Brevet FR2126239A1 — publié le 19721006

La présente invention concerne un dispositif de commutation électrique, et en particulier un interrupteur à haute tension dont les éléments d'isolation sont exposés, en cours de service, à l'action d'arcs électriques0 5 Ces éléments d'isolation, qui entrent en contact avec des arcs électriques en cours de service, sont soumis à des sollicitations sévères d'ordre mécanique, électrique et thermique<> Il est essentiel, pour le fonctionnement du dispositif de commutation, que le matériau de ces éléments d'isolation soit suffisamment 10 résistant à l'arc électrique, de sorte qu'il ne soit pas érodé par combustion dans une mesure excessive. En outre,, ce matériau doit avoir des propriétés telles que l'action de l'arc électrique ne provoque pas la formation de surfaces souillées, en premier lieu par le dépôt de suie, et, par suite, un claquage par courant de 15 fuite le. long des surfaces. Or, il s'est révélé difficile de parvenir en même temps à une résistance mécanique suffisante et à une stabilité adéquate à l'arc électrique. A titre - d'exemples de dispositifs de commutation avec lesquels se posent des problèmes de ce genre, on peut citer les interrupteurs.de courant, ainsi que lès 20 contacteurs et sectionneurs à écran d'extinction.» A cela s'ajoute en outre, dans le cas des interrupteurs à haute tension, l'exigence sans cesse croissante de brièveté du temps de commutation, c'est-à-dire du temps entre l'instant où l'interrupteur reçoit une impulsion de coupure et l'instant de 25 l'interruption du courant, les exigences croissantes de brièveté du temps de commutation sont liées à l'extension des réseaux de transport d'énergie électrique et aux effets de court-circuit qui augmentent de ce fait. Pour parvenir à un temps bref de commutation, il est essentiel que la rigidité diélectrique dans la boîte d'ex-30 tinction soit établie suffisamment vite pour que l'on n'obtienne aucun, phénomène dit amorçage inverse diélectrique, le matériau des éléments d'isolation, qui est en contact avec l'arc électrique, exerce une grande influence à ce sujet, car il est fréquent que des claquages soient provoqués par des courants de fuite le long des 35 surfaces des éléments d'isolation» On a utilisé jusqu'ici, pour ces éléments d'isolation, toute une série de matériaux isolants inorganiques et organiques. 72 05724 2 2126239 Plus récemment, on en est venu de plus en plus à l'utilisation de pièces façonnées avec liants en matières plastiques telles que des résines de polyester et des résines époxy, avec des charges pulvérulentes et fibreuses. Pour satisfaire les exigences de résis-5 tance mécanique et thermique, on a utilisé surtout les fibres de verre à titre de charge fibreuse et de matière de renfort. Il a également été proposé d'employer des pièces façonnées en résines d'acrylate, par exemple en polyméthylméthacrylate sans charges. Mais il s'est avéré qu'il se posait des problèmes en cas 10 d'utilisation des fibres de verre en tant que charge et matière de renfort, ce qui est probablement lié en partie à la forte tendance aux courants de fuite des fibres de verre chauffées et en partie au fait que le verre est modifié et rendu rugueux aux températures élevées de l'arc électrique, d'où il en résulte que le 15 verre retient des particules de suie et que la rigidité diélectrique le long des surfaces est très médiocre. Selon la présente invention, il est possible d'améliorer notablement la force de résistance des éléments d'isolation à l'égard de l'arc électrique, tout en conservant les bonnes carac-20 téristiques mécaniques et thermiques de ces éléments d'isolation, qui peuvent être obtenues avec les fibres de verre en tant que renfort. Cette amélioration est obtenue par l'utilisation, pour les éléments d'isolation, d'une matière fibreuse qui se compose au moins en majeure partie de fibres d'alcool polyvinylique ou de 25 fibres d'alcool polyvinylique acétylé. L'amélioration obtenue peut probablement s'expliquer par le fait que l'alcool polyvinylique est décomposé à basse température et dégage des gaz, entre autres de la vapeur d'eau, qui maintiennent effectivement l'arc électrique à distance des surfaces des éléments d'isolation et, de la sorte, 30 protègent ces surfaces contre l'action directe de l'arc électrique» En même temps, le dégagement gazeux contribue à l'extinction de l'arc électrique et, en conséquence, à un raccourcissement de la durée d'arc. L'invention concerne donc un dispositif de commutation à 35 éléments d'isolation exposés à l'action d'arcs électriques, ces éléments étant formés de pièces façonnées renforcées d'une matière fibreuse, et elle est caractérisée par le fait que la matière 72 05724 3 2126239 fibreuse se compose au moins en majeure partie de fibres d'alcool polyvinylique ou de fibres d'alcool polyvinylique acétalisé. On trouve dans le commerce des fibres d'alcool polyvinylique depuis 1950 au moins. Dans la description qui suit, l'expres-5 sion "fibres d'alcool polyvinylique" englobera non seulement les fibres d'alcool polyvinylique, mais aussi les fibres 'd'alcool polyvinylique acétaljsé (c'est-à-dire des fibres d'alcool polyvinylique dans lesquelles les groupes hydroxyles-de l'alcool polyvinylique qui se.trouvent en surface ont réagi avec"un-aldéhyde avec formation de groupes acétals). lors de la fabrication de pièces façonnées selon la présente invention, les fibres d'alcool polyvinylique peuvent être utilisées selon le mode couramment adopté dans le cas des fibres de j verre, c'est-à-dire sous forme de fil, de fibres courtes ou de mèches, 15 de nappes et de tissus, en combinaison avec un liant îrésineux. Entre autres procédés, les produits renforcés peuvent être fabriqués par façonnage de matières à mouler par compression et par injection, par façonnage de tissus imprégnés en laminés, par application manuelle, par enroulement de fibres et par coulage centrifuge. 20 la longueur des fibres contenues dans les matières à mouler par compression peut être comprise entre 1 et 100 mm, de préférence entre 3 et 50 mm et celle des fibres entrant dans les matières à mouler par injection peut être comprise entre 1 et 50 mm, de préférence entre 1 et 10 mm. le diamètre est de préférence compris 25 entre 1 et 50 çi. la teneur en fibres d'alcool, polyvinylique de la pièce façonnée à l'état fini peut être comprise entre 5 et 40 de préférence entre 10 et 25 i° du poids de la pièce façonnée. A titre d'exemples de liants qui conviennent pour les 30 pièces façonnées, on peut mentionner les substances suivantes : résines de polyester non saturées éthylèniquement, avec le métha-crylatê de méthyle, un autre acrylate ou méthacrylate, notamment les monomères à plusieurs groupes acrylate énumérées ci-après et, par ailleurs, un diallyl-phtalate ou triallylcyanurate sous forme 35 de monomère non saturés éthylèniquement dans une proportion de 15 à 45 du poids de la résine de polyester y compris le monomère; résines d'acrylate, comme par exemple un mélange, d'une part, d'un 72 05724 4 2126239 polymère d'acrylate linéaire, par exemple tin polymère de méthacry-late de méthyle, d'acrylate de méthyle, de méthacrylate d'éthyle ou d'acrylate d'éthyle ou un copolymère de deux ou plusieurs de ces substances et, d'autre part, d'un monomère à plusieurs groupes 5 acrylate, par exemple le diméthacrylate d'éthylène-glycol, le 1,4-butandiol-diméthacrylate, le diméthacrylate de néopentyl-glycol, le diméthacryla'te de diéthylène-glycol, le diméthacrylate de . triéthylène-glycol, le diméthacrylate de tétraéthylène-glycol, le diméthacrylate de ; pentaéthylène(glycoJ), le diméthacrylate d'exaé-10 thylène-glycol et le triméthacrylate de triméthylolpropane, ou des composés correspondants dans lesquels les groupes "méthacrylate ont été remplacés par des groupes acrylate, ainsi que des mélanges de deux: ou plusieurs de ces monomères à groupes méthacrylate ou acrylate, un diallyl-phtalate au moins partiellement polymérisés; des 15 résines époxy avec des durcissants du type durcissant anhydride, -notamment l'anhydride, d'acide hexahydrophtalique, des résines' de carbamide et des résines de mélamine. On donnera une préférence particulière aux résines d'acrylate énumérées, et notamment à un mélange d'un polymère d'acrylate linéaire du genre mentionné et 20 d'un monomère sous la forme d'un composé d'acrylate monomère formé par un diméthacrylate et/ou diacrylate de polyéthylène-glycol, comme par exemple, un diméthacrylate ou diacrylate de diéthylène-glycol, de triéthylène-glycol, de tétraéthylène-glycol, de penta-éthylène-glycol, d'hexaéthylène-glycol et d'heptaéthylène-glycol, 25 éventuellement mélangé avec une résine additionnelle à groupes non saturés éthylèniquement, qui sont copolymérisables avec les groupes non saturés du diméthacrylate ou diacrylate de polyéthylène-glycol. A titre d'exemple de telles résines.additionnelles, on peut mentionner : des résines de polyester non saturées, des esters d'allyle > 30 partiellement polymérisés, par exemple le diallyl-phtalate et de £ diallyl-maléate, des résines époxy acrylo-modifiées, de préférence cycloaliphatiques, ainsi que des résines de polybutadiène non satu- ^ -> rées, ayant par exemple un poids moléculaire de 1 000 à 3 000 et } 85 i° environ des groupes non saturés en position 1,2. La teneur en ? 35 polymère d'acrylate linéaire s'élève de préférence à 10-35 et la teneur en composé d'acrylate monomère à 65-90 i<> du poids total de ces substances. La teneur en résine additionnelle s'élève au COPY 72 05724 5 2126239 maximum à 25 %, c'est-à-dire à 0-25 % du poids total- du polymère d'acrylate, du composé d'acrylate monomère et de la résine additionnelle. La teneur en.liânt peut être comprise entre 17 et 70 fo, de préférence entre 20 et 50 % du poids de la pièce façonnée. 5 La résine de polyester non saturée peut être du type usuel et préparée par estérification d'acides carboxyliques, de préférence aliphatiques, dibasiques, non saturés et saturés éthylèniquement ou d'anhydrides correspondants avec des quantités équivalentes ou un léger excès d'alcool bivalent. A titre d'exemples 10 d'acides non saturés utilisables à cet effet, on peut mentionner l'acide maléique, l'acide fumarique et l'acide itaconique, qui sont utilisés directement ou, dans certains cas appropriés, sous forme d'anhydrides. En tant qu'exemples d'acide's saturés utilisables, il convient de citer en premier lieu l'acide adipique, l'acide 15 sébacique et l'acide succinique employés directement ou, dans certains cas appropriés, sous forme d'anhydrides. L'éthylène-glycol, le propylène-gly.col et le butyl-glycol, ainsi que des polyglycols comme le diéthylène-glycol, le triéthylène-glycol et le dipropylène-glycol sont des alcools bivalents qui conviennent. 20 Les pièces façonnées peuvent aussi contenir des charges pulvérulentes inorganiques et organiques, telles que craie, kaolin, dolomite, bauxite, poudre de mica, poudre de quartz, bioxyde de zirconium, silicate de zirconium, carbure de silicium, trihydrate d'aluminium, poudre de cellulose, poudre de polyacétal (polyoxymé-25 thylène), etc.. La teneur en charges pulvérulentes peut être comprise entre 0 et 70 de préférence entre 15 et 60 $ du poids de la pièce façonnée, c'est-à-dire du poids total du .liant, de la matière fibreuse et des charges pulvérulentes. Outre les fibres d'alcool polyvinyliquet la pièce façon- " 30 née peut contenir d'autres matières fibreuses, par exemple du coton, des fibres de sisal et de 1 'amiante, dans une proportion inférieure en poids au total à celle des fibres d'alcool polyvinylique . L'invention va être expliquée de façon plus détaillée par 35 la description d'une série d'exemples de réalisation, en référence à la figure unique du dessin annexé qui. représente schématiquement un interrupteur à haute tension à faible, quantité de liquide avec COPV 72 05724 6 2126239 chambre d'extinction ou de coupure par soufflage transversal. L'interrupteur représenté comporte une chambre d'extinction cylindrique 1 et une enveloppe cylindrique 2 concentrique, toutes deux en matière plastique renforcée de fibres de verre. A l'extré-5 mité supérieure de ces éléments est disposée une capsule cylindrique 3 qui est munie d'une borne de courant 4 reliée au contact fixe 5 de l'interrupteur. Le contact mobile 6 de l'interrupteur est constitué par une tige de contact qui peut coulisser dans le collecteur de courant ou contact.glissant inférieur 7 et à travers 10 une zone d'arc électrique 8, par rapport au contact fixe 5 disposé à l'extrémité supérieure de la zone d'arc. Dans la zone d'arc, une série de disques 9 sont disposés horizontalement. La face inférieure de chaque disque est plane sur toute l'étendue du disque. Chaque disque comporte un trou central 12 pour le passage du con-15 tact mobile et, à sa face supérieure, une rainure sensiblement radiale qui s'étend depuis le trou 12 jusqu'à un passage 11 pour les gaz d'échappement, situé du côté intérieur de la paroi de la chambre d'extinction. Chaque ra-inure forme ainsi une fente horizontale 10 (fente d'extinction transversale) qui part de la zone 20 d'arc 8 et débouche dans le canal d'échappement 11. Du côté du canal d'échappement 11, c'est-à-dire au niveau des parties qui entourent la rainure radiale et qui sont situées plus haut que celle-ci, l'épaisseur de chaque disque est plus grande que de l'autre côté, par rapport au trou 12, de sorte qu'il est formé, vers ce 25 dernier côté, des intervalles ouverts entre les disques, comme on peut le voir également sur la figure. Les disques sont empilés les uns sur les autres et: sont mutuellement en contact là où leur -épaisseur est maximale (en arrière du plan de la figuré). Les disques sont fixés les uns aux autres au moyen d'une tige de guida-30 ge 16 qui traverse tous les disques (en arrière du plan de la figure). Pour protéger la paroi'intérieure de la chambre d'extinction 1 contre les gaz chauds qui sont expulsés à travers les fentes 10, un écran cylindrique 17 constitué par une pièce façonnée, renforcée de fibres d'alcool polyvinylique, peut être disposé dans 35 le cylindre 1, le long d'une partie de sa circonférence. Le liant contenu dans cette pièce façonnée peut être du même genre que celui qui a été décrit plus haut en ce qui concerne les éléments d'isola 72 05724 7 2126239- tion exposés à l'action de l'arc électriquç,comme par exemple les disques 9. La paroi interne du cylindre 1 de la chambre d'extinction peut être également protégée en donnant aux disques 9 un diamètre qui correspond au diamètre intérieur du cylindre formant la 5 chambre et en formant dans chaque disque un trou s'étendant en direction axiale et situé à me certaine distance de la périphérie et, par suite, de la paroi de la chambre d'extinction. De la sorte, les trous formés dans les disques empilés les uhs sur les autres forment ensemble un canal d'échappement qui correspond au 10 canal 11 de la figure. l'interrupteur est rempli de liquide, par exemple d'huile, jusqu'au niveau 13 de la capsule. Autour du cylindre 2 est disposé un isolateur de porcelaine 14. Lors de la commutation, il se produit, sous l'effet de l'arc électrique, une vaporisation de l'huile 15 dans la zone d'arc, ce qui donne lieu à une pression très élevée dans celle-ci. A l'instant où les fentes d'extinction transversales 10 sont découvertes par le contact mobile 6, l'arc électrique est exposé à un courant intense d'huile et de gaz qui refroidit et désionise l'arc. Pour assurer l'interruption de faibles courants, 20 un certain nombre de poches de liquide 15 peuvent être formées à la partie inférieure de la chambre d'extinction. Dans le dispositif représenté, les disques 9 de la chambre d'extinction sont exposés à l'action de l'arc électrique. Selon la présente invention, ces disques sont constitués par des pièces 25 façonnées renforcées de fibres d'alcool polyvinylique. Quelques exemples relatifs à la fabrication de ces pièces façonnées sont donnés ci-après : Exemple 1 On prépare une matière à mouler par compression à partir 30 des éléments suivants : 30 parties en poids d'une résine polyester non saturée, préparée selon le mode usuel à partir de 2 moles d'anhydride d'acide maléique, 1 mole d'acide succinique et 3,3 moles d'éthylè-ne-glycol et par mélange de 70 ^ en poids du produit de réaction 35 ainsi obtenu avec 30 en poids de méthacrylate de méthyle. L'esté-rification est effectuée à 165-190°C jusqu'à un indice d'acide de 35. 0,5 partie en poids de peroxyde de benzoyle 72 05724 B 2126239 1,5 partie en poids de stéarate de zinc 20 _ parties enpoids de fibres d'alcool polyvinylique;ayant une longueur de 15 mm 95 parties en poids de bioxyde de zirconium. 5 Les éléments, sont malaxés pour former une pâte homogène. Cette pâfe est façonnée par compression et durcie dans l'outil de 2 moulage sous une pression de 100 kg/cm et à une température de 140°C pendant 4 mn. Exemple 2 10 Une matière à mouler par compression est préparée à partir des éléments suivants. 30 parties en poids d'une résine acrylique, se composant de 75 % en poids de diméthacrylate de triéthylène-glycol et 25 $ en poids de méthacrylate de méthyle polymérisé, ayant un poids 15 moléculaire de 140 000 0,5 partie en poids de perbenzoate de butyle 15 parties en poids de fibres d'alcool polyvinylique ayant une longueur de 15 mm' 5 parties en poids de poudre de cellulose 20 1,5 partie en poids de stéarate de zinc 48 parties en poids de kaolin La matière à mouler par compression est préparée et façonnée de la même manière que dans l'Exemple 1. Exemple 3 25 Une matière à mouler par injection est préparée à partir des éléments suivants : 36 parties en poids de diallyl-phtalate pré-polymérisé, ayant un point de fusion de 95° environ 4 parties en p oids de diallyl-phtalate monomère 30 1 partie en poids de perbanzoate de butyle 10 parties en poids de fibres d'alcool polyvinylique ayant une longueur de 3 mm 48 parties en poids de kaolin. Les éléments sont bien mélangés et travaillés dans un lami-35 noir à 80-90°C. Après refroidissement, le produit laminé est concassé en grains d'une grosseur de 3 mm environ. La matière peut être extrudée et moulée par injection à une température de 160°C.Les 72 05724 2126239 valeurs suivantes représentent des conditions optimales : pression 2 2 d'extrusion, 100 kg/cm ; pression d'injection, 300 kg/cm ; temps de durcissement, 150 s, temps d'injection, 15 s. Exemple 4 5 Une pâte est préparée à partir des éléments suivants : 50 parties en poids d'une résine de mélamine-formaldéhyde (2 moles de formaldéhyde par mole de mélamine) 30 parties en poids de carbonate de calcium 2 parties en poids de stéarate de zinc 10 18 parties en poids de fibres d'alcool polyvinylique ayant une-longueur de 15 mm. Les éléments sont malaxés dans un pétrin sigma. Après que l'eau a été éliminée par séchage au four à 50°C environ, le produit obtenu est concassé en grains d'une grosseur de 3 mm environ. La 15 matière convient pour le moulage par compression, le moulage par l injection et l'extrusion. Elle peut être traitée dans les mêmes conditions que dans l'exemple 3. Exemple 5 Une matière à mouler par compression est préparée à partir 20 des éléments suivants. 35 parties enpoids d'une résine époxy, se composant d'un mélange de 51 $ en poids d'une partie résine époxy cycloaliphatique ayant une teneur en époxy de 6,2 équivalents/kg et me viscosité de 1,5.10^ cP à 25°C, 48,5 $ en poids d'une partie durcissant 25 . composée d'anhydride d'acide hexahydrophtalique, ainsi que 0,5 i° en poids d'une partie accélérateur, se composant de dimé-thylamine de benzyle 10 parties en poids de fibres d'alcool polyvinylique ayant une longueur de 10 mm •. 30 2 parties en poids de stéarate de zinc 30 parties en poids de trihydrate d'aluminium 23 parties en poids de'silicate de zirconium. Les éléments sont malaxés à 75°C environ. La matière pâteuse ainsi obtenue est durcie à une température de 170°C et sous une 2 35 pression de 100 kg/cm . Exemple 6 Une matière à mouler par compression est préparée à partir des éléments suivants : 72 05724 10 2126239 30 parties en poids d'une résine se composant de 60 fo en poids de diméthacrylate de tétraéthylène-glycol, 25 fo en poids d'un polymère de parties égales d'acrylate et de méthacrylate de méthyle ayant un poids moléculaire de 130 000 et 15 i» en poids 5 d'une résine de polyester non saturée, préparée selon le mode usuel à partir de diéthylène-glycol et d'anhydride d'acide maléique en utilisant 1 ,1 mole de diéthylène-glycol par mole d'anhydride d'acide maléique, par cuisson à 165-190°C jusqu'à m indice d'acide de 40. 10 0,5 partie en poids de peroxyde de benzoyle 12 parties en poids de fibres d'alcool polyvinylique ayant une longueur de 25 mm 20 parties en poids de poudre de cellulose ayant une grosseur de particules de 100 (j. environ. 15 La matière à mouler par compression est préparée et façon née de la même manière que dans l'exemple 1. Exemple 7 Une matière à mouler par compression est préparée et façonnée comae dans l'exemple 6, à cette seule différence que la résine 20 de polyester non saturée indiquée dans cet exemple est remplacée par une quantité égale de diallyl-phtalate prépolymérisé (par exemple DAPOK^ de la Eood Machinery Corp.). Les matières décrites dans les exemples 1 à 7 peuvent être utilisées, non seulement pour la fabrication de disques de chambre 25 d'extinction pour des interrupteurs à haute tension, mais aussi pour la fabrication d'autres éléments d'isolation qui sont exposés à l'action de l'arc électrique dans d'autres genres de dispositifs de commutation, par exemple pour la fabrication d'écrans d'extinction dans des contacteurs et des sectionneurs. 72 05724 n REVENDICATIONS 2126239 1Dispositif de commutation électrique comportant des éléments d'isolation exposés à l'action d'arcs électriques et constitués par des pièces façonnées, renforcées de matière fibreuse, caractérisé par le fait que la matière fibreuse se compose, au 5 moins en majeure partie, de fibres d'alcool polyvinylique ou de fibres d'alcool polyvinylique acétalysé. 2.- Dispositif de commutation électrique selon la revendication 1, consistant en un interrupteur à haute tension avec une chambre d'extinction, caractérisé par le fait que les éléments 10 d'isolation constituent des disques de chambre d'extinction. 3.- Dispositif de commutation électrique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les disques de la chambre d'extinction contiennent un liant qui se compose d'uïie résine polyester non saturée durcie par réaction avec un acrylate ou un 15 méthacrylate sous forme monomère. 4.- Dispositif de commutation électrique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les disques de la chambre d'extinction contiennent un liant qui est composé essentiellement d'un mélange polymérisé d'un polymère d'acrylate linéaire et d'un 20 monomère constitué par un diméthacrylate et/ou un diacrylate de polyéthylène-glycol. 5.- Dispositif de commutation électrique selon la revendication 4, caractérisé par le fait.que la teneur en polymère d'acrylate linéaire est compris entre 10 et 35 $ et la teneur en monomère 25 entre 65 et*90 $ du poids de cette substance. 6.- Dispositif de commutation électrique selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait que le liant contient en outre \me résine additionnelle qui contient des groupes non saturés éthyléniquement, lesquels sont copolymérisables avec les groupes 30 non satiirés du diméthacrylate ou diacrylate de polyéthylène, la teneur en résine additionnelle s'élevant au maximum à 25 i° du poids total du polymère d'acrylate, du composé d'acrylate monomère et de la résine additionnelle.