Brevet FR2813992A1 — publié le 20020315

L'invention a trait à un fusible de protection pour appareillages électriques et à un procédé de fabrication d'un tel fusible. Dans le domaine de la protection des appareillages électriques, il est connu de réaliser un fusible au moyen d'un ou plusieurs éléments fusibles disposés dans un corps garni de matière inerte, telle que du sable. Le ou les éléments fusibles sont pourvus d'une ou plusieurs sections à fusion préférentielle, par exemple des sections dans lesquelles sont réalisés des évidements, ce qui limite 1a section de passage du courant et permet de contrôler, en conséquence, le courant maximum transitant dans le ou chaque élément fusible. Le garnissage de sable sert à assurer la conduction thermique entre l'élément fusible et l'atmosphère ambiante au cours du fonctionnement normal du fusible. En cas de dérive de la valeur du courant, le garnissage est le lieu du développement d'arcs électriques et de migration de vapeur de métal résultant de la sublimation du matériau de l'élément fusible dans la section à fusion préférentielle. Le garnissage influe donc sur la formation du ou des arcs lors de la coupure d'un élément fusible. Dans les fusibles actuels, le garnissage n'est pas contrôlé au plus près des sections à fusion préférentielle et son influence sur le comportement de l'arc ne peut être ni ajustée ni maîtrisée de façon optimale. C'est pourquoi, le développement d'arcs ne peut pas être prévu avec précision, ce qui ne permet pas de caractériser efficacement les fusibles connus. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une nouvelle structure de fusible qui permet d'ajuster et de maîtriser de façon optimale, les conditions d'apparition d'un arc au niveau d'une section à fusion préférentielle d'un élément fusible, c'est-àdire de prédéterminer précisément les conditions de coupure d'un fusible. Dans cet esprit, l'invention concerne un fusible comprenant au moins un élément fusible pourvu d'au moins une section à fusion préférentielle et disposé dans un corps rempli d'un garnissage inerte, caractérisé en ce que ce garnissage est réparti entre une première zone, formée autour de la section à fusion préférentielle, et une seconde zone, formée autour de la première zone, le garnissage ayant des propriétés physiques et/ou des compositions différentes entre ces deux zones. Grâce à l'invention, on crée autour de la ou de chaque section à fusion préférentielle, une zone où le garnissage peut être particulièrement adapté à sa fonction d'absorption de l'arc électrique créé en cas de coupure. En particulier, le garnissage peut être choisi pour minimiser la quantité d'énergie accumulée lors de l'augmentation de courant et avant la coupure. Dans la seconde zone, le garnissage est essentiellement prévu pour participer à la conduction thermique entre l'élément fusible et son environnement dans les conditions normales d'utilisation et pour permettre une propagation des vapeurs susmentionnées après apparition de l'arc. Selon un aspect avantageux de l'invention, le garnissage a une porosité plus faible dans la première zone que dans la seconde zone. Ceci permet de freiner efficacement la progression des vapeurs de métal dans la première zone et de confiner l'arc dans cette zone immédiatement après son apparition puis d'évacuer relativement facilement les vapeurs lorsque cellesci sont finalement parvenues dans la seconde zone de garnissage. Ainsi, en ajustant la porosité et la taille de la première zone, on peut influer sur le comportement de l'arc électrique par le contrôle de l'écoulement des vapeurs ionisées. Selon un premier mode de réalisation avantageux de l'invention, le garnissage est réalisé essentiellement avec du sable, la compacité du sable étant supérieure, dans la première zone, à sa compacité dans la seconde zone. Par exemple, la compacité, mesurée en pourcentage du volume total occupé par la matière solide, est comprise entre 65 et 90% dans la première zone et entre 55 et 80% dans la seconde zone. On peut, en outre, prévoir que, dans la première zone, le sable est mélangé à un liant hydraulique, par exemple de type carbonate de calcium, ou à du silicate de sodium ou de potassium, un tel liant permettant d'augmenter la compacité du garnissage. Dans la seconde zone, un liant hydraulique ou du silicate de sodium ou de potassium peut également être utilisé pour agglomérer le sable. Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, le garnissage comprend au moins une galette en matériau isolant et poreux qui forme la première zone, cette galette étant entourée d'un matériau particulaire à base de sable. Cette galette est avantageusement réalisée en céramique et l'on peut prévoir des moyens de fixation mécanique de la ou des galettes sur l'élément fusible, au voisinage de la section à fusion préférentielle. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un fusible tel que précédemment décrit et, plus spécifiquement un procédé dans lequel on entoure avec un garnissage dit "inerte" un élément fusible pourvu d'une section à fusion préférentielle caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à - fixer sur l'élément et autour de la section à fusion préférentielle un premier volume de matière de garnissage ; - installer l'élément fusible dans un corps du fusible et - garnir le volume intérieur du corps, autour de l'élément fusible et du premier volume, avec un second volume de matière de garnissage. La matière de garnissage utilisée pour le premier et, éventuellement, le second volume est avantageusement liée par un liant hydraulique ou de type silicate de sodium ou de potassium. Selon des modes de réalisation avantageux de l'invention, on peut prévoir de surmouler le premier volume de matière de garnissage sur l'élément fusible ou de solidariser au moins un élément formant le premier volume de matière de garnissage sur l'élément fusible. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de deux modes de réalisation d'un fusible conforme à son principe et de son procédé de fabrication, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique en perspective éclatée d'un fusible conforme à l'invention ; - la figure 2 est une coupe longitudinale du fusible de la figure 1 lors d'une première étape de fabrication ; - la figure 3 est une coupe analogue à la figure 2 lors d'une seconde étape de fabrication ; - la figure 4 est une coupe analogue à la figure 2 lors d'une troisième étape de fabrication ; - la figure 5 est une coupe analogue à la figure 2 au terme de la fabrication du fusible ; - la figure 6 est une représentation de principe de la formation d'un arc lors de la coupure d'une section à fusion préférentielle dans un fusible de l'état de la technique ; - la figure 7 est une vue analogue à la figure 6 pour un fusible conforme à l' invention, à un premier instant ; - la figure 8 est une vue analogue à la figure 7 pour le même fusible, à un instant postérieur à l'instant de la figure 7 ; - la figure 9 est une représentation schématique de principe de l'évolution du courant en fonction du temps dans un fusible conforme à l'invention et - la figure 10 est une vue analogue à la figure 7 pour un fusible conforme à un second mode de réalisation de l'invention. Le fusible 1 représenté sur les figures comprend un corps 2 de forme globalement parallélépipédique définissant un volume intérieur 3 dans lequel peut être logé un ruban métallique 4 dont les deux extrémités sont normalement raccordées électriquement à deux pièces de connexion 5 et 5' qui servent également à obturer les côtés opposés du corps 2 en isolant le volume 3 de l'extérieur. Dans l' exemple représenté, le ruban 4 est pourvu de trois sections 41, 42 et 43 à fusion préférentielle qui sont chacune réalisées grâce à la création d'évidements 44 qui limitent la section de passage d'un courant électrique dans le ruban 4. Le fusible 1 représenté comprend un unique ruban 4. En pratique, en fonction du courant et de la tension d'utilisation, le nombre de rubans disposés en parallèle entre les pièces 5 et 5' peut varier, de même que le nombre de sections à fusion préférentielle prévues sur chaque ruban. Chaque section 41, 42 ou 43 est entourée par une masse 61, 62 ou 63 de sable mélangé à un liant hydraulique tel que du carbonate de calcium ou du silicate de sodium ou de potassium, alors que le reste du volume 3 est garni d'une masse 64 de sable, éventuellement lié. Les masses 61 à 64 constituent le garnissage intérieur 6 du fusible 1, ce garnissage étant constitué de matière "inerte". Au sens de la présente description, on entend par inerte une matière qui ne risque pas de réagir lors de la création et pendant la durée d'un arc électrique, si ce n'est en passant à l'état fondu et en exerçant une résistance au passage de vapeurs ionisées. Le procédé de fabrication du fusible 1 est expliqué en référence aux figures 2 à 6. Dans une première étape de fabrication, les évidements 44 sont découpés dans le ruban 4, ce qui permet de créer les sections 41 à 43. Dans cette étape, le ruban 4 peut être solidaire d'une pièce de connexion 5 mais cela n'est pas obligatoire. On surmoule alors autour des sections 41 à 43 les masses 61 à 63 de sable mélangé à un liant. Ceci est en particulier possible car les masses 61 à 63 peuvent traverser les rubans 4 à travers les évidements 44, ce qui permet de relier les parties de ces masses disposées respectivement au-dessus et en dessous du ruban 4 de la figure 3. Le liant utilisé peut être de type hydraulique, par exemple du carbonate de calcium, ou d'un autre type, par exemple du silicate de sodium ou de potassium. D'autres types de liant peuvent être envisagés. Lorsque cette opération de surmoulage est réalisée, le ruban 4 est introduit dans le volume 3, comme représenté par la flèche F1 à la figure 3. On atteint alors la position de la figure 4 où du sable est introduit dans le volume 3 autour du ruban 4 et des masses 61 à 63, comme représenté par la flèche F2. Ceci permet de compléter le garnissage 6 par la création de la masse de sable 64 avant fermeture du fusible 5 par mise en place de la seconde pièce de connexion 5'. Le sable de la masse 64 peut être ou non mélangé à un liant du même type ou d'un type différent de celui utilisé pour les masses 61 à 63. Ainsi, comme il ressort de la figure 5, une première zone Z1 de sable mélangée à un liant est formée par les masses 61 à 63 de part et d'autre de chaque section 41 à 43 et une seconde zone Z2 de sable sans ou avec liant est formée par la masse 64 autour de l'élément 4 et des zones Zi, à l'intérieur du volume 3. On note que la zone Z2 s'étend jusqu'au contact du ruban 4 dans l'intervalle séparant deux zones Zi successi- ves. Le fonctionnement du fusible 1 peut être expliqué en référence aux figures 6 à 9. Dans un fusible de l'art antérieur partiellement représenté à la figure 6, lorsqu'un arc A se produit au niveau d'une section 141 à fusion préférentielle d'un ruban métallique 104, cet arc se propage dans une masse M de sable sur au moins un côté du ruban ; il n'est pas possible de densifier de façon importante la masse M car ceci empêcherait l'évacuation de la vapeur V formée par sublimation du matériau du ruban 104. C'est pourquoi, la masse M ne peut pas être très dense, de sorte qu'on doit admettre de ne pas pouvoir ajuster et maîtriser de façon optimale la propagation de l'arc dans la masse M. Dans le fusible de l'invention représenté aux figures 7 et 8, un arc A se formant au niveau de la zone 41 se propage tout d'abord à l'intérieur de la zone Zi, c'est-à-dire de la masse 61, comme représenté à la figure 7, avant d'atteindre la zone Z2 comme représenté à la figure 8. De même, la vapeur V de métal sublimé se propage d'abord dans la zone Zi, puis dans la zone Z2. Compte tenu de la compacité plus élevée du sable dans la zone Zi, la progression de l'arc A et des vapeurs V est plus confinée dans cette zone que dans la zone Z2. De plus, en ajustant la compacité et la taille de la zone 1, on peut ajuster la dissipation des vapeurs V et donc la progression de l'arc électrique. En se reportant à la figure 9, on note que, en cas de dérive du courant I jusqu'à atteindre une valeur de coupure Iç où se produit l'arc A, l'énergie accumulée est égale à l'intégrale E du carré des valeurs de ce courant sur la période considérée jusqu'à la coupure à un instant ti. I1 importe donc que la pente de coupure du courant à partir de la valeur Ic soit la plus rapide possible afin de minimiser la valeur de cette énergie. L'utilisation des zones Zi et Z2 permet d'obtenir deux pentes Pi et P2 de décroissance de la valeur du courant I après qu'il a atteint la valeur Iç. En effet, la densité du sable dans la zone Zi permet d'obtenir une bonne absorption de l'énergie électrique gràce à la fusion localisée du sable qui est alors transformée en verre, ce qui correspond à une pente Pi importante. Il convient de rappeler ici que l'énergie transitant, en phase de coupure, dans un fusible à section carrée de 70 mm X 70 mm et de longueur égale à environ 100 mm est de plusieurs dizaines de kilojoules, voire quelques centaines de kilojoules, cette énergie devant être absorbée par le garnissage 6, ce qui induit une forte élévation de température localisée de celui-ci qui passe de l'ambiante à au moins 1500 C. La présence des zones Zi permet une absorption efficace de cette énergie immédiatement après l'apparition de l'arc A. En d'autres termes, la bonne maîtrise de la porosité de la masse de garnissage 61, 62 ou 63 dans la zone Zi correspondante permet de restreindre, pour l'essentiel, la propagation d'un arc A à cette zone, d'absorber efficacement l'énergie de cet arc et de contrôler la progression de la vapeur V. En effet, du fait de la porosité relativement élevée dans la zone Zi, la pression de la vapeur dans cette zone est maintenue à une valeur relativement élevée, de telle sorte que l'on peut ajuster et contrôler de façon relativement précise les phénomènes physiques qui se produisent, notamment les déplacements d'atomes de métal. Lorsque la vapeur V atteint la zone Z2, la vapeur peut se propager aisément du fait de la moindre compacité de la masse 64, ce qui n'est pas réellement gênant du fait que le courant a déjà atteint une valeur relativement faible, la pente P2 pouvant alors être moins prononcée que la pente Pi. Dans le second mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 10, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques augmentées de 200. Un ruban 204 est pourvu de plusieurs sections à fusion localisées dont une seule est représentée avec la référence 241. De part et d'autre de cette zone 241 sont prévues deux galettes 261 et 261' réalisées dans un matériau poreux à base de céramique et immobilisées sur 1e ruban 204 grâce à des crevés 245 permettant de coincer les galettes 261 et 261' en position. D'autres modes de fixation des galettes autour de la zone 241 peuvent être envisagés, par exemple un collage ou un rivetage. Les galettes 261 et 261' peuvent être réalisées à base de stéatite, de cordiérite, ou d'un matériau de type silicoalumineux ou alumine. Les galettes 261 et 161' constituent une zone Zi de porosité relativement élevée alors qu'une zone Z2 de porosité moins élevée est formée, autour du ruban 204 et des galettes 261 et 261', par une masse de sable 264. Un arc A et des vapeurs V se propagent dans la zone Zi avant de transiter vers la zone Z2, la matière des galettes 261 et 261' étant plus dense que celle de la masse 264. L'invention a été décrite dans le cas où le garnissage est réalisé, partiellement ou totalement, à base de sable. Cependant, d'autres matières inertes peuvent être envisagées, la composition et/ou les propriétés physiques du garnissage variant entre les deux types de zones formées. REVENDICATIONS 1. Fusible de protection pour appareillages électriques, ledit fusible comprenant au moins un élément fusible pourvu d'au moins une section à fusion préférentielle et disposé dans un corps rempli d'un garnissage dit "inerte", caractérisé en ce que ledit garnissage (6) est réparti entre une première zone (Z1) formée autour de ladite section (41-43, 241) à fusion préférentielle et une seconde zone (Z2) formée autour de ladite première zone, ledit garnissage ayant des propriétés physiques et/ou des compositions différentes entre lesdites première et seconde zones. 2. Fusible selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit garnissage (6) a une porosité plus faible dans ladite première zone (Z1) que dans ladite seconde zone (Z2). 3. Fusible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit garnissage (6) est réalisé essentiellement avec du sable, la compacité dudit sable étant supérieure dans ladite première zone (Z1) à sa compacité dans ladite seconde zone (Z2). 4. Fusible selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite compacité, mesurée en pourcentage du volume total occupé par la matière solide, est comprise entre 65 et 90% dans ladite première zone (Z2) et entre 55 et 80% dans ladite seconde zone (Z2) . 5. Fusible selon la revendication 4, caractérisé en ce que, dans ladite première et/ou dans ladite seconde zone (Z1, Z2), le sable est mélangé à un liant hydraulique ou à du silicate de sodium ou de potassium. 6. Fusible selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit liant hydraulique est de type carbonate de calcium. 7. Fusible selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit garnissage (6) comprend au moins une galette (261, 26l') en matériau isolant et poreux formant ladite première zone (Z1), ladite galette étant entourée d'un matériau particulaire (264) à base de sable formant ladite seconde zone (Z2). 8. Fusible selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite galette (261, 261') est réalisée en céramique. 9. Fusible selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (245) de fixation mécanique de ladite ou desdites galettes (261, 261') sur ledit élément fusible (204), au voisinage de ladite section (241) à fusion préférentielle. 10. Procédé de fabrication d'un fusible de protection pour appareillages électriques, procédé dans lequel on entoure avec un garnissage dit "inerte" un élément fusible pourvu d'une section à fusion préférentielle, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à - fixer, sur ledit élément fusible (4 ; 204) et autour de ladite section (41-43 ; 241) à fusion préférentielle, un premier volume (61-63 ; 261) de matière de garnissage - installer (F1) ledit élément fusible dans un corps (2) dudit fusible et - garnir (F2) le volume intérieur dudit corps, autour dudit élément fusible (4 ; 204) et dudit premier volume (61-63 ; 261), avec un second volume (64 ; 264) de matière de garnissage. il. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser pour ledit premier volume (61-63 ; 261) et, éventuellement, pour ledit second volume (64 ; 264) une matière de garnissage liée par un lian hydraulique ou de type silicate de sodium ou de potassium. 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il consiste à surmouler ledit premier volume (61-63) de matière de garnissage sur ledit élément fusible (4). 13. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il consiste à solidariser au moins un élément (261, 261') formant ledit premier volume sur ledit élément fusible (204).