Brevet FR2002410A1 — publié le 19691017

Un interrupteur électrique sous vide selon l'invention, comprenant une électrode fixe et une autre électrode qui forment une paire d'électrodes montées pour une coopération électrique mutuelle à l'intérieur d'une enveloppe sous vide, a une partie de son enveloppe sous vide en liaison thermique étroite avec l'électrode fixe, la dite partie d'enveloppe ayant une conducti-vité thermique élevée et une aire de surface extérieure notable de façon à pouvoir assurer un refroidissement efficace de 1'électrode fixe quand elle est en action. La dite partie d'enveloppe présente avantageusement une conductivité électrique élevée et est reliée électriquement à l'électrode fixe de façon à pouvoir servir de connexion électrique pour l'interrupteur. Bans les interrupteurs dans lesquels une paire de contacts comprenant un contact fixe et un contact mobile assure à la fois des surfaces de contact et de coupure et où JLe contact fixe est associé au moins thermique ment avec une partie de l'enveloppe sous vide, le contact mobile est de préférence fixé à une tige de manoeuvre qui s'étend à travers l'interrupteur de façon .à dépasser au-delà de l'interrupteur à ses deux extrémités et qui est axialement mobile pour effectuer l'application des contacts et leur séparation, de telle sorte que deux tels interrupteurs sous vide ou plusieurs peuvent être reliés en série pour leur manoeuvre par un seul moyen d'action-nement. L'électrode fixe et l'autre électrode en coopération d'un interrupteur électrique sous vide selon l'invention peuvent présenter de multiples configurations. Cependant, dans une disposition comme on l'a décrit au paragraphe précédent, il est avantageux que le contact fixe soit annulaire et que le contact mobile comprenne une partie de contact mobile contre une face latérale du contact fixe, de façon à s'appliquer contre celui-ci par une surface de contact annulaire, et une partie de coupure centralement à l'intérieur du contact fixe mais écartée de celui-ci, la disposition étant telle qu'un arc établi entre les deux contacts quand ils se séparent ait sa base sur le contact mobile d'abord à la partie de contact puis, après un transfert, à la partie de coupure, l'arc passant ainsi d'une première direction pratiquement axiale par rapport au contact fixe à une seconde direction pratiquement radiale. 69 04452 2 2002410 Avec une telle disposition, un moyen peut être prévu pour produire un champ magnétique qui est axial par rapport au contact fixe pour faire tourner l'arc transféré autour de la partie de coupure. 5 Un interrupteur selon l'invention peut avoir plusieurs paires de dites électrodes disposées pour un fonctionnement en parallèle. Quand les paires d'électrodes comprennent des contacts fixes et mobiles établissant à la fois des surfaces de contact et de coupure comme on l'a décrit ci-dessus, m moyen inductif est 10 préférablement relié entre chaque contact fixe et chaque autre contact fixe pour s'opposer aux variations de courant entre les contacts fixes. Un tel moyen inductif peut être établi à l'intérieur ou à l'extérieur de l'interrupteur. Les caractéristiques ci-dessus de l'invention ainsi que 15 d'autres apparaîtront mieux au cours de la description suivante d'exemples d'exécution de deux interrupteurs électriques sous vide selon l'invention et de deux modifications de l'un des intap-rupteurs ainsi que d'une disposition possible de trois tels interrupteurs en série, en référence au dessin annexé, dans 20 lequel : la figure 1 montre le premier interrupteur en coupe verticale axiale ; la figure 2 montre le premier interrupteur en coupe selon la ligne II-II de la figure 1 ; 25 la figure 3 montre le second interrupteur en coupe verticale axiale ; la figure 4 correspond à la figure 2 et montre le second interrupteur sous une forme modifiée ; la figure 5 est une coupe verticale axiale montrant le 30 second interrupteur selon une autre variante ; et la figure 6 montre la disposition de trois interrupteurs en série. En référence maintenant aux figures 1 et 2, un interrupteur électrique sous vide comprend une enveloppe 10 de forme 35 générale cylindrique qui est sous un vide poussé, par exemple de 10mm de mercure ou plus poussé. L'enveloppe comprend une partie cylindrique en métal 11 qui a même axe que l'enveloppe et est disposée centralement entre deux pièces en porcelaine 12-13 scellées à leurs extrémité» 40 par des fonds est métal 14 et 15- ' 69 04452 3 2002410 Un contact annulaire fixe 16 est supporté par la partie centrale 11 au moyen de trois bras 17 qui sont répartis régulièrement autour du contact et qui relient électriquement la partie 11 et le contact. 5 Une tige électriquement conductrice 19, mobile longitudi- nalement, passe à travers l'enveloppe 10 suivant l'axe de l'enveloppe et dépasse à chaque extrémité de l'enveloppe à travées des joints étanches à l'air formés par des soufflets flexibles 20, dont un ou les deux peuvent être montés extérieurement si on 10 Ie désire. La tige ménage un intervalle uniforme 25 entre elle et la surface intérieure du contact fixe 16 à sa traversée de l'anneau de contact. Un eontact en disque 18 est monté sur la tige de façon à s'appliquer contre le eontact fixe 16 ou à s'en séparer lors du mouvement axial de la tige. La position de séparation des contacts est représentée sur la figure 1. En service, l'interrupteur sous vide est branché dans un circuit électrique associé, 1'un de ses prolongements ou éventuellement les deux formant l'une des bornes de l'interrupteur, 2o tandis que la partie centrale 11 forme l'autre borne. Un appareil d'actionnement (non représenté) est accouplé à l'un des prolongements de la tige et, par un mouvement axial de la tige, permet à l'interrupteur de fermeE ou d'ouvrir le circuit d'une mani ère connue. 25 L'interruption du circuit, c'est-à-dire la séparation des contacts, provoque l'établissement d'un arc. Quand l'intervalle entre les contacts 16 et 18 est encore petit, l'arc a sa base sur le contact 18 et sur la face latérale annulaire de droite (selon la figure) du contact 16. 30 Cependant, quand les contacts continuent à s'écarter, l'augmentation de l'intervalle entre les contacts 16 et 18 et la vapeur de métal au voisinage des contacts font établir un arc entre le contact 16 et la tige 19. Cet arc coexistera avec l'arc primitif pendant un certain temps mais le remplacera éventuelle-35 ment. L'interruption du courant s'effectuera ensuite lors du passage suivant par zéro du courant sous l'effet de la tension appliquée ou juste avant. On comprendra que , bien que dans la description qui précède on ait utilisé le mot "arc" au singulier, chaque arc se 40 compose d'arcs multiples en parallèle, le transfert, du contact 69 04452 4 2002410 en disque 18 à la tige 19, se faisant progressivement par extinction et établissement des arcs séparés. Les parties de la tige 19 nécessaires pour le rôle d'un contact de coupure sont garnies par traitement, ou munies autre-5 ment, d'une matière résistant à l'arc comme on en utilise pour les contacts 16 et 18. En plus de sa fonction de connecteur électrique, la partie centrale 11 de l'enveloppe 10 sert à assurer le refroidissement du contact fixe 16. Les bras 17 sont en métal tel que du cuivre 10 ayant une conductivité thermique (et électrique) élevée et ont une section transversale telle que la partie centrale 11 soit en liaison thermique étroite avec le contact 16. Ainsi la chaleur engendrée dans le contact 16 par l'arc et par le passage à travers le contact du courant de charge ou de défaut est rapide-15 ment transmise à la partie centrale 11. La partie centrale 11 a elle-même une conductivité thermique (et électrique) élevée de sorte que la chaleur est facilement transférée à l'extérieur de 11 interrupteur d'où elle se dissipe dans l'atmosphère. Si le refroidissement naturel de la partie 11 2o n'est pas suffisant pour maintenir le contact fixe à une température suffisamment basse, un refroidissement forcé de type convenable peut être utilisé. Ainsi la partie centrale pourrait être munie d'ailettes circonférentielles et on pourrait utiliser un refroidissement par circulation forcée. 25 Une différence entre le fonctionnement des interrupteurs sous vide et le fonctionnement d'interrupteurs à la pression atmosphérique ou à une pression plus élevée consiste en ce que la caractéristique de la tension en fonction du courant est positive pour les premiers tandis que les interrupteurs à pression 30 moyenne ou à pression élevée ont une caractéristique négative. Ainsi, tandis que des arcs n'existent pas de façon stable en parallèle dans une ambiance à pression moyenne ou à pression élevée, des arcs multiples peuvent exister de façon stable dans les interrupteurs sous vide (comme on l'a déjà mentionné briève-35 ment en référence aux figures 1 et 2). La figure 3 montre une disposition dans laquelle on utilise cette propriété des interrupteurs sous vide. La forme d'exécution de la figure 3 ne diffère de cèlle des figures 1 et 2 que par le nombre des paires dé contacts ; sur la figure 3» on 40 utilise trois paires de contacts au lieu d'une seule sur-la: 69 04452 5 2002410 figure 1. Les éléments de la figure 3 qui correspondent aux éléments des figures 1 et 2 ont reçu les mêmes chiffres de référence. En référence maintenant à la" figure 3, chaque contact 5 fixe 16 d'une paire de contacts est associé individuellement à une partie centrale commune 11 de la même façon que le contact fixe des figures 1 et 2. Ainsi chaque contact 16 de la figure 3 est en liaison thermique et électrique étroite avec la partie centrale, en étant supporté par la partie centrale au moyen de 10 bras 17 exactement comme oh l'a représenté sur la figure 2. Les contacts en disque 18 sont montés de façon correspondante sur une tige commune 19 électriquement conductrice de façon à s'appliquer à l'unisson contre leurs contacts fixes correspondants 16 et à s'en séparer de même. On voit ainsi que 15 l'interrupteur établit trois chemins séparés qui sont branchés en parallèle entre les bornes de l'interrupteur» Le nombre des chemins parallèles établis de cette façon est déterminé par le service demandé à l'interrupteur» D'une manière générale, le nombre des paires de contacts est en proportion des régimes 20 permanents et de courts-circuits de l'interrupteur. Une modification de l'interrupteur de la figure 3 est représentée sur la figure 4. Dans cette modification, un anneau d'encerclement 26 en matière magnétique est associé à chacun des bras 17 supportant les contacts fixes 16. Le rôle de ces anneaux 25 est de donner aux bras une inductance telle qu'ils s'opposent à des variations du courant traversant leur contact fixe associé. Cela est rendu désirable à cause de la connexion en parallèle des paires de contacts. Si, sous l'effet de quelque facteur tel que l'usure des contacts et/ou les tolérances de fabrication, les 30 paires de contacts ne se séparent pas simultanément pendant une opération d'interruption, le courant de charge a alors tendance à se concentrer sur la paire de contacts qui est la dernière à se séparer de sorte qu'une seule paire de contacts accomplit effectivement l'interruption. Cependant, les anneaux 26 réduisent 35 cette tendance en s'opposant au transfert du courant entre les paires de contacts ; en agissant ainsi, ils améliorent la performance de l'interrupteur. Une autre modification de l'interrupteur de la figure 3 est représentée sur la figure 5» Dans cette modification, la ^ partie centrale 11 est subdivisée en trois parties 27, 28, 29 69 04452 6 2002410 pour correspondre aux paires de contacts, les parties 27, 28 et 29 sont isolées électriquement les unes des autres par des bagues isolantes 30 interposées entre elles. Des inductances 31 » qui peuvent être bobinées ou autrement, sont reliées séparément à 5 chacune d.es parties à l'extérieur de l'interrupteur tandis que leurs autres extrémités sont reliées ensemble pour former l'une des bornes de l'interrupteur. L'autre borne de l'interrupteur est établie par la tige de manoeuvre 19• En fonctionnement, les inductances 31 sont équivalentes aux bras 17 et aux anneaux asso-10 ciés 26 de la figure 4. La disposition d'une tige de manoeuvre qui passe à travers-l'interrupteur (comme dans les formes d'exécution décrites ci-dessus) permet la connexion en tandem de tels interrupteurs multiples pour leur manoeuvre par un même appareil d ' actionnemaib . 15 Une telle disposition est représentée sur la figure 6 dans laquelle trois interrupteurs A, B et C sont reliés de cette façon pour leur manoeuvre par un même appareil d'actionnement 22. Comme cela apparaîtra dans la suite de l'exposé, les interrupteurs sont reliés électriquement en série les uns avec les autres. 2o Les interrupteurs peuvent être de l'un quelconque des types d'interrupteurs représentés sur les figures 1 à 5 et sont donc tels qu'un arc établi sur un contact en cours de séparation adopte éventuellement une direction qui est transversale par rapport à l'interrupteur. Cela se présente après le transfert 25 quand l'arc a sa base sur la tige 19. Pour assurer une érosion d'arc uniforme, il est désirable de faire déplacer l'arc le long des contacts sur lesquels il s'établit et, quand l'arc est en direction transversale, cela peut s'effectuer avantageusement comme représenté sur la 30 figure 6. Une bobine isolée 23 est enroulée le long de la partie centrale 11 de chaque interrupteur à laquelle elle est reliée par l'une de ses extrémités. Par une connexion convenable (comme on le décrira plus loin), elle est alimentée de façon à produire 35 un champ magnétique axial dans 1'interrupteur associé. L'effet de ce champ magnétique est de provoquer par action électromagnétique la rotation à vitesse élevée autour de la tige 19 de l'arc transféré de sorte que, comme désiré, -une usure irrégulière est pratiquement évitée. 69 04452 7 2002410 La connexion en série des interrupteurs et de leurs bobines associées est effectuée comme indiqué ci-après. Les deux connexions formant bornes pour le dispositif représenté sont établies par une extrémité de la bobine 23 associée à l'inter-5 rupteur A et par la tige de manoeuvre 19 pour l'interrupteur C. La connexion en série entre ces bornes se fait successivement de la bobine 23 pour l'interrupteur A à la tige 19 de cet interrupteur, puis de cette tige à la tige 19 de l'interrupteur B et ensuite de la bobine 23 pour l'interrupteur B à la bobine 10 de l'interrupteur C, puis de cette bobine à la tige 19 de cet interrupteur. On comprendra que ce chemin en série comprend les connexions établies par les paires de contacts de tous les interrupteurs. L' accouplement entre les tiges de manoeuvre des interrup-15 teurs B et 0 est rendu isolant pour l'empêcher de court-circutter ces interrupteurs et leurs bobines associées 23. On comprendra que, si on le désire, un interrupteur comme représenté sur la figure 5 et incorporé dans le dispositif de la figure 6 pourrait recevoir en enroulement une ou plusieurs des 20 inductances associées 31 pour établir le champ axial pour le mouvement de l'arc. On peut envisager beaucoup d'interrupteurs électriques sous vide et de combinaisons d'interrupteurs rentrant dans le cadre de l'invention et les dispositions représentées et décrites 25 ne le sont qu'à simple titre d'exemples. Ainsi, un interrupteur selon l'invention peut avoir une configuration cle contacts autre que la configuration représentée et décrite et il peut avoir une tige de manoeuvre qui ne s'étend pas à travers l'interrupteur . 30 Bien que ce soit avantageux, il n'est pas essentiel que la partie de l'enveloppe qui établit le refroidissement pour un contact fixe soit aussi disposée comme connexion électrique pour ce contact. On peut prévoir des écrans là où c'est nécessaire pour 35 protéger l'intérieur de l'enveloppe et les autres parties d'un interrupteur électrique sous vide selon l'invention contre les produits résultant de l'établissement de l'arc. On peut envisager, par exemple, que la ou les parties de l'enveloppe qui assurent le refroidissement des contacts puissent être intérieure-40 ment protégées par un ou plusieurs écrans céramiques. 69 04452 8 2002410 Bien qu'on ait décrit l'invention en se référant au refroidissement du contact fixe d'une paire de contacts ayant à la fois des surfaces de contact et de coupure, l'invention peut aussi s'appliquer au refroidissement d'une ou de plusieurs électrodes fixes dans des interrupteurs sous vide ayant des électrodes séparées pour des fonctions de contact et des fonctions de coupure. 69 04452 9 .2002410 REVENDICATIONS. "1. interrupteur électrique sous vide, comprenant une électrode fixe et une autre electrode oui foraient une paire d'électrodes montées pour une coopération électrique mutuelle à l'inté-5 rieur d'une enveloppe sous vide dans lequel une partie de l'enveloppe sous vide est en liaison thermique étroite avec l'électrode fixe, la dite partie d'enveloppe ayant une conductivité thermique élevée et une aire de surface extérieure notable de façon à pouvoir assurer tua refroidissement efficace de l'électrode fixe 10 quand elle est en action. 2. Interrupteur électrique sous vide selon la revendication 1, dans lequel la dite partie d'enveloppe a une conductivité électrique élevée et est électriquement reliée à l'électrode fixe de façon qu'elle puisse servir de connexion électrique pour ^5 l'interrupteur. 3. Interrupteur électrique sous vide selon la revendication "1 ou la revendication 2, dans lequel l'enveloppe est un cylindre clos, formé de deux parties cylindriques isolantes entre lesquelles est alignée axialement la dite partie d'enve- ^0 .loppe, elle-même cylindrique. 4-. Interrupteur électrique sous vide selon l'une quelconque des revendications 1 à 3> dans lequel l'électrode fixe et l'autre électrode sont respectivement les contacts fixe et mobile d'une paire de contacts pouvant s'appliquer l'un contre l'autre et se séparer. 5. Interrupteur électrique sous vide selon la revendication 4-, dans lequel le contact mobile est fixé à une tige de manoeuvre qui s'étend à travers l'interrupteur de façon à dépasser de l'interrupteur à ses deux extrémités et peut se 30 déplacer axialement pour effectuer l'application des contacts, deux ou plusieurs tels interrupteurs sous vide pouvant être reliés en série pour être manoeuvrés par un seul moyen d'action-nement. 6. Interrupteur électrique sous vide selon la revendication 35 4 ou la revendication dans lequel le contact fixe est annulaire et le contact mobile comprend une partie de contact, mobile contre une face latérale du contact fixe de façon à s'appliquer contre celui-ci par une surface de contact annulaire, et une partie de coupure centralement à l'intérieur du contact fixe 69 04452 10 2002410 mais écartée de lui, un arc établi entre les deux contacts quand ils se séparent ayant sa base sur le contact mobile d'abord à la partie de contact puis, après un transfert, à la partie de coupure, l'arc passant ainsi d'une première direction 5 pratiquement axiale par rapport au contact fixe à une seconde direction pratiquement radiale. 7« Interrupteur électrique scus vide selon la revendication 6, ayant un enroulement à l'extfcrieur de l'interrupteur pour produire un champ magnétique qui est axial par rapport au 'ÎO contact fixe et qui tend ainsi par action électromagnétique à faire tourner l'arc transféré autour de la partie de coupure. 8. Interrupteur électrique sous vide selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, qui comprend plusieurs dites paires de contacts à contact fixe et contact mobile, les paires de 15 contacts étant disposées électriquement en parallèle et pour un fonctionnement à l'unisson et la dite partie d'enveloppe étant fonctionnellement associée de manière analogue à chacun des contacts fixes. 9» Interrupteur électrique sous vide selon la revendica-20 tion 10, qui comprend un moyen à inductance à l'intérieur de l'enveloppe et relié électriquement entre chaque contact fixe et chaque autre contact .fixe pour s'opposer à des variations de courants entre les contacts fixes. . 10. Interrupteur électrique sous vide selon les revendica-25 tions 2 et 9j dans lequel chaque contact fixe est associéthermi- auement et électriquement à la partie d'enveloppe par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs organes qui sont rendus inductifs par des anneaux d'encerclement en matière magnétique. 11. Interrupteur électrique sous vide selon la revendica-tion 4, qui comprend plusieurs dites paires de contacts à contact fixe et contact mobile disposées pour un fonctionnement à l'unisson et associées chacune thermiquement et électriquement à line partie d'enveloppe correspondante, les contacts mobiles étant électriquement reliés entre eux et les parties d'enveloppe 35 étant isolées les unes des autres. 12. Interrupteur électrique sous vide selon la revendication 11, qui a un moyen à inductance relié entre chaque contact fixe et chaque autre contact fixe, le moyen à inductance étant établi pour l'interrupteur aux parties d'enveloppe en dehors de 40 l'interrupteur et servant en fonctionnement à empêcher des 69 04452 n 2002410 ■variations de courant entre les contacts fixes. 13. Interrupteur électrique sous vide selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, dans lequel les contacts mobiles sont montés sur une tige de manoeuvre commune qui s'étend à 5 travers l'interrupteur de façon à dépasser au-delà de l'interrup^ teur à ses deux extrémités et est mobile axialement pour appliquer les paires de contacts et les séparer, de façon que deux ou plusieurs tels interrupteurs sous vide puissent être reliés en série pour line manoeuvre par un seul moyen d'action-10 nement.