Brevet FR2738668A1 — publié le 19970314

L'invention concerne des ensembles disjoncteurs et, plus précisément, des disjoncteurs capables d'interrompre des courants élevés d'intensité élevée. Un ignitron est un dispositif conique qui est utilisé pour l'interruption de courants intenses et dans lesquels une mare de mercure liquide joue le rôle d'une cathode. Un organe d'amorçage est utilisé pour l'établissement d'une décharge initiale contre la cathode de mercure et l'organe d'amorçage. La décharge initiale permet alors l'amorçage de l'arc principal entre l'anode et la cathode de mercure, et permet ensuite la conduction dans le disjoncteur. La présente invention repose sur la considération d'un disjoncteur capable de conduire des charges très importantes et des courants d'intensité élevée sans nécessiter l'utili- sation de mercure. Dans un premier aspect, l'invention concerne un disjoncteur qui comporte une enveloppe évacuée contenant une cathode et une anode séparées par un espace et une électrode pratiquement cylindrique d'amorçage placée autour de cet espace, la disposition étant telle que, pendant l'utili- sation, une différence de potentiel est maintenue entre la cathode et l'anode et, lors de l'application d'une tension d'amorcage à l'électrode d'amorçage, une décharge principale est établie entre l'anode et la cathode. Grâce à la mise en oeuvre de l'invention, il est possible de commuter des courants intenses et des charges élevées sans qu'il soit nécessaire d'utiliser du mercure comme cathode. Cette disposition présente l'avantage de ne pas nécessiter le maintien du disjoncteur avec une orien- tation particulière pour qu'il travaille convenablement, puisque le matériau de la cathode est solide dans les conditions normales de fonctionnement, contrairement au mercure, et on peut choisir, pour la cathode, un matériau moins toxique que le mercure. Il est préférable que le matériau de la cathode soit un élément métallique ou un alliage qui se vaporise facilement en permettant la production facile de vapeurs métalliques lorsque l'électrode d'amorçage est utilisée pour déclencher l'opération de conduction, la vapeur participant au mécanisme de conduction pendant le fonctionnement. Des métaux qui conviennent pour la cathode sont le zinc, le cadmium, l'étain et le magnésium. L'utilisation d'un matériau de la cathode qui se vaporise facilement produit rapidement un plasma qui réduit la tension de l'arc dans le disjoncteur et réduit donc la dissipation et la détérioration des électrodes. Comme le disjoncteur est un dispositif sous vide, il travaille à gauche du minimum de Paschen, la loi de Paschen liant la tension de claquage à la pression et à l'espacement des électrodes. Dans ce régime, un plus faible espacement des électrodes donne des tensions plus élevées de claquage. L'électrode d'amorçage a de préférence une paroi épaisse dans la région de l'espace ou entrefer, et elle est supportée par une paroi relativement mince. Cette disposition favorise la formation de la décharge principale entre la cathode et l'anode après que l'arc initial d'amor- çage entre l'électrode d'amorçage et la cathode a déclenché la conduction dans le disjoncteur. La résistance présentée par la paroi mince assure la formation du trajet préféré de décharge principale par l'intermédiaire de l'anode. Dans un mode de réalisation préféré, l'électrode d'amorçage supporte aussi un déflecteur tel que la vapeur produite pendant le fonctionnement du disjoncteur est renvoyée vers la région de la cathode et de l'anode. Les configurations de la cathode, de l'anode et de l'électrode périphérique d'amorçage ont tendance à conserver le matériau de la cathode dégagé depuis la surface de la cathode pendant le fonctionnement à l'intérieur de la région active du dispositif. Un certain dépôt peut se produire sur l'anode et peut être avantageux dans les conditions de circulation d'un courant en sens inverse. Un matériau de la cathode peut revêtir la totalité des électrodes du disjoncteur. Cette couche formée sur les surfaces de l'anode et de la cathode assure une émission élevée d'électrons et en outre, grâce à sa vaporisation, provoque un refroidissement de l'anode et de la cathode et réduit donc la détérioration par fusion. L'anode, dans un mode de réalisation préféré, est supportée par une tige anodique qui porte un déflecteur assurant le maintien des vapeurs du matériau de la cathode dans la partie du disjoncteur dans laquelle elles sont nécessaires. Grâce à la mise en oeuvre de l'invention, il est possible d'interrompre des courants de l'ordre de 600 kA de manière répétée. La tension de maintien entre l'anode et la cathode est de l'ordre de quelques dizaines de kilovolts dans un mode de réalisation préféré. Dans un mode de réalisation préféré, l'électrode d'amorçage est très proche de la surface interne de l'enve- loppe sous vide qui est de préférence formée d'une céramique. Le faible espace entre l'électrode d'amorçage et le matériau de la cathode déposé à la surface de l'enveloppe donne un courant de déplacement lorsque l'électrode d'amor- çage est amorcée par impulsions par rapport à la cathode. Le courant de déplacement, qui circule dans le film de matière déposée au potentiel de la cathode, crée des emplacements de fixation d'arc d'émission qui assurent une vaporisation facile et donnent une plus faible tension d'amorçage. Dans un second aspect de l'invention, un disjoncteur comporte une enveloppe sous vide contenant une cathode et une anode séparées par un espace, et une électrode d'amor- çage destinée à amorcer une décharge entre la cathode et l'anode lors de l'application d'une tension convenable, la cathode étant formée d'un matériau métallique qui se vaporise facilement et qui est solide à la température ambiante. L'expression "qui se vaporise facilement" indique que, dans les conditions normales de fonctionnement d'un disjoncteur selon l'invention, le matériau de la cathode se vaporise et participe au mécanisme de conduction. On décrit maintenant, à titre d'exemple, un procédé de mise en oeuvre de l'invention en référence au dessin annexé dont la figure unique représente schématiquement une coupe longitudinale d'un disjoncteur selon l'invention. Sur la figure, un disjoncteur d'intensité élevée destiné à traiter des charges élevées comporte une enveloppe céramique cylindrique évacuée 1 dans laquelle sont logées une anode 2 et une cathode 3 ayant des surfaces plates en regard 2a et 3b délimitant un espace ou entrefer d. Dans ce mode de réalisation, la cathode est formée de zinc. L'anode 2 est supportée par une tige anodique 4, l'anode 2 et la cathode 3 étant alignées coaxialement autour d'un axe X-X de l'enveloppe cylindrique 1. Une électrode cylindrique 5 d'amorçage est aussi placée coaxialement autour de l'axe X-X et possède une partie 6 d'extrémité disposée autour de l'anode et entourant l'espace compris entre les surfaces en regard de l'anode 2 et de la cathode 3. L'électrode d'amorçage 5 est supportée par une mince paroi cylindrique 7 qui est parallèle à la tige 4 de l'anode et porte un déflecteur 8 tourné vers l'intérieur, à l'extrémité supé- rieure, comme représenté. La tige 5 porte aussi un déflec- teur 9 qui recouvre le déflecteur 8 dans la direction axiale longitudinale afin qu'un trajet sinueux soit présenté à la vapeur formée pendant le fonctionnement du disjoncteur. L'électrode d'amorçage 5 est placée près de la surface interne de l'enveloppe 1 afin qu'elle protège la surface de l'enveloppe de la condensation de vapeur produite pendant le fonctionnement du disjoncteur. En cours de fonctionnement, une tension de l'ordre de kV est appliquée entre l'anode et la cathode. Lorsqu'on veut amorcer le disjoncteur afin qu'il conduise, on applique une tension convenable à l'électrode 5 d'amorçage afin qu'un arc se forme entre la cathode 3 et l'électrode 5. Ce phénomène provoque l'évaporation de vapeurs métalliques de la cathode 3 et l'amorçage d'une décharge principale entre l'anode 2 et la cathode 3 avec conduction du disjoncteur. Les configurations de l'anode 2, de la cathode 3 et de l'électrode 5 d'amorçage sont telles que la plus grande partie des vapeurs métalliques de la cathode 3 est retenue dans l'espace compris entre l'anode et la cathode et se dépose sur ces électrodes après l'arrêt de la conduction du disjoncteur et lorsque la température a diminué à l'inté- rieur du dispositif. Une partie du zinc se dépose aussi sur l'électrode 5 d'amorçage et sur la paroi céramique adjacente à celle-ci. La cathode est de préférence formée de zinc, mais d'autres métaux qui conviennent sont le cadmium, l'étain et le magnésium. L'électrode 5 de déclenchement est annulaire et la disposition des électrodes est pratiquement symétrique autour de l'axe X-X. Cette disposition assure l'amorçage de l'arc initial à des emplacements différents de la surface de la cathode lors de fonctionnements successifs. La paroi mince 7 qui supporte l'extrémité libre relativement épaisse 6 de l'électrode 5 d'amorçage est telle que, lorsque la décharge initiale a été formée, la décharge principale résultante passe par l'anode 2 et ne remonte pas le long de l'électrode d'amorçage. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux disjoncteurs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Disjoncteur caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe évacuée (1) contenant une cathode (3) et une anode (2) séparées par un espace (d), et une électrode d'amorçage (5) destinée à amorcer une décharge contre la cathode (3) et l'anode (2) lors de l'application d'une tension convenable, et dans lequel la cathode (3) est formée d'un matériau métallique qui se vaporise facilement et qui est solide à la température ambiante. 2. Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode d'amorçage (5) est placée près dudit espace (d). 3. Disjoncteur caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe évacuée (1) contenant une cathode (3) et une anode (2) séparées par un espace (d), et une électrode pratique- ment cylindrique (5) d'amorçage placée autour de l'espace (d), le disjoncteur étant tel que, pendant l'utilisation, une différence de potentiel est maintenue entre la cathode (3) et l'anode (2) et, lors de l'application d'une tension d'amorçage à l'électrode d'amorçage (5), une décharge principale s'établit entre l'anode (2) et la cathode (3). 4. Disjoncteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cathode (3) est formée d'un métal ou d'un alliage métallique qui se vaporise facilement. 5. Disjoncteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que l'électrode d'amorçage (5) a une paroi (6) plus épaisse près de l'espace que dans une région distante de l'espace (d). 6. Disjoncteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que l'électrode d'amorçage (5) supporte un déflecteur (9). 7. Disjoncteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que l'anode (2) est supportée par une tige (4) qui porte un déflecteur (9). 8. Disjoncteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe (1) est pratiquement cylindrique, et l'électrode d'amorçage (5) est placée près de la surface interne de l'enveloppe afin qu'elle protège la surface. 9. Disjoncteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'il est destiné à commuter des courants dont l'intensité peut atteindre 600 kA. 10. Disjoncteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que la cathode est choisie parmi le zinc, le cadmium, l'étain et le magnésium. 11. Disjoncteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe (1) est formée d'une céramique.