Brevet FR2367334A1 — publié le 19780505

L'invention a pour objet un dispositif limiteur et, éventuellement, d'aide à la coupure d'un courant, destiné à constituer un organe essentiel dans un grand nombre d'appareils d'interruption haute et basse tension1 et d t appareils de commutation ou de protection. Suivant l'invention, ce dispositif est caractérisé par un empilage de blocs constitués en une matière compacte obtenue à partir d'un mélange de particules isolantes et de particules conductrices, en proportions telles et liées entre elles de manière telle que les particules conductrices forment des channes assurant la continuité électrique entre deux surfaces de chaque bloc, une surface du premier et du dernier bloc de l'empilage étant en contact avec un conducteur électrique. Dans un mode d'exécution préféré dtun dispositif de ce genre, la pression de contact est réglée, au moyen d'organes élastiques, à une valeur suffisante pour que des arcs s'amorcent spontanément aux surfaces de contact entre les blocs, lorsque le courant dépasse un seuil prédéterminé. Autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaltront clairement à laide de la description ci-après. Au dessin annexé La figure 1 représente schématiquement un dispositif limiteur de courant conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention ; la figure 2 représente la surface de contact entre deux des pastilles que comporte le dispositif de la figure 1, et la figure 3 représente un appareil de coupure qui fait application du dispositif de la figure 1. A la figure l, on a représenté à titre d'exemple, un empilement de quatre pastilles, 1, 2, 3, 4, ayant chacune un diamètre de 10 à 20 mm et une épaisseur de 10 à 20 mm. Les pastilles i et 4 sont reliées à des tresses conductrices 5 et 6 par l'intermédiaire de plaquettes conductrices 7 et 8 munies de tétons d'ancrage 9, ou de tout autre dispositif réalisant la continuité électrique entre la plaquette et le matériau. Les tresses sont fixées aux plaquettes au moyen de boulons tels que 10. La pression Entre les pastilles est réglée au moyen dtor- ganes élastiques, symbolisés par deux ressorts Il et 12, qui sont isolés des plaquettes par des pièces 13 et 14.L'empilage est logè dans un cylindre isolant 15 percé d'évents 16 disposés en quiconce, au droit des interfaces, de façon à empêcher la propagation d'arcs dans l'expansion des gaz. Les pastilles sont maintenues en contact les unes des autres par la pression P, et ltétat des surfaces de contact est préparé, par exemple par un avivage, effectué après le moulage. D'une façon générale, ltétat des surfaces doit Qtre martyrisé. Lune des poudres est constituée par un matériau isolant qui, à titre d'exemple, est de la silice. Une autre poudre est constituée par un matériau conducteur, par exemple du nickel. La silice choisie se présente sous la forme de grains ayant une dimension de l'ordre de 10 à 15 microns, tandis que le nickel choisi se présente sous la forme de particules qui s'associent pour donner une texture filamenteuse, ces particules ayant une grande dimension, de l'ordre de 10 à 20 microns, et une section de l'ordre de 1 à 2 microns. Le volume du nickel représente avantageusement entre 15 et 25 % du volume final du bloc, les proportions pouvant toutefois varier dans de plus larges limites. On mélange les deux poudres avec un liant, à titre d'exemple de la Bakélite en proportion inférieure à 20 % en volume. La mise en forme s'effectue, dans l'exemple décrit, par moulage, sous une pression de l'ordre de 1000 bars, et à une température de l'ordre de 2000C. La résistivité du matériau obtenu est de l'ordre de 2000*n.cm. Plus elle est élevée, plus l'efficacité du matériau est grande, mais il en est de même de son usure. On a représenté à la figure 2, en exagérant considérablement la dimension-des irrégularités de surface, la région de contact entre deux pastilles. Dans les zones de contact, telles que A, B, C, il prend naissance, lorsque le courant qui circule dans le dispositif atteint une intensité suffisante, de petits arcs électriques dont la présence peut etre constatée. Au moment de la formation des arcs, une chute de tension de l'ordre de 200 volts se manifeste au niveau de chaque surface de contact. Dans l'exemple non limitatif décrit, la chute de tension ainsi créée dans le dispositif est donc de 600 volts. La pression P correspond par exemple à quelques deca- 2 newtons pour une surface de contact de 1 cm La chute de tension mentionnée ci-dessus ne se manifeste que si le courant dans le circuit dépasse par exemple quelques centaines d'ampères par cm. On peut expliquer le phénomène par la formation et la sommation des tensions d'arcs élémentaires, liées à la presence de channes conductrices de particules de nickel entre les sur-faces en contact des pastilles. Lorsque le courant atteint le seuil indiqué, il se produit localement un échauffement entraînant une vaporisation du métal, et la création dtun interstice et d'un arc d'où la propriété remarquable du dispositif de permettre la formation d'arcs sans que les surfaces de contact soient apparemment séparées. La chaleur engendrée dissocie l'isolant et provoque un degagement gazeux localise, qui crée une force de répulsion entre les pastilles. Cette force de répulsion peut d'ailleurs etre utilisée pour exercer une action mécanique dans l'appareil de coupure (par exemple, pour dépasser un point mort dans un contact mécanique, afin de confirmer la coupure) La chute de tension aux bornes du dispositif est la somme des tensions d'arcs élémentaires, ce qui explique les valeurs élevées signalées ci-dessus. Une autre propriété remarquable du dispositif consiste en ce qu'il n'y a aucun risque de soudure des surfaces de contact entre blocs lors d'une manoeuvre de appareil de coupure. Cette propriété est liée à un choix convenable des composants et de leur granulométrie. A la figure 2, une chaîne conductrice, telle que définie ci-dessus, a ete représentée en K, avec des dimensions très exagérées. Ces charnels assurent une certaine continuité électrique a l'intérieur du dispositif. Les surintensités de courant qui constituent 1 t amorce des arcs se manifestent dans les zones A, B, C. La volatilisation de la matière isolante au voisinage de la surface entraine une usure dudispositif, lequel ne pourra remplir sa fonction qu'un nombre limite de fois. I1 se produit toutefois, après chaque coupure, une certaine régénération des continuités électriques. Les expériences conduites par la Demanderesse ont -montré que la dispersion du métal dans l'isolant doit etre régulière et fine, le métal formant ainsi un squelette homogène. Le- nickel a l'avantage de pouvoir etre obtenu facilement en particules allongées, mais l'argent, le tungstène, le cui vre, ou d'autres métaux ou alliages, pourraient également être utilisés. La granulométrie est de préférence comprise entre 1 et 20 microns. Le matériau isolant peut etre une substance minérale ou organique, par exemple : outre la silice, divers autres oxydes métalliques isolants, des matières plastiques telles que les thermoplastiques résistant aux hautes températures, ou des combinaisons de plusieurs de ces substances. Une fois compacté, le matériau isolant aura de préférence une texture propre à faciliter sa désagrégation lors de la formation d'arcs, afin de permettre la régénération de la qualité conductrice des surfaces de contact. Sa granulométrie sera comprise entre 5 et 50 microns. Diverses résiness synthétiques pourront être utilisées comme liant. On peut aussi utiliser les méthodes de frittage pour lier les particules métalliques sans utiliser de liant. Les proportions des deux constituants du matériau sont variables suivant la nature du métal et de la matière iso lattez On pourra d'ailleurs ajuster la tension d'arc à une valeur compatible avec l'utilisation envisagée, en choisissant convenablement la nature du métal et/ou ses proportions par rapport à l'isolant. Il résulte de ce qui précède que c'est la structure même du bloc qui constitue la caractéristique essentielle du dispositif ; cette structure se caractérise par la presence, dans un milieu isolant, de chines conductrices suffisamment continues allant dtune surface à une autre, l'état de ces surfaces étant maÇtrisé, et la pression d'appui à laquelle elles sont soumises ayant une valeur adéquate. Le dispositif n'agit pas comme une résistance, le choix des constituants ntétant pas destiné à en ajuster la ré sistivité. A la figure 3, on a représenté, sous la forme d'un rectangle 17, un dispositif analogue à celui de la figure 1, court-circuité en marche normale par un pole principal 18 et comportant un psle 19 assurant l'isolement du circuit. Cet ensemble, qui peut fonctionner en courant alternatif ou continu, constitue un appareil contacteur apte à remplir le role de disjoncteur en cas de surintensité par exemple En service, les pôles 18 et 19 sont fermés, et le dispositif 17 est donc court-circuité. Par exemple, lorsqu'une.surintensit6 apparat, un organe de commande, non figuré, ouvre tout d'abord le poule 18. Le courant qui passait normalement dans le pole 18 est alors transféré dans le dispositif 17. Il subit donc une limitation et, les organes de commande ouvrant alors le polie 19, celui-ci n'aura à couper qu'un courant très réduit. L'avantage d'un tel appareil est la quasi instantanéité de la limitation du courant lors de l'ouverture du pale 18. Il n'en est pas ainsi dans les dispositifs connus où il se produit un déplacement de l'arc sur des ailettes métalliques. Il faut d'ailleurs souligner que le dispositif pré- sente également un intérêt dans la réalisation d'appareils de coupure manuels. D'autre part, ce dispositif ne réagissant qu'a partir d'un seuil de courant relativement critique, on peut envisager son application dans des appareils où l'intensité doit entre limitée de façon quasi instantanée, dès qu'un seuil de courant prédéterminé est atteint. REVENDICATIONS i. Dispositif limiteur de courant, caractérisé par un empilage de blocs constitues en une matière compacte obtenue a partir d'un melange de particules isolantes et de particules conductrices, en proportions telles et liées entre elles de manière telle que les particules conductrices forment des chaînes assurant la con tinuité électrique entre deux surfaces de contact opposées de chaque bloc, la surface extérieure du premier et du dernier bloc entant chacune en contact avec un conducteur électrique de façon que empilage puisse eAtre traversé par le courant. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce la pression de contact est réglée, au moyen d'organes élastique à une valeur suffisante pour qu'une certaine continuité des iLSt- nes conductrices soit assurée au niveau des surfaces de contact entre les blocs, des arcs s'amorçant spontanément auxdites sur faces de contact entre lesdits blocs lorsque le courant atteint une intensité prédéterminée. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par un seuil de pression de quelques décanewtons pour une surface de 2 contact de l'ordre du cm 4. Dispositif selon la revendication l, 2 ou 3, caractérise par une enveloppe isolante logeant l'empilage, ladite enveloppe étant munie d'évents. 5. Dispositif selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérise en ce que les particules isolantes ont une granulométrie cowprms entre 5 et 50 microns. 6. Dispositif selon la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5, caracté- risé en ce que les particules conductrices ont une granulométrie comprise entre l et 20 microns et sont regulièrement disposées dans la matière isolante de façon a former un réseau tres È ment maille 7 Appareil de coupure de courant faisant application d'ia aÎfr positif selon l'une des revendications 1 a 6, caractérisé par des - organes de commutation limitant la duree du passage du courant dans ledit dispositif à la durée du soufflage de l'arc appara-- sant aux bornes d'un interrupteur de courant combiné avec le dis- positif. 8. Appareil de coupure selon la revendication 7, caractérisé par un premier contact de coupure en parallèle sur le dispositif et un second contact de coupure en série avec le dispositif, et un second contact de coupure en série avec le dispositif, et par des moyens d'ouvrir successivement le premier et le second contacts. 9. Appareil destiné à provoquer une limitation instantanée du courant dès que celui-ci atteint un seuil prédéterminé, carac térisé en ce qu'il fait application d'un dispositif selon l'une des revendications l a 6. 10. Appareil selon l'une des revendications 7, 8 ou 9, caractérisé par des moyens d'utiliser la force de répulsion qui prend naissance entre les surfaces de contact des blocs au moment de la vaporisation des composants pour actionner un organe de coupure.