Brevet FR2083647A1 — publié le 19711217

L'invention se rapporte à un dispositif limiteur d'intensité propre à être intercalé dans un circuit d'alimentation en courant électrique qui comprend en série, le limiteur d'intensité, un disjoncteur et la charge* Suivant l'invention, un dispositif limiteur d'intensité de courant électrique ou limiteur d'intensité comprend un corps en matière isolante de l'électricité percé d'un trou ou canal qui s'étend de l'une à l'autre de ses extrémités opposées, deux capuchons creux, conducteurs de l'électricité, formant "bornes, montés respectivement de façon étanche sur les deux extrémités opposées du corps, deux soufflets métalliques fixés respectivement aux deux capuchons, l'intérieur de chaque soufflet étant en communication avec l'intérieur du capuchon correspondant, le canal, les capuchons et les soufflets étant remplis d'une matière liquide à la température ambiante et possédant une haute conductivité électrique à l'état liquide mais une grande résistivité électrique à l'état de vapeur, et deux: amortisseurs, montés respectivement dans les deux capuchons de façon à protéger les soufflets de la pression de la vapeur engendrée dans le canal lorsqu'une surintensité circule dans la matière liquide contenue dans ce dernier» lorsque le limiteur d'intensité est intercalé dans un circuit électrique et qu'il se produit une surintensité, telle qu'un sévère court-circuit dans le circuit de charge, il circule un courant excessif à travers la matière liquide contenue dans le canal du corps en matière isolante. L'échanffement dû à la surintensité provoque la vaporisation de la matière liquide contenue dans le canal du corps.» Il en résulte que le canal du corps contient une vapeur possédant une haute résistance électrique, au lieu dfe la matière liquide à haute conductivité qu'il contient dans les conditions normales® Une telle augmentation de la résistance électrique du limiteur d'intensité réduit par conséquent la surintensité ce qui facilite l'interruption du courant par le disjoncteur» le fonctionnement d'un tel limiteur d'intensité pose un problème difficile qui résulte de la très forte dilatation qui se produit lors de la vaporisation des liquides» En effet, 71 10639 2 2083647 la matière utilisée dans le limiteur d'intensité peut être le sodium-potassium (MaK), le mercure ou le gallium et la dilatation en volume que le mercure subit, par exemple, en se vaporisant est de l'ordre de 1500 fois» En outre, la température 5 qui règne dans le canal du corps isolant peut atteindre environ 6000°C dans certaines conditions de surintensité et, étant donné que le point d'ébullition du mercure est de 357°C» il se produit une nouvelle multiplication du volume d'environ 10 fois lorsque le mercure passe de la température d'ébullition de 10 357°C à la température de 6000°C« la dilatation totale du mercure dans ces conditions peut donc être de l'ordre de 15000 fois» la pression extrêmement grande qui est engendrée dans le dispositif dans de telles conditions agit sur les parties du dispositif et en particulier 15 sur les soufflets fixés au capuchon borne» Toutefois, l'énergie de choc de la vapeur est tellement forte qu'elle risque de détériorer gravement les soufflets métalliques» C'est pour cette raison que le limiteur d'intensité comprte deux dispositifs amortisseurs montés respectivement dans les deux capuchons 20 formant borne, ces dispositifs amortisseurs servant à protéger les soufflets de la pression de la vapeur engendrée dans le canal du corps isolant lorsqu'une surintensité traverse le liquide contenu dans le canal» Chacun des amortisseurs peut être constitué par un 25 élément conique monté dans le capuchon de façon que son axe longitudinal soit centré sur l'axe du canal et que son extrémité étroite soit dirigée vers le canal mais maintenue à une certaine distance de l'extrémité correspondante de ce dernier, ledit élément conique présentant des orifices qui traversent 30 sa paroi conique pour établir une communication à section de passage limitée entre le canal et le soufflet adjacento Suivant une variante, chacun des dispositifs amortisseurs peut être constitué par un élément obturateur conducteur de l'électricité qui est appuyé élastiquement sur le corps iso-35 lant pour fermer l'extrémité correspondante du canal, sauf lorsque la pression exercée sur cet élément obturateur par la vapeur engendrée dans le canal devient supérieure à la pression 71 10639 3 2083647 d'appui élastiqueo La description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, fera mieux comprendre comment l'invention peut être réaliséeo 5 Sur ces dessins, - la figure 1 est une vue en coupe verticale longitudinale d'un limiteur d'intensité suivant l'invention ; - la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1 et qui montre le limiteur d'intensité en fonctionnement ; 10 - la figure 3 est un graphique représentant les ca ractéristiques de réduction d'intensité du limiteur d'intensité suivant l'invention ; - la figure 4 est une coupe d'une partie d'un limiteur d'intensité suivant une variante de réalisation de l'in- 15 vention ; - la figure 5 est une vue en coupe verticale longitudinale d'un limiteur d'intensité suivant une autre variante de l'invention j - la figure 6 est une vue analogue à la figure 5 et 20 montrant le limiteur d'intensité en action ; - la figure 7 est une coupe longitudinale verticale d'une autre variante de réalisation de l'invention. Sur ces dessins, les éléments identiques ou correspondants sont désignés par les mêmes numéros de référence sur 25 toutes les figures» Un limiteur d'intensité électrique 10 comprend un corps en matière isolante constitué par un tube 12 de matière céramique, ce tube présentant un canal central 13 qui le traverse de l'une à l'autre de ses extrémités opposéeso Deux capu-30 chons-bornes creux 15 et 16, conducteurs de l'électricité, comportent des collerettes 19 et 20 rabattues vers l'intérieur qui sont fixées à joint étanche sur des collerettes 17 et 18 prévues aux extrémités opposées du tube 12» Les collerettes des capuchons-bornes et celles du tube sont réunies à joint étanche 35 aux fluides au moyen d'un adhésif. Les capuchons-bornes 15 et 16 sont percés de trous 21 et 22 respectivement à une extrémité et des soufflets métalliques 23 et 24 sont fixés aux bords 71 10639 4 2083647 périphériques des trous 21 et 22, par exemple par soudage, de sorte que les cavités intérieures des capuchons et des soufflets sont en communication entre elles à travers les trous 21 et 22. Un amortisseur est monté dans chacun des capuchons bor-5 nés, chacun de ces amortisseurs comprenant un élément 25, 26 de forme générale conique, percé de plusieurs orifices 27, 28. Les amortisseurs sont métalliques et ils sont montés dans les capuchons 15 et 16, respectivement, les axes longitudinaux de ces amortisseurs étant alignés sur l'axe du canal et l'extrémi-10 té étroite de chaque amortisseur étant dirigée vers 11 extrémité ouverte du canal 13 mais en restant espacée de cette extrémité» Les amortisseurs comportent, à l'autre extrémité, des "branches (non représentées) qui sont logées dans des encoches (non représentées) présentées par les capuchons 15 et 16 et qui 15 sont soudées aux capuchons» Les extrémités du canal 13 du corps isolant sont évasées pour former des tuyères 29. Les soufflets, les capuchons-bornes et le canal 13 sont remplis d'une matière métallique 31 liquide à la température ambianteo Ce liquide qui peut être, par exemple un composé 20 sodium-potassium (NaK), du mercure (Hg), du Gallium (Ga) possède une haute conductivité électrique à l'état liquide mais une haute résistivité électrique à l'état de vapeur et est de nature à ne pas imprimer de contraintes supplémentaires aux soufflets 23 et 24 à la température ambiante. 25 En utilisation, le limiteur d'intensité est intercalé dans un circuit électrique de transmission d'énergie, la source d'électricité étant connectée à l'un des capuchons-bornes tandis que l'autre capuchon-borne est connecté—en-sér-ie-avec un disjoncteur (non représenté) et avec la charge électrique» 30 Dans les conditions normales de fonctionnement, l'é lévation de la température du métal liquide contenu dans le dispositif est faible et il ne se produit pas de vaporisation du métal» Par contre, s'il se produit un court-circuit sévère, une surintensité extrêmement forte circule dans le métal liquide 35 31 et ce métal est échauffé par cette surintensité. Il est évident que la densité du courant à l'intérieur du canal 13 du corps isolant est plus forte que la densité 71 10639 5 2083647 de courant qui circule dans les capuchons-bornes 15 et 16, en raison de la plus faible section dé ce canal, le métal liquide contenu dans le canal se vaporise rapidement et la présence de cette vapeur accroît la résistance électrique du dispositif de 5 sorte que la surintensité est limitée à un niveau qui peut facilement être interrompu par le disjoncteur. Sur la figure 2, on voit que le métal liquide contenu dans le canal 13 a été vaporisé et que la vapeur a été refoulée dans les capuchons-bornes 15 et 16. la vapeur refoulée vers 10 les capuchons frappe le sommé: arrondi des amortisseurs 25 et 26 et se dirige vers les parois internes des capuchons 15, 16 en engendrant ainsi un écoulement turbulent dans les capuchons, comme on l'a indiqué par les flèches, la vapeur traverse également les orifices 27 et 28 et les trous 21 et 22 pour pénétrer 15 dans les soufflets 23 et 24. la dilatation de la vapeur est absorbée par le déploiement des soufflets 23 et 24. I1énergie de la vapeur de métal est fortement amortie par les amortisseurs ce qui évite efficacement la détérioration des soufflets 23 et 24, 20 la figure 3 représente la forme d'onde d'une surinten sité de courant alternatif pendant un demi-cycle, le temps étant porté en abscisse et l'amplitude du courant en ordonnée. Il va de soi que, si le limiteur d'intensité suivant l'invention n'était pas intercalé dans le circuit, le disjonc-25 teur aurait à interrompre le courant de court-circuit 32 mais que, lorsque le limiteur est intercalé en série avec le disjoncteur, ce dernier n'a à interrompre que la surintensité 33 beaucoup plus faible présentant le niveau auquel le limiteur d'intensité a ramené le courant. 30 lorsque le courant a été interrompu, le métal liquide vaporisé se refroidit progressivement et revient à l'état liquide ; le métal liquide s'écoule dans le canal 13 et les soufflets 23 et 24 se contractent de sorte que le limiteur d'intensité est de nouveau prêt à réagir à la surintensité suivan-35 te. Dans la variante représentée sur la figure 4, l'élément conique 125 possède une extrémité étroite pointue qui est 71 10639 6 2083647 dirigée vers l'orifice 29 du canal, la paroi conique de cet élément étant percée d'orifices 127. Lorsqu'il se produit une surintensité, la vapeur de métal sous pression qui est engendrée dans le canal est expul-5 sée par les extrémités ouvertes de ce canal et frappe la surface de chaque amortisseur, puis s'écoule le long de la surface interne du capuchon 25 et traverse ensuite les orifices 127 pour pénétrer dans les soufflets 23 dans lesquels la dilatation est absorbée par l'expansion du soufflet. 10 Dans la variante représentée sur la figure 5» les amortisseurs comprennent des éléments obturateurs constitués par des hémisphères métalliques 34-, 35 qui, normalement, ferment le canal 13 en s'appuyant sur les extrémités ouvertes opposées de ce dernier. Les obturateurs sont sollicités élas-15 tiquement vers cette position par les ressorts hélicoïdaux: 36 et 37 disposés entre les hémisphères 34 et 35 et les parois des capuchons 15 et 16. Ainsi qu'on l'a représenté sur la figure 6, lorsque le métal liquide contenu dans le canal se vaporise sous l'effet 20 de la circulation d'un courant de court-circuit, la vapeur de métal portée à une pression extrêmement élevée refoule les hémisphères 34- et 35 en les écartant des extrémités du canal, à l'encontre de l'action des ressorts d'appui et la vapeur métallique est expulsée dans les capuchons-bornes 15 et 16. Il 25 se forme dans les capuchons un écoulement turbulent de vapeur métallique, de la même façon qu'on l'a décrit plus haut en regard des figures 1, 2 et 4. Lorsque le dispositif a joué son rôle de limiteur de l'intensité et que la pression ^équilibre à l'intérieur du dis-30 positif, les obturateurs hémisphériques 34 et 35 ferment les extrémités ouvertes du canal sous l'action des ressorts 36 et 37, peur empêcher le métal liquide de refluer dans ce canal. Ceci élimine le risque d'éclatement d'un arc électrique qui, autrement pourrait se former dans le canal. 35 Dans la variante représentée sur la figure 7» chacun des obturateurs hémisphériques 34 et 35 est percé d'un orifice, 38 ou 39 respectivement, qui établit une communication entre le 1 10639 7 2083647 volume intérieur des capuchons 15 et 16 et le canal 13o Lorsque le dispositif a joué son rôle de liiaiteur de l'intensité et que la pression s'est équilibrée à l'intérieur du dispositif, le métal liquide reflue lentement dans le canal, avec un débit limité, à travers les orifices 38 et 39* Ceci s'oppose à l'éclatement d'un nouvel arc électrique dans le canal 13 et, finalement, le limiteur d'intensité est de nouveau prêt à intervenir» 71 10639 8 2083647 REVEUDICATIOMS 1) limiteur dsintensité électrique caractérisé en ce qu*il comprend un corps en matière isolante de l'électricité, présentant un canal qui s'étend de l'une à l'autre de ses ex-5 trémités opposées, deux capuchons creux, conducteurs de l'électricité, formant "bornes, montés respectivement de façon étan-che sur les deux extrémités opposées du corps, deux soufflets métalliques fixés respectivement aux deux capuchons, l'intérieur de chaque soufflet étant en communication avec l'inté-10 rieur du capuchon correspondant, le canal, les capuchons et les soufflets étant remplis d'une matière qui est liquide à la température ambiante et qui possède une conductivité électrique élevée à l'état liquide et une résistivité électrique élevée à l'état de vapeur, et deux amortisseurs montés respective-15 ment dans les deux capuchons et qui protègent les soufflets de la pression de la vapeur qui est engendrée dans le canal du corps lorsqu'une surintensité circule dans la matière liquide contenue dans le canal» 2) Limiteur d'intensité électrique suivant la reven-20 dication 1, caractérisé en ce que le liquide de remplissage est composé de sodium-potassium NaK, de mercure ou de gallium. 3) Limiteur d'intensité suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chacun des amortisseurs est constitué par un élément de forme générale coni- 25 que, monté dans le capuchon correspondant de façon que son axe longitudinal soit aligné sur l'axe du canal, et son extrémité étroite dirigée vers le canal, mais située à une certaine distance de l'extrémité correspondante de ce dernier, cet élément présentant par ailleurs des orifices qui traversent sa 30 paroi conique pour établir une communication limitée entre le canal et le soufflet adjacent» 4) Limiteur d'intensité suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque amortisseur comprend un élément obturateur conducteur de l'électricité, 35 appuyé élastiquement sur le corps isolant pour fermer l'extrémité du canal, sauf lorsque la pression exercée sur cet élément 71 10639 9 2083647 obturateur par la vapeur de matière contenue dans le canal est supérieur à la pression d'appui. 5) Limiteur d'intensité suivant la revendication 4-, caractérisé en ce que l'élément obturateur est de forme hémis- 5 phérique chargé par un ressort disposé entre l'élément obturateur et une paroi du capuchon-borne. 6) Limiteur d'intensité suivant l'une quelconque des revendications 4 et 5» caractérisé en ce que l'élément obturateur est percé d'au moins un orifice à section limitée 10 qui relie le canal du corps isolant au volume intérieur du capuchon correspond. 7) Limiteur d'intensité suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps de matière isolante est fait d'une matière céramiqueo