Brevet FR2475795A1 — publié le 19810814

La présente invention se rapporte, d'une manière générale, aux fusibles électriques de sécurité. Les fusibles électriques traditionnels contien- nent un élément fusible logé dans un tube de matière isolante dont les deux extrémités sont fermées, respective- ment, par un capuchon conducteur. Le tube isolant peut être en une céramique ou en fibres de verre traitées avec une résine réfractaire. Le tube isolant est rempli avec unle matière destinée a éteindre les arcs électriques, matière constituée par un mélange de granules de silice (SiO2) et de carbonate de calcium (CaCO 3) et qui entourent l'élément fusible. Quand on utilise des fusibles de sécuri- té traditionnels pour couper des courants de court-circuit, l'élément fusible fond et est vaporisé par la température momentanée élevée développée par l'arc électrique. La va- peur métallique de l'élément fusible est ainsi vaporisée et absorbée par la matière d'extinction, ce qui étouffe l'arc électrique. Toutefois, la matière d'extinction est liquéfiée par la temperature élevée de l'arc électrique et devient ainsi conductrice de l'électricité. Il en résulte que le courant électrique continue à circuler dans le fusible. Ce courant est généralement qualifié "courant secondaire". La figure 1 représente la courbe du courant en fonction du temps d'ul fusible de sécurité calculée pour ume tension de 7,2 kilovolts et 50 ampères. Sur la figur-e 1, on a porté enabscisse le temps en milli- secondes e-t en ordonnée l'intensité du courant exprimée en kiloampères, i étant le courant initial et i2 le courant secondaire. On a également esquissé en tirets la courbe idéale de circulation du courant i1 correspondant à l'absence de courant secondaire. Le courant secondaire i2 a pour effet que l'énergie engendrée par l'arc électrique -à l'intérieur du tube isolant devient telle que la température et la pression continuent à augmenter en dépassant celles engendrées par la surcharge initiale. Il en résulte que le tube isolant risque d'exploser et/ou que le fusible peut se révéler incapable d'interrompre le courant du au court-circuit. Pour prévenir de telles explosions, on est amené à augmenter les dimensions et à renforcer le tube isolant. De plus, lorsque le courant secondaire d'un tel fusible de sécurité est trop fort, l'appareil et/ou les circuits électriques protôgéspar celui-ci risquent d'être endommagés du fait des médiocres caractéristiques de coupure du fusible. En conséquence, on voit que la technique a besoin d'un fusible de sécurité ayant un faible courant secon- daire. La présente invention se propose d'apporter des fusibles de sécurité ayant un courant secondaire réduit et qui, de préférence, ont de petites dimensions et peuvent couper des courants élevés. L'invention vise également à produire un fusible électrique de sécurité qui n'exige pas de tube isolant renforcé. L'invention atteint les buts qu'elle s'est fixée par un fusible électrique de sécurité utilisant comme matière d'extinction de l'acide borique. D'autres caractéristiqlues et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, qui n'a bien entendu aucun caractère limitatif, ren référence au dessin annexé, dont: La figure 1 est un diagramme qui montre la courbe caracté6ristfique d' intensité ldu courant ien fonction du temps d'lu fusible de sécurité traditionnel La figure 2 est une vue, partiel]ement en coupe, d'ul fusible tde sécurjit préférée conformne 'i l'invention; La figure 3 est Iun diagramme représentant la courbe de variat:ion dlu courant en fonction du temps dans un fusible de s6curité tel que celui de la figure 2, comparal.iveiment au diagramme de la figure 1; et, La figure / est un graphique représentant la relation entre le pourcentage d'acide orthoborique contenu dans le mélange granulaire constit.Luant la mat:i ère d'extinction et le courant secondaire cirlculant dans le lusible de sécurité (de l'invention. En se référan-t à la figiu-e 2, on voit un fusible électrique (le sécurité 10 qui comprend un tube isolant 2 renfermant un élémeni fusib]e 4 qui est entouré d'une matière d'extinction 3. Le tube 2 est constitué par une matière i solante, par exemple par des fi bres de verre traitées avec tuie rés:ine réfractaire et comporte, à chaque extrémité, un capuchon conducteur 1. L'élément fusible;I est un é.lémvent classique ayant tule compositionl traditionnelle, par exemple, un élément en argent, en tUi alliage d'ai-rgent, etc. La matière d'extinction 3 est un né] ange granulaire à base d' acide borique (B203. ni-l20), o n est ul entier positif. En plus de l'acide borique, la matière d'ex- tinction peut contenir d'autres substances qui sont stables dans les conditions qu'on rencontre en coupant tdes courants tde court-circuit. Par'ni ces substances on peut citer la silice (SiO2), les silicates de calcium et les substances similaires. Quand l'élément fusible est vaporisé par l.e pas- sage d'un courant électrique trop intense, un arc élec- trique jaillit. L'acideborique éteint cet arc en le privant de son énergie. Tout d'abord, l'acide borique est déshydraté par la chaleur élevée de l'arc. Cette déshydratation consomme une grande quantité d'3nergie car l'eau est étroitement liée aux cristaux d'acide borique. En second lieu, l'eau libérée au cours de l'étape de déshydratation consomme un supplément d'énergie lorsqu'elle est vaporisée. 'Troisièmement, l'acide borique ainsi déshydraté (oxyde borique) consomme encore plus d'énergie en fondant. En définitive, l'arc électrique est ainsi éteint et la circulation d'un courant secondaire est supprimée ou pour le moins considérablement réduite. L'avantage de l'acide borique sur les substances traditionnelles d'extinction réside dans la grande quantité d'énergie consommée par,les étapes de déshydratation et de vaporisation de l'eau libérée. La quantité d'acide borique présente dans la composition d'extinction de l'arc n'est pas critique à condition qu'elle soit suffisante pour obtenir les caractéristiques recherchées de faible courant secondaire. I1 est préférable que la matière d'extinction contienne aussi un peu de silice, des silicates de calcium ou des matières similaires. Lorsque la matière d'extinction ne comprend que de]'acide borique, il y a une certaine possibilité que la quantité de vapeur dégagée fasse ex- ploser le fusible, si celui-ci n'a pas été convenablement renforcé pour pouvoir supporter les pressions développées ou s'il n'a pas été ventilé. La ventilation peut être réalisée en pourvoyant le tube isolant d'un bouchon ou d'un élément similaire qui fond à une température élevée et qui. permet ainsi à la vapeur de s'échapper, évitant par là l'explosion. Toutefois, en mélangeant l'acide borique avec d(le la silice ou mie matière similaire, on 33 peut régler la quantité de vapeur dégagée de façon à éviter les risques d'explosion. Dans les fusibles calculés pour de faibles courants, la matière d'extinction.peut être constituée uniquement par de l'acide borique car il y a peu de risques que la quantité die vapeur dégagée soit suffisante pour présenter des dangers d'explosion. La quantité minimale d'acide borique devant être incluse dans la matière d'extinction est celle suffisante pour obtenir un fusible ayant les caractéristiques de courant secondaire désirées. La figure 4l illustre les résultats obtenus avec une matière d'extinction contenant diverses quantités d'acide orthoborique. La courbe LA représente les résultats obtenus avec ml fusible de dix ampères et la courbe LB avec un fusible de cinquante ampères. Comme on le voit, de très petites quantités d'acide orthoborique améliore.nt sensiblement les caractéristiques de courant secondaire de ces fusibles. Pour les fusibles destinés aux courants relative- ment faibles, la quantité optimale d'acide borique entrant dans la composition de la matière d'extinction est généralement inférieure a 50%5 en poids. De plus grandes quantités, allant jusqu'à 100% en poids, peuvent être utilisées, mais il n'en résulte pas une amélioration sensible des caractéristiques de courant secondaire comparativement à celles obtenues par l'utilisation de quantités plus petites. Dans les fusibles destinés à supporter des courants relativement grands, la matière d'extinction peut comprendre jusqu'à 100% dtacide borique, à condition de les renforcer de façon à éviter les explosions produites par la grande quantité de vapeur engendrée par l'arc électrique lorsque la capacité du fusible est dépassée. Toutefois, l'utilisation de 100% d'acide borique n'améliore pas sen- siblement les caractéristiques de courant secondaire du fusible, comparativemenlt, à celles obtenues avec de moindres quantités d'acide borique. Par contre, une améliora- tion sensible des caractéristiques de courant secondaire du fusible peut être obtenue avec de petites quantités d'aci- de borique, en particulier avec des quantités égales ou inférieures à 1% de la composition totale de la matière d'extinction. C'est ainsi, qu'on peut utiliser 0,1%, 0,001% ou même un plus petit pourcentage en poids d'acide borique dans la matière d'extinction. La limite inférieure de l'acide borique est uniquement déterminée par les caractéristiques de cqurant secondaire recherchées et peut être facilement déterminée par un technicien averti. La quantité totale de matière d'extinction utilisée dans le fusible correspond à celle classiquement employée dans la technique et peut être facilement déterminée par l'Homme de l'Art. L'acide orthoborique (B203. 3H20) est la forme préférée d'acide borique utilisée dans l'invention. Cet acide se décompose sous l'action de la chaleur de l'arc électrique en acide métaborique (B203. H20), en acide tétraborique (2B203. H20) et finalement aux environs de 300 C en oxyde borique (B203). Ces transformations absorbent une quantité appréciable d'énergie de l'arc, de même que la vaporisation de l'eau libérée. Toutefois, on pourrait aussi utiliser, le cas échéant, de l'acide métaborique ou tétraborique ou des mélanges d'acide orthoborique et d'acide métaborique et/ou tétraborique. L'expression "acide borique" est utilisée ci-contre dans son sens le plus général et comprend toutes les formes de l'acide borique. Lorsqu'on utilise soit l'acide méta- borique, soit l'acide tétraborique, les quantités utilisées peuvent être plus grandes puisque ces acides libèrent moins d'eau et, partant, engendrent moins de vapeur. Les quantités optimales peuvent être facilement déterminées par les techniciens avertis. Les exemples qui suivent, qui n'ont, bien entendu, aucun caractère limitatif, feront mieux comprendre les particularités de l'invention. EXEMPLE 1. On prépare deux types de fusibles contenant diverses quantités d'tacide orthloborique et de silice. Le premier, désigné fusible A, qui est ealculé pour une tension de 7,2 kV et lOA, comprenld un seul élément fusible logé dans le tube isolant. Le second, désigné fusible B, qui est calculé pou,, 7,2 kV et 50A, comporte cinq éléments fusibles dans Le tube isolant. L'élérneitt fusible et le tube isolant du fusible 'b sont les milmes que ceux du fusible A. L.,a figure!I illustre la relation entre le polurcontage d'acide orthobolrique contenu dans le mélange de matière d'extinction et l'intcillsito du courant seeondaire. Sur].a figurle /I, ou a porté ei abscisse le poureentage d'acide orthoborique mesure en pourcent en poids et en ordonnée le courant secondaire 12 mesurt en kiloampères (kA). L,'intensité du courant secondaire 12 correspond a 1] celui de la figure 3. Sur la figure 4, les courbes LA et LB i dióluent respectivemnen t le courant secondaire des fusibles A et B. En1 se référanLt A la figure ql, on voit, que dans le fusible A, le courant secondaire a été sensiblement réduit en utilisant 10%, en poids d'acide orthoborique et qu'il]. a été réduit encore davantage en utilisant % en po(is. Dans le cas dlu futsiJble 13, le cotuant seeondaire a été considérablement réduit en utilisant plus de 1% en Ipo:ids d'acide o'lthoborique. Pour]es fusibles A et B de cet exemple, les pourcentages d'acide orthoborique doivent tre respectivement inférieurs à et 10% Cnl poidso EXEMPLE 2 On prépare un fusible de sécurité calculé pour 7,2 kV et 50A en utilisant un mélange granulaire d'acide orthoborique et de silice. Ce m6lange contient 5% en poids d'aeide orthoborique. La courbe caractéristique de ce fusible est représentée sur la figure 3. La figure 1 Pe- présente les caractéristiques dl'Ut fusible de 7,2 kV, 50A, ne contenant pas d'acide borique. Comme on le voit en comparant les figures 1 et 3, la présence des l'acide borique dans la matière d'extinction améliore sensiblement les caractéristiques du fusible. On peut déterminer le pourcentage d'acide ortho- borique entrant dans le mélange d'extinction pour d'autres fusibles en utilisant la méthode de ces exemples. Plus pré- cisément, on détermine la limite inférieure du pourcentage d'acide orthoborique par la relation entre le courant secondaire et la teneur en acide borique, et la limite supérieure par l'aptitude du tube isolant à résister aux pressions développées par la vapeur d'eau libérée. Comme il a été expliqué ci-dessus, l'invention permet de produire des fusibles électriques de sécurité dans lesquels le courant secondaire est réduit. L'invention permet aussi de produire des fusibles de sécurité de petites dimensions et qui sont capables de couper des courants électriques importants sans qu'il soit nécessaire de ren- forcer le tube isolant. De plus, l'invention apporte des fusibles de sécurité ayant de meilleures caractéristi- ques de coupure des courants électriques. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux différents exemples de réalisation de l'invention décrits ci-dessus sans sortir pour autant du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Fusible électrique de sécurité caractérisé par une matière d'extinction des arcs électriques contenant de l'acide borique. 2. Fusible de sécurité selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite matière d'extinction est un mélange d'acide borique et 'de silice. 3. Fusible de sécurité selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit acide borique est l'acide orthoborique. 4. Fusible de sécurité selon la revendication 3, caractérisé en ce que le pourcentage dudit acide ortho- borique dans ladite matière d'extinction est inférieur à 50% en poids. 5. Fusible de sécurité selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit acide borique est l'acide métaborique. 6. lPbocédé potur réduire le courant secondaire dans un fusible électrique de sécurité,caractérisé en ce qu'on incorpore de l'acide borique dans ledit fusible. 7. Procédé selon la revendication 6,caractérisé en ce qu'on incorpore de la silice et de l'acide borique dans ledit fusible. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit acide borique est l'acide orthoborique.