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23 ème Concours régional innovation 2003 Bernard ROQUES E-mail : [email protected] PRESSE-ETOUPE HAUTE TENSION Un presse-étoupe haute tension (Fig. 1) permet la traversée d’une paroi isolante, par l’âme d’un câble coaxial, tout en préservant une parfaite continuité diélectrique. Cette continuité est assurée par une compression de matériaux isolants. FIGURE 1 : Presse-étoupe 40 000 volts 1 – LA COMPRESSION DES ISOLANTS 1-1 RACCORDEMENT DE DEUX DIELECTRIQUES Les applications haute tension nécessitent l’emploi de matériaux diélectriques pour éviter des claquages entre des éléments portés à différents potentiels. Pour être efficace, ces diélectriques doivent être continus, sinon des claquages se produisent en surface à la jonction des deux isolants lorsque les distances entre les électrodes sont faibles (Fig2) Arc électrique Electrode Feuille isolante Electrode FIGURE 2 : CLAQUAGE EN SURFACE Les développements de modules faiblement inductifs dans le domaine des hautes puissances pulsées (HPP), ne peuvent accepter les distances nécessaires à la tenue en surface des isolants. L’innovation consiste à utiliser un cordon diélectrique fortement compressé entre les deux isolants pour assurer une continuité (Fig3). Cette technique présente plusieurs avantages : Très faible coût de mise en œuvre Solution indépendante des matériaux (jonction de deux matériaux différents) Diminution de la distance entre les deux électrodes d’un facteur supérieur à 10 Electrode Electrode Compression d’isolant FIGURE 3 : SUPPRESSION DU CLAQUAGE 1-2 COMPRESSION A SEC La compression de ces isolants ne nécessite ni huile ni graisse. Ils peuvent assurer une continuité diélectrique sur quelques cm (voir qq mm) à une tension de 100KV. Lors du passage de très forts courants ( million d’ampères), il est très difficile d’éviter les résistances de contact de quelques m et donc, les arcs électriques. Contrairement à l’huile qui se salit très vite par migration des impuretés, les isolants solides restent propres. Les isolants compressés doivent être choisis en fonction de l’état des surfaces d’appui, de leur géométrie et de leur environnement. 2 – DOMAINES D’APPLICATION : LES HAUTES PUISSANCES PULSEES La technologie des hautes puissances pulsées est particulièrement intéressante dans les domaines suivants : micro-ondes en bande X, rayonnement de freinage à quelques mégaélectronvolts, rayonnement laser, ondes électromagnétiques, fusion par Confinement Inertiel. Le Centre d’Etudes de Gramat met au point des générateurs de hautes puissances pulsées (HPP) en vue de concevoir des sources intenses de rayonnement X. Constitué par 160 modules HPP, le moyen d’essai ECF2 (Fig.4) est un générateur de courant de la classe 10MA / 1s . Chaque module est constitué de deux condensateurs 16KJ / 90KV et de deux éclateurs multi-canaux capables de commuter des courants de 1 million d’ampères. Chacun des 160 modules du générateur est équipé de 8 presse-étoupe haute tension. L’étanchéité diélectrique des têtes des condensateurs est réalisée à partir d’un isolant compressé à sec. La compression des isolants donne entière satisfaction. FIGURE 4 : GENERATEUR ECF2 3 – ETATS DES DIVERS PROTOTYPES 3-1 PRESSE-ETOUPE 40 000 VOLTS L’étude de commutateurs à plasma a nécessité le développement de générateurs de hautes tensions rapides (GEPLAS). Trop volumineuses, les embases HT traditionnelles (fig. 5) ne peuvent pas convenir à ce type de générateur. Elles sont à l’origine d’une impédance qui dégrade les performances. Afin de réduire l’inductance due à la longueur L1 (fig. 5) le principe de l’isolateur électrique classique (isolation en surface) doit être abandonné. Le premier presse étoupe 40KV a été développé suivant un concept assez innovant (fig.6). La tenue en tension entre la masse et le point chaud est assurée par une feuille isolante de 1ou 2 mm d’épaisseur rendue solidaire du diélectrique du câble par compression d’un isolant (isolation en volume). Ce type de traversée permet de dénuder l’âme d’un câble coaxial quelques mm après son entrée dans un châssis métallique. Quelques caractéristiques du presse-étoupe : son encombrement reste inférieur à 80mm contre 170mm pour une embase HT 40KV classique. Ce presse-étoupe peut supporter un courant de 30KA (Avec un sinus amorti T/4 1s et Q=3), sous une tension de 40KV (Avec un cosinus amorti T/4 1s et Q=3) Cloison métallique L1 ISOLATEUR Câble coaxial FIGURE 5 : EMBASE HT 40KV Point chaud Cloison métallique Feuille isolante Point chaud Câble coaxial ISOLANT COMPRESSE FIGURE 6 : PRESSE-ETOUPE HT 40KV 3-2 PRESSE-ETOUPE 90 KV Ce presse-étoupe 90KV n’est pas seulement réservé aux passages de câbles électriques. En effet, chaque module LTD4 est équipé de 8 presse-étoupe identiques qui assurent, via des adaptateurs, 3 types de traversées : - 1 5 câbles 2124 Diélectric Sciences 100KV - 2 1 balayage d’air sec - 3 2 aspirations des poussières par le vide. Les détails d’une traversée de paroi par un câble HT vers l’intérieur d’un module sont présentés sur la figure 7. Intérieur du module FIGURE 7 : PRESSE-ETOUPE HT 90 000 VOTS A ce jour plus de 1000 PE version 90kV, sont installés sur le générateur ECF2 (Fig.8) FIGURE 8 : IMPLANTATION DES TRAVERSEES 90KV SUR UNE LIGNE ECF2 (Vue extérieure) Une ligne représente 1/16 du générateur. Entrées d’air, aspiration par le vide, entrées des câbles HT sont réalisées sur une même base standard. 4-COMMERCIALISATION 4-1 BREVET Désignation : Dispositif de traversée de cloison pour câble électrique haute tension (revendication : compression des isolants) Inventeur : Bernard ROQUES Demande de brevet français N° 00145914 déposé le 14 novembre 2000 Délivrance du brevet français N° 00145914 Demande de brevet européen : N° 01402919.3 Publication le 15/05/02 Demande de brevet américain : Filing date 11/14/2001, as Appl. N° 09/987,429 Délivrance du brevet américain N° 6,617,512 le 9 septembre 2003 4-2 SOCIETE JAMILEC Après s’être spécialisée dans le câblage Haute Tension, la société Jamilec élargit son activité dans le domaine des transitions spécifiques aux impulsions HT rapides (100KV en quelques ns). Cette société aveyronnaise a acheté la licence pour l’exploitation du brevet d’état, déposé par le Centre d’Etudes, afin de développer de nouveaux concepts de traversées de cloison ainsi qu’une compétence dans le domaine de la compression des isolants. 4 -3 LABORATOIRES HPP : USA ET RUSSIE Dans le cadre d’un échange avec des laboratoires US (SANDIA), le Centre d’Etudes de Gramat vient de fournir (septembre 2003) 20 modules HPP comportant les nouvelles traversées de cloison. Le laboratoire russe HCEI à TOMKS développe aussi des modules HPP. Ces modules sont constitués d’éclateurs étanches pressurisés à l’air sec et entourés d’un film d’huile diélectrique (modules mécano soudés). Le choix de la SANDIA s’est porté sur les modules LTD4 développés à Gramat ( La compression des isolants ayant permis d’éviter les huiles, les graisses diélectriques, et donc de nombreux problèmes d’étanchéités). 5– COLLABORATION RECHERCHE INDUSTRIE 5 -1 COLLABORATION UNIVERSITAIRE Mai 98 stage Karim Demmou / IUT Paul Sabatier Toulouse, étude compression des isolants Mai 99 stage Laurent Calmon /IUT GMA Figeac/étude et dessin mécanique du GEPLAS et du presse-étoupe Année 2000 Stage Wilfrid Kénum / ANPE Cahors /essais électriques sur générateur GEPLAS et vieillissement de 18 presse-étoupes Mai 2001 stage Bruno Lacrampe / IUT GE II Brive / Caractérisation du presseétoupe, impédance de transfert, bande passante, réflectométrie 2002 Délivrance du brevet 5 -2 COLLABORATION INDUSTRIELLE 21 août 2003 contrat de concession de licence et de communication de savoirfaire entre JAMILEC et l’Etat français Septembre 2003 livraisons des étages LTD4 à la SANDIA (160 presse-étoupe) Fin 2003 article à paraître dans la revue REE
