère.
AU9 i, avec un revêtement semi-oonducteur de rési~tl~ité dæfinie , on ne peut, da~s les cas de pollution importante, qu'atténuer les dé~aut~
explicités ci-dessus mais non pas les supprimer.
La pré~ente invention perme* de remédier à ces inconvénierts.
Elle a pour obJet un i301ateur électriq~e pré~e~tant une in~en~ibilité a~él1orée à la pollution comprenant un corps en un maté-riau diélectrique oomportant un revêtement extérieur emi-conducteur~
caraotéri~é par le fait que , ledit matériau diélectrique étant choisi parmi le verre et la porcelaine, que lsdit revêtement est constitué par un dépôt de céramique comprenant essentiellement de 1'oxyde de zinc additionné d'au moins un oxyde métallique créant une non linéarité dans la oaractéristique tension-courant dudit oxYde de zino, telle que I = kV~ avec c~ compris entre 20 et 50, l'épals~eur dudlt re~8te-ment étant comprise entre 0,05 et O,5 mm.
A titre d~exemple, dans le reYêtem0nt conforme à l'invention, une variation de la densité de courant de l'ordre de 1 o6 corre-~pond une varlation du gradien~ de ten~lon voi3ine de 2. Le~ coe~rioients ~ et ~ sont caractéri~tiques du matériau et des dimension~ géométrlque~
(notamment ligne de fuite de l'isolateur~ épais~eur du reYêtement).
La teneur en oxyde de zinc dans le revetement e3t avantageu~ement ~upérieure à 90~.
Ledit oxyde metallique est choi~i avantageu3ement dan le groupe rormé par l'oxyde de bismuth, l'oxyde de manganese 9 1 ~ oxyde de cobalt, 1'oxyde de chrome, 1'oxyde d'antimoine~
La caractéri~tique particulière du revête~e~t à ba3e d'oxyde de ~inc utili~ée dans le cadre de la pré~ente invention e~t qu'il évite la formation locale d'arc~ au niveau des zone~ sèche~. La répartition du champ électrique à la ~urface de l'i~olateur est améliorée et on previent - ain~i l'arc de contournement.
Alnsi, en cas de pollution importante, compte tsnu de3 caractérij-tique~ électrique~ de la couche à base d'oxyde de zinc, lor~que l'inten-_ 3 ~ ~ ~ ~ V ~ ~ ~
sité augmente très fortement dans la couche d'oxyde de zinc, la ten~ion peut etre stabilisée au-des~ouq du seuil de contournement dans l'alr Dès que les troubles ré~ultant de la pollution diminuent, le cou-rant revient à une valeur trè~ faible ne créant pas de perte d'énergie sensible.
Ce ~onctionnement se retrouve en cas de pollution légère, entrai-nant alors un très faible courant dans les zones polluées ; le courant dans la couche super~icielle à base d'oxyde de zinc est également très ~aible, ne créant pas de perte d'énergie sensible.
D'autres caractéristiques de l'invention res30rtiront de la des-cription qui va suivre et du dessin annexé dans lequel :
La figure 1 repréqente sohématiquement en coupe partielle une partie d'un isolateur conPorme à l'invention.
La figure 2 eqt représentatlve des caractéristiques électriques de l'oxyde de zinc dopé entrant dans la constitution du revêtement con~orme à l'invention et d'un émail semi-conducteur utili~é selon l'art anté-rieur pour le revêtement des iqolateurs.
Sur la ~igure 1, on a représenté un tronçon 1 d'un iqolateur constitué par un a~semblage d'éléments isolants tel3 que 2. Chaque élé-ment 2 comprend substantiellement un diélectrique 3 en verre ou en por-celaine par exemple, muni d'un capot matallique 4 et d'une tige métal-lique de ~olidarisation 5 Selon l'irvention, le diélectrique 3 ast revêtu extérieurem0nt par une mince couohe 6 à base d'oxyde de zino dope par au moin~ un autre oxyde métallique.
La cou¢he 6 peut présenter une épaisseur comprise entre 0,05 et 0,5 mm.
On donnera ci-après, à titre illustrati~ et nullement limitatif, troiq exemple~ de composition d'une couche de revêtement -Pour 10 grammes de matériau de revêtement : -ler exemple ZnO 9,6682 g % en mole 99 Bi203 0,2796 8 % en mole 0,5 ~n2 0,0522 g ~ en mole 0,5 -_ 4 ~2S~
2ème exemple ZnO 9,1171 g ~ en mole 97,0 Bi203 0,2691 g ~ en mole 0~5 MnO2 0,0502 g % en mole 0,5 Co30~ 0,1391 g ~ en mole 0,5 Cr23 0,0878 g ~ en mole 0~5 Sb203 0,3367 g % en mole 3ème exemple ZnO 9,1171 g ~ en mole 97,0 Bi203 0,2691 g % en mole 0,5 MnO2 0,0502 g ~ en mole 0,5 3 4 0,1391 g ~ en mole 0,5 Cr203 0,0878 g S en mole 0,5 Sb23 0,3367 g ~ en mole Le mélange èst fritté à 1250C puis, pour 10 grammes de produit, on a~oute 0,5 mole de Bi203 (0,2691 g de Bi203).
La compo~ition et l'épaisseur de la couche de revêtement sont a~ustées en fonction des caraotéristiques électriques désirées pour ladite couche.
La forme de l'isolateur intervient egalement.
La mise en plaoe du revêtement à base d'oxyde de zinc peut être réalisée selon différenks prooédé~.
Alnsl, aveo un lsolateur comportant un diéleotrique en poroelalne, on commence par réaliser ledit diélectrique.
Le matériau destiné à constituer le revêtement e3t preparé ainsi :
Le mélange pulvérulent d'oxyde de zinc et des oxydes métallique~
additionnels est homogénéi~é et broyé, puis subit un préfrittage à l'air ambiant vers 700C pendant deux heures ; le mélange calciné est rebroyé.
De préférence on y incorpore ensuite un liant organique ; on sèche l'en-semble par des moyens conventiornels et on rebroie le mélange obtenu : la granulométrie est alor~ de l'ordre du micron.
La poudre est mise en forme, par exemple, par pro~ection ou par dépôt 90US vide, sous forme d'une couche ~ur la surface externe du ~25i(~
~ 5 --diéle¢trique. L'épaisseur de la couche est choi~ie ~uffisante pour être compatible avec les échau~fements qu'elle aura à ~ubir au oours du fonctionnement de l'isolateur et en fonction des caractéri tiques élec-triques recherchées.
De même, pour un isolateur en verre, le dépôt de la couche à base d'oxyde de zinc peut etre réalisé notamment par les techniques de dépot sous ~ide et de dépôt par pro~ection.
Sur la figure 2, on a porté en ordonnée le logarithme du gradient de tension E en kV/cm et en ab~ois~e le logarithme de ia densité de courant J en ampèreq/cm2.
Les mesures ant été faites à 25C. La courbe (A) est relative à un matériau répondant à la composition du premier exemple précité et la courbe ~B) à un émail semiconducteur utilisé 3elon l'art antérieur pour le revêtement d'un isolateur.
Comme on peut le constater très clairement sur la courbe (A), lorsque la densité de courant varie de 10 à 10 , c'est-à-dire dans un rapport 106, la tension ne varie même pas dans un rapport 2, alors que dans le cas de l'émail semi-oonducteur (courbe B) lorsque l'intensité
varie dans le rapport 10, la tension varie également dars le même rap-port 10.
Pour l'oxyde de zinc additionné d'oxydes métalliques, la courbe (A) répond à l'équation : I = k V ~ , étant compris entre 20 et 50.
Si de telles propriétés éleotriques ont dé~à été utilisées dans le domaine des para~oudres, il y a lieu de souliener que cette applioation di~Père totalement de celle déorite dans la présente demande et que le résultat3 observés dans le cas des parafoudres ne peuvent être tran~-posés aux isolateurs objet de la présente demande.
En effet, dan~ les parafoudres, l'intensité du courant qui traverse l'oxyde de zinc est très importante, supérieure à 1000 ampères et pouvant atteindre 30000 ampères, alors que dans l'ibolateur con~orme à l'invention, l'intensité se situe entre le milliampère et l'ampèra.
Il q'ensuit en particulier, que la section d'oxyde de zinc dopé
traversée dans un para~oudre est beaucoup plus importante que la section du revêtement de l'i~olateur conforme à l'invention.
5~
Dans le cas de l'isolateur conPorme à l'invention, l'action de la couohe à base d'oxyde de zinc e~t looale et se manifeste en plusieurs endroits selon des intervalles de temps a~sez oourts sans entra;ner l'interruption du service.
Par contre, dans les parafoudres 5 l'action est lnstantanée ; elle concerne la totalité du paraPoudre, qui est traversé entièrement, et entra~ne l'arrêt du service par ouverture de~ disjonoteurs de protection de la ligne.
Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode de réali sation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple, an particulier elle peut 3 ~ appliquer à des isolateurs du type ~upport ou d'autres types.
On sait que les pollution~ atmosphériques peuvent conduire, sur la sur~ace des i301ateurs~ à la formation de dépôt~ conducteurs.
La résistance électriquo au niveau de la couohe superficielle de l'isolateur n'étant pas uniforme, on constate en milieu humide, la pré-tO 3enoe de zones sèches en série avec des zones humide~.
Au nlveau de ces zone~ sèohes, il peut alor~ ~e produire des gradient3 de tension, bien plus élevés qu'au niveau des zones humides, et susceptibles d'atteindre le seuil de claquage dans l'air.
De plus lorqque l'étendue des zone3 ~èches atteint une oertaine proportion de la longueur de l'isolateur, il se produit alors un contour nement complet de oe dernier entra~nant un court-circuit pour le ré~eau et Ya mise hors service.
A~in de pallier ¢es inoonvénients, il a déJà été proposé 7 dan~ le brevet américain USP 3 795 499 pour les isol2teurs en poroelaine et dan3 le brevet anglais n 1 240 854 pour les isolateur~ organiques, de revêtir la surface du diélectrique par une ¢ouohe ssmi-oonductrice, de réqistivité ne variant pas eD ~onction ~u oourant, par 0xemple un émail semi-conducteur, de ~açon à Juxtapo~er à la oouche polluée de rési~ti-vité irrégulière une eouche sous-Jaoente de reqi~tivit~ constante a~in de ma~triser la répartition de potentiel le long de l'i~olateur.
Toutefois cette solution n'e~t pa3 pleinement satis~aisante.
En e~et, si le ¢ouran~ pa~sant dans la couche ~e~i-aonductrice n'est pas nettement supérieur à e81ui qui pasqe dans la couche polluée, la couche semi-conductrice ne joue pratiquement pas de rôle, car c'est la couche polluée qui fixe la répartition du potentiel, de façon irrégu-lière.
Par oontre, si le courant passant dans la couche 3emi-conductrice est nettement plus ~mportant que celui passant dans la couche polluée, les phénomènes résultant de la juxtaposition des zone~ sèches et des _ 2 - ~25~
, zo~e3 hu~ides ne peuvent se produire~ mai8 les perte~ d'énergle 90~t alors trop élevée~ pour que cette solution 34it économiquement accepta-bla. De plus, cette solutlon n'est pa~ fiable dan~ le temp~.
On e~t donc obligé d'adopter une solution de compromis~ qu~ n'e~t en ~ait ~ati ~ai~ante que pour les ca~ de pollution l~gère.
AU9 i, avec un revêtement semi-oonducteur de rési~tl~ité dæfinie , on ne peut, da~s les cas de pollution importante, qu'atténuer les dé~aut~
explicités ci-dessus mais non pas les supprimer.
La pré~ente invention perme* de remédier à ces inconvénierts.
Elle a pour obJet un i301ateur électriq~e pré~e~tant une in~en~ibilité a~él1orée à la pollution comprenant un corps en un maté-riau diélectrique oomportant un revêtement extérieur emi-conducteur~
caraotéri~é par le fait que , ledit matériau diélectrique étant choisi parmi le verre et la porcelaine, que lsdit revêtement est constitué par un dépôt de céramique comprenant essentiellement de 1'oxyde de zinc additionné d'au moins un oxyde métallique créant une non linéarité dans la oaractéristique tension-courant dudit oxYde de zino, telle que I = kV~ avec c~ compris entre 20 et 50, l'épals~eur dudlt re~8te-ment étant comprise entre 0,05 et O,5 mm.
A titre d~exemple, dans le reYêtem0nt conforme à l'invention, une variation de la densité de courant de l'ordre de 1 o6 corre-~pond une varlation du gradien~ de ten~lon voi3ine de 2. Le~ coe~rioients ~ et ~ sont caractéri~tiques du matériau et des dimension~ géométrlque~
(notamment ligne de fuite de l'isolateur~ épais~eur du reYêtement).
La teneur en oxyde de zinc dans le revetement e3t avantageu~ement ~upérieure à 90~.
Ledit oxyde metallique est choi~i avantageu3ement dan le groupe rormé par l'oxyde de bismuth, l'oxyde de manganese 9 1 ~ oxyde de cobalt, 1'oxyde de chrome, 1'oxyde d'antimoine~
La caractéri~tique particulière du revête~e~t à ba3e d'oxyde de ~inc utili~ée dans le cadre de la pré~ente invention e~t qu'il évite la formation locale d'arc~ au niveau des zone~ sèche~. La répartition du champ électrique à la ~urface de l'i~olateur est améliorée et on previent - ain~i l'arc de contournement.
Alnsi, en cas de pollution importante, compte tsnu de3 caractérij-tique~ électrique~ de la couche à base d'oxyde de zinc, lor~que l'inten-_ 3 ~ ~ ~ ~ V ~ ~ ~
sité augmente très fortement dans la couche d'oxyde de zinc, la ten~ion peut etre stabilisée au-des~ouq du seuil de contournement dans l'alr Dès que les troubles ré~ultant de la pollution diminuent, le cou-rant revient à une valeur trè~ faible ne créant pas de perte d'énergie sensible.
Ce ~onctionnement se retrouve en cas de pollution légère, entrai-nant alors un très faible courant dans les zones polluées ; le courant dans la couche super~icielle à base d'oxyde de zinc est également très ~aible, ne créant pas de perte d'énergie sensible.
D'autres caractéristiques de l'invention res30rtiront de la des-cription qui va suivre et du dessin annexé dans lequel :
La figure 1 repréqente sohématiquement en coupe partielle une partie d'un isolateur conPorme à l'invention.
La figure 2 eqt représentatlve des caractéristiques électriques de l'oxyde de zinc dopé entrant dans la constitution du revêtement con~orme à l'invention et d'un émail semi-conducteur utili~é selon l'art anté-rieur pour le revêtement des iqolateurs.
Sur la ~igure 1, on a représenté un tronçon 1 d'un iqolateur constitué par un a~semblage d'éléments isolants tel3 que 2. Chaque élé-ment 2 comprend substantiellement un diélectrique 3 en verre ou en por-celaine par exemple, muni d'un capot matallique 4 et d'une tige métal-lique de ~olidarisation 5 Selon l'irvention, le diélectrique 3 ast revêtu extérieurem0nt par une mince couohe 6 à base d'oxyde de zino dope par au moin~ un autre oxyde métallique.
La cou¢he 6 peut présenter une épaisseur comprise entre 0,05 et 0,5 mm.
On donnera ci-après, à titre illustrati~ et nullement limitatif, troiq exemple~ de composition d'une couche de revêtement -Pour 10 grammes de matériau de revêtement : -ler exemple ZnO 9,6682 g % en mole 99 Bi203 0,2796 8 % en mole 0,5 ~n2 0,0522 g ~ en mole 0,5 -_ 4 ~2S~
2ème exemple ZnO 9,1171 g ~ en mole 97,0 Bi203 0,2691 g ~ en mole 0~5 MnO2 0,0502 g % en mole 0,5 Co30~ 0,1391 g ~ en mole 0,5 Cr23 0,0878 g ~ en mole 0~5 Sb203 0,3367 g % en mole 3ème exemple ZnO 9,1171 g ~ en mole 97,0 Bi203 0,2691 g % en mole 0,5 MnO2 0,0502 g ~ en mole 0,5 3 4 0,1391 g ~ en mole 0,5 Cr203 0,0878 g S en mole 0,5 Sb23 0,3367 g ~ en mole Le mélange èst fritté à 1250C puis, pour 10 grammes de produit, on a~oute 0,5 mole de Bi203 (0,2691 g de Bi203).
La compo~ition et l'épaisseur de la couche de revêtement sont a~ustées en fonction des caraotéristiques électriques désirées pour ladite couche.
La forme de l'isolateur intervient egalement.
La mise en plaoe du revêtement à base d'oxyde de zinc peut être réalisée selon différenks prooédé~.
Alnsl, aveo un lsolateur comportant un diéleotrique en poroelalne, on commence par réaliser ledit diélectrique.
Le matériau destiné à constituer le revêtement e3t preparé ainsi :
Le mélange pulvérulent d'oxyde de zinc et des oxydes métallique~
additionnels est homogénéi~é et broyé, puis subit un préfrittage à l'air ambiant vers 700C pendant deux heures ; le mélange calciné est rebroyé.
De préférence on y incorpore ensuite un liant organique ; on sèche l'en-semble par des moyens conventiornels et on rebroie le mélange obtenu : la granulométrie est alor~ de l'ordre du micron.
La poudre est mise en forme, par exemple, par pro~ection ou par dépôt 90US vide, sous forme d'une couche ~ur la surface externe du ~25i(~
~ 5 --diéle¢trique. L'épaisseur de la couche est choi~ie ~uffisante pour être compatible avec les échau~fements qu'elle aura à ~ubir au oours du fonctionnement de l'isolateur et en fonction des caractéri tiques élec-triques recherchées.
De même, pour un isolateur en verre, le dépôt de la couche à base d'oxyde de zinc peut etre réalisé notamment par les techniques de dépot sous ~ide et de dépôt par pro~ection.
Sur la figure 2, on a porté en ordonnée le logarithme du gradient de tension E en kV/cm et en ab~ois~e le logarithme de ia densité de courant J en ampèreq/cm2.
Les mesures ant été faites à 25C. La courbe (A) est relative à un matériau répondant à la composition du premier exemple précité et la courbe ~B) à un émail semiconducteur utilisé 3elon l'art antérieur pour le revêtement d'un isolateur.
Comme on peut le constater très clairement sur la courbe (A), lorsque la densité de courant varie de 10 à 10 , c'est-à-dire dans un rapport 106, la tension ne varie même pas dans un rapport 2, alors que dans le cas de l'émail semi-oonducteur (courbe B) lorsque l'intensité
varie dans le rapport 10, la tension varie également dars le même rap-port 10.
Pour l'oxyde de zinc additionné d'oxydes métalliques, la courbe (A) répond à l'équation : I = k V ~ , étant compris entre 20 et 50.
Si de telles propriétés éleotriques ont dé~à été utilisées dans le domaine des para~oudres, il y a lieu de souliener que cette applioation di~Père totalement de celle déorite dans la présente demande et que le résultat3 observés dans le cas des parafoudres ne peuvent être tran~-posés aux isolateurs objet de la présente demande.
En effet, dan~ les parafoudres, l'intensité du courant qui traverse l'oxyde de zinc est très importante, supérieure à 1000 ampères et pouvant atteindre 30000 ampères, alors que dans l'ibolateur con~orme à l'invention, l'intensité se situe entre le milliampère et l'ampèra.
Il q'ensuit en particulier, que la section d'oxyde de zinc dopé
traversée dans un para~oudre est beaucoup plus importante que la section du revêtement de l'i~olateur conforme à l'invention.
5~
Dans le cas de l'isolateur conPorme à l'invention, l'action de la couohe à base d'oxyde de zinc e~t looale et se manifeste en plusieurs endroits selon des intervalles de temps a~sez oourts sans entra;ner l'interruption du service.
Par contre, dans les parafoudres 5 l'action est lnstantanée ; elle concerne la totalité du paraPoudre, qui est traversé entièrement, et entra~ne l'arrêt du service par ouverture de~ disjonoteurs de protection de la ligne.
Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode de réali sation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple, an particulier elle peut 3 ~ appliquer à des isolateurs du type ~upport ou d'autres types.
Claims (3)
1. Isolateur électrique présentant une insensibilité améliorée a la pollution comprenant un corps en un matériau diélectrique comportant un revêtement extérieur semi-conducteur, caractérisé par le fait que, ledit matériau diélectrique étant choisi parmi le verre et la porcelaine, ledit revêtement est constitué par un dépôt de céramique comprenant essentiellement de l'oxyde de zinc additionné d'au moins un oxyde métallique créant une non-linéarité dans la caractéristique tension-courant dudit oxyde de zinc, telle que I = kV? avec ? compris entre 20 et 50, l'épaisseur dudit revêtement étant comprise entre 0,05 et 0,5mm.
2. Isolateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la teneur en oxyde de zinc dans le revêtement est supérieure a 90% en moles.
3. Isolateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'oxyde métallique est choisi dans le groupe formé par les oxydes de bismuth, manganèse, cobalt, chrome et antimoine.
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