Brevet FR2262393A1 — publié le 19750919

La présente invention se rapporte aux dispositifs de coupure rapide des circuits électriques et plus particulièrement aux coupe-circuits industriels fonctionnant soit directement par effet Joule soit en réponse à un signal électrique auxiliaire. Des coupe-circuits pyrotechniques ont déjà été brevetés et permettent une amélioration des principales caractéristiques de coupure par rapport aux coupe-circuits classiques. Ces coupe-circuits utilisent une composition pyrotechnique déposée directement sur le fil ou la lamelle fusible qui est éventuellement placée dans une cartouche en céramique contenant de la silice en poudre. Selon cette conception, la mise à feu de la composition pyrotechnique détermine une combustion qui s'effectue à une pression peu supérieure à la pression ambiante, et la vitesse de combustion de cette composition pyrotechnique ainsi que la puissance thermique n'ont qu'une valeur limitée qui est très inférieure à la vitesse et à la puissance qu'il serait possible d'obtenir avec une composition identique, utilisée dans des conditions différentes, ce-qui entraîne des caractéristiques de rupture du coupe-circuit inutilement limitées à des valeurs peu performantes. La présente invention a pour but de réaliser des coupe-circuits pyrotechniques à coupure rapide présentant d'une part un délai de coupure inférieur aux délais obtenus en employant des coupe-circuits pyrotechniques connus, et d'autre part des caractéristiques de rupture plus performantes et une fiabilité améliorée. Le dispositif de coupure rapide des circuits électriques selon l'invention utilise un élément conducteur fusible et une composition pyrotechnique, et cet élément conducteur comporte une cavité dans laquelle est confinée la composition pyrotechnique. Selon deux variantes principales de réalisation, l'élé- ment conducteur est, soit une lamelle métallique qui est mise en forme dans la zone centrale de sa longueur afin de présenter une section creuse, soit un tube métallique qui est obturé à chacune de ses extrémités afin de présenter une section creuse, et plus particulièrement, le tube métallique présente une faible épaisseur et est totalement écrasé de part et d'autre de sa zone centrale afin de présenter une cavité totalement close. Un tel dispositif peut être mis à feu soit par un signai électrique qui parvient à un fil de commande placé dans la cavité de l'élément conducteur, soit par échauffement de l'élément conducteur qui présente préférentiellement une section au droit de la cavité d'une valeur inférieure aux valeurs des sections de l'élément conducteur de part et d'autre de la cavité, afin de localiser l'échauffement maximum qui doit permettre d'atteindre la température d'auto-inflammation de la poudre. La composition pyrotechnique utilisée est une poudre très sensible à vitesse de combustion élevée et les performances du dispositif de coupure seront d'autant plus élevées que la composition pyrotechnique sera sensible et rapide. Des résultats satisfaisants sont obtenus avec les poudres qui présentent un dé lai d'inflammation inférieur à 12 millisecondes et un délai de combustion infé rieur à 9 millisecondes, ces délais étant mesurés dans les conditions normales d'essais avec 10 grammes de poudre. I1 a été observé que ces délais pouvaient être réduits d'une part lorsque l'on utilise une quantité de poudre inférieure à la quantité de référence et d'autre part lorsque l'on confine la poudre dans un volume restreint, et il a été découvert selon la présente invention que l'a mélioration du rendement thermique de la transmission à l'élement conducteur, de la chaleur produite par la combustion de la poudre, permettait de réduire en encore très légèrement ces délais maisgentraSnant une importante réduction du délai de rupture de l'élément conducteur. Il a été constaté qu'avec les fusi bles pyrotechniques précédemment connus une importante partie de l'énergie thermique produite par la combustion de la poudre était absorbée par les maté riaux de remplissage, tel que la silice, qui entourent l'élément conducteur et le maintiennent dans la cartouche isolante, lorsque selon l'invention plus de 50 % de l'énergie libérée par la combustion de la poudre était transmise à l'é lément conducteur pour l'échauffer et le fondre. De plus, il a été découvert que l'utilisation d'une poudre génératrice de gaz permettait de rompte l'élément conducteur plus rapidement que lorsqu'une poudre dite "sans gaz" est utilisée même lorsque le coefficient de tassement de cette dernière est faible et qu'eUe comporte une inclusion de gaz dans la cavité de l'élément conducteur. Préféren tiellement, les poudres présentant un potentiel supérieur à 600 calories par gramme sont utilisées. Des résitats satisfaisants ont été obtenus d'une part avec les poudres à base de nitrate de potassium, et de bore en proportions stoechiométriques, et d'autre part avec les poudres comprenant comme réducteur le zirconium et comme oxydant un mélange de chromate de baryum, de perchlorate d'ammonium et de bichromate d'ammonium et plus particulièrement avec les pou dres comprenant - 33 à 57 X en poids de zirconium - 27 à 41 7. en poids de chromate de baryum - Il à 17 7. en poids de perchlorate d'ammonium - 5 à 9 % en poids de bichromate d'ammonium. I1 a été découvert que les meilleures performances sont obtenues lors que la cavité de l'élément conducteur est totalement close et que cette cavité est indéformable et, préférentiellement d'une part la section droite de la ca vité est un cercle, et d'autre part les (ou la) fermetures de cette cavité ont une résistance mécanique à la rupture qui est supérieure à la résistance méca nique de la section dans laquelle le fusible doit se rompre, et à cet effet l'élément conducteur peut comporter notamment un sillon de fragilisation au droit de la cavité. Selon une première variante l'élément conducteur est réalisé à partir de pièces de faible épaisseur telles qu'une lamelle qui est enroulée dans sa partie centrale, cependant il est nécessaire de maintenir les deux bords de la lamelle en contact et d'obturer les deux extrémités de la cavité cylindrique afin de permettre une montée en pression suffisante pour déterminer une rupture rapide de l'élément conducteur, fusible. Un autre mode de construction peut être mis en oeuvre à partir d'une seconde variante de l'invention qui utilise un tube obturé à chacune de ses extrémités. Selon une première réalisation le tube comporte un fond et un bouchon est fixé à son extrémité libre, par exemple par filetage, ce tube avec fond est obtenu de façon connue, par exemple par décolletage ou par emboutissage, et un conducteur de connexion est avantageusement fixé à chacune des deux parties constitutives de l'élement conducteur. Selon une deuxième réalisation plus simple, l'élément conducteur peut etre réalisé à partir d'un tube conducteur qui est écrasé de part et d'autre de sa zone centrale de manière à présenter une cavité totalement close. La présente invention sera explicitée à partir d'un exemple dont la description se réfère au dessin pour lequel - la figure 1 est une vue extérieure d'un dispositif de coupure rapide selon l'invention. - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale selon Il-Il du dispositif de la figure 1. Ces figures représentent un dispositif de coupure rapide des circuits électriques dont le déclenchement est déterminé par un signal électrique indé pendant du courant principal qui traverse l'élément conducteur. Ce dispositif est réalisé à partir d'un tube en argent d'un diamètre de 7,5 millimètres et d'une épaisseur de 0,1 mm. Chaque extrémité de ce tube est écrasée pour déter miner une zone plate (1 et la) permettant de fixer sur chacune d'elle une bor ne de raccordement, et le tube n'est maintenu en forme que dans sa zone centra le (2) pour déterminer une cavité (3) qui est délimitée par deux soudures par contact (4 et 4a). La zone centrale tubulaire est percée de deux trous situés dans le meme axe'dont l'un est utilisé à la fixation du fil de commande (5) par une soudure à hautpoint de fusion (6) et dont l'autre est utilisé pour le passage du fil de commande (7) et pour le remplissage de la cavité par une com position pyrotechnique pulvérulente (8), un passage étanche (9) étant mis en place après remplissage. Le volume de la cavité est déterminé pour contenir une quantité de poudre génératrice de gaz qui libère environ 2 200 cal soit par exemple 2,5 g d'une composition qui comprend en poids : 45 7. de zirconium, 34 % de chromate de baryum, 14 7. de perchlorate d'ammonium et 7 7. de bichroma te d'ammonium et qui présente une densité de 3,5 g/cm3. Le fil de commande est en cuivre et présente un diamètre de 0,07 mm. Un tel dispositif de coupure, placé dans une enceinte en céramique remplie de sable de silice tassé, a permis d'effectuer les relevés des principales caractéristiques de coupure sur un cir cuit à 50 Hertz dont la tension est de 600 V. Les valeurs comparatives sont données par rapport aux fusibles classiques (FC) et par rapport aux fusibles pyrotechniques précédemment connus (FPC) - Tension crête maximum à la coupure aux bornes de la cartouche : 1030 V (FC : 1200 V et FPC : 1150 V). - Durée réelle de pré-arc : inférieure à 3,3 ms (FC : 3,9 ms et FPC : 3,75 ms) - Durée réelle de fonctionnement total : inférieure à 7,2 ms (FC : 9,8 ms et FPC : 9 ms). Les dispositifs de coupure rapide des circuits électriques selon l'in vention sont utilisables pour réaliser notamment des coupe-circuits pyrotech niques comportant une cartouche en matériau isolant et deux bornes de raccor dement en connexion avec le dispositif de coupure rapide. -REVENDICATIONS 1 - Dispositif de coupure rapide d'un circuit électrique, utilisant un élément conducteur fusible et une composition pyrotechnique placée dans la zone centrale de ce conducteur, qui est relié au circuit électrique de part et d'autre de cette zone centrale, caractérisé en ce que ledit élément conduc teur comporte une cavité dans laquelle est confinée la composition pyro technique. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément conduc teur est une lamelle métallique mise en forme dans la zone centrale de sa longueur afin de présenter une section creuse. 3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément conduc teur est un tube métallique obturé à chacune de ses extrémités. 4 - Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le tube métalli que présente une faible épaisseur et est totalement écrase de part et d'au tre de sa zone centrale afin de présenter une cavité totalement close. 5 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la cavité de la zone centrale est séparée par une soudure de chacune des extrémités écra sées du tube conducteur. 6 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité de l'élément conducteur comporte un fil de commande utilisé pour la mise à feu de la composition pyrotechnique. 7 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section de l'élément conducteur au droit de la cavité présente une valeur inférieure aux valeurs des sections de l'élément conducteur de part et d'autre de la dite cavité. 8 - Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'au droit de la cavité, l'élément conducteur comporte un sillon de fragilisation. 9 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la composition pyrotechnique utilisée est une poudre génératrice de gaz à vitesse de combustion élevée. 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la composition pyrotechnique utilisée est une poudre présentant un potentiel supérieur à 600 calories par gramme. 11 - Dispositif selon l'une des revendications 9 ou 10 caractérisé en ce que la composition pyrotechnique utilisée est une poudre comprenant comme réduc teur le zirconium et comme oxydant un mélange de chromate de baryum, de perchlorate d'ammonium et de bichromate d'ammonium. 12 - Coupe-circuit pyrotechnique comportant une cartouche réalisée en un matériau isolant et deux bornes de raccordement en connexion avec un dispositif de coupure rapide placé à l'intérieur de ladite cartouche, caractérisé en ce que le dispositif de coupure rapide comporte une cavité dans laquelle est confinée une composition pyrotechnique, ledit dispositif étant conforme à l'une des revendications. précédentes.