Brevet FR2815765A1 — publié le 20020426

Buse isolante pour disjoncteur à soufflage d'arc La présente invention concerne les disjoncteurs haute ou moyenne tension à soufflage d'arc utilisant un gaz isolant. L'invention concerne plus particulièrement les buses isolantes pour de tels disjoncteurs. Un disjoncteur à soufflage d'arc utilise pour couper l'arc électrique un gaz diélectrique isolant, tel que l'hexafluorure de soufre par exemple. La chambre de coupure de ces disjoncteurs comprend une buse isolante qui sert à canaliser le gaz, et ainsi à augmenter la pression de gaz isolant au voisinage de l'arc électrique, ce qui favorise la coupure de l'arc électrique. Au fur et à mesure de l'utilisation, la buse subit une usure par l'abrasion mécanique qui résulte du passage du flux de gaz sur la surface de la buse. La buse subit également une usure par pyrolyse résultant de l'interaction entre le rayonnement provenant de l'arc électrique et le matériau de la buse. Dans les disjoncteurs de technologie récente, l'usure de la buse est mise à profit pour faciliter la coupure de l'arc électrique. En effet, du fait de l'abrasion mécanique ou de l'usure par pyrolyse, la matière perdue par la buse produit, au contact de l'arc électrique, un gaz isolant. Ceci augmente la pression au niveau de l'arc et favorise ainsi l'extinction de l'arc. Mais si l'usure du matériau de buse est trop importante, l'endurance du disjoncteur est affectée. En effet, avec un matériau fortement générateur de gaz, on améliore la montée en pression et l'extinction de l'arc lors des premières coupures, mais alors l'aptitude du disjoncteur à couper des petits courants après avoir coupé des forts courants de courtcircuit est diminuée. A l'inverse, si l'usure du matériau est trop faible, la quantité de matière perdue par érosion et donc la quantité de gaz isolant, ce qui réduit la pression de soufflage d'arc et la performance d'extinction de l'arc. Par ailleurs, si le matériau de buse est mal choisi, la pyrolyse incomplète de ce matériau peut entraîner le dépôt de particules conductrices dans la chambre de coupure, entraînant ainsi une dégradation de la tenue diélectrique du disjoncteur. Beaucoup de solutions ont été proposées pour disposer de matériaux produisant un gaz isolant en quantité importante pour favoriser l'extinction de l'arc, tout en évitant le dépôt de produits conducteurs à la surface de la buse et une usure prématurée de la buse (cf. Mass-Spectroscopy Study of the Influence of Nozzle Material on High-Pressure SF6 Arcs , Meier R. et al, Applied Physics B, 1989). On a ainsi proposé d'utiliser un matériau formé d'un mélange de polymère fluoroplastique et de nitrure de bore (brevet américain 4 791 256) ; - un matériau ayant la propriété de filtrer le rayonnement électromagnétique, contenant un mélange de A1203, TiO2, carbone et CaF2 (brevet suisse 596 641) ; un matériau stabilisé vis-à-vis de l'action des arcs électriques, contenant un mélange de CoO, Al203 et Ca103 (brevet européen 0 673 965). Cependant, lorsque certaines propriétés de ces matériaux sont améliorées, d'autres propriétés également importantes se trouvent affectées. Ainsi ces matériaux ne présentent pas les caractéristiques optimales recherchées. L'invention vise à procurer une buse isolante pour disjoncteur présentant une combinaison de propriétés avantageuses du point de vue de l'efficacité du disjoncteur et de sa durée de vie. Selon l'invention, il est prévu une buse isolante pour disjoncteur à soufflage d'arc, caractérisée par le fait que le matériau constituant la buse comprend (A) de 90 à 99,9% en poids d'un polymère fluoré, et (B) de 0,1 à 10% en poids d'une charge à base d'au moins un oxyde choisi parmi (BI) SiO2 et d'autres formes oxydées des métaux de la colonne IVA de la classification des éléments, (B2) TiO2, Zr02 et d'autres formes oxydées des métaux de la colonne IVB de la classification des éléments, et (B3) ZnO, CdO et d'autres formes oxydées des métaux de la colonne IIB de la classification des éléments. Selon une forme de réalisation, le matériau constituant la buse comprend de 99 à 99,5% en poids de polymère (A) et de 0,5 à 1% en poids de charge (B). Selon un exemple de réalisation, le matériau comprend 99,4% en poids de polymère (A) et 0,6% en poids de charge (B). Selon une autre forme de réalisation, le matériau constituant la buse comprend de 92 à 99% en poids de polymère (A) et de 1 à 8 % en poids de charge (B). Selon un exemple de réalisation, le matériau comprend 98% en poids de polymère (A) et 2% en poids de charge (B) De façon appropriée, la charge (B) a une granulométrie inférieure à 50 um. De préférence, la granulométrie est inférieure à 1 jan. Les propriétés et avantages de l'invention sont mis en évidence dans la description ciaprès, qui comprend une série d'Exemples. On effectue des essais comparatifs sur des buses conformes à l'invention et sur des buses selon l'état de la technique. La fabrication des buses est réalisée selon les procédés connus. On produit un mélange de la composition à tester par mélange intime de poudre de fluoropolymère et de poudre de la charge. Puis on réalise une ébauche à partir de cette composition. Pour le PTFE, l'ébauche est réalisée par pressage isostatique puis est cuite au four. La forme définitive de la buse est ensuite obtenue par usinage de l'ébauche. Pour les autre fluoropolymères (thermoplastiques), la buse définitive est directement obtenue par injection du mélange, préalablement fondu, dans un moule. On réalise deux séries d'essais. Pour la première série d'essais, on utilise un disjoncteurmaquette à auto-expansion comprenant une chambre remplie de gaz isolant SF6 dans laquelle est placée une buse cylindrique formée du matériau à tester et de contacts engagés dans la buse de part et d'autre de celle-ci. La buse a un diamètre intérieur de l'ordre de 20 mm et une épaisseur de l'ordre de 10 mm. On établit l'arc entre les contacts et on attend la coupure. On effectue les mesures suivantes. - On mesure le nombre moyen de zéros de courant avant coupure de l'arc (ZER), ce nombre étant optimal s'il est égal à 1. On mesure l'augmentation du diamètre intérieur de la buse après 5 coupures, par une moyenne sur 10 essais. Cette augmentation (AUG) reflète l'érosion de la buse. On mesure la pression maximale (PMAXI) atteinte dans la chambre à la première coupure. Ce paramètre correspond à la production de gaz isolant provenant du matériau de la buse. - On mesure également la pression maximale (PMAX5) atteinte dans la chambre à la cinquième coupure, afin de vérifier si la capacité du matériau de produire du gaz isolant se conserve après plusieurs coupures. Une seconde série d'essais est réalisée avec un disjoncteur industriel moyenne tension de type puffer. Les mesures effectuées sont alors les suivantes. On mesure, comme dans la première série d'essais, l'augmentation de diamètre de la buse (USUCOL) après 5 coupures, en prenant la moyenne sur 10 essais. - On mesure aussi l'usure de la buse en déterminant la perte de volume (USUVOL) de la buse après 5 coupures en prenant la moyenne sur 10 essais. - Enfin, on mesure l'usure des contacts (USUCONT) en déterminant la perte de volume subie par les contacts après 5 coupures. Ce paramètre caractérise l'influence du matériau de la buse sur l'état des contacts. Exemple 1 Le mélange est composé de polytétrafluoréthylène (PTFE) et de 0,6% en poids de SiO2. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAX 1 PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 2, 8 20, 2 18, 0 10, 4 3, 45 9, 40 3, 94 Exemple 2 Le mélange est composé d'un PTFE modifié connu sous le nom de TFM (marque déposée de la société Dyneon) et de 0,6% en poids de SiO2. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAXI PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 2, 4 18, 0 18, 4 9, 3 6, 67 16, 9 3, 94 Exemple 3 Le mélange est composé de PTFE et de 2 % en poids de SiO2. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAXI PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 2, 2 23, 1 18, 8 10, 3 6 13, 8 5, 4 Exemple 4 Le mélange est composé de PTFE et de 0, 6% en poids de BaTiO3. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAXI PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 3, 0 28, 5 19, 9 9, 8 13, 1 18, 4 4, 4 Exemple 5 Le mélange est composé de polymère TFM et de 0,6% en poids de SiO2. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAX1 PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 2, 2 24, 2 17, 0 8, 9 12, 5 18, 0 4, 1 Exemple 6 Le mélange est composé de PTFE et de 2 % en poids de TiO2. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAXl PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 1, 3 20,4 11,1 10,4 15,7 4,8 Exemple 7 Le mélange est composé de polymère TFM et de 0, 6% en poids de SiO2. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAXI PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 2, 2 26, 8 17, 4 9, 4 15, 4 20, 0 4, 5 Exemple 8 Le mélange est composé de PTFE et de 0,6% en poids de ZnO. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAXI PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 2, 2 22, 7 15, 7 9, 4 16, 5 22, 7 4, 9 Exemple 9 Le mélange est composé de polymère TFM et de 0,6% en poids de BaTiO3. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAXI PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 2, 0 25, 4 17, 0 9, 1 15, 3 22, 0 4, 8 Exemple 10 Le mélange est composé de PTFE et de 0,6% en poids de TiO2. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAX 1 PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 1, 6 25, 8 18, 4 9, 8 15, 5 19, 4 4, 8 Exemple 11 Le mélange est composé de PTFE et de 5 % en poids de TiO2. Les résultats des essais sont les suivants. Dans cet Exemple comme dans les Exemples 12-15, seules sont disponibles les mesures AUG et PMAXI. ZER PMAX1 PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (mm) 1,8 30,4 23 - - - - Exemple 12 Le mélange est composé de polymère TFM et de 5% en poids de TiO2. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAXI PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 1, 6 42, 4 22, 4--- Exemple 13 Le mélange est composé de PTFE et de 5 % en poids de SiO2. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAX1 PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 2,0 20 20,8 - - - - Exemple 14 Le mélange est composé de polymère TFM et de 5% en poids de SiO2. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAX1 PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 2,0 21,3 22,1 - - - - Exemple 15 Le mélange est composé de polymère TFM et de 5% en poids de BaTiO3. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAXI PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 1, 6 41 20, 4---- Les mélanges des Exemples 1-15 sont conformes à l'invention. Les buses fabriquées à partir de ces mélanges présentent un ensemble de propriétés satisfaisantes. A titre de comparaison, on a procédé aux mêmes essais en utilisant comme matériau pour la buse des mélanges classiques, décrits aux Exemples 16-20 ci-après. Exemple 16 La composition ne contient que le polymère TFM. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAXI PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 3, 0 22, 8 19, 4 10, 6 4, 95 17, 9 4, 76 Exemple 17 Le mélange est composé de PTFE et de 20% en poids de CaF2. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAXI PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 4, 0 19, 5 17, 1 Pas de 9, 3 16, 3 4, 85 résultat Exemple 18 Le mélange est composé de PTF Le mélange est composé de PTFE. Les résultats des essais sont les suivants : ZER USUCONT (bars) (mm) 2,2 16,2 15,7 9,6 6,7 16,6 4,5 Exemple 19 Le mélange est composé de PTFE et de 0,3 % en poids de MoS2. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAXI PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 3, 2 23, 5 12, 8 7, 8 7, 9 15, 1 4, 4 Exemple 20 Le mélange est composé de PTFE et de 0, 6 % en poids de A12CoO4. Les résultats des essais sont les suivants : ZER AUG (%) PMAXI PMAX5 USUCOL USUVOL USUCONT (bars) (bars) (mm) (mm) (mm) 2, 6 21, 9 13, 3 8, 1 15, 4 20, 0 4, 4 Les résultats des Exemples 16-20 sont parfois meilleurs en ce qui concerne certaines propriétés que ceux des Exemples 1-15 conformes à l'invention, mais ils sont défectueux pour d'autres propriétés. Ainsi qu'il a été souligné plus haut, les résultats des Exemples 1- 15 conformes à l'invention ont l'avantage d'être satisfaisants pour l'ensemble des propriétés analysées. Revendications 1. Buse isolante pour disjoncteur à soufflage d'arc, caractérisée par le fait que le matériau constituant la buse comprend (A) de 90 à 99,9% en poids d'un polymère fluoré, et (B) de 0,1 à 10% en poids d'une charge à base d'au moins un oxyde choisi parmi (BI) SiO2 et d'autres formes oxydées des métaux de la colonne IVA de la classification des éléments, (B2) TiO2, Zr02 et d'autres formes oxydées des métaux de la colonne IVB de la classification des éléments, et (B3) ZnO, CdO et d'autres formes oxydées des métaux de la colonne IIB de la classification des éléments. 2. Buse isolante selon la revendication 1, dans laquelle le matériau constituant la buse comprend de 92 à 99% en poids de polymère (A) et de 1 % à 8% en poids de charge (B). 3. Buse isolante selon la revendication 2, dans laquelle le matériau constituant la buse comprend environ 98% en poids de polymère (A) et environ 2 % en poids de charge (B). 4. Buse isolante selon la revendication 1, dans laquelle le matériau constituant la buse comprend de 99 à 99,5% en poids de polymère (A) et de 0,5% à 1% en poids de charge (B). 5. Buse isolante selon la revendication 4, dans laquelle le matériau constituant la buse comprend environ 99,4% en poids de polymère (A) et environ 0,6 % en poids de charge (B). 6. Buse isolante selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle le polymère (A) est du PTFE ou du PTFE modifié. 7. Buse isolante selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle la charge a une granulométrie inférieure à 50 Jlm. 8. Buse isolante selon la revendication 7, dans laquelle la charge a une granulométrie inférieure à 1 um.