Brevet FR2030062A1 — publié le 19701030

i 2030062 La présente invention concerne un interrupteur à fermeture rapide, notamment pour des circuits sous des tensions supérieures à 1000 V., traversés par des courants d'intensité supérieure à 1000 A., dans lequel on a prévu, entre les élec-5 trodes, dont l'électrode de coupure présente des arêtes vives, dirigées verticalement vers l'électrode de base, et ladite électrode de base est réunie, de façon amovible, à une tôle d'aluminium en forme de U, des feuilles d'une substance isolante, et des feuilles métalliques, qui sont reliées à une source 10 d'impulsions de haute tension, et qu'une inçulsion de courant peut faire exploser, de manière que, après destruction des feuilles de substance isolante, la tôle d1 aluminium soit, par déformation, amenée en contact avec ladite électrode de coupure. Des interrupteurs à fermeture rapide sont nécessaires 15 pour les installations à courants forts, par exemple pour les installations à courants forts dans le domaine de la physique des plasmas. Ces interrupteurs doivent présenter un temps de fermeture court et faiblement dispersé, une faible inductance, une petite résistance, une forte rigidité diélectrique à l'état 20 ouvert, et une capacité de charge en courant, élevée. Les interrupteurs dans lesquels le contact est établi par un arc électrique, comme c'est le cas par exemple pour les éclateurs à isolants gazeux ou solides, présentent généralement une résistance trop élevée et une capacité de charge en courant, faible, par 25 suite des pertes ohmiques importantes. C'est pourquoi on a déjà également utilisé, comme interrupteurs, des électrodes qui peuvent être réunies l'une avec l'autre par un mécanisme d'ac-tionnement. Cependant, même dans le cas de ces interrupteurs, les temps de fermeture ne sont pas suffisamment courts. Cette 30 condition n'est pas non plus réalisée lorsque 1'actionnement a lieu à l'aide de substances chimiques explosives. On connaît également déjà des interrupteurs dont un pôle est formé par une électrode plane, à arêtes vives. L'autre pôle est constitué par une plaque d'aluminium. En dessous de la 35 plaque d'aluminium est disposée une feuille de cuivre, qui est reliée à une source de courant, et qui est protégée des électrodes par des feuilles d'une substance isolante. Entre les électrodes est également prévue une substance isolante. Si une impulsion de courant fait exploser la feuille de cuivre, la 40 plaque d'aluminium est poussée contre les arêtes vives de 69 36277 2 2030062 l'électrode qui se trouve en regard, les feuilles placées entre la plaque d'aluminium et l'électrode à arêtes vives, étant détruites. Un contact métallique est ainsi établi en tin temps de 9 i" 0,5 us (Edwin L. Kemp, The Design of Seyllac, A 15-Meter 5 THETA-PINCH MACHINE, Los Alamos Scient if ic Laboratory, rapport 59, présenté au cinquième symposium sur les techniques de fusion, à Oxford, Angleterre, en juillet 1968). Les temps de fermeture qui peuvent être atteints avec cet interrupteur sont cependant encore trop longs pour de nombreuses applications. D'autre part, 10 cet interrupteur comporte la formation, indésirable, d'un arc électrique. D'autre part, l'inductance relativement grande et la courte durée de vie de 1'interrupteur sont gênantes, puisque quelques unes de ses pièces s'usent d'une façon relativement rapide. 15 L'objet de la présente invention est donc de réaliser un interrupteur à fermeture rapide, présentant un temps de fermeture court, satisfaisant à des exigences élevées, et présentant d'autre part une faible dispersion. Cet interrupteur doit en outre présenter une faible inductance et une capacité de charge 20 en courant, élevée. D'autre part, il doit présenter une longue durée de vie. Le commutateur selon la présente invention est du type mentionné précédemment, et il permet de résoudre ce problème ; il est caractérisé par le fait qu'il comporte deux feuilles 25 métalliques,disposées à une faible distance l'une de l'autre, et à des distances égales des électrodes, chacune de ces deux feuilles métalliques étant reliée à une source d'impulsions de haute tension, et présentant une section transversale qui augmente de façon régulière en direction de sa connexion à la 30 source d'impulsions. Il s'est révélé avantageux de réaliser les feuilles métalliques de manière que le rapport entre les deux sections transversales, différentes, des feuilles métalliques vaut 1/10. Grâce à cette réalisation, différente, des sections transversales, on parvient à ce que l'explosion dans chacune 35 des deux feuilles métalliques se propage vers l'extérieur, en partant d'une perpendiculaire à l'axe médian des deux électrodes. Ceci réduit à une valeur minima la dispersion du temps de fermeture, ainsi que le temps de fermeture lui-même ; d'autre part, on obtient une surface de contact beaucoup plus grande que 40 lorsque l'on utilise des feuilles à section transversale uniforme. 69 36277 3 2030062 On obtient une amélioration supplémentaire du temps de coupure et de sa dispersion de la façon suivante : les feuilles métalliques sont constituées par de l'aluminium, ou bien par un alliage, connu, d'aluminium, renfermant une proportion prépondérante 5 d'aluminium. Une forme de réalisation préférée de l'interrupteur à fermeture rapide selon la présente invention, consiste en ce qu'une plaque, présentant une forte résistance à la flexion et une faible déformabilité, est placée entre les feuilles métalli-10 ques et la tôle d'aluminium, réunie à l'électrode de base. Cette plaque est constituée de préférence en acier. Ceci réduit d'autre part le temps de fermeture et sa dispersion. Pour empêcher une ouverture intempestive des contacts, par exemple par des forces produites par des champs magnétiques 15 ou par d'autres forces, on recourt à la disposition suivante : pour améliorer son contact avec la tôle d'aluminium, déformée, on a aménagé dans l'électrode de coupure une rainure, dont l'ouverture a une surface inférieure à celle du fond. La réalisation suivante s'est d'autre part révélée avantageuse. Un système de 20 réglettes prismatiques, disposées perpendiculairement les unes aux autres, est prévu dans la rainure, une réglette correspondant à la largeur des feuilles métalliques, et parallèle à leurs bords, étant disposée au-dessus de l'endroit de chacune des feuilles métalliques où elle présente sa plus faible dimension. Selon une 25 réalisation avantageuse, les réglettes prismatiques sont disposées en croix, de manière que leur longueur respective corresponde à la dimension des feuilles métalliques dans la direction des réglettes correspondantes. Les réglettes sont donc disposées au-dessus des feuilles métalliques. On obtient ainsi de bons résul-30 tats pour les temps de fermeture et leur dispersion, même si les feuilles métalliques sont écartées de quelques millimètres de la position qu'elles doivent occuper. Comme l'électrode de base est exposée à une charge importante par l'explosion de la feuille métallique, on a recours 35 à la disposition suivante : l'électrode de base présente une rainure disposée en dessous de la zone d'explosion. Ceci accroît considérablement la durée de vie de l'électrode. Pour augmenter leur durée de vie, d'autre part, l'électrode de coupure et l'électrode de base sont formées par vin alliage, connu en soi, 40 de cuivre et de béryllium. Ceci est d'autre part avantageux en 69 36277 4 2030062 raison de la bonne conductibilité de cet alliage. Pour accroître la rigidité diélectrique, des armatures contrôlant les potentiels, connues en soi, en métal ou en une substance semi-conductrice, sont prévues entre les électrodes 5 ou de manière à entourer celles-ci. Au lieu de cela, la disposition suivante peut Être également avantageuse : pour accroître la rigidité diélectrique, les électrodes sont disposées dans un récipient renfermant de l'huile isolante ou bien un électrolyte faiblement conducteur ; selon une variante, pour accroître la 10 rigidité diélectrique, les électrodes sont placées dans un récipient contenant un gaz, tel que SFg ou un gaz analogue, sous une pression allant jusqu'à environ 16 atmosphères. La disposition suivante est d'autre part avantageuse : un dispositif de pression hydraulique, connu en soi, est prévu 15 pour comprimer les éléments de l'interrupteur. Des interrupteurs à fermeture rapide sont souvent utilisés pour court-circuiter des circuits dans lesquels un accumulateur d'énergie est formé par une batterie de condensateurs, et où une inductance de charge est disposée, au premier maximum 20 du courant, après la mise en circuit du condensateur, de manière que le courant dans l'inductance décroisse le moins possible au cours du temps. Il faut d'autre part éviter que des oscillations n'apparaissent en raison de réactions avec la batterie. On s'efforce d'obtenir des champs magnétiques d'intensité élevée, avec 25 un temps de montée court et un temps de retour à la valeur moitié, long. Lorsque l'on utilise l'interrupteur à fermeture rapide selon la présente invention, comme interrupteur de court-circuit, les électrodes sont disposées en série avec les barres collectrices du circuit principal, si bien que le courant principal tra-30 verse les éléments de l'interrupteur à l'état ouvert. On parvient ainsi à ce qu'il existe un champ magnétique dans l'interrupteur, dès la commutation. Cette réalisation de l'interrupteur à fermeture rapide selon la présente invention offre l'avantage d'éviter dans une large mesure les réactions de la batterie sur le circuit 35 court-circuité. Après le court-circuit il n'apparaît donc pratiquement aucune oscillation du courant dans la charge inductive, ou seulement des oscillations négligeables. Grâce au court-circuit du circuit on parvient d'autre part à ce que soient protégés les condensateurs de l'accumulateur d'énergie, qui sont très sensibles 40 aux changements rapides de polarité. 69 36277 5 2030062 A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé une forme de réalisation de l'interrupteur à fermeture rapide selon la présente invention. La figure 1 représente un interrupteur à fermeture 5 rapide selon la présente invention, dans lequel les électrodes sont reliées aux barres collectrices du circuit principal. La figure 2 est une coupe de l'interrupteur à fermeture rapide selon la figure 1, suivant la ligne A-B, le sens du courant étant perpendiculaire au plan de la figure. 10 La figure 3 est une coupe, suivant la ligne C-D de la figure 1, de la tôle d'aluminium en forme de U de l'interrupteur illustré sur ladite figure 1, avec suppression des électrodes . La figure 4 est une autre coupe longitudinale de 15 l'interrupteur à fermeture rapide selon la figure 1, avec suppression des électrodes. Comme le montrent les figures du dessin annexé, les deux pôles de l'interrupteur selon la présente invention sont formés par une électrode de coupure 1 et une électrode de base 20 2. Dans 1'exemple de réalisation illustré sur la figure 1, l'électrode 1 est reliée à une barre collectrice 3 et l'électrode 2 à une barre collectrice 4, si bien que lesdites électrodes se trouvent dans le circuit formé par une batterie de condensateurs 5, et par une inductance de charge 6. Ce montage forme un circuit 25 oscillant. En court-circuitant les électrodes 1 et 2 au premier maximum du courant après la mise en circuit du condensateur 5, on peut parvenir à ce que le courant dans l'inductance de charge 6 diminue le moins possible au cours du temps, et qu'il apparaisse le moins possible d'oscillations dues aux réactions produites 30 par la batterie de condensateurs 5. Il faut produire un champ magnétique de forte intensité, avec un temps de montée court et un temps de retour à la valeur moitié, long. D'autre part, les condensateurs de la batterie 5, qui sont sensibles aux changements rapides de polarité, doivent être protégés. 35 Selon la présente invention, on a disposé, sur l'élec trode de coupure, 1, des réglettes 7 et 8, qui possèdent des arêtes vives, tournées en direction de l'électrode de base, 2. Une tôle d'aluminium en forme de U, 9, est réunie à l'électrode de base 2, deux feuilles métalliques 11, de préférence en alu-40 minium, recouvertes par une substance isolante 10, étant placées 69 36277 6 2030062 l'une à côté de l'autre dans l'espace limité par les deux éléments plats de la tôle d'aluminium 9, à égale distance de ces deux éléments plats. Les deux feuilles 11 sont recouvertes,de façon connue en soi, par une substance convenant pour l'isolement. 5 Elles sont reliées, par un bord, à la tôle d'aluminium 9, et, par le bord opposé, à la borne haute-tension d'une source d'impulsions 12. On peut utiliser comme source d'impulsions par exemple une petite batterie de condensateurs. D'autre part, entre la partie de la tôle d'aluminium 9 qui est réunie à l'électrode 10 de base et les feuilles métalliques 11, est prévue une plaque métallique 13, à forte résistance à la flexion, de préférence en acier. Pour isoler l'électrode de coupure 1 par rapport à la tôle d'aluminium 9, en forme de U, qui est réunie à l'électrode de base 2, ainsi que les barres collectrices 3 et 4, on a prévu 15 une feuille 14, de préférence en polyéthylène ou en polyester. Selon la présente invention - comme cela résulte de la figure 3 -les feuilles métalliques 11 présentent une section transversale qui augmente de façon régulière depuis une perpendiculaire à l'axe médian des électrodes 1 et 2, vers l'extérieur. Bien que 20 cela n'ait pas été illustré au dessin, l'extrémité de chaque feuille métallique, qui présente la plus grande section transversale, est reliée à la borne haute-tension de la source d'impulsions 12. Lorsqu'une impulsion de courant produite par les sources d'impulsions 12 fait exploser les feuilles métalliques 25 11, l'explosion commence au centre, entre les électrodes 1 et 2, et elle se propage vers l'extérieur. On parvient ainsi à ce que les temps de fermeture, c'est-à-dire le temps pendant lequel l'élément plat, libre, de la tôle d'aluminium 9 en forme de U est amené en contact avec l'électrode de coupure 1, soit très 30 petit, et ne présente pratiquement pas de dispersion. D'autre part, si le rapport entre la petite et la grande sections transversales des feuilles métalliques 11 est voisin de 1/10, on parvient à ce qu'il y ait formation, après l'explosion, d'une large surface de contact entre l'élément plat, libre, de la tôle 35 d'aluminium 9, en. forme de U, et l'électrode de coupure 1. Les feuilles métalliques 11 sont disposées, entre l'élément plat, libre, de la tôle d'aluminium 9, et la plaque métallique 13, présentant une forte résistance à la flexion, de manière à ce qu'il ne puisse pas y avoir pratiquement formation 40 de bulles d'air. Cette disposition est nécessaire pour obtenir 69 36277 7 2030062 des temps de fermeture courts et une surface de contact la plus grande possible. Pour obtenir un temps de fermeture le plus court possible, on donne donc à la plaque métallique 13, présentant une forte résistance à la flexion, une forme telle qu'il ne 5 puisse apparaître aucun entrefer, ou bien - comme illustré sur la figure 4 - l'espace libre, formé éventuellement,est comblé par une plaquette 15 en métal ou en matière synthétique. Ceci est nécessaire par exemple lorsque - comme illustré également sur la figure 4 - les feuilles métalliques minces, 11, destinées 10 à exploser, sont connectées aux sources d'impulsions 12, à l'aide de feuilles métalliques plus épaisses, 16. Comme cela résulte du dessin, les réglettes 7 et 8 de l'électrode de coupure 1 sont disposées en croix au-dessus des feuilles métalliques 11 de manière que la plus petite dimen-15 sion desdites feuilles métalliques 11 se trouve en dessous des arêtes des réglettes 7, et leur plus grande dimension, en dessous des arêtes des réglettes 8. On parvient ainsi à ce que, même en cas d'écarts de quelques millimètres, entre la position effective des feuilles métalliques 11, et la position qu'elles doivent 20 avoir, le temps de fermeture n'est pas dégradé, non plus que sa dispersion. Comme cela résulte des figures 1 et 2, les réglettes 7 et 8 sont disposées dans une rainure 17, dont le fond a une surface supérieure à celle de l'ouverture. Il en résulte que, après l'explosion des feuilles métalliques 11, l'élément plat, 25 libre, de la tôle d'aluminium 9, en forme de U, est coincé dans la rainure 17. Ceci empêche une ouverture intempestive des contacts, due à des forces exercées par des champs magnétiques, ou à d'autres forces. Ceci veut dire que le domaine d'application de l'interrupteur à fermeture rapide selon la présente invention 30 est considérablement élargi vers les plus grandes intensités de courant et les plus grandes densités de courant. L'électrode de base 2 est exposée à une charge considérable par l'explosion des feuilles métalliques 11. Par suite - comme cela résulte des figures 1 et 2 - on a prévu, en dessous de la zone d'explosion, 35 dans l'électrode de base 2, une cavité 18, qui est formée de préférence par une rainure allongée. Ceci accroît considérablement la durée de vie de l'électrode de base 2. Il est avantageux d'aménager un dispositif de pression hydraulique 19, pour exercer une pression sur les éléments de 40 l'interrupteur. 69 36277 8 2030062 L'interrupteur à fermeture rapide selon la présente invention a permis d'obtenir, pour des courants compris entre 50 et 1200 kA dans le circuit principal, sous une tension allant jusqu'à 20 kV, et pour une fréquence allant jusqu'à 300 kHz, des temps de fermeture de 3,4 us, avec une dispersion inférieure à 0,1 ys. L'épaisseur de la tôle d'aluminium en forme de U, qui était alors utilisée, était de 3 mm. Comme feuilles isolantes, on a utilisé des feuilles de polyéthylène, de 0,2 mm d'épaisseur. 69 36277 9 2030062 REVENDICATIONS 1. Interrupteur à fermeture rapide, notamment pour des circuits sous des tensions supérieures à 1000 V., traversés par des courants d'intensité supérieure à 1000 A., dans lequel on a prévu, entre les électrodes, dont l'électrode de coupure 5 présente des arêtes vives, dirigées verticalement vers l'électrode de base, et ladite électrode de base est réunie, de façon amovible, à une tôle d'aluminium en forme de U, des feuilles d'une substance isolante, et des feuilles métalliques, qui sont reliées à une source d'impulsions de haute tension, et qu'une 10 impulsion de courant peut faire exploser, de manière que, après destruction des feuilles de substance isolante, la tôle d'aluminium soit, par déformation, amenée' en contact avec ladite électrode de coupure, caractérisé par le fait qu'il comporte deux feuilles métalliques,disposées à une faible distance l'une 15 de l'autre, et à des distances égales des électrodes, chacune de ces deux feuilles métalliques étant reliée à une source d'impulsions de haute tension, et présentant une section transversale qui augmente de façon régulière en direction de sa connexion à la source d'impulsions. 20 2. Interrupteur à fermeture rapide suivant la reven dication 1, caractérisé par le fait que le rapport entre les deux sections transversales, différentes, des feuilles métalliques vaut 1/10. 3. Interrupteur à fermeture rapide suivant les reven-25 dications 1 et 2, caractérisé par le fait que les feuilles métalliques sont constituées par de l'aluminium, ou bien par tin alliage, connu, d'aluminium, renfermant une proportion prépondérante d'aluminium. 4. Interrupteur à fermeture rapide suivant les reven-30 dications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait qu'une plaque,présentant une forte résistance à la flexion et une faible défor-mabilité, est placée entre les feuilles métalliques et la tôle d'aluminium, réunie à l'électrode de base. 5. Interrupteur à fermeture rapide suivant les 35 revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé par le fait que, pour améliorer son contact avec la tôle d'aluminium, déformée, on a aménagé dans l'électrode de coupure une rainure, dont l'ouverture a une surface inférieure à celle du fond. 69 36277 10 2030062 6. Interrupteur à fermeture rapide suivant les revendications 1, 2, 3, 4 et 5, caractérisé par le fait qu'un système de réglettes prismatiques, disposées perpendiculairement les unes aux autres, est prévu dans la rainure, une réglette corres- 5 pondant à la largeur des feuilles métalliques, et parallèle à leurs bords, étant disposée au-dessus de l'endroit de chacune des feuilles métalliques où elle présente sa plus faible dimension. 7. Interrupteur à fermeture rapide suivant les reven- 10 dications 1, 2, 3, 4, 5 et 6, caractérisé par le fait que les réglettes prismatiques sont disposées en croix, de manière que leur longueur respective corresponde à la dimension des feuilles métalliques dans la direction des réglettes correspondantes. 8. Interrupteur à fermeture rapide suivant les reven- 15 dications 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7, caractérisé par le fait que l'électrode de base présente une rainure disposée en dessous de la zone d'explosion. 9. Interrupteur à fermeture rapide suivant les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7, caractérisé par le fait que les 20 électrodes sont constituées par un alliage, connu en soi, de cuivre et de béryllium. 10. Interrupteur à fermeture rapide suivant les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9, caractérisé par le fait que, pour accroître la rigidité électrique, des armatures con- 25 trôlant les potentiels, connues en soi, en métal ou en une substance semi-conductrice, sont disposées sur les électrodes. 11. Interrupteur à fermeture rapide suivant les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9, caractérisé par le fait que, pour accroître la rigidité diélectrique, les électrodes sont 30 disposées dans tin récipient renfermant de l'huile isolante ou bien un électrolyte faiblement conducteur. 12. Interrupteur à fermeture rapide suivant les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9, caractérisé par le fait que, pour accroître la rigidité diélectrique, les électrodes sont 35 placées dans tin récipient contenant un gaz, tel que SFg ou un gaz analogue, sous une pression allant jusqu'à environ 16 atmosphères . 13. Interrupteur à fermeture rapide suivant les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 et 12, caractérisé 40 par le fait qu'un dispositif de pression hydraulique, connu en 69 '36277 ii 2030062 soi, est prévu pour comprimer les éléments de l'interrupteur. 14. Application de l'interrupteur à fermeture rapide suivant les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 et 13, comme interrupteur de court-circuit dans un circuit formé 5 par une batterie de condensateurs et une inductance de charge, caractérisée par le fait que les électrodes sont montées en série avec les barres collectrices du circuit.