Brevet FR2003538A1 — publié le 19691107

La présente invention concerne les interrupteurs du type à vide et plus particulièrement une stracture de contact pour un tel interrupteur, permettant la coupure de courants d'intensités très élevées avec des contacts d'un diamètre faible. 5 L'invention concerne d'une façon générale une structure de contact comprenant un élément en ferme de disque avec plusieurs fentes s'étendant à la fois radialement et circulairement à partir de l'élément en forme de disque. Ces fentes sont utilisées pour établir un effet de rotation des arcs obligeant les arcs dont les 10 parties terminales se trouvent sur les parties délimitées par les fentes de l'élément en forme de disque à tourner autour de l'axe central de cet élément. La région dans laquelle les arcs sont amorcés pendant l'opération de coupure est située dans la partie centrale de l'élément en forme de disque. L'arc est entraîné ou souf-15 fié magnétiquement radialement vers l'extérieur et hors de la région d'amorçage et lorsqu'il approche du périmètre extérieur de l'élément en forme de disque, il tourne sjus l'action résultant des fentes de l'élément en forme de disque. Bien que les fentes des contacts ayant les configurations 20 connues jusqu'ici soient efficaces pour augmenter l'intensité du courant pouvant être coupé par des contacts d'un diamètre donné,il existe une limite supérieure du courant au-delà de laquelle ces contacts ne peuvent pas assurer une coupure satisfaisante. La présente invention a pour objet des contacts d'une forme 25 permettant la coupure de courants au-delà de cette limite avec le même diamètre du contact. Un interrupteur selon 11 invention comporte deux contacts ayant la forme générale de disques ayant une périphérie circulaire extérieure concentrique avec le pourtour extérieur du contact as-J>Q socié, et une pièce ou bouton de contact d'un diamètre supérieur à la moitié du contact en forme de disque. Chaque contact comporte des fentes espacées circulairement, chacune s'étendant d'un point du pourtour extérieur du contact dans une direction générale sensiblement tangente au pourtour de la pièce ou bouton de contact, 35 pour former des doigts ou des cornes orientés circulairement entre les fentes et le pourtour extérieur du contact. Les fentes ont une largeur moyenne au moins sensiblement égale à la moitié de la largeur moyenne des doigts ou des cornes. Chaque fente s'étend à partir du point de départ sur le pourtour extérieur du contact sur 69 06556 2003538 une distance substantielle au delà du point où la fente, est adjacente au pourtour extérieur de la pièce ou bouton de contact. A 1'extrémité la plus intérieure, la fente comporte une partie s'étendant transversalement à la partie tangentielle de la fente 5 au-delà du pourtour extérieur de la pièce ou bouton de contact jusqu'à un point situé radialement à l'intérieur par rapport au pourtour de la pièce ou bouton de contact. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple, 10 et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel : la figure 1 est une coupe longitudinale d'un interrupteur à vide comportant des contacts suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1a est une vue suivant la ligne 1a-1a de la figure 15 2, la figure 2 est une vue suivant la ligne 2-2 de la figure 1, et la figure 3 est une vue en perspective d'une partie de la structure de là figure 2. 20 La figure 1 représente un interrupteur du type à vide compor tant une enveloppe scellée 10 dans laquelle le vide est établi _ i). à 10 mm Hg ou une pression plus basse. Cette enveloppe comprend un manchon tubulaire 11 en matière isolante et deux couvercles 12 et 13 fixés aux extrémités opposées du manchon 11 par des 25 scellements étanches au vide 1^. Deux contacts 12 et 18 pouvant recevoir des mouvements relatifs sont logés à l'intérieur de l'envébppe 10, et ils sont représentés en traits pleins sur la figure 1 séparés, c'est-à-dire l'interrupteur ouvert. Le contact supérieur 17 est un contact fixe 30 qui est fixé à une tige conductrice 17a dont la partie supérieure est scellée le façon étanche au couvercle supérieur 12. Le contact inférieur 18 est un contact mobile fixé sur une tige de commande conductrice 18a qui peut recevoir des mouvements verticaux. La montée du contact 18 de la position représentée en traits 35 pleins à la position représentés en tirets ferme les contacts et par suite l'interrupteur, et la descente du contact.mobile sépare les contacts et ouvre l'interrupteur. La tige de commande 18a traverse librement une ouverture du couvercle inférieur 13 et un soufflet métallique flexible 20 69 06556 3 2003538 assure l'étanchéité autour de la tige 18a en permettant les mouvements verticaux de la tige sans perte du vide dans l'enveloppe 10. Le soufflet est représenté sur la figure 1 scellé à ses extrémités opposées à la tige de commande 18a et au couvercle in-5 férieur 13. Chacun des contacts 17 et 18 a une forme en disque sensiblement circulaire avec une face principale orientée vers l'autre contact. Chaque contact comprend une pièce ou bouton de contact 25 dans la partie centrale brasée au reste du contact. Chaque bouton de contact comporte un évidement central 27 de façon 10 que le contact entre les boutons ait lieu suivant des zones circulaires de contact 30, quand le contact inférieur est dans la position représentée en tirets sur la figure 1. Le diamètre de ces régions annulaires de contact 30 est tel que le courant traversant les contacts fermés suive un trajet L en boucle cintrée 15 radialement vers l'extérieur de la façon représentée en tirets sur la figure 1. L'effet magnétique du courant passant par ce trajet L en boucle tend d'une façon connue à allonger la boucle.Par suite, quand les contacts sont séparés et qu'il se forme un arc entre les zones de contact 30, l'effet magnétique du courant.pas-20 sant par la boucle repousse ou souffle l'arc radialement vers l'extérieur. Pour que cette boucle soit suffisamment allongée pour provoquer la force importante agissant radialement vers l'extérieur, le diamètre extérieur du bouton de contact 25 est supérieur à la moitié du diamètre de la partie en disque du contact. 25 Quand les parties terminales de l'arc sont déplacées vers la périphérie extérieure des disques 17 et 18, l'arc est soumis à une force magnétique agissant circulairement qui fait tourner l'arc autour de l'axe central des disques. Cette force magnétique agissant circulairement résulte de la présence de plusieurs fentes 12 30 formées dans chaque disque et divisant le disque en plusieurs doigts ou cornes 33. Chaque fente 32 s'étend d'un point de départ sur le pourtour du disque 17 ou 18 correspondant dans une direction sensiblement tangentielle au pourtour du bouton 25 à partir d'un point 34 sur une distance substantielle au-delà de ce point. 35 L'extrémité intérieure de chaque fente comporte une partie 35 s'étendant vers l'intérieur et sensiblement perpendiculaire à la partie tangentielle de la fente. Cette partie 35 s'étend du pourtour extérieur du bouton jusqu'à un point 36 espacé radialement vers l'intérieur du bouton. Comme le montre la figure 2, le bouton 69 06556 if 2003538 couvre 1'extrémité de la partie intérieure 35• Les fentes 32 obligent le courant passant entre l'extrémité terminale de l'arc et la corne 33 correspondante à suivre un trajet à travers la corne dans une direction circulaire par rap-5- port au disque, au voisinage de l'arc. Par exemple, si la partie terminale de 1 arc se trouve au point indiqué en 40 sur la figure 2, le trajet effectif du courant à travers la corne 33 vers l'arc est représenté par la ligne en tirets 41 s'étendant dans le sens circulaire par rapport au disque. Cette composante circulaire du 10 trajet du courant provoque le développement par le courant circulant par la boucle L d'une composante de force ayant une action circulaire qui fait tourner l'arc autour de l'axe central des disques. La composante de force agissant circulairement est suffisam-15 ment importante pour entraîner la partie terminale de l'arc et lui faire traverser la fente 32 à partir de l'extrémité libre de la corne 33.» en provoquant ainsi un mouvement de rotation continu de l'arc à la surface du contact. Il est actuellement reconnu qu'un tel mouvement de rotation continu de l'arc permet la coupu-20 re de courants d'intensités plus élevées, probablement parce qu'il réduit la quantité de vapeur métallique engendrée par l'arc et permet ainsi une condensation plus complète des vapeurs métalliques quand le courant arrive à zéro. Les configurations des fentes utilisées jusqu'ici pour provo-25 quer la rotation de l'arc dans les interrupteurs à vide sont efficaces, mais avec la configuration des fentes selon la présente invention, il est possible de couper des courants d'une intensité considérablement supérieure avec des contacts d'.un diamètre donné. Par exemple avec des contacts d'un diamètre de 35mm, il est pos-30 sible de couper des courants d'une intensité efficace de 10 000 A au lieu de 7 500 A avec des contacts d'un même diamètre ayant des fentes formées de la façon habituelle avec des conditions correspondantes de tension. Avec des contacts d'un diamètre supérieur, il est constaté une augmentation d'environ ion tiers du 35 pouvoir de coupure. Une caractéristique qui contribue aux performances supérieures du contact à fentes est la largeur relativement importante des fentes 32 par rapport à la largeur des cornes 33. Dans ce but,la largeur moyenne des fentes est choisie sensiblement égale à la 69 06556 5 2003538 moitié de la largeur moyenne des cornes 33 dans la région où ces cornes sont parallèles à la circonférence du disque. Cela apparaît sur la figure 2 sur laquelle le contact 17 est vu de l'autre contact. Cette largeur relativement importante apporte des 5 avantages importants. En premier lieu, elle se traduit par une réduction de la largeur des cornes, ce qui confine le trajet du courant à travers la corne dans une direction plus voisine d'une direction circulaire au voisinage de la partie terminale de l'arc. Par la concentration de cette façon du trajet du courant, la force 10 magnétique exercée sur l'arc est dirigée plus effectivement dans le sens circulaire, et il en résulte une rotation plus efficace de l'arc autour du disque. En second lieu, l'augmentation de la largeur de la fente réduit le risque que du métal fondu du fait des arcs à grande intensité remplisse les fentes et réduise ainsi 15 leur efficacité par formation de ponts métalliques en travers des fentes, Ces ponts métalliques sont indésirables parce qu'ils établissent des trajets à travers les fentes pour le courant, ce qui réduit la possibilité de confinement du courant au trajet désiré dans une direction circulaire. 20 Une autre caractéristique qui contribue à améliorer l'effica cité des fentes est que la carne 33 formée par chaque fente entre le bord extérieur de la fente et le pourtour de l'ensemble du contact s'étend sur une longueur importante parallèlement au pourtour du disque. Cela contribue à établir un trajet 41 pour le 25 courant plus réellement circulaire que dans le cas d'une fente plus radiale. Sur toute sa longueur, sauf dans la partie la plus intérieure 35, la fente est approximativement parallèle au pourtour du disque. Cela provient de la partie sensiblement tangentielle de la fente par rapport au pourtour du bouton de contact 30 25 dont le diamètre est supérieur à la moitié du diamètre du disque. Il est constaté que la partie terminale de l'arc déplacée radialement vers l'extérieur à partir du bouton de contact après l'amorçage , saute fréquemment à travers une fente 32. Cela place immédiatement la partie terminale de l'arc sur la corne 33 dans 35 une position où il existe une force importante agissant circulairement sur l'arc, ce qui provoque le début de la rotation de l'arc un temps exceptionnellement court après son amorçage. La position de la fente immédiatement à côté du pourtour du bouton de contact dans me direction tangentielle à ce pourtour, favori 69 06556 6 2003538 se le déplacement de la partie terminale de l'arc sur ce trajet court jusqu'à une partie de la corne 33 dans laquelle il existe une force importante pour agir circulairement sur 1'arc. Une autre caractéristique qui contribue à améliorer les per-5 formances est que l'extrémité de chaque corne est arrondie ou en arc sur toute sa largeur de la façon indiquée en 45. Dans les contacts réalisés jusqu'ici, les extrémités des cornes sont des pointes aigiies et il semble que l'extrémité terminale de l'arc a tendance à s'accrocher à ces pointes, l'arc paraissant hésiter 10 avant de traverser la fente. Cette tendance de l'arc à rester accroché à l'extrémité d'une corne est réduite par la suppression de la pointe aiguë, et l'arc traverse plus librement la fente 32. Il sera noté que sauf pour la partie intérieure 35 , chaque fente 32 a une configuration sensiblement en ligne droite. Cette 15 forme permet un usinage facile des fentes par fraisage. Une fraise rotative tournant autour d'un axe perpendiculaire au plan du disque 17 et ayant un diamètre égal à la largeur de la fente peut simplement être avancée du périmètre extérieur du disque jusqu'à une position voisine de l'extrémité intérieure de la fente sur 20 un trajet en ligne droite. La direction d'avance de la fraise est ensuite changée d'environ 90° pour former la partie courte 35 de la fente vers l'intérieur. La partie 35 s'étendant vers l'intérieur de chaque fente 32 est couverte par le bouton de contact 25, ce qui réduit la ten-25 dance de l'arc à rester près de l'extrémité inférieure d'une fente Pour accentuer la cambrure radiale vers l'extérieur du trajet L pour le courant, un manchon 40 en métal d'une résistivité élevée, par exemple en acier inoxydable, entoure chaque tige de contact 17a et 18a, à la jonction de la tige de connexion et de 30 la structure de contact proprement dit. La présence du manchon force la plus grande partie du courant à pénétrer dans le contact par la région centrale et par suite, force le courant à circuler radialement vers l'extérieur pour atteindre la zone de contact 30. Suivant un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, le • 35 bouton 25 est en matière ayant une grande résistance au soudage des contacts, par exemple en alliage cuivre-bismuth ou cuivre-plomb. Le reste du contact est de préférence en métal différent facile à travailler, par exemple en cuivre pur. 69 06556 7 2003538 Bien qu'il soit préférable de former le bouton en matière différente de celle du reste du contact, pour certaines applications il est satisfaisant d'utiliser la même matière pour tout le contact, avec un bouton venu de matière avec le reste du con-5 tact. Suivant un mode de mise en oeuvre préféré de 1'invention,les fentes 32 s'étendent dans la région à l'extérieur du bouton 35 sur toute l'épaisseur du disque et aussi jusqu'au pourtour extérieur du disque, afin que les cornes soient à peu près complète-10 ment séparées les unes des autres. Cette séparation permet une force de rotation plus importante pour 11 arc parce que le courant circulant jusqu'à l'extrémité terminale de l'arc est confiné sur un trajet spécialement établi pour provoquer la rotation de 1'arc. 15 Des écrans de condensation 60 et 64 sont montés à l'intérieur de l'enveloppe pour condenser les vapeurs métalliques engendrées par l'arc. L'écran principal est un élément tubulaire 60 entourant la région d'établissement de l'arc 62 entre le manchon isolant 11 et l'intervalle d'éclatement de l'arc. Cet écran est de 20 préférence maintenu à un potentiel sensiblement intermédiaire de ceux des deux contacts quand l'interrupteur est ouvert. Les écrans auxiliaires 64 de forme tubulaire sont connectés aux couvercles 12 et 13 et entourant les extrémités opposées de l'écran principal 60. 25 Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 69 06556 8 2003538 REVENDICATIONS 1- Une structure de contact pour un interrupteur du type à vide caractérisée par un élément de contact en forme de disque ayant un pourtcur extérieur de forme générale circulaire, et un - 5 bouton de contact fixé à la partie en forme de disque, le bouton ayant un pourtour extérieur sensiblement circulaire et pratiquement concentrique avec le pourtour extérieur de la partie du contact en forme de disque., le diamètre du bouton étant supérieur à la moitié du diamètre du contact, le contact comportant des fen-10 tes espacées circulairement, chacun s'étendant d'un point de départ situé sur le pourtour du bouton de contact en s'étendant d'une façon sensiblement tangentielle au pourtour extérieur du bouton pour établir des cornes s'étendant circulairement entre les fentes et le pourtour extérieur du contact, la largeur moyen-15 ne de chaque fente étant au moins sensiblement égale à la largeur moyenne de la partie de la corne formant son bord extérieur,chaque fente s'étendant à partir du point de départ sur le pourtour extérieur du contact sur une distance substantielle au-delà du point auquel la fente est adjacente au pourtour extérieur du bou-20 ton et la fente comportant à l'extrémité intérieure une partie s'étendant transversalement à la partie tangentielle de la fente et radialement vers l'intérieur au-delà du pourtour du bouton jusqu'à un point situé radialement à l'intérieur par rapport au pourtour du bouton. 25 2- Une structure de contact pour un interrupteur du type à vide selon la revendication 1 caractérisée en ce que la partie de la fente située à son extrémité intérieure s'étend en-dessous du bouton qui forme ainsi un pont au-dessus de cette partie. 3 - Une structure de contact pour un interrupteur du type à 30 vide selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisée en ce que chaque corne comporte une extrémité libre arrondie suivant un arc occupant toute la largeur de la corne. 4 - Une structure de contact pour lin interrupteur du type à vide selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce 35 que les fentes suivant un parcours sensiblement en ligne droite du pourtour extérieur du contact jusqu'à la partie formant l'extrémité intérieure de la fente.