Brevet FR2451628A1 — publié le 19801010

On sait que pour la protection des circuits contre les surtensions, on utilise des dispositifs dits "éclateur" ou 11para- à gaz rares foudre"/ingsérés dans le circuit. Un tel dispositif est, en général constitué d'une enceinte fermée à l'intérieur de laquelle se trouvent en présence des électrodes, qui sont chacune reliées aux pôle sous tension. L'écartement des électrodes est réalisé de façon que si la tension dépasse un seuil appelé tension d'amorçage, un arc s'établit entre les électrodes. Le passage de l'arc se traduit par une brutale chute de tension entre les électrodes, la tension rési duelle pendant le passage de l'arc étant appelée "potentiel d'extraction" des électrons hors de la cathode.De façon générale, on recherche, pour une question de sécurité, une tension d'amorçage définie et constante au cours du temps, pour que le circuit où est inséré le parafoudre soit protégé de façon connue et prédéterminée. Par ailleurs, dans la plupart des cas, on cherche à abaisser le potentiel d'extraction pour que la puissance dissipée dans le parafoudre pendant le passage de l'arc soit aussi faible que possible; cependant, dans certain cas, on désire obtenir un potentiel d'extraction relativement élevé pour que la puissance dissipée dans le parafoudre soit suffisamment forte pour amener une destruction du parafoudre par court-circuit entre les électrodes. En outre, on souhaite généralement que les parafoudres aient des potentiels d'extinction élevés : en effet, dans le cas où le fonctionnement du parafoudre n'est pas destructif, il faut que l'arc établi disparaisse dès que la surtension a disparu et, en particulier, il faut que l'arc ne puisse pas subsister pour la tension d'utilisation normale du parafoudre.En d'autres termes, la tension d'extinction de l'arc doit etre suffisamment supérieure à la tension normale d'utilisation du parafoudre : par exemple, pour un parafoudre destiné à être utilisé dans des circuits alimentés en 48 volts, la tension d'extinction est considérée comme satisfaisante si elle est supérieure à 90 volts, c'est-à-dire qu'un arc établi ne subsiste pas, Si la tension devient inférieure à 90 volts entre les électrodes Il est connu dans un parafoudre de ce type de mettre en place à une extrémité d'électrode, à l'intérieur de l'enceinte, un matériau fritté constitué de baryum et d'aluminium et dénommé "baral". Ce matériau a la propriété d'abaisser la tension d'amor çage et le potentiel d'extraction du parafoudre mais il présente des inconvénients non négligeables.En effet, lorsqu'un arc tst établi entre les électrodes dans le parafoudre, on réalise dans la zone où se trouve le "baral" une température élevée ; cette température peut d'ailleurs être plus élevée encore lorsqu'il se produit une constriction du faisceau par effet "pinch" ; de toutes façons, le passage de l'arc entrasse donc par érosion cathodique une vaporisation du baral et une condensation de ce matériau sur les parois de l'enceinte ; or, le baral étant conducteur, cette condensation peut donner lieu à un défaut d'isolement entre les électrodes, ce qui entrasse une mise hors service du parafoudre. Par ailleurs, la fabrication du baral fritté est relativement difficile et nécessite un traitement à forte pression et haute température, de sorte que la mise en place d'une fritte de baral à l'extrémité d'une électrode est une opération relativement compliquée et onéreuse. Enfin, on a constaté que le matériau "baral" était photosensible : on sait que, dans la plupart des parafoudres, la liaison entre les électrodes et les parois de l'enceinte est réalisée au moyen d'une perle de verre transparente à la lumière on a constaté que, si un parafoudre de ce type contenant du baral était maintenu à l'obscurité pendant un certain temps, la tension d'amorçage était plus élevée que dans le cas où le même parafoudre était maintenu en pleine lumière ; la variation de la tension d'amorçage peut être très importante puisqu'elle peut passer, pour un parafoudre donné, de 270 volts lorsque le parafoudre est en pleine lumière, à 400 volts, lorsque le parafoudre est maintenu à l'obs cuité. Le temps de maintien à l'obscurité nécessaire à l'apparition de ce phénomène est supérieur à un seuil correspondant à un temps de rémanence de l'action de la lumière. I1 est clair qu'une telle variation de la tension d'amorçage n'est pas tolérable et l'on a, en conséquence, proposé, dans l'état de la technique, de pallier cet inconvénient en ajoutant dans le parafoudre une faible quantité de matériau radioactif, par exemple du thorium ou du prométhéum ; l'addition de ces matériaux radioactifs permet d'obtenir une constance satisfaisante de la tension d'amorçage mais il est souhaitable, dans la mesure du possible, pour des questions de sécurité, d'éviter l'utilisation d'un matériau radioactif. La présente invention a pour but de proposer un parafoudre ayant une tension d'amorçage sensiblement constante en fonction de l'irradiation lumineuse et ne mettant en oeuvre aucun matériau radioactif. Par ailleurs, le parafoudre selon l'invention a un potentiel d'extinction élevé alors que les parafoudres contenant des matériaux radioactifs avaient en néral des potentiels d'extinction relativement bas, ce qui augmentait le risque de voir un arc établi se maintenir pour la tension d'utilisation normale du parafoudre. Enfin, le parafoudre selon l'invention peut avoir un potentiel d'extraction plus ou moins élevé selon que l'on désire que le passage de l'arc entre les dlectrodes soit ou non destructif du parafoudre. La présente invention a, en conséquence, pour objet le produit industriei nouveau que constitue un parafoudre comportant une enceinte fermée, ou au moins deux électrodes se trouvent en vis-à-vis, ladite enceinte étant remplie d'un gaz inerte et renfermant un matériau M destiné notamment à réduire la tension d'amorçage du parafoudre, caractérisé par le fait que le matériau M comporte au moins un halogénure d'au moins un élément pris dans le groupe formé par le sodium, le baryum, le potassium, Le strontium, le lithium et le calcium. On a constaté que l'action du matériau M sur la tension d'amorçage du parafoudre est parfaitement constante et, en particulier, insensible à l'action de la lumière. La mise en place de ce matériau dans l'enceinte du parafoudre peut s'effectuer de toutes façons appropriées ; en particulier, on peut avoir de réaliser le matériau M sous forme d'une pastille ayant une sectior légèrement inférieure à celle de l'enceinte et une faible épaisseur, ladite pastille jouant le rôle d'une cale entre les deux électrodes.On pense que l'action particulièrement intéressante des halogénures prévus dans la définition de l'invention est due au fait que l'énergie d'ionisation des métaux envisagés -------- ---------------------------------- est relativement faible, que ------- ces éléments n' ont qu'un ou deux électrons sur leur couche électronique périphérique et qu'enfin, ces halogénures peuvent être facilement obtenus sous forme anhydre et constituent des isolants électriques. Cependant, il n'a pas été possible d'ex pliquer pourquoi l'action des halogénures prévues dans la définition de l'invention n'est pas modifiée par l'irradiation lumineuse alors que l'action d'autres halogénures voisins tels que les halogénures de césium et de rubidium fait réapparaître une photosensibilité analogue à celle qui est constatée dans l'utilisation du baral. On a constaté qu'un parafoudre selon l'invention avait néanmoins, en général, pour un écartement donné des électrodes, une tension d'amorçage relativement élevée dl sorte qu'il était souhaitable de réduire cette tension d'amorçage. Pour ce faire, selon une autre caractéristique de l'invention, on propose d'introduire dans le gaz inerte, qui remplit l'enceinte du parafoudre, une petite quantité d'un gaz réducteur tel que l'hydrogène et de soumettre le matériau M dans l'enceinte du parafoudre au passage d'un arc établi avant la mise en fonction du parafoudre.Au cours du passage de l'arc, on pense que le gaz réducteur se combine avec une partie de l'halogène qui constitue l'halogénure formant le matériau M, ce qui libère à l'état métallique les éléments mdtal- liques --------------------------- initialement combinés sous forme d'halogénure. Bien entendu, cette libération ne s'effectue vraisemblablement qu'à l'état de trace mais on a constaté que ce traitement était suffisant pour réduire la tension d'amorçage du parafoudre de façon significative, cette tension d'amorçage restant ensuite parfaitement constante.Selon une caractéristique de l'invention, on prévoit donc que le gaz inerte, qui remplit l'enceinte, contient au moins ungaz réducteur tel que l'hydrogène et que le matériau M est soumis dans l'enceinte à un arc établi entre les électrodes avant la mise en fonction du parafoudre. Dans un mode préféré de réaliaation, le gaz inerte contient de 5 à 15 % envolume d'hydrogène ; le gaz inerte est de l'argon, du krypton ou de l'hélium ; le gaz inerte a, dans le parafoudre à température ambiante, une pression absolue comprise entre 50 et 400 millibars ; le matériau M est soumis dans l'enceinte du parafoudre, avant mise en service dudit parafoudre, au passage d'un arc pendant un temps compris entre une fraction de secondes et plusieurs secondes avec une intensité de courant comprise entre 5 et 20 ampères. On constate que, si la tension d'amorçage du parafoudre, avant que l'on soumette le matériau M à l'action d'un arc en présence d'hydrogène, est d'environ 350 volts, la tension d'amorçage après ce premier passage d'arc chute à 250 volts et reste parfaitement stable quelles que soient les conditions d'éclairement auxquelles est alors soumis le parafoudre. On a constaté, selon l'invention, que le choix de l'halogène figurant dans l'halogénure influe sur le potentiel d'extraction du parafoudre, c'est-à-dire sur la tension qui subsiste entre les électrodes lors du passage d'un arc entre les électrodes du parafoudre. Ce potentiel d'extraction est d'autant plus élevé que la masse atomique de l'halogène utilisé est plus grande. Bien entendu, si le matériau M comprend plusieurs halogénures, on observe un effet de mélange fonction des quantités des différents halogénures présents.En d'autres termes, si l'on désire une faible tension d'arc afin d'avoir un fort pouvoir d'écoulement du parafoudre, on utilise des fluorures ; si, au contraire, on désire une tension d'arc élevée pour obtenir un passage d'arc destructif, on utilise des bromures ou des iodures ; si l'on désire un compromis entre ces deux extremes, on choisit avantageusement des chlorures. Dans le cas particulier de la réalisation des parafoudres comp.)rtant un enceinte cylindrique ou prismatique et deux électrodes disposées selon l'axe de cette enceinte, le matériau M peut avantageusement être introduit dans l'enceinte sous forme d'une pastille que l'on met en place entre les électrodes et qui sert de cale pour maintenir l'écartement entre électrodes. En effet, les électrodes sont des tiges métalliques,dont l'extrémité traverse une perle de verre enserrée dans une bague d'un métal fer-nickelcobalt soudable au verre. Pour fabriquer le parafoudre, on met en place la bague précitée dans l'extrémité de l'enceinte qui lui correspond, ladite bague reposant sur un épaulement intérieur de l'enceinte et on réalise une brasure de la bague sur l'enceinte. Malheureusement, la températurt à laquelle est réalisée la brasu re risque de provoquer la mise à l'état pâteux du verre t t, par conséquent, une modification du positionnement relatif des deux électrodes du parafoudre. Pour éviter cette modification, on met en place entre les électrodes une pastille de matériau M, cette pastille constituant une cale qui maintient l'écartement des électrodes.La présence de cette cale n'est pas gênante pour le fonctionnement ultérieur du parafoudre, étant donné que les halogénures préconisés par l'invention ne sont pas électriquement conducteurs ; l'établissement d'un arc entre les électrodes avant la première utilisation du parafoudre peut ou non entraîner la destruction de la pastille formant cale sans que les caractéristiques ultérieures du parafoudre en soient modifiées. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrirê maintenant, à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, un mode de réalisation représenté sur le dessin annexé. Sur ce dessin - la figure uniqele représente, partiellement en coupe axiale et partiellement en vue extérieure, un parafoudre selon 1' invention. L'exemple, qui va être décrit, est relatif à un parafoudre tripolaire de type classique constitué d'une enceinte cylindrique métallique 1 selon l'axe de laquelle on a disposé deux électrodes 2 et 3. Ces électrodes sont des tiges métalliques cylindriques, qui sont portées par les extrémités de l'enceinte par l'intermédiaire d'une perle de verre 4 mise en place dans une bague 5 réalisée en métal "kovar" fer-nickel-cobalt soudable au verre. La bague 5 en "kovar" est brasée extérieurement sur l'extrémité de l'enceinte, par exemple en 6 pour la bague correspondant à l'électrode 2. Pour réaliser un parafoudre de ce type, on fixe d'abord l'électrode 3 dans l'enceinte 1, après quoi on met en place l'autre électrode 2 munie de sa bague 5 et l'on dispose le parafoudre dans un four. Avant d'atteindre la température à laquelle se produit la brasure 6, on fait le vide dans le four, ce qui extrait les gaz de l'enceinte, puis on place le four sous atmosphère contrôlée à 200 millibars absolus environ. On monte ensuite la température jusqu'à la température de brasure (7809C). Le procédd de fabrication, qui vient d'être décrit, est bien connu dans l'état de la technique. Pour réaliser le parafoudre selon l'invention, avant de mettre en place l'électrode 2 associée à sa perle de verre 4, on introduit dans l'enceinte 1 une pastille 7 constituée de chlorure de baryum anhydre compacté à haute pression. La pastille 7 a une épaisseur de 1 mm, un diamètre de 3,5 mm. Le diamètre intérieur de l'enceinte 1 est de 5 mm. Le logement intérieur cylindrique de l'enceinte 1 est délimité, à son extrdmité qui correspond à l'électrode 2, par une plaque de céramique 8, qui supporte la bague 5 correspondante et est traversée par le prolongement extérieur de l'électrode 2 ; à son autre extrémité, l'enceinte 1 est délimitée par la perle de verre 4 correspondant à l'électrode 3 ; la distance entre la plaque 8 et l'extrémité opposée de l'enceinte 1 est d'environ 30 mm. La section des électrodes 2 et 3 est de 13 mm2. L'atmosphère contrôlée, que l'on introduit dans l'enceinte 1 au cours du passage au four, comprend 90 7. d'argon et 10 7. d'hy drogène (en volume à 25-C) ; la pression de ce gaz de remplissage, au moment du remplissage, est de 200 millibars absolus. La brasure s'effectue à 78non et permet de fermer l'enceinte 1 du parafoudre. Lorsque la pastille 7 est tntse en place dans l'enceinte 1, on positionne l'électrode 2 et sa bague 5 dans le logement prévu à cet effet à l'extrémité de l'enceinte 1 : l'extrémité de l'électrode 2 se trouve à une très faible distance de la pastille 7. Si au cours du chauffage destiné à réaliser la brasure 6, la perle de verre 4 devient pâteuse, l'électrode 2 peut se déplacer mais, au maximum, elle vient en appui sur la pastille 7 qui constitue ainsi une cale d'écartement entre les deux électrodes 2 et 3. L'atmosphère contrôlée intérieure du parafoudre est à une pression d'environ 200 millibars, quand le parafoudre est revenu à la température ambiante. Lorsque le parafoudre a été fabriqué comme ci-dessus indi qué, on établit un arc entre les électrodes 2 et 3. On constate que la tension d'amorçage est d'environ 350 volts. On fait passer l'arc pendant 1 second sous 500 volts, en limitant ------------- ---- le courant à environ 20 ampères. On supprime alors la tension entre les électrodes et si on la rétablit progressivement, on constate que la tension d'amorçage de l'arc est ensuit de 250 volts à 15 % près et reste stable quel que soit le régime d'Fclairement auquel est soumis le parafoudre. Pour ce parafoudre, le potentiel d'extraction, c'est-à-dire le potentiel entre les deux électrodes 2 et 3 lors du passage d'un arc est d'environ 10 volts t le potentiel d'extinction, c'est-à-dire le potentiel nécessaire au maintien d'un arc établi,est supérieur h100 volts. Ces caractéristiques sont particulièrement intéressantes pour la protection de circuits téléphoniques utilisant un courant de 48 volts. Il est bien entendu que le mode de réalisation ci-dessus décrit n'est aucunement limitatif et pourra donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1- Parafoudre comportant une enceinte f électt- 1es se trouvent en vis-d-vis, ladite enceinte étant remplie d'un gaz inerte et renfermant un matériau M destiné notamment à réduire la tension d'amorçage du parafoudre, caractérisé par le fait que le matériau M comporte alf moins un halogénure d'au moins un élément pris dans le groupe formé par le sodium, le baryum, le potassium , le strontium, le lithium et le calcium. 2 - Parafoudre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le gaz inerte contenu dans l'enceinte renferme au moins un gaz réducteur. 3 - Parafoudre selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le gaz inerte contient, comme gaz réducteur, de 1' hydrogène. 4 - Parafoudre selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le gaz inerte contient de 5 à 15 % 7c envolume d'hydro- gène à 250C. 5 - Parafoudre selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que le matériau M est soumis dans l'enceinte du parafoudre à un arc électrique établi entre les électrodes avant la mise en fonction du parafoudre. 6 - Parafoudre selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'arc électrique auquel est soumis le matériau M est établi pendant un temps compris entre 0,1 et 10 secondes, avec une intensité de courant comprise entre 5 et 20 ampères. 7 - Parafoudre selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le matériau M est introduit dans l'en- ceinte sous forme d'une pastille mise en place entre les électro des. 8 - Parafoudre selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le gaz inerte de remplissage est pris dans le groupe formé par l'argon, le krypton et l'hélium. 9 - Parafoudre selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le gaz inerte contenu dans'l'enceinte du parafoudre est, à température ambiante, à une pression absolue comprise entre 80 et 500 millibars.