Brevet FR2494032A1 — publié le 19820514

L'invention concerne un dispositif de commuta- tion électrique et notamment un dispositif muni d'un moyen ré- glant la pression de fonctionnement pour réduire au minimum l'endommagement des contacts et leur érosion au cours du mouve- ment de leur séparation. L'invention s'applique à une très grande diver- sité de dispositifs de commutation électrique allant de contac- teurs de commutation utilisables en basse tension alternative, à des disjoncteurs qui s'appliquent à des tensions de 110 à 440 Volts de courant alternatif, jusqu'à des commutateurs de dé- rivation très spécialisée pour les basses tensions continues dans des cellules électrochimiques. Dans les commutateurs à courant alternatif de type basse-tension utilisés dans les réseaux de distribution et pour la commande de moteurs, le matériau constitutif des contacts est, de préférence, un alliage contenant des proportions suffisantes d'argent qui est un métal noble très coûteux. Ces types de commutateurs sont typiquement soumis à l'air ambiant et à la pression atmosphérique. On utilise de l'argent pour les contacts car l'argent forme un oxyde conducteur qui conserve une conductivité électrique élevée et permet un passage effica- ce du courant lorsque les contacts sont fermés. La pénurie ré- cente de matériaux tels que l'argent a augmenté considérable- ment le coût de tels contacts et il est évidemment souhaitable de supprimer ou de réduire les besoins en de tels composants constitutifs de contact en métal noble très coûteux. Dans les commutateurs de dérivation de basse- tension continue, destinés aux cellules électro-chimiques, qui travaillent typiquement à des tensions continues inférieures à 10 volts, et à des ampérages de l'ordre de 6000 ampères pour un seul commutateur, le commutateur est scellé hermétiquement pour former un dispositif dans lequel règne un vide poussé. Les contacts sont dans ce cas typiquement des contacts en cuivre ou en cuivre-bismuth, qui sont des matériaux très conducteurs ayant des caractéristiques de rupture de soudure appropriées lors de 1'ouverture des commutateurs. Comme l'oxyde de cuivre est un mauvais conducteur, on évite l'oxydation des contacts du cuivre en les mettant sous vide. Lorsque les contacts du commutateur s'écartent pour couper le passage du courant, il se forme un arc entre les 2.- contacts qui s'écartent, provoquant un échauffement et une éro- sion locale jusqu'à l'extinction de l'arc. Il a déjà été observé et indiqué que la vitesse d'érosion cathodique par un arc sous vide pouvait être diminuée de plus d'un ordre de grandeur en augmentant la pression ambian- te, comme cela est mentionné dans les articles "Cathode spot érosion and ionisation phenomena in transition from vacuum to atmospheric pressure arcs" Journal of Applied Physics, tome 45, n0 12, pages 52-35-5244 (1974), et dans "Anode phenomena in vacuum and atmospheric pressure arc"l tome PS-2, pages 310-319, Décembre 1974 du présent inventeur. D'autres auteurs ont indiqué dans un ouvrage an- térieur intitulé "Arc cathodes of low current density at high amperage" Journal of Applied physics, tome 13, Février 1942, pages 113-116, qu'il était possible de former des arcs à faible densité de courant cathodique, dans un gaz à basse densité pour réduire la destruction de la surface des électrodes. La présente invention concerne un dispositif de commutation électrique destiné à des courants continus de forte intensité, ce dispositif comportant un corps définissant une enceinte dans laquelle est coupé le courant de commutation ou l'arc, le corps comportant une partie souple avec au moins un contact électrique mobile porté par le corps souple et mobile avec celui-ci pour rapprocher ou éloigner un contact électrique du contact électrique opposé; la pression ambiante dans l'encein- te délimitée par le corps est maintenue à une valeur de 10-1 à 102 Torr; elle peut être réduite à une telle valeur pendant l'ouverture des contacts pour réduire au minimum l'érosion des contacts. De cette façon, on peut supprimer des contacts en mé- taux nobles tels que l'argent, qui sont coûteux, ou du moins les réduire au minimum. L'invention concerne également un module de com- mutation électrique, scellé hermétiquement, pour établir et cou- per des courants continus à de fortes intensités, à basse ten- sion, en vue d'arrêter une cellule d'électrolyse, ce module comportant une partie d'enveloppe isolante annulaire et des éléments en forme de diaphragme ondulé, souple, annulaire, s'é- tendant transversalement vers l'intérieur à partir de l'enve- loppe d'isolation annulaire, vers les éléments de contact con- ducteurs, cylindriques, le module de commutation scellé herméti- 3.- quement contenant une atmosphère de pression réduite comprise entre 10-1 et 1o2 Torr. La présente invention est décrite ci-après à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en élévation latérale partiellement en coupe d'un commutateur électrique correspondant à un premier mode de réalisation, - la figure 2 est une courbe donnant les varia- tions de la vitesse d'érosion cathodique, en grammes par coulomb, en fonction de la pression ambiante d'azote en Torr, pour des cathodes de cuivre et des arcs d'une intensité de 100 ampères et de 1000 Ampères. - la figure 3 est un schéma d'un commutateur électrique selon un second mode de réalisation, - la figure 4 est un schéma d'un commutateur électrique selon un troisième mode de réalisation. Selon la figure 1, le commutateur électrique présente la structure de base d'un commutateur de dériva- tion, pour une basse tension continue, ce commutateur étant scellé hermétiquement comme celui décrit au brevet U.S. 4 216 361. Dans le commutateur hermétiquement scellé de l'art antérieur, on maintient dans le commutateur un vide poussé de l'ordre de 4 Torr, ou un vide encore plus poussé. Dans de tels commu- tateurs de dérivation de cellules électrochimiquessous vide, les conditions de fonctionnement correspondent à des tensions inférieures à environ 10 volts continus, et à des intensités de l'ordre de 6000 ampères de courant continu. Ce commutateur de dérivation 10 se compose d'un corps annulaire isolant 12 muni d'éléments de diaphragme 14a, 14b, ondulés, souples, de forme annulaire, disposés transver- salement entre le corps cylindrique et les contacts conducteurs d'électricité 16a, 16b. Un joint étanche est formé entre les prolongements intérieurs et extérieurs des éléments de diaphrag- me et, d'une part, le corps 12, d'autre part, les contacts 16a, 16b pour délimiter l'enceinte du commutateur. Une paire d'orga- nes de protection contre les arcs, de forme annulaire, inclinés et espacés, à savoir un écran intérieur 18 et un écran exté- rieur 20, sont logés dans l'enceinte du commutateur autour des contacts 16a, 16b pour protéger ces contacts pendant l'inter- ruption de l'arc contre des produits chauds provoquant l'érosion. 4.- L'érosion du matériau constituant les contacts peut être réduite au minimum en maintenant la tension ambiante à l'intérieur de l'enceinte du commutateur entre 10 1 et 102 Torr. On introduit de préférence un gaz non oxydant, tel que de l'azote, de l'hélium ou de l'argon dans le commutateur pendant sa fabrication, et on fait le vide jusqu'à la pression ambiante voulue, qui est de 10-1 à 102 Torr, pour réduire au minimum l'oxydation des contacts 16a, 16b, qui sont, de préférence, en cuivre ou en des alliages de cuivre. les plaques de montage planes, conductrices, 22a, 22b, reliées aux contacts électriques 16a, 16b à l'extérieur de l'enceinte du commutateur facilitent le branchement du commuta- teur sur les bornes de cellules électrochimiques ou sur les bor- nes de cAbles. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le commutateur électrique 24 se compose d'un corps isolant 26 avec un organe d'extrémité 28 traversé par le contact fixe 30 et d'un soufflet 32 dans lequel passe le contact mobile 34. Un écran annulaire 35 pour les arcs est placé dans l'enceinte du commuta- teur autour des contacts 30, 34. L'écran annulaire 35 est porté par l'organe d'extrémité 28 et est en saillie par rapport à celui-ci. Le commutateur 24 peut être scellé hermétiquement et être rempli d'un gaz à une pression ambiante à l'intérieur du commutateur de l'ordre de 10-1 à 102 Torr. Si l'enceinte du commutateur est suffisamment faible par rapport au volume dépla- cé par le soufflet, il n'est pas nécessaire de sceller herméti- quement le commutateur; on peut alors utiliser la dilatation des soufflets lors de l'ouverture des contacts pour réduire la pres- sion ambiante par rapport à la pression atmosphérique jusqu'à atteindre une pression ambiante de préférence égale à 10-1 à 102 Torr. Lorsque le commutateur électrique 24 est scellé hermé- tiquement, on introduit un gaz inerte de remplissage tel que de l'argon ou de l'azote à la pression de remplissage appropriée de 1 à 1o2 Torr. Les contacts électriques sont, de préférence, en cuivre très conducteur ne contenant pas d'oxygène. Le gaz inerte de remplissage évite l'oxydation des contacts pour main- tenir la résistance électrique de contact à l'état fermé, fai- ble, et la faible pression réduit au minimum l'érosion des con- tacts. L'utilisation de cuivre ou d'alliage de cuivre pour les contacts à la place d'un métal noble tel que de l'argent, permet 5.- une économie importante en coût de matériau. Dans le mode de réalisation de la figure 3, qui ne correspond pas à un dispositif scellé hermétiquement, les extrémités en saillie ou surfaces de contact 36 associées à chaque contact 34, sont réalisées en un métal noble tel que de l'argent ou un alliage à forte teneur en argent, ou un matériau compact tel que de l'argent-tungstène ou de l'oxyde argent- cadmium. La formation des arcs dans l'enceinte à pression ré- duite limite à un minimum l'érosion des contacts. Le mode de réalisation deéla figure 4 est prévu pour travailler à des tensions plus élevées. Pour avoir un es- pacement ou des intervalles de contacts appropriés, évitant le réallumage d'un arc une fois éteint, sont prévus plusieurs che- mins d'arc. Le commutateur électrique 38 se compose d'un corps isolant 40, d'un contact central 42 et de soufflets d'extrémité 44, 46 à chaque extrémité du corps 40. Les contacts mobiles 48, sont respectivement portés par les extrémités des soufflets 44, 46. Une paire d'arcs en série se forment lorsque les contacts respectifs 48, 50 se séparent du contact central 42. Dans ce cas, également, la pression ambiante de combustion et d'extinc- tion des arcs est réglée pour être comprise entre 10-1 et 102 Torr. Comme dans le mode de réalisation de la figure 3, on arri- ve à une telle pression réduite en faisant le vide dans un com- mutateur scellé hermétiquement, pour arriver à la pression ré- duite voulue ou encore en prévoyant des déplacements soufflets suffisants à la séparation des contacts pour atteindre cette pression ambiante. Le commutateur à pression réduite selon les fi- gures 3, 4 peut s'utiliser pour des coupe-circuits ou des dis- joncteurs de tension alternative moyenne. La pression réduite à l'intérieur du commutateur limite au minimum l'érosion des contacts et permet l'utilisation de contacts en cuivre ou en alliage de cuivre et non des contacts en argent utilisés jus- qu'à présent, lorsque les contacts sont exposés à l'air à la pression atmosphérique. 6.- R E V END I C A T I 0 N S 1.- Dispositif de commutation électrique pour des courants continus de forte intensité, dispositif composé d'un corps (12, 26, 40) délimitant une enceinte dans laquelle on coupe le courant de commutation ou l'arc, le corps compor- tant une partie souple (14a, 14b)reliée à au moins un contact électrique mobile (16a, 16b) se rapprochant ou s'éloign=:t du contact électrique opposé, dispositif caractérisé en ce que la pression ambiante régnant dans l'enceinte délimitée par le corps est à une valeur comprise entre 10-1 et 102 Torr au moins pen- dant l'ouverture des contacts, pour réduire l'érosion des con- tacts. 2.- Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les surfaces de contact traversées par le courant sont formées d'un métal ou d'un alliage très conducteur qui n'est pas un métal noble ni un alliage de métal noble. 3.- Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que le corps est scellé hermétiquement. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1, 2, 3, caractérisé en ce que l'enceinte délimitée par le corps est suffisamment faible et la souplesSe de la par- tie souple (14a, 14b, 32, 44, 46) est suffisante pour réduire la pression ambiante de l'intérieur de l'enceinte a la valeur voulue. 5.- Module de commutation électrique scellé hermétiquement pour un courant continu de basse tension et de forte intensité, selon la revendication 1, pour couper l'alimen- tation d'une cellule d'électrolyse, module comportant une par- tie d'enveloppe isolante, annulaire(12, 26, 40)et des éléments de diaphragme annulaires(14a, 14b, 32, 44, 46) ondulés, s'éten- dant transversalement vers l'intérieur à partir de la partie d'enveloppe isolante annulaire jusque sur les éléments de con- tact conducteurs cylindriques; module caractérisé en ce que la pression régnant à l'intérieur du module scellé de façon her- métique est maintenue à une valeur comprise entre 10-1 et 102 Torr. 6.Module selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'atmosphère à l'intérieur du module est un gaz de remplissage, non oxydant.