Brevet FR2466853A1 — publié le 19810410

L'invention se rapporte à un parafoudre à corps métallique comportant dans une enceinte étanche sous atmosphère gazeuse choisie à pression inférieure à la pression atmosphérique deux électrodes affrontées à distance déterminée et solidarisées par au moins une entretoise isolante avec un scellement étanche en matériau fusible, en sorte qu'une décharge interne avec une énergie supérieure à un seuil fixé provoque le ramollissement du matériau fusible, les électrodes venant alors en contact sous l'effet de la différence des pressions atmosphérique et interne. Pour la protection de circuits susceptibles d'être le siège de décharges à énergie élevée, dues notamment à la foudre, par exemple des circuits de télécommunication, il est nécessaire de prévoir des dispositifs, dits parafoudres, qui sous l'action d'une surtension deviennent conducteurs pour dériver à la terre le courant intense dt à la surtension et éviter la destruction par une décharge d'énergie excessive des circuits protégés. Pour un fonctionnement fiable, il faut que la décharge dans le parafoudre s'amorce rapidement, sous une tension suffisamment basse pour ne pas mettre en danger les circuits protégés et qu'après amorçage l'impédance du parafoudre soit basse quelle que soit l'intensité traversante. Par ailleurs la tension d'amorçage, et la tension de désamorçage du parafoudre, doivent évidemment être supérieures à la tension appliquée aux circuits protégés en fonctionnement, de façon à ce que le parafoudre ne s'amorce pas prématurément, et recouvre après le passage de la surtension perturbatrice, ses propriétés d'isolement et de faible capacitance. Les dispositifs qui répondent le mieux à ces conditions sont des tubes à atmosphère gazeuse et cathode froide. Le choix des distances interélectrode, la composition de l'atmosphère gazeuse et la pression de remplissage, et le travail de sortie des électrodes constituent les principaux paramètres qui déterminent la tension d'amorçage et la tension de décharge.Par ailleurs on peut améliorer la rapidité de l'amorçage, résultant d'une ionisation en avalanche de l'atmosphère gazeuse, par des artifices accélérateurs d'amorçage créant une ionisation permanente de faible intensité, tels que la présence d'un- corps radio-actif dans le tube, ou celle d'un composant à faible travail de sortie électronique capable d'émettre des électrons secondaires sous l'impact de photons, de rayonnements ambiants, ou sous l'effet de champs électriques intenses au voisinage des électrodes. Mais les parafoudres à atmosphère gazeuse peuvent voir modifier leurs conditions d'amorçage sous l'effet de décharges d'énergie élevée, en sorte de ne plus assurer convenablement leur rôle de protection, et notamment d'étouffer efficacement les surtensions, sans que toutefois la perte d'efficacité se traduise par une panne franche, aisément décelable. On a proposé de réaliser des parafoudres constitués de deux électrodes cylindriques affrontées par leurs tranches terminales et réunies par un tube de verre scellé aux deux extrémités sur les électrodes et forment enceinte étanche. Le remplissage gazeux s'effectuait par injection d'un courant de gaz dans le tube pendant les opérations de scellement. En fonctionnement les électrodes étaient sollicitées l'une vers l'autre par des connexions formant ressort. Sous l'effet d'une décharge intense entre les électrodes, le tube de verre se ramollissait et les électrodes poussées par les connexions en ressort venaient se toucher et formaient court-circuit franc, de sorte que le parafoudre avarié pouvait être décelé facilement et remplacé. Ces parafoudres présentaient des inconvénients : en raison de la pression relativement élevée dans l'enceinte, due au procédé de remplissage, la distance interélectrode nécessaire pour donner les tensions de décharge voulues était très faible, de sorte que les tensions de décharge variaient dans de larges limites entre les parafoudres. Le tube de verre pouvait se ramollir de façon inégale, de sorte que l'affaissement du tube ne provoquait pas avec certitude un court-circuit entre électrodes. Les dispositions de fabrication ne se prétaient pas à l'incorporation d'accélérateurs d'amorçage. Le brevet français NO 74 24548 a proposé un parafoudre à court-circuit constitué de deux tubes électrodes maintenus coaxiaux par une bague isolante fusible, un tube extérieur fermé à une extrémité et soudé à l'autre extrémité sur la bague isolante pour former enceinte, et un tube intérieur traversant la bague pour former queusot de remplissage. L'atmosphère intérieure de gaz rares à basse pression pour assurer une tension de décharge adéquate avec une distance interélectrode suffisante pour être reproductible, contenait du tritium comme accélérateur d'amorçage. Les parafoudres fiables en fonctionnement étaient de construction coûteuse, en raison notamment des précautions liées à l'usage d'un accélérateur d'amorçage radioactif. La demande de brevet français NO 75 06524 décrit un parafoudre qui comporte une électrode extérieure en étui cylindrique, et une électrode intérieure en forme de tige cylindrique coaxiale, un bouchon en verre soudable aux électrodes formant l'étui et formant isolateur autour de l'électrode intérieure. Une pastille d'un alliage baryum aluminium, enchâssée dans le fond de l'étui, pouvait être vaporisée par chauffage du fond d'étui, en formant un film à faible travail de sortie électronique constituant accélérateur d'amorçage. Le remplissage du parafoudre en gaz rares sous basse pression pouvait être effectué dans une cloche réunie à une installation de pompage, par soudage du bouchon de verre à l'extrémité de l'étui.Bien entendu sous décharge intense, le bouchon de verre se ramollit et s'effondre sous ltef- fet de la différence entre la pression atmosphérique extérieure et la pression interne. Ce parafoudre, avec un fonctionnement aussi fiable que le précédent, est de fabrication nettement moins coûteuse et plus facile à automatiser0 Cependant ces types de parafoudres présentent des dispersions de fonctionnement non négligeables, d'une part, du fait que la distance entre les électrodes varie avec les déformations de l'entretoise fusible au cours du scellement, et surtout parce que l'entretoise étant en verre se ramollit progressivement avec la température en sorte que le seuil d'énergie de décharge provoquant la mise en court-circuit des électrodes présente de fortes dispersions, ainsi que le temps nécessaire pour que le courtcircuit franc s'établisse. Il peut arriver que l'entretoise fusible ne cède que partiellement lors d'une décharge d'énergie voi sine du seuil, en sorte que les conditions d'amorçage ultérieures sont perturbées sans que le court-circuit franc manifeste la détérioration du parafoudre, Enfin les parafoudres décrits précédemment par conception sont bipolaires, avec un pôle à la terre. La protection de circuits à deux piles isolés de la terre nécessite deux parafoudres, et il n'est pas toujours sans inconvénients qu'un tel circuit à deux pôles isolés se retrouve à la terre par l'un ou ces deux pôles à la suite d'une décharge, Pour pallier ces inonvénients, l'invention propose un parafoudre à corps métallique, comportant dans une enceinte étanche sous atmosphère gazeuse choisie à pression inférieure à la pression atmosphérique deux électrodes affrontées à distance détermi née et solidarisées par au moins une entretoise isolante avec un scellement étanche en matériau fusible, en sorte qu'une décharge interne avec une énergie supérieure à-un seuil fixé provoque le ramollissement du matériau fusible, les électrodes venant alors en contact sous l'effet de la différence des pressions atmosphérique et interne, caractérisé en ce que l'enceinte est un tube constituant le corps métallique fermé aux extrémités par des rondelles de céramique soudables au métal et comportant des alésages cylindriques coaxiaux à l'enceinte où passent des prolongements d'électrode avec un joint métallique soudé sur la céramique, ces prolongements d'électrode comportant une jonction supportant la différence de pression et brasée avec un alliage formant ledit matériau fusible. En constituant l'enceinte par un tube métallique fermé aux deux extrémités par des rondelles de céramique soudable au mental, on assure une structure rigide et mécaniquement bien définie. étant donné que la céramique, usinable à des cotez précises, n'est pas susceptible de se déformer au cours des opérations d'assemblage. L'alliage de brasure présente un point de fion bien défini, en sorte que la jonction cède d'un coup loqu'elle atteint cette température, qui est liée à l'énergie de dé -harge par une relation précise, De préférence, on utilisera des accélérateurs d'amorçage constitués par des pastilles logées dans les faces affrontées d'électrodes, en matériau au moins-partiellement vaporisable et possédent un travail de sortie électronique faible, tel où'une composition baryum-aluminiumO De préférence les électrodes comporteront des têtes cylindriques de rayon tel que la distance entre tube d'enceinte et face latérale de te te soit équivalente à la distance entre tranches affrontées d'électrodes, de façon que les tensions d'amorçage et de décharge soient pratiquement égales entre têtes affrontées, et entre une tête et le tube d'enceinte0 tes caractéristiques et avantages de l'irventisr rcssorti- ront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exem- ple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue latérale partiellement coupée d'une forme de réalisation de parafoudre selon l'invention ;; la figure 2 est une vue d'un parafoudre monté dans son support la figure 3 est une vue du parafoudre précédent, partiell- ment ouverte, après mise en court-circuit des électrodes la figure 4 est une vue latérale d'une variante de parafou drue, Selon la forme de réalisation choisie et représentée figure 1, le parafoudre comporte une enceinte constituée d'un tube métallique 1 avec deux embrèvements terminaux la et lb et deux rondel- les de céramique 2 et 3 qui s'emboîtent respectivement dans les embrèvements la et lb et sont soudées sur les fonds de ces embrèvements par des joints de brasure appropriée 2a et 3a.Les rondelles de céramique 2 et 3 portent, centrées sur leur face externe, des anneaux métalliques de joint 4 et 5, soudés sur la céramique en 2b et 3b. Les soudures céramique métal sont exécutées de façon classique, métal et céramique ayant des coefficients de dilatation accordés, par métallisation préalable de la céramique à l'emplacement des joints, puis chauffage des assemblages avec insertion d'un fil de métal d'apport entre métal et céramique métallisée, en atmosphère contrôlée. Les rondelles de céramique 2 et 3 comportent des alésages cylindriques coaxiaux au tube métallique 1, qui se prolongent en continuité dans les anneaux de joint 4 et 5. Des électrodes 6 et 7 avec une tête cylindrique 6a et 7a, et une queue de prolongement 6b et 7b respectivement, sont insérées par leur queue 6b et 7b dans les alésages des rondelles 2 et 3, et brasées dans les alésages des anneaux de joint 4 et 5, à l'aide d'un métal d'apport 4a, 5a à point de fusion précis, en sorte que les tranches affrontées des têtes d'électrode soient espacées d'une distance 8, qui est réglée avec précision à l'assemblage. En outre les têtes 6a et 7a ont un rayon tel que la distance 9 entre leurs faces latérales et la face interne du tube 1 soit équivalente à la distance 8.Par distance équivalente, il faut entendre que les champs électriques entre surfaces en regard sont égaux pour une même différence de potentiel entre surfaces. L'homme du métier connaît bien les relations de transformation entre champs à symétries plane et circulaire. L'intérieur de l'enceinte ainsi définie par le tube 1 et les rondelles 2 et 3 est rempli d'un mélange de gaz rares, par exemple néon-argon, à une pression absolue comprise entre 109 et 3 x 104 Pascals. Dans des évidements pratiqués dans les faces affrontées des têtes d'électrodes 6a et 7a sont serties des pastilles d'un matériau combinaison de baryum et d'aluminium connu dans la technique des tubes électroniques sous le nom de "Getter11. Ce matériau, par chauffage, est le siège d'une réaction exothermique qui provoque la vaporisation d'un film de baryum, capable de fixer par action physicochimique les traces de gaz réactif.Le film de baryum qui s'est formé par vaporisation et dépôt sur les parois de l'enceinte présente un travail de sortie électronique faible en sorte d'être capable d'émettre des électrons secondaires sous l'impact d'électrons fournis par ionisation du gaz, de photons X ou U.V, de façon que l'atmosphère interne du parafoudre soit le siège, en ltabsence de décharge, d'une ionisation permanente, suffisante pour permettre qu'une surtension déclenche sans retard une ionisation en avalanche créant une décharge, mais suffisamment faible toutefois pour qu'en l'absence de surtension, l'impédance du parafoudre soit pratiquement infinie. On rappelle brièvement qu'un tube à atmosphère gazeuse et cathode froide, tel que le parafoudre décrit est le siège d'une chute de tension presque indépendante du courant traversant lorsqu'une ionisation en avalanche s'est établie, cette chûte de tension étant dite tension de décharge essentiellement définie par la composition de l'atmosphère interne et le travail de sortie des électrodes. L'ionisation en avalanche se déclenche pour une tension d'amorçage, supérieure à la tension de décharge, qui est définie, pour des phénomènes lents, par les valeurs de champ disruptif, dépendant des distances interélectrodes principalement. Pour des phénomènes transitoires brefs, l'influence des vitesses des ions, et l'état d'ionisation antérieur interviennent pour compliquer les conditions d'amorçage ; en gros, plus l'ionisation antérieure est importante, plus l'ionisation en avalanche s'eta- blit rapidement, et, pour un meme état d'ionisation antérieure, plus la surtension est brève, plus la tension d'amorçage est élevée. Comme le représente la figure 2, le parafoudre est monté sur un support en protection de circuits. Sur un socle isolant 14, est montée une pince 15 dans laquelle s'insère le tube d'enceinte 1. Deux contacts à ressort 16 et 17 viennent prendre contact par des chapeaux sur les extrémités des queues d'électrodes 6 et 7 respectivement. Des conducteurs 18 et 19 reliés respectivement aux contacts 16 et 17 seront normalement branchés aux deux pôles du circuit à protéger, tandis que le conducteur 20, relié à la pince 15, sera normalement branché à la terre.Ainsi une surtension entre conducteurs 18 et 19 provoquera l'amorçage d'une décharge entre électrodes 6 et 7, tandis qu'une surtension entre un des conducteurs 18 ou 19 et le conducteur de terre 20 provoquera l'amorçage entre l'électrode 6 ou 7 respectivement et le tube 1, sans que la tension résultante entre conducteurs dépasse la tension d'amorçage pendant la phase transitoire correspondante, puis;; la tension de décharge lorsque celle-ci s'est établie, Lors d'une décharge, une énergie est dissipée dans le parafoudre correspondant sensiblement au produit de la tension de décharge par la charge traversante, et le parafoudre s'échauffe, Si la température atteinte par le parafoudre dépasse la température de fusion de la brasure 4a et 5a de la figure 1, la différence entre la pression atmosphérique extérieure et la pression interne du parafoudre, agissant sur les sections de queues 6b, 7b d'électrodes, chasse ces électrodes l'une vers l'autre jusqu'à provoquer un court-circuit, selon la représentation de la figure 3 où les électrodes déplacées portent les références 6' et 7'.On remarquera que Si le parafoudre est monté sur un support tel que représenté figure 2, les actions des ressorts 16 et 17 s'ajoutent aux forces de pression différentielles pour chasseur les électro des l'une vers l'autre. Mais ceci ne modifie pratiquement pas le seuil d'énergie à partir duquel le parafoudre est mis en courtcircuit, étant donné que 1q brasure possède un point de fusion franc 9 où la force de maintien en place s'annule brusquement0 Lorsque, come c'était le cas des parafoudres de l'état de la technique, le matériau fusible présente une fusion piteuse s'étalant sur une large gamme de température, le seuil d'énergie nécessaire pour la mise en court-circuit dépend largement des forces appliquées aux électrodes0 Pour le parafoudre représenté figure 1, la distance 8 entre tranches affrontées des tetes d'électrode doit être réglée lors de l'assemblage, par ajustement du dépassement des prolongements d'électrode 6b, 7b au-delà des anneaux joints 4, 5. Dans le parafoudre représenté à la figure 4, dont la structure d'enceinte est sensiblement identique au précédent et dont les éléments sont affectés d'une référence augmentée de 20 par rapport aux éléments correspondants sur la figure 1, les têtes d'électrodes 26, 27 sont rapportées sur leurs prolongements respectifs 26b, 27b, ceux-ci se terminant à l'extérieur de l'enceinte par des boutons 24, 25 soudés sur les rondelles de céramique 22, 23, de la meme façon que les anneaux joints 4 et 5 de la figure 1.Les prolongements ou queues 26b, 27b sont percés de canaux axiaux 28, 29 respectivement et pénétrant dans des évidements 30 et 31 dans les têtes 26 et 27 respectivement par une partie-cylindrique rétrécie, avec un épaulement de raccordement au corps dé prolongement portant sur la tranche arrière de tête, et la brasure fusible formant jonction entre épaulement et tranche arrière de tête en 24a et 25a. On comprendra que la distance 28 séparant les tranches affrontées des têtes 26 et 27 est déterminée à l'assemblage par l'appui des boutons 24 et 25 sur les rondelles de céramique 22 et 23, et l'appui de ces rondelles dans les embrèvements du tube 21. Par ailleurs lorsque, sous l'effet d'une décharge interne dépas- sant le seuil d'énergie fixé les brasures 24a, 25a fondent, la pression différentielle s'exerce ur la section totale des évidements 30 et 31, en communication avec l'atmosphère par les coraux 28 et 29, pour chasser les têtes 26, 27 itune vers l'autre Les parafoudres ont été représentés avec les prolonements 6b, 7b et 26b, 27b passant glissants dans les rondelles de céramique 2, 3 et 22, 23, de sorte que ces prolongements ne sont pas susceptibles de déplacements radiaux lorsque la brasure fond, et les électrodes ne peuvent venir en court-circuit avec le corps métallique 1 ou 21.Ceci est intéressant lorsqu'il n'est pas souhaitable que, lors de la mise en court-circuit,des bornes des circuits protégés soient mises à la terre, à laquelle on a relié le corps métallique. Par contre, il peut être préférable que les deux électrodes soient en contact avec le corps métallique après fusion de la brasure (protection tripolaire). Pour obteniez ce résultat, on prévoit un jeu radial entre prolongements d'électrodes 6b, 7b ou 26b, 27b, et l'alésage central des rondelles de céramique 2, 3 ou 22, 23, jeu supérieur à la distance radiale entre corps métallique 1 ou 21 et les tetes d'électrodes film 7a ou 26, 27.La fusion de la brasure sous l'effet d'une décharge d'énergie supérieure au seuil fixé permet alors un déplacement radial des électrodes qui viennent en contact avec le corps métal ligue, Dans un exemple de réalisation, la distance interélectrode est de 0,44 mm; le diamètre des électrodes de 5 mm, et le diamè tre intérieur du corps métallique de 6 mm. Le matériau à faible travail de sortie est un "Getter" exothermique baryum aluminium, et le remplissage est effectué avec un mélange argon 90S0, néon 10% à la pression de 100 torrs (soit 1,3 104 Pa). On obtient les performances suivantes Tension continue d'amorçage (100 V/s) 220-280 V Tension d'amorçage au choc (1000 V/s) Courant nominal alternatif de décharge 10 A Courant nominal de choc de décharge 5 k Tension résiduelle en régime d'arc # 20 V Tension résiduelle en régime d'effluve 100 V Tension transversale en fonctionnement tripolaire Résistance d'isolement 10 G; Caractéristicïues de destruction. Court-circuit après écoulement de 150-à 200 A.s pour des intensités permanentes de l'ordre de 10 à 20 A efficaces. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, mais en embrase toutes les variantes d'exécution0 REVENDICATIONS 1. Parafoudre à corps métallique, comportant dans une enceinte étanche sous atmosphère gazeuse choisie à pression inférieure à la pression atmosphérique deux électrodes affrontées à distance déterminée et solidarisées par au moins une entretoise isolante avec un scellement étanche en matériau fusible, en sorte qu'une décharge interne avec une énergie supérieure à un seuil fixé provoque le ramollissement du matériau fusible, les électrodes venant alors en contact sous l'effet de la différence des pressions atmosphérique et interne, caractérisé en ce que l'enceinte est un tube constituant le corps métallique, fermé aux extrémités par des rondelles de céramique soudables au métal et comportant des alésages cylindriques coaxiaux à l'enceinte où passent des prolongements d'électrode avec un joint métallique soudé sur la céramique, ces prolongements d'électrode comportent utile jonction supportant la différence de pression et brasée avec un alliage formant ledit matériau fusible. 2. Parafoudre selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites électrodes contiennent dans des évidements de leurs faces affrontées une pastille d'un matériau au moins partiellement vaporisable et possédant un travail de sortie électronique faible. 3. Parafoudre selon la revendication 2, caractérisé an ce que le matériau à travail de sortie électronique bas est une composition de baryum et d'aluminium connue pour absorber des traces de gaz chimiquement actifs0 4. Parafoudre selon une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse est constituée de gaz rares purs ou en mélanges. 5. Parafoudre selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les électrodes affrontées comportent chacune une tête cylindrique de rayon tel que la distance entre tube d'enceinte et face latérale de tête soit équivalente à la distance entre tranches affrontées d'électrodes0 6. Parafoudre selon la revendication 5, caractérisé en ce que les prolongements d'électrode étant cylindriques, la jonction brasée en matériau fusible est disposée entre prolongement d'élec- trode et un anneau métallique soudé sur la face externe de la rondelle céramique traversée. 7. Parafoudre selon la revendication 5, caractérisé en ce que les prolongements d'électrodes, avec un bouton extérieur soudé sur la céramique, sont tubulaires et rapportés par brasure en matériau fusible dans un évidement borgne de la tête cylindrique0 8. Parafoudre selon une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les prolongements d'électrodes passent dans les alésages des rondelles de céramique avec un jeu au moins égal à la distance entre tube d'enceinte et face latérale de tête d'électrode.