La présente invention concerne un dispositif parafoudre basse tension du type utilisé notamment pour assurer la protection des matériels électroniques.

On sait que le phénomène de la foudre engendre des courants instantanés qui peuvent être extrêmement importants et peuvent atteindre dans certains cas 10.000 à 100.000 ampères avec des tensions pouvant atteindre de 10 à 20 millions de volts pendant des temps extrêmement courts. Afin d'assurer la protection contre la foudre des appareils électroniques, on intercale dans le circuit d'alimentation de ceux-ci des dispositifs parafoudres constitués de composants qui, en temps normal, se comportent comme des éléments neutres, mais qui, en cas de surtension violente due à la foudre, deviennent conducteurs et assurent ainsi l'isolation de l'appareil en dérivant vers le sol le courant généré par la foudre.

Un bon parafoudre destiné à protéger des appareils électroniques doit posséder trois qualités essentielles. D'une part il doit avoir une grande vitesse de montée en courant afin de détourner rapidement vers le sol l'énergie de la foudre qui, sans cela, détruirait le matériel électronique. La vitesse de montée en courant sera d'autant plus

élevée que l'inductance du parafoudre sera faible. Il doit ensuite être en mesure de conserver suffisamment longtemps son efficacité pour que la dérivation vers le sol de l'énergie dure suffisamment longtemps pour permettre la mise en oeuvre de moyens classiques de déconnexion. Cette durée d'efficacité est d'autant plus forte que la résistance mécanique, dans toutes les directions, du parafoudre est élevée. Il doit enfin pouvoir être mis en place et retiré rapidement de son support.

On utilise habituellement, pour assurer de telles fonctions, des éclateurs à gaz. Ces éclateurs à gaz possèdent de notables inconvénients, et en particulier celui de présenter un retard important, si bien que, dans certains cas, et notamment dans le cas d'effets de foudre particulièrement violents et rapides, la détérioration des appareils électroniques se produit avant la mise à la terre du courant de foudre par l'éclateur. On connaît également des dispositifs parafoudres constitués d'éléments tubulaires cylindriques renfermant des varistances et/ou des diodes zener, noyées dans une résine isolante. De tels dispositifs, doivent, dans un volume particulièrement réduit, être en mesure d'écouler vers la terre des courants impulsionnels très élevés tout en maintenant des tensions acceptables à leurs bornes. On constate ainsi que les puissances

développées dans de tels systèmes parafoudres peuvent atteindre des valeurs excessivement élevées. Ainsi, une varistance a la possibilité d'écouler des courants de l'ordre de 5.000 ampères pendant des temps de l'ordre de 10 microsecondes, tout en maintenant la tension à ses bornes à une valeur de l'ordre de 1.500 volts. La puissance ainsi développée dans une telle varistance est de l'ordre de 7,5 mégawatts. De telles puissances développées pendant des temps extrêmement courts, dans des volumes aussi réduits, sont extrêmement difficiles à canaliser, si bien que les dispositifs parafoudres se comportent parfois comme de véritables "bombes" miniatures, avec pour conséquence, outre la destruction du dispositif parafoudre lui-même, celle des éléments électroniques qu'ils sont destinés à protéger.

On connaît également des parafoudres qui sont mis en oeuvre dans des lignes d'énergie haute tension utilisées pour la distribution du courant électrique. Dans ces lignes d'énergie, suivant l'impédance du transformateur d'alimentation en courant électrique disposé en amont du parafoudre, les courants développés peuvent atteindre des valeurs de crête de 6 à 25 kiloampères pendant des durées de l'ordre de 100 millisecondes. Afin d'assurer la protection des installations, il est essentiel que les parafoudres utilisés maintiennent la mise à la terre, tant que des dispositifs déconnecteurs, tels que des

disjoncteurs, n'aient pas eux-mêmes assuré la coupure de la ligne. Il est donc particulièrement important d'au moins retarder la destruction de tels parafoudres, jusqu'à l'actionne ent des dispositifs déconnecteurs. Or les composants utilisés dans la constitution des dispositifs parafoudres sont habituellement enrobés dans des boîtiers constitués de résines qui sont essentiellement choisies pour leurs qualités d'isolants. On sait que, malheureusement les meilleurs matériaux isolants sont pourvus de qualités mécaniques particulièrement médiocres.

Les constructeurs de ce type de dispositifs ont donc été confrontés à la nécessité de renforcer la tenue mécanique des boîtiers renfermant les composants en les rigidifiant et en noyant l'ensemble dans des résines durcissables isolantes.

Ces solutions ne donnent pas satisfaction en raison de ce que d'une part, elles s'avèrent dangereuses, et que d'autre part elles se révèlent peu efficaces, à la fois sur le plan de la résistance mécanique et sur le plan des caractéristiques électriques de l'appareil.

Ces solutions sont dangereuses du fait que la résine qui entoure la zone où est générée la puissance instantanée importante se fissure, ce qui favorise la naissance d'un arc électrique provoquant la carbonisation de cette résine. Le carbone ainsi

produit assure la conductivité de l'électricité, et le courant issu de la surtension, ou d'un réseau d'énergie, passe dans celui-ci, échauffant rapidement la zone concernée, ce qui augmente la carbonisation de celle-ci et, par effet cumulatif, on est ainsi conduit à une destruction rapide du parafoudre, destruction pouvant même mettre le feu à 1'environnement.

Ces solutions sont également peu efficaces, puisque la masse de résine, entre l'endroit où est générée la puissance instantanée et la zone où se situe l'enceinte rigide, constitue un matelas malléable et/ou élastique favorisant l'apparition de fissures créant ainsi des amorces de rupture diminuant les caractéristiques mécaniques du parafoudre.

On a également proposé dans le brevet FR-A-2 678 765 un parafoudre destiné à la protection des lignes électriques aériennes qui est constitué d'une enveloppe contenant un tube pourvu de lumières longitudinales à l'intérieur duquel sont disposées des varistances. Un élastomère de silicone remplit les parties vides de l'enveloppe, entre la périphérie des varistances et la face interne du tube. Le contact électrique s'effectue à chacune des extrémités du tube.

Un tel dispositif, s'il est satisfaisant dans le domaine de la protection des lignes électriques

aériennes, ne l'est pas lorsqu'il s'agit d'assurer la protection d'appareils électroniques. En effet, d'une part le temps de réaction est trop élevé en raison des longueurs de connexion et des inductances trop élevées qui en résultent et, d'autre part, la protection physique contre l'explosion n'est pas assurée de façon suffisamment efficace, et dans certains cas elle est même recherchée pour réaliser des indicateurs de fin de vie du parafoudre. Les solutions proposées par l'état antérieur de la technique sont également peu efficaces sur le plan de la vitesse de montée en courant du parafoudre. En effet, on sait que pour conserver son efficacité, un parafoudre doit présenter la propriété de se mettre en conduction rapidement, si bien que son inductance doit être particulièrement faible, de façon à ne pas retarder outre mesure sa mise en conduction. Dans les dispositifs de l'état antérieur de la technique, la présence d'une carcasse rigide oblige les constructeurs à réaliser une connectique complexe augmentant du même coup la longueur des connexions et donc l'inductance du parafoudre, ce qui fait perdre à celui-ci ses caractéristiques de mise en conduction rapide. La présente invention a pour but de proposer un dispositif parafoudre possédant une grande vitesse de montée en courant, et qui possède une résistance mécanique suffisante lui permettant de retarder sa

destruction jusqu'à ce que des moyens de coupure de courant tels que des déconnecteurs, etc.... aient le temps d'entrer en action, ce dispositif étant de plus facile et rapide à connecter et à déconnecter. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif parafoudre constitué d'un boîtier, comportant deux bornes de contact électrique, formé d'au moins un élément de boîtier, renfermant au moins un élément de protection dont les bornes sont reliées électriquement aux bornes de contact, cet élément étant noyé dans une matière isolante contenue dans ledit élément de boîtier, caractérisé en ce qu'au moins un manchon, mécaniquement résistant, est intercalé dans la matière isolante entre l'élément de boîtier et l'élément de protection et en ce que ledit élément de boîtier constitue l'une des dites bornes de contact.

Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, le boîtier est constitué de deux éléments de boîtier et l'un au moins de ceux-ci comporte un fond, ou paroi transversale, venu d'une pièce avec lui, le contact électrique entre l'élément de protection et l'élément de boîtier se faisant par ledit fond. Dans une variante de ce mode de mise en oeuvre de l'invention, l'autre élément de boîtier comporte également un fond, ou paroi transversale, qui est solidarisé mécaniquement et électriquement de celui-

ci, la seconde borne de l'élément de protection étant en contact électrique avec ledit fond. Un tel mode de mise en oeuvre permet de réaliser une connexion particulièrement facile et rapide du parafoudre sur son support.

Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, le manchon est constitué de fibres de verre ou de fibres de carbone, tissées.

Il convient de remarquer que les corps de parafoudre qui constituent l'une des bornes de connexion électrique ne peuvent posséder une résistance mécanique homogène sur toute leur périphérie, puisque le corps étant conducteur du courant électrique il doit nécessairement comporter une zone isolante laissant le passage à la seconde borne de connexion. Cette discontinuité a pour effet de fragiliser le corps et de diminuer ainsi sa résistance à l'explosion.

La présente invention permet de compenser la zone de fragilisation du corps du parafoudre, rendant ainsi possible la réalisation de parafoudres possédant à la fois les trois qualités mentionnées précédemment.

On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel :

Les figures 1 et la sont des vues schématiques représentant deux modes d'utilisation d'un dispositif

parafoudre suivant l'invention dans des circuits électriques qu'ils sont destinés à protéger.

La figure 2 est une vue en coupe axiale et longitudinale d'un premier mode de mise en oeuvre d'un dispositif parafoudre suivant l'invention.

Les figures 3a à 3d sont des vues représentant schématiquement les différentes étapes d'un procédé de réalisation d'un dispositif parafoudre du type de celui représenté sur la figure 2. La figure 4 est une vue en coupe axiale et longitudinale d'un second mode de mise en oeuvre du dispositif parafoudre suivant l'invention.

La figure 5 est une vue en coupe axiale et longitudinale d'un autre mode de mise en oeuvre du dispositif parafoudre suivant l'invention.

Ainsi que représenté sur la figure 1, lorsque l'on souhaite assurer la protection contre la foudre d'un appareil électronique 1 alimenté en courant par une ligne électrique 2, on dispose d'une part entre la terre 3 et la ligne électrique 2 un dispositif parafoudre 4 et, d'autre part, entre la ligne 2 et le dispositif parafoudre 4 un dispositif disjoncteur 5.

En cours de fonctionnement normal, le dispositif parafoudre 4 possède une impédance suffisante pour se comporter comme un élément neutre, si bien qu'il n'interfère pas sur le fonctionnement de l'appareil 1. Par contre, sous l'effet d'une surtension violente due à la foudre ou à un défaut

" moyenne tension " (10 à 30 KV) dans le circuit, le parafoudre se comporte alors comme un élément conducteur, si bien qu'il met à la terre 3 le courant arrivant par la ligne électrique 2, court-circuitant ainsi l'appareil 1, ce qui assure sa protection.

On a représenté sur la figure la un dispositif parafoudre utilisé pour assurer la sécurité d'une ligne téléphonique contre des surtensions. Dans ce type d'utilisation, le dispositif disjoncteur 5 est remplacé par un dispositif limiteur de courant 5' , tel que par exemple un élément CTP (à coefficient de température positif), c'est-à-dire un composant dont l'impédance augmente avec l'échauffement qu'il subit en raison du courant qui le traverse et qui s'écoule par le parafoudre 4. L'action d'un tel limiteur est lente (de l'ordre de quelques millisecondes, voire quelques secondes) .

Le dispositif parafoudre 4 est constitué d'éléments électroniques, tels que par exemple des diodes zener ou des varistances qui ont des vitesses de montée en courant élevées, qui les rendent aptes à réagir de façon quasi-instantanée aux surtensions, et en tout cas bien avant l'activation des dispositifs déconnecteurs ou limiteurs 5' . Comme mentionné précédemment, le dispositif parafoudre étant parcouru, lorsque se manifeste le phénomène de foudre, par des courants développant des puissances extrêmement élevées, il est important que

sa tenue mécanique soit suffisante pour lui permettre de résister à ces fortes puissances, au moins pendant un temps suffisant pour permettre aux dispositifs déconnecteurs 5 ou limiteurs 5' d'agir. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention représenté sur la figure 2, le dispositif parafoudre 4 est constitué d'un boîtier 7 formé de deux éléments de boîtier cylindriques, à savoir un premier élément de boîtier inférieur 7a et un second élément de boîtier supérieur 7b. Ces deux éléments de boîtier sont séparés par une distance e. L'élément de boîtier inférieur 7a comporte, en une zone proche de l'une de ses extrémités, un fond 9 qui est formé de fabrication. Le fond 9 est percé en son centre d'un orifice 10 dans lequel vient s'engager l'une des deux pattes de connexion lia d'un élément de protection 13, constitué essentiellement par une diode zener. Cette diode zener sera le plus souvent constituée de plusieurs pastilles de silicium 20, de dissipateurs 21 qui sont intercalés entre les éléments de silicium et d'un isolant de très forte résistivité diélectrique. L'élément de boîtier supérieur 7b comporte une pastille 15, formant fond, qui est fixée, par exemple par soudure, sur sa paroi interne à une distance proche de l'une de ses extrémités, si bien qu'elle se trouve rigidement maintenue sur l'élément de boîtier 7b et en excellent contact électrique avec lui. La pastille 15 est percée en son

centre d'un orifice 16 qui reçoit la seconde patte de connexion 11b de l'élément de protection 13. Les pattes de connexion lia et 11b sont respectivement fixées par soudure, ou par tout autre procédé permettant d'assurer à la fois leur maintien mécanique et un bon contact électrique avec le fond 9 et la pastille 15. Le volume interne délimité par les parois internes des éléments de boîtier 7a,7b, le fond 9, la pastille 15, et la surface externe de l'élément de protection 13 est rempli d'une résine 17, par exemple une résine thermodurcissable ou époxyde.

L'élément de protection 13 peut bien entendu être constitué d'un composant autre qu'une diode zener, et on pourra ainsi faire appel notamment à une varistance. On pourra ainsi de façon générale utiliser des composants dits non linéaires, c'est-à- dire des éléments dont la caractéristique tension/courant se termine par une valeur palier. La résine 17 est choisie d'une part, pour ses qualités d'isolant, mais également d'autre part pour ses qualités d'adhérence avec les éléments de boîtier 7a,7b ainsi que pour ses qualités de résistance mécanique propres. Un manchon tubulaire 19 est disposé dans ce volume, entre les parois internes des éléments de boîtier 7a,7b et la paroi externe de l'élément de protection 13.

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Ce manchon 19 est constitué, par exemple, de fibres de verre ou de fibres de carbone qui sont de préférence tressées.

Le dispositif parafoudre décrit précédemment possède un certain nombre d'avantages par rapport aux dispositifs correspondants de l'état antérieur de la technique, notamment du point de vue de la résistance mécanique à l'explosion, du point de vue de la connectique, du point de vue du procédé de fabrication, et enfin du point de vue de 1'inductance.

En ce qui concerne la résistance mécanique, le manchon 19 assure, par l'intermédiaire de la résine durcissable 17, le maintien des éléments de boîtier 7a,7b à l'encontre des efforts et contraintes s'exerçant notamment dans le sens longitudinal, lorsque le dispositif parafoudre est parcouru par un courant de foudre tel que l'énergie dégagée au niveau des pastilles de silicium 20 l'amène dans un état proche de l'explosion.

Le manchon 19 exerce également une action de résistance à l ¹ encontre des efforts s'exerçant dans une direction transversale, c'est-à-dire une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal yy' du dispositif parafoudre, notamment dans sa partie centrale où l'espacement e prévu entre les deux éléments de boîtier 7a et 7b pour les isoler

électriquement constitue une zone de fragilisation du parafoudre.

Par ailleurs il a été constaté que le manchon 19 assure également une autre fonction, à savoir celle de réduire (voire même de supprimer totalement) les fissures qui se forment dans la résine, à des dimensions faibles telles que les phénomènes d'arc électrique ne peuvent plus se produire, évitant ainsi la destruction rapide du parafoudre. En ce qui concerne la connectique, on remarquera que le présent mode de mise en oeuvre est intéressant en ce qu'il fait appel à des connexions électriques de longueur particulièrement réduites, ce qui favorise une vitesse de montée en courant élevée. Par ailleurs, en raison de la forme cylindrique des éléments de boîtier 7a et 7b, la connexion électrique de l'élément parafoudre avec le boîtier de connexion dans lequel il est monté, est réalisée de façon particulièrement efficace. De plus, la forme cylindrique du boîtier 7 autorise une disposition symétrique des éléments actifs ce qui contribue à réduire encore l'inductance.

En ce qui concerne le procédé de fabrication, du mode de mise en oeuvre du parafoudre décrit précédemment, un exemple montrant les quatre étapes essentielles de sa mise en oeuvre est illustré sur les figures 3a à 3d.

Au cours de la première étape (figure 3a), on part d'un tube 12, dont la longueur a est égale à celle de l'élément parafoudre une fois terminé, et qui comporte un fond 9. On introduit ensuite une patte de connexion lia de l'élément de protection 13 à l'intérieur de l'orifice 10, puis l'on fixe, par soudure, ladite patte lia sur le fond 9. Au cours de la seconde étape (figure 3b), on dispose le manchon 19 autour de l'élément de protection 13, puis l'on coule la résine à l'intérieur du tube 12. Au cours de la troisième étape (figure 3c), on met en place la pastille 15, en introduisant la seconde patte de connexion 11b de l'élément de protection 13 dans l'orifice 16 de celle-ci. On fixe alors par soudure, d'une part la pastille 15 sur le tube 12 et d'autre part la patte de connexion 11b sur la pastille 15. Au cours de la quatrième étape (figure 3d) , on réalise une saignée circulaire, par exemple par tournage, au centre du tube 12, de façon à séparer celui-ci en deux éléments de boîtier 7a,7b complètement isolés électriquement l'un de l'autre.

Les essais réalisés par la demanderesse ont établi qu'un tel dispositif parafoudre était en mesure de dériver vers la terre, l'énergie provenant de la foudre d'une part suffisamment rapidement pour empêcher la destruction des appareils électroniques, et d'autre part pendant un temps suffisamment long, avant destruction, pour que des moyens de coupure du

courant de type conventionnel aient le temps d'être activés.

Un autre mode de mise en oeuvre d'un dispositif parafoudre suivant l'invention est représenté sur la figure 4. Sur celle-ci, le boîtier 7 est constitué d'un tube cylindrique, fermé à sa partie inférieure par un fond 9. Dans ce mode de mise en oeuvre, l'élément de protection 13 est constitué de trois pastilles de silicium 20 disposées en série, séparées par des dissipateurs d'énergie 21, et dont une face de connexion est appliquée contre le fond 9 et l'autre se prolonge vers la partie supérieure, c'est- à-dire vers l'orifice de sortie du boîtier 7, par une broche de connexion cylindrique 23. Comme dans le mode de mise en oeuvre précédent, un élément 22 de très forte résistivité diélectrique entoure les pastilles de silicium 20, un manchon 19 est interposé entre l'élément de protection 13 et la paroi interne du boîtier 7. Le manchon 19 se prolonge vers le haut, au-delà de l'élément de protection 13, sur une longueur b, sensiblement jusqu'à l'extrémité ouverte du boîtier 7. Comme dans le mode de mise en oeuvre précédent, le volume interne de la cavité formée à l'intérieur du boîtier 7, est rempli d'une résine isolante de type durcissable. A la différence du dispositif parafoudre précédent, le présent dispositif ne comporte pas de pastille d'obturation. Afin de créer une résistance à l'explosion dans la

direction de la partie ouverte du boîtier 7, on a constitué, du côté de l'ouverture, un volume de résine, renforcé par le manchon 19 dont la masse ainsi que l'adhérence sur la paroi interne du boîtier 7 forme une butée s'opposant aux efforts longitudinaux. Le présent mode de mise en oeuvre peut présenter une résistance à l'explosion élevée. Pour ce faire on jouera sur la longueur b du volume de résine formant butée. On peut bien entendu, suivant l'invention, associer, à l'intérieur du boîtier 7 plusieurs éléments de protection 13a et 13b disposés soit en parallèle, comme représenté sur la figure 5, soit au contraire en série. On peut également intercaler entre le boîtier 7 et l'élément de protection 13 plusieurs manchons coaxiaux.