Brevet FR2636167A1 — publié le 19900309

PARAFOUDRE A GAZ CONTENANT UN ADDITIF MINERAL La présente invention concerne un parafoudre à gaz ayant des caractéristiques d'extinction améliorées grâce à la mise en place à l'intérieur de l'enceinte étanche, qu'il comporte, d'un addtif minéral. On sait qu'un parafoudre à gaz ou éclateur est un appareil destiné à laisser passer vers un fil de terre une surtension se présentant sur une de ses électrodes. En fonctionnement normal, les électrodes du parafoudre sont électriquement isolées les unes des autres et l'arrivée de la surtension provoque, à l'intérieur du parafoudre, l'allumage d'un arc, qui crée un plasma dans l'enceinte fermée du parafoudre. S'il existe entre les électrodes concernées une ten- sion importante, l'arc peut se maintenir bien au-delà du temps de passage de la surtension et l'on désire éviter cette anomalie de fonctionnement. Il existe, dans l'état de la technique, de nombreux types de parafoudre. Pour faciliter la compréhension des explications données ci-après, on a représenté, sur les figures 1 et 2 du dessin annexé; deux types de parafoudre tout à fait courants sur le marché. Le parafoudre de la figure 1 est constitué d'un manchon 1 cylindrique isolant en alumine compor- tant à ses deux extrémités des coupelles métalliques 2_, 2b constituant les électrodes du parafoudre. Une liaison étanche est prévue entre les bords des coupelles et le manchon. Sur la figure 2, on a représenté un autre type de parafoudre bipolaire constitué d'un tube cylindrique métallique 11, dont une extrémité comporte un fond selon l'axe duquel est prévue une tige 12b qui constitue l'une des électrodes du parafoudre; l'autre électrode est une tige métallique 12a disposée selon l'axe du tube Il et reliée à celui-ci par un anneau isolant de verre 13, la liaison entre le verre et le métal des électrodes comportant une soudure verre-métal entre la tige 12 et l'anneau 13, une soudure verre-métal entre l'anneau 13 et une bague cylindrique, qui l'enserre, et une bra- sure argent/cuivre entre ladite bague et le tube 11. Les types de parafoudre, qui viennent d'être décrits, sont très généralement utilisés pour la pro- tection des lignes téléphoniques et, à cet égard, il doivent satisfaire à un certain nombre de normes. L'une de ces normes impose que le parafoudre se mette en court-circuit, par passage d'un arc entre ses élec- trodes, s'il est soumis à une surtension supérieure à un seuil; mais une autre norme impose qu'après la disparition du pic générateur du courtcircuit, l'isolement soit rétabli très rapidement entre les deux électrodes; on tolère un maintien de l'arc après le passage d'une surtension pendant un temps maximum de 15 ms. Or, dans les systèmes téléphoniques, l'électrode, qui est reliée à la ligne téléphonique, se trouve par rapport à l'autre électrode qui est reliée à la masse, à une tension V qui, dans le o système actuel, peut être par exemple de 48 volts. L'existence de cette tension V fait que l'arc a une o tendance à se maintenir dans l'enceinte du parafoudre, dès lors qu'il a été amorcé par le passage de la sur- tension. Cette tendance au maintien de l'arc est d'autant plus importante que la tension existant entre les électrodes est plus élevée. On cherche donc, tout en assurant un temps d'extinction inférieur à 15 ms, à permettre l'utilisation des parafoudres avec des tensions V aussi élevées que possible. o Pour augmenter la valeur de la tension V, o on a déjà proposé d'introduire dans l'enceinte étanche du parafoudre un additif minéral pulvérulent constitué par un mélange de chlorure de baryum et de chlorure de sodium. Pour un parafoudre du type de celui qui est représenté sur lafigure 2 comportant une atmosphère gazeuse constituée de 50 % en volume d'argon et de 50% en volume de néon, on a introduit, dans l'enceinte du parafoudre, un mélange pulvérulent formé de 3 % en poids de chlorure de sodium et 97 % en poids de chlorure de baryum et l'on a réussi ainsi & garantir que la tension V, à laquelle le parafoudre peut être o soumis, soit au moins égale à 72 volts. Cette valeur est tout à fait suffisante pour des systèmes téléphoniques, pour lesquels la ligne est à 48 volts. Néanmoins, l'utilisation des chlorures susmentionnés n'était pas sans inconvénient car la poudre se trouve à l'intérieur de l'enceinte, lorsque l'on soumet le parafoudre à une température d'environ 800*C pour fon- dre la brasure argent/cuivre, qui assure la fermeture étanche de l'enceinte; et l'on a constaté que la pou- dre (chlorure de baryum/chlorure de sodium) avait, au cours de ce chauffage, tendance à constituer, au moins partiellement, un bloc de poudre fritté en raison de l'existence d'un eutectique (70/30), qui fond à environ 700'C; or ce regroupement en un bloc s'effectue de façon aléatoire et est défavorable pour l'efficacité du mélange de chlorures susmentionné. On sait, par ailleurs, que, pour assurer la mise en court-circuit d'un parafoudre pour une faible valeur de surtension et pour stabiliser cette tension d'amorçage, il faut introduire dans l'enceinte du parafoudre des éléments alcalins ou alcalinoterreux, qui ont la propriété de réduire l'énergie de surface nécessaire pour l'émission des électrons à froid. L'homme de l'art savait donc qu'il était favorable d'utiliser des métaux alcalins ou alcalinoterreux. Cependant, les différents essais effectués à ce jour, avec ces métaux ne permettaient pas d'augmenter la tension V en conservant un temps d'extinction inférieur à 15 ms. Or, les nouveaux systèmes de inférieur à 15 ms. Or, les nouveaux systèmes de transmission numérique, (type RNIS), vont fonctionner avec des pics de tension d'alimentation allant jusqu'à volts. Il est donc essentiel de pouvoir garantir que la tension V des parafoudres soit supérieure à 110 volts. Cette caractéristique n'est atteinte par aucun des parafoudres & gaz actuellement connus. La présente invention a pour but de proposer un parafoudre à gaz comportant dans son enceinte un additif minéral qui, d'une part, donne une stabilité d'amorçage satisfaisante pour le parafoudre, et d'autre part, donne à la tension V une valeur o supérieure à 110 volts. La présente invention a donc pour objet le produit industriel nouveau que constitue un parafoudre à gaz comportant au moins deux électrodes séparées l'une de l'autre par un gaz inerte contenu dans une enceinte étanche, chaque électrode étant électrique- ment isolée de l'autre (ou des autres), l'enceinte contenant un additif minéral au moins partiellement pulvérulent, caractérisé par le fait que l'additif minéral comporte un oxyde métallique ou un mélange d'oxydes métalliques, simples ou mixtes, correspondant globalement à la formule générale. AI XaYb0c Al X Y 0 (I) a bc formule dans laquelle: - X représente au moins un métal alcalin; - Y représente au moins un métal alcalinoterreux; - a est un nombre quelconque compris entre 0,02 et 1,5; - best un nombre quelconque compris entre 0 et 0,25; - c a la valeur nécessaire pour satisfaire aux règles de valence. Lorsque les symboles X ou Y ci-dessus utilisés représentent plusieurs élements chimiques du mime groupe, ceux-ci peuvent être entre eux dans un rapport quelconque et, dans, la formule générale (1), les coefficients a et b portent sur leur ensemble; à titre d'exemple, X peut représenter pour trois quarts du sodium et pour un quart du potassium, l'ensemble S étant dans le rapport pondéral a/1 par rapport à l'aluminium et dans le rapport a/b vis-à-vis de Y. Il est expréssement stipulé également que l'additif minéral correspondant à la formule (I) peut &tre constitué par un mélange d'oxydes simples, tel que A1203, et/ou d'oxydes mixtes, tel qu'un aluminate de sodium ou encore par un seul oxyde mixte formant un composé défini. En outre, ledit additif minéral peut con- tenir, en plus du mélange d'oxydes correspondant à la formule (I), d'autres composés minéraux complémentaires, ledit additif ne devant cependant jamais inclure un élément radioactif de façon que le parafoudre satisfasse aux normes existantes à ce sujet. Dans un mode préféré de réalisation, le parafoudre selon l'invention contient entre 50 mg et 1. 400 mg d'additif minéral par cm3 d'enceinte; l'additif minéral est, de préférence, ajouté dans l'enceinte sous forme d'une poudre dont la granulométrie n'est pas critique; les grains d'une telle poudre peuvent, par exemple, avoir une dimension moyenne de particules comprise entre 1 et 100 vm et notamment voisine de 10 rm. Le gaz inerte dans l'enceinte est avantageusement choisi dans le groupe formé par l'argon, le néon et leurs mélanges; le mélange argon/néon est, de préférence, défini selon une proportion volumique comprise entre 1/1 et 1/9. Dans les mélanges de formule (1), on préfère ceux o X représente le sodium, le'potassium ou leurs mélanges et/ou ceux o Y représente le baryum, le cal- cium, le strontium ou leurs mélanges. De préférence, le mélange de formule (I) est un mélange d'aluminate de sodium et d'aluminate de baryum; le rapport (aluminate de sodium/aluminate de baryum) est avan- tageusement compris entre 40/60 et 60/40 en poids. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant, à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, un mode de réalisation décrit en se référant au dessin annexé. Sur ce dessin: - les figures I et 2, précédemment définies, montrent la structure de deux parafoudres de l'état de la technique; - la figure 3 représente schématiquement un circuit permettant de tester un parafoudre; - la figure 4 représente un signal utilisé pour effectuer un test au moyen du circuit de la figure 3. Sur la figure 3, on a représenté un circuit permettant de tester, selon la norme française, les caractéristiques d'un parafoudre 20. On estime habi- tuellement que les lignes téléphoniques correspondent à une résistance de 600 ohms; en conséquence, sur une ligne d'alimentation 21, on dispose une résistance 22 de 600 ohms; la ligne de terre a été désignée par 23; la tension de la ligne 21 par rapport à la ligne 23 est désignée par V. Le parafoudre 20 est monté en o parallèle entre les lignes 21 et 23; sa tension aux bornes est repérée par un oscilloscope 24. Aux bornes du parafoudre 20 est branché un générateur de pics 25 qui est constitué d'un condensateur chargé à 4 KV et d'un circuit de mise en forme. Le générateur 25 émet des signaux normalisés, dont la forme est représentée sur la figure 4: la surtension appliquée sur le parafoudre 20 établit en 10 ys un courant de 15 ampères qui redescend à une valeur moitié en 1.000 is (cette onde de courant est définie par la norme CEI -2). L'oscilloscope 24 branché aux bornes du parafoudre 20 permet de déterminer si ledit parafoudre est allumé (passage d'un arc à l'intérieur de l'enceinte), auquel cas la tension aux bornes est d'une dizaine de volts, ou éteint auquel cas la ten- sion aux bornes est égale à V. On mesure le temps o nécessaire à l'extinction après le passage de l'onde de courant envoyée par le générateur 25, cette mesure étant effectuée pour différentes tensions et on note la valeur V de la tension, pour laquelle le temps o d'extinction devient supérieur à 15 ms. On réalise un parafoudre ayant la structure représentée sur la figure 1. Ce parafoudre définit une enceinte cylindrique qui a un diamètre intérieur de 8 mm et une hauteur de 6 mm. Dans cette enceinte on place, 20 mg d'un additif minéral pulvérulent con- stitué de 50 % en poids d'aluminate de sodium (A 1203, Na2O) et de 50 % en poids d'aluminate de baryum (AI203, BaO). La poudre est constituée de par- ticules ayant une dimension moyenne de 10 ym L'enceinte de ce parafoudre contient un mélange d'argon et de néon dans un rapport pondéral 50/50 à une pression de 200 millibars absolus. Les caractéristiques de ce parafoudre sont les suivantes: Tenue en courant alternatif: 20 A. Tenue en courant de choc (8 x 20 us selon la norme CEI 60-2): 10 KA. Tension d'amorçage dynamique en obscurité: inférieure à 800 V. Tension d'amorçage statistique: 250 V + %. Tension V pour un temps d'extinction de o ms: supérieure à 140 V. On voit que l'utilisation de l'additif minéral défini par la formule(I) permet d'augmenter considérablement la tension V pour un temps o d'extinction inférieur ou égal à 15 ms. Il est bien entendu que le mode de réalisation ci-dessus décrit n'est aucunement limita- tif et pourra donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS I - Parafoudre à gaz comportant au moins deux électrodes (2a,2b; 12a,12b) séparées l'une de l'autre par un gaz inerte contenu dans une enceinte étanche, chaque électrode étant électriquement isolée de l'autre (ou des autres), l'enceinte contenant un additif minéral au moins partiellement pulvérulent, caractérisé par le fait que l'additif minéral comporte un oxyde métallique ou un mélange d'oxydes métalliques, simples ou mixtes, correspondant globale- ment à la formule générale: AI X Y 0 (I) a b c formule dans laquelle: - X représente au moins un métal alcalin; - Y représente au moins un métal alcalinoterreux - a est un nombre quelconque compris entre 0,02 et 1,5; - b est un nombre quelconque compris entre 0 et 0,25; - c a la valeur nécessaire pour satisfaire aux règles de valence. 2 - Parafoudre selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il contient entre 50 et 1.400 mg d'additif minéral par cm3 d'enceinte. 3 - Parafoudre selon l'une des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé par le fait que le gaz inerte dans l'enceinte est choisi dans le groupe formé par l'argon, le néon et leurs mélanges. 4 - Parafoudre selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le gaz inerte est un mélange argon/néon dans des proportions volumiques comprises entre 1/1 et 1/9. - Parafoudre selon l'une des revendica- tions 1 à 4, caractérisé par le fait que X représente le sodium, le potassium ou leurs mélanges. 6 - Parafoudre selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que Y représente le baryum, le calcium, le strontium ou leurs mélanges. 7 - Parafoudre selon les revendications 5 et 6 prises simultanément, caractérisé par le fait que l'additif minéral est un mélange d'aluminate de sodium et d'aluminate de baryum. 8 - Parafoudre selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le rapport pondéral (aluminate de sodium/aluminate de baryum) dans l'additif minéral est compris entre 40/60 et 60/40. 9 - Parafoudre selon l'une des revendica- tions 1 à 8, caractérisé par le fait que l'additif minéral contient, outre le mélange d'oxydes de formule (1), au moins un composé minéral complémentaire.