Brevet FR2468201A1 — publié le 19810430

La présente invention concerne un microparafoudre à fort pouvoir d'écoulement c'est-à-dire un composant protecteur destiné à éviter les détériorations de circuits ou installations électriques soumis éventuellement à des surcharges électriques de grande ampleur. Il est indispensable de prévoir sur les installations électriques générales ou spéciales des composants de protection pour éviter les effets nocifs d'une surcharge pour laquelle ces installations n'ont pas été conçues. Ces composants protecteurs courants sont connus sous le nom de fusibles, tubes parasurtension, tubes parafoudres. Leur rôle consiste à stopper la transmission d'une surcharge dangereuse pour un type d'installation donné. L'application de ce genre de composants de protection revêt un intérêt tout particulier en matière d'installations, de circuits et de centraux téléphoniques. En effet, les centraux et les lignes téléphoniques sont très vulnérables aux atteintes de la foudre ainsi qu'aux contraintes provoquées par des surtensions inductives ou encore aux surintensités prenant naissance lors du contact accidentel d'une ligne de transport d'énergie électrique avec uneligne télépho- nique. Pour répondre au souci de protection des circuits et centraux téléphoniques, il est devenu obligatoire de disposer un compo- sant protecteur, du type communément appelé parafoudre, entre chaque fil de ligne et la terre. Le terme parafoudre désigne le plus souvent un dispositif comportant, notamment, des électrodes disposées dans une enceinte emplie d'une atmosphère gazeuse. Les propriétés requises du parafoudre sont de ne pas apporter de pertes dans le régime normal de fonctionnement de la ligne (c'est-à-dire de présenter une résistance infinie à l'écoulement du courant) et au contraire, de soutenir et écouler à la terre une surcharge incidente (c'est-à-dire de présenter au dessus d'une valeur de seuil prédéterminée, une résistance faible, notablement inférieure à celle du circuit à protéger et une bonne capacité d'écoulement). Or, un tube à décharge présente au dessous d'une tension, dite tension d'amorçage, une résistance quasi infinie. Pour des valeurs de tensions à ses bornes supérieures à la tension d'amorçage, il entre en fonctionnement en régime de décharge et il présente une résistance faible. Un tel tube est alors apte à soutenir des surcharges importantes, pourvu que sa structure soit suffisamment robuste, et à les écouler à la terre. La valeur de la tension d'amorçage est aisément 2 2468201' prédéterminée par le réglage de la dimension de l'intervalle entre électrodes de décharge. La capacité d'écoulement est fonction de la structure du tube. La sécurité et la fiabilité du service des lignes et circuits téléphoniques exigent une autre caractéristique des dispositifs de protection, en particulier des parafoudres: le parafoudre doit se mettre en court-circuit dans tous les cas o il devient inutilisable. En effet, si cette exigence n'était pas satisfaite, rien ne signalerait la défaillance du composant protecteur et la ligne serait détruite par la première surcharge à venir. Une seule disposition peut éviter cette éventualité: imposer au composant de signaler sa propre défaillance. Ainsi, la ligne ne fonctionnant plus, il devient obliga- toire, pour lui restituer son fonctionnement normal, de remédier à son défaut de protection par le remplacement du composant hors service. D'o l'obligation pour ledit composant de se mettre en court-circuit franc et y rester dès qu'il n'est plus en état de remplir son office et ceci quelle que soit la cause de la défaillance. La mise à la terre de la ligne oblige au remplacement de la protection hors service. Un parafoudre répondant à ces exigences est décrit dans le brevet français no 75 06524 déposé le 3 Mars 1975 au nom de la demanderesse. Ce parafoudre comprend notamment une enceinte étanche d'un métal bon conducteur électrique et thermique tel que le Dilver, l'aluminium ou le cuivre emplie d'une atmosphère inerte telle qu'un mélange des gaz rares argon et hélium à une pression voisine de 250 torrs. Cette enceinte est fermée par un bouchon en matériau isolant capable de se ramollir à une température inférieure à la température de ramolissement ou de fusion des autres parties du parafoudre. Une première électrode traverse ce bouchon et présente une surface de décharge faisant face à la surface de décharge d'une deuxième électrode disposée à l'intérieure de l'enceinte. En fonctionnement normal ce parafoudre se comporte comme tout tube à décharge, c'est-à-dire que tant que la tension à ses bornes demeure inférieure à sa tension d'amorçage, il est au repos. Lorsque la tension à ses bornes devient égale à la valeur de la tension d'amorçage déterminée par la dimension donnée à l'intervalle entre les deux électrodes, la décharge s'instaure. Le parafoudre peut ainsi écouler un courant alternatif nominal de décharge de l'ordre de 5 , pendant un temps bien défini, en général au moins égal, en secondes, à 50/I, I étant l'amplitude exprimée en ampères du courant de décharge, conformément aux recommandations du Comité Consultatif International 3 24682011I Télégraphique et Téléphonique (avis K12 - CCITT - Cenève 1977). Lorsque le fonctionnement devient anormal, en particulier lorsque la surcharge incidente est nettement supérieure aux capacités d'écoulement prévues lors de la fabrication du parafoudre, un échauffement anormal de l'enceinte se produit. La température interne de celle-ci atteint et dépasse la température de ramolissement du bouchon. Ce dernier perd sa consistance rigide. Comme la pression interne est inférieure à la pression atmosphérique, le matériau amolli s'effondre et est aspiré vers l'intérieur, entraînant avec lui la première électrode. La progression de l'électrode aspirée réduit puis annule l'intervalle interélectrode. Il s'ensuit la mise en court-circuit des deux électrodes. Ce parafoudre répond donc aux caractéristiques imposées jusqu'à ce jour. Mais, les utilisateurs de ce type de dispositif, compte tenu de leurs besoins, envisagent de modifier leurs exigences et demandent aux constructeurs un parafoudre dont le pouvoir d'écoulement est de l'ordre de 20 A. D'autre part, en cas de fonctionnement anormal, c'est-à-dire lorsque la surcharge incidente est nettement supérieure aux capacités découlement définies, le parafoudre doit se mettre en court-circuit plus rapidement que précédemment, la température de l'enveloppe externe du parafoudre devant rester dans des limites raisonnables de façon que les dispositifs de connexion (du type porte- fusible, par exemple) ne soient pas endommagés. Le parafoudre décrit dans le brevet français précité et dimensionné pour répondre à un pouvoir d'écoulement conforme aux exigences actuelles ne répond pas à ces derniers critères: le temps de passage en court-circuit des électrodes est trop long pour être acceptable dans les futures conditions d'environnement du parafoudre (bottier enfichable en matière thermoplastique par exemple). D'autre part, par le fait même que ce temps est important, la zone de l'enveloppe externe du parafoudre située au voisinage de l'intervalle interélectrode s'échauffe notablement. La température de cette zone dépasse alors les limites permises. La présente invention a donc pour objet un parafoudre du type précédemment décrit et répondant aux nouvelles exigences des utilisateurs. Le microparafoudre de la présente invention, comprenant une enceinte, une ouverture dans cette enceinte, une première électrode traversant cette ouverture et possédant une première surface de décharge à l'intérieur de l'enceinte, un bouchon placé entre la première électrode et l'enceinte pour sceller hermétiquement l'ouverture sur cette électrode, une deuxième électrode présentant une deuxième surface 4 2468201 de décharge à l'intérieur de l'enceinte, faisant face à la première surface de décharge ainsi qu'une atmosphère de gaz emplissant l'enceinte, est caractérisé par le fait que ladite première électrode est entourée d'un manchon en contact électrique et thermique avec cette électrode, ce manchon étant- réalisé en un matériau fusible bon conducteur électri- que et thermique dont le point de fusion est tel que tout échauffement excessif prédéterminé de ladite première électrode dû à des conditions de fonctionnement anormales du microparafoudre entratne la fusion dudit manchon et assure ainsi la mise en court-circuit des deux électrodes. Une autre caractéristique de l'invention réside dans le fait que ladite première électrode est constituée d'une partie cylin- drique allongée relativement mince et d'une extrémité aplatie présentant une surface de décharge relativement importante, le tout étant réalisé dans un métal bon conducteur et capable de soutenir des températures élevées, ce -qui confère au microparafoudre un fort pouvoir d'écoulement. Une autre caractéristique de l'invention réside dans le fait que ledit manchon est en contact thermique avec la face arrière de l'extrémité aplatie de ladite première électrode. Une autre caractéristique de l'invention réside dans le fait qu'une extrémité du manchon est associée étroitement à la face arrière de l'extrémité aplatie de ladite première électrode. Selon une autre caractéristique de l'invention le manchon est réalisé en un matériau dont le pouvoir émissif est inférieur à celui du métal constituant la première électrode. Selon une autre caractéristique de l'invention le diamètre extérieur du manchon est au plus égal au diamètre de l'extrémité aplatie de la première électrode de façon que seules les deux électrodes participent à la décharge. Selon une autre caractéristique de l'invention ledit bouchon est réalisé en un matériau électriquement isolant et le matériau de l'enceinte est mouillable par le matériau du manchon en fusion. Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant détaillés dans la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue en coupe longitudinale médiane d'un exemple de réalisation du parafoudre de la présente invention; - la figure 2, une vue en coupe longitudinale médiane du parafoudre de la figure t à l'état de court-circuit. On décrira tout d'abord, en se reportant à la figure 1, un exemple de réalisation du parafoudre de l'invention. Le parafoudre de la figure t comprend notamment deux électrodes de décharge 1 et 2, une enceinte étanche comportant une partie métallique formant la paroi latérale 3 et la base 5 du boitier,-et une partie 7, formant bouchon, faite d'un matériau isolant électrique convenablement choisi pour assurer un scellement étanche avec la paroi 3. L'électrode de décharge 1 traverse l'enceinte par l'intermé- diaire d'une traversée étanche ménagée dans le matériau isolant consti- tuant le bouchon 7. Ce bouchon est lui-même scellé à la paroi latérale 3 de l'enceinte sur tout son pourtour qui prend assise sur le rebord interne 8,'8' de cette paroi. Ce rebord peut être prévu en forme d'épau- lement. La partie de l'électrode de décharge 1 située à l'intérieur de l'enceinte se présente sous la forme générale d'un clou, c'est-à-dire d'une partie cylindrique allongée relativement mince 14 se terminant par une tête 9 cylindrique, de diamètre notablement plus grand que la partie cylindrique allongée. Cette électrode est réalisée dans un métal bon conducteur et capable de soutenir des températures élevées (molybdène, par exemple). L'électrode de décharge 2 est constituée par la base 5 du bottier. Les extrémités intérieures en regard Il de l'électrode 1 et 6 de l'électrode 2 ménagent entre elles un intervalle entre électrode de longueur L. On sait que l'une des caractéristiques principales des para- foudres, à savoir la tension d'amorçage, est fonction de l'espace de décharge entre électrode. Il est évident que cette tension croit avec la longueur de cet espace et que, d'autre part, la précision dans le positionnement relatif des électrodes ne peut descendre en-dessous d'une valeur limite, quelques centièmes de millimètres par exemple. Il est donc intéressant, pour augmenter la précision relative, de prévoir un espace entre électrode relativement important. Pour conserver malgré cela une tension d'amorçage du parafoudre conforme aux exigences des utilisateurs, on procède alors au revêtement de l'une ou des deux extrémités en regard des électrodes par un matériau émissif, par exemple un mélange émissif de baryum, de zirconium et d'aluminium Selon un mode de réalisation préféré, la face antérieure 11 de la tête 9 de l'électrode t est recouverte d'une couche 15 de baryum. 6 2468201 Les parties extérieures des électrodes de décharge sont, par exemple, en forra( de tiges; elles sont prévues d'une longueur et d'une forme susceptibles d'être reçues dans les pinces de contact spéciales dans lesquelles elles doivent être positionnées. Le parafoudre de la figure 1, selon une caractéristique essentielle de I'invention comprend également un tube ou manchon 10 enserrant la partie cylindrique allongée interne 14 de l'électrode 1. Ce manchon est réalisé dans un matériau fusible, bon conducteur électri- que et thermique et dont le pouvoir émissif est inférieur à celui de l'électrode. On choisira, par exemple, le laiton. Son diamètre intérieur est sensiblement identique au diamètre extérieur de la partie cylindrique allongée 14 de l'électrode 1. Son diamètre extérieur est au plus égal au diamètre de la tête 9 de cette électrode. Une extrémité de ce manchon est en contact avec la face arrière l2 de la tête 9. Son autre extrémité s'appuie contre la face interne 13 du bouchon isolant 7. La fabrication du parafoudre de la figure I s'effectue de la façon suivante: tout d'abord on procède à la mise en forme de l'électrode de décharge 1 à partir d'un barreau métallique, en molybdène selon l'exemple de réalisation choisi. La face antérieure 1i de la tête 9 de cette électrode est ensuite recouverte d'une couche d'un matériau émissif, de préférence du baryum. Le manchon 10 est alors placé autour de la partie allongée 14 de l'électrode. Il en est de même du bouchon isolant 7 qui comporte un trou central dans lequel est introduite l'extrémité libre de l'élec- trode 1. ensemble électrode t - manchon 10 - bouchon 7 est disposé verticalement sur une plaque de graphite, l'extrémité libre de l'élec- trode 1 étant introduite dans l'un des trous que comprend cette plaque. Sous l'effet de la pesanteur, l'ensemble est maintenu en position verticale, la face arrière 12 de la tête 9 de l'électrode s'appuyant contre l'extrémité supérieure du manchon. La plaque de graphite portant une pluralité d'électrodes ainsi équipées est alors placée dans un four. En choisizant convena- blement le matériau vitreux constituant le bouchon et le matériau fusible constituant le manchon, on réalise simultanément dans ce four le scellement du bouchon autour de la partie cylindrique allongée 14 de l'électrode ainsi que le brasage du manchon sur l'électrode de molybdène. Le laiton. utilisé pour réaliser le manchon répond à cette exigence. Il importe que ce brasage soit réalisé au moins entre l'extrémité supérieure du manchon et la face arrièrc 12 de la tête 9 2468201' de l'électrode. Simultanément, sur pompe, on effectue un prévidage de l'enceinte qui est ensuite emplie d'une atmosphère inerte 4 contrôlée à une pression inférieure à la pression atmosphérique normale. L'atmos- phère inerte est composée d'un mélange de gaz rares tels que l'argon et l'hélium, sous une pression de 250 torrs, par exemple. Lorsque le remplissage a atteint cette valeur de pression, on pratique le scellement à l'enceinte du bouchon 7 déjà porteur de l'électrode 1 et du manchon 10. La profondeur d'entrée de cette électrode est préré- glée au moment oh intervient le scellement de ce bouchon de telle façon que l'intervalle interélectrode corresponde à la valeur prédéter- minée de seuil de fonctionnement du parafoudre, cette valeur étant celle de la tension d'amorçage Vo. C'est aussi celle que fixe la valeur limite de la tension que les lignes ou les circuits à protéger auront à supporter. Le parafoudre est alors complet et prêt à fonctionner. En fonctionnement normal, ce parafoudre se comporte comme tout tube à décharge, c'est-à-dire que tant que la tension à ses bornes demeure inférieure à sa tension d'amorçage Vo, il est au repos. Lorsque la tension aux bornes du parafoudre devient égale à Vo, la décharge s'instaure. Comme il comporte des électrodes massives: le prolongement massif en tête de clou 9 de l'électrode 1 et la base 5 de l'enceinte pour l'électrode 2, il peut supporter des surcharges importantes qu'il écoule vers la terre, potentiel de référence auquel est réunie la partie externe de l'électrode 2. Il est à noter que la déchar'ge s'effectue uniquement entre les deux faces en regard 6 et il (ou 6 et 15 lorsque la face antérieure Il de la tête 9 est recouverte d'une couche de baryum 15) des électrodes 1 et 2. En effet, le manchon, dont le diamètre extérieur est inférieur au diamètre de la tête 9 et qui est réalisé en un matériau dont le pouvoir émissif est inférieur au pouvoir émissif des faces en regard des électrodes, ne participe en rien à la décharge. Quand le parafoudre est placé dans des conditions anormales de fonctionnement ses deux électrodes sont mises en court-circuit. En effet, tout fonctionnement anormal, se produisant notamment lorsque la surcharge incidente est nettement supérieure aux capacités d'écoule- ment prévues, s'accompagne d'un échauffement anormal des électrodes. L'électrode de décharge 2 qui est constituée par la base 5 de l'enceinte dissipe assez aisément cette chaleur, l'enceinte relati- vement massive se comportant comme un radiateur. L'augmentation de 2468201!I la température de cette enceinte est donc relativement lente, en particulier lorsque le parafoudre est à l'air libre. Il n'en est pas de m8me pour l'électrode de décharge 1 dont la masse est beaucoup plus réduite, en particulier sur sa partie cylindrique allongée 14, et qui est confinée à l'intérieur de l'enceinte hermétique. D'autre part, le bouchon vitreux isolant 7 n'est pas bon conducteur thermique. Il peut alors en résulter un échauffement excessif de cette électrode ainsi que de l'intérieur de l'enceinte pouvant provoquer la destruction d'éventuels composants, en matières plastiques notamment, disposés contre le parafoudre. L'introduction du manchon 10, conformément à la présente invention, évite tous ces graves inconvénients. En effet, le manchon 10, bon conducteur thermique, étant en contact avec l'électrode 1 est porté à une température voisine de celle de la tête 9 de l'électrode 1. Cette température atteint puis dépasse la température de fusion du matériau constituant le manchon. Alors, le point de ramolissement de ce matériau étant atteint, le manchon 10 perd sa consistance rigide et par l'effet de la tension superficielle une excroissance annulaire du manchon se produit au voisinage de la tête 9 de l'électrode. Cette surépaisseur du manchon vient en contact avec la paroi interne de l'enceinte du parafoudre comme le montre la figure 2. Il s'ensuit la mise en court-circuit des électrodes 1 et 2 aux points de contact 16 et 16' du manchon et de la paroi latérale de l'enceinte. Ce court-circuit s'accompagne de l'arrêt du dégagement de chaleur à l'intérieur de l'enceinte. Un choix judicieux des matériaux utilisés pour constituer, d'une part, l'enceinte, d'autre part, la manchon, est requis afin que les contacts 16 et 16' se fassent avec mouillage. De cette façon, ces contacts 16 et 16' sont établis de façon définitive et sont maintenus après la solidification du manchon 10 due au refroidissement de l'enceinte. Ainsi, le parafoudre de l'invention se comporte bien, lorsque la tension à ses bornes demeure inférieure à une valeur de seuil de protection Vo déterminée, comme une résistance de valeur pratiquement infinie, et lorsque la valeur de la tension à ses bornes atteint la valeur Vo, comme une résistance faible permettant d'écouler des inten- sites importantes. Dans la réalisation décrite le parafoudre permet d'écouler des courants jusqu'à 30 en continu, la tension résiduelle à ses bornes étant inférieure à 20 volts, et des ondes de courant en régime impulsionnel pouvant atteindre des valeurs de crête de 10 000 ampères (onde 8/20) avec des intervalles de temps de 30 secondes entre deux ondes de chocs consécutives. Il est mis hors service pour 9 2468201 l des régimes permanents sous courant alternatif (50 Hz) d'intensité comprise entre 5 et 50 ampères. La destruction du parafoudre s'opère obligatoirement en court-circuit franc des électrodes et il est évident que la disposition du manchon est telle que la position du parafoudre est indifférente. En outre ce parafoudre est pratiquement ininflammable et la paroi externe de son enceinte ne subit pratiquement aucun échauffe- ment excessif. En effet, la plus grande partie de la chaleur dégagée par l'électrode 1 en cas de surcharge étant absorbée par le manchon, il en résulte une fusion rapide de ce manchon et une mise en court- circuit des électrodes plus rapide que dans les parafoudres de type connu, la forme massive de ces électrodes conférant néanmoins à ce parafoudre un pouvoir d'écoulement accru. Selon un mode de réalisation préféré, le bouchon 7 de ce parafoudre sera encore réalisé dans un matériau vitreux dont la tempé- rature de fusion est inférieure à la température de fusion des autres éléments du parafoudre, manchon mis à part. De cette façon, la mise en court-circuit des électrodes par fusion du manchon peut être accompa- gnée de la mise en court-circuit de ces électrodes selon le procédé décrit dans le brevet français no 75 06524 précédemment cité: l'éléva- tion de température du manchon est transmise au bouchon. La température de ce bouchon atteint sa température de fusion. Le matériau de ce bouchon ayant atteint son point de ramolissement, l'électrode 1 n'est plus supportée rigidement et elle est aspirée vers l'intérieur de l'enceinte par suite de la différence de pression existant entre la pression atmosphérique extérieure et la pression interne (250 torrs). Cette électrode vient alors en contact avec le fond de l'enceinte formant la seconde électrode. Ces dispositions constituent ainsi un complément intéressant à la sécurité qu'apporte le micro parafoudre objet de la présente invention. Il est bien évident que la description qui précède n'a été fournie qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Les précisions numériques notamment n'ont été 4cnnées que pour faciliter la compréhension et peuvent varier selon les cas d'application. 24682017 REVENDICATIONS 1 - Microparafoudre à fort pouvoir d'écoulement comprenant une enceinte, une ouverture dans cette enceinte, une première électrode traversant cette ouverture et possédant une première surface de déchar- ge à l'intérieur de l'enceinte, un bouchon placé entre la première électrode et l'enceinte pour sceller hermétiquement l'ouverture sur cette électrode, une deuxième électrode présentant une deuxième surface de décharge à l'intérieur de l'enceinte, faisant face à la première surface de décharge, ainsi qu'une atmosphère de gaz emplissant l'enceinte, caractérisé par le fait que ladite première électrode est entourée d'un manchon en contact électrique et thermique avec cette électrode, ce manchon étant réalisé en un matériau fusible bon conduc- teur électrique et thermique dont le point de fusion est tel que tout échauffement excessif prédéterminé de ladite première électrode dû à des conditions de fonctionnement anormales du microparafoudre entraîne la fusion dudit manchon et assure ainsi la mise en court-circuit des deux électrodes. 2 - Microparafoudre tel que défini en 1, caractérisé par le fait que ladite première électrode est constituée d'une partie cylindrique allongée relativement mince et d'une extrémité aplatie présentant une surface de décharge relativement importante, le tout dans un métal bon conducteur et capable de soutenir des températures élevées, ce qui confère au microparafoudre un fort pouvoir d'écoulement. 3 - Microparafoudre tel que défini en 2, caractérisé par le fait que le manchon est en contact thermique avec la face arrière de l'extrémité aplatie de la première électrode. 4 - Microparafoudre tel que défini en 2, caractérisé par le fait qu'une extrémité du manchon est associée étroitement à la face arrière de l'extrémité aplatie de la première électrode. - Microparafoudre tel que défini en 1, caractérisé par le fait que le manchon est réalisé en un matériau dont le pouvoir émissif est inférieur à celui du métal constituant la première électrode. 6 - Microparafoudre tel que défini en 3, caractérisé par le fait que le diamètre extérieur du manchon est au plus égal au diamètre de l'extrémité aplatie de la première électrode de façon que seules les deux électrodes participent à la décharge. 7 - Microparafoudre tel que défini en 1, caractérisé par le fait que le bouchon est réalisé en un matériau électriquement isolant. il 2468201! 8 - Microparafoudre tel que défini en 7, caractérisé par le fait que le matériau de l'enceinte est mouillable par le matériau du manchon en fusion.