Brevet FR2827077A1 — publié le 20030110

L'invention concerne les fusibles limiteurs de courant utilisés plus particulièrement pour protéger les appareillages électriques contre les surcourants. Ces appareils sont par exemple des moteurs électriques, des transformateurs ou autres. Les fusibles limiteurs de courant sont classiquement constitués d'un boîtier en matière isolante dans lequel est disposée une lame fusible en argent tendue entre deux bornes électriquement conductrices du fusible. La lame fusible est calibrée pour couper des surcourants dont l'intensité est généralement supérieure à 5 ou 6 fois l'intensité du courant nominal, typiquement quelques ampères à quelques centaines d'ampères en moyenne tension. Dans certains cas, des faibles surcourants dont l'intensité est supérieure à celle du courant nominal mais inférieure à celle du courant de coupure, typiquement une intensité comprise entre 1,5 fois et 5 fois l'intensité nominale, doivent être interrompus car ils conduisent dans le temps à une usure prématurée des appareillages à protéger. En particulier, ces faibles surcourants accélèrent le vieillissement des isolations des transformateurs. Pour élargir la plage de coupure d'un fusible limiteur de courant à lame fusible, il est connu de déposer sur la lame du fusible une goutte de métal, notamment une goutte en étain, qui par diffusion à haute température, modifie la composition de la lame et augmente en conséquence sa résistivité. Il est également connu de munir une lame en argent d'encoches isolées thermiquement, accélérant ainsi la fusion de la lame pour des faibles surcourants. Mais ces deux techniques s'avèrent complexes à mettre en oeuvre pour obtenir une coupure intégrale, c'est-à-dire une coupure des faibles surcourants dont l'intensité est comprise entre 1,5 fois et 5 fois l'intensité du courant nominal tout en assurant une coupure des forts surcourants dont l'intensité est supérieure à 5 fois celle du courant nominal. Le but de l'invention est de proposer un fusible limiteur de courant à coupure intégrale qui soit d'une conception simple et peu coûteuse. A cet effet, l'invention a pour objet un fusible limiteur de courant à coupure intégrale, caractérisé en ce qu'il comprend un élément polymère limiteur de courant qui est normalement connecté électriquement à deux bornes conductrices du fusible, cet élément polymère étant immobilisé sur un support électriquement isolant par une liaison thermofusible tout en étant soumis à une force de rappel tendant à le déplacer par rapport à au moins une des deux bornes conductrices et en ce que ladite liaison thermofusible est chauffée par conduction thermique jusqu'à sa température de fusion par ledit élément polymère lorsqu'il est traversé par un courant ayant une intensité supérieure à une valeur critique de sorte à permettre le déplacement de l'élément polymère quand la liaison thermofusible a fondu. Un élément polymère limiteur de courant est une composition polymère se comportant comme une résistance électrique à coefficient de température positif, c'est-à-dire dont la résistivité augmente de façon non linéaire en fonction de la température lorsque l'élément polymère est traversé par un courant d'une certaine intensité. De telles compositions polymères sont connues et sont largement utilisées dans les dispositifs électriques. Un élément polymère limiteur de courant inclut des particules conductrices, telles que du noir de carbone, des particules de graphite ou métalliques, dispersées dans une matrice polymère, tel qu'un polymère thermoplastique, un polymère élastomère ou un polymère thermodurcissable. Le comportement d'un polymère limiteur de courant se caractérise par une transition brutale de sa résistivité quand sa température franchit un seuil particulier, connu sous le nom de température de transition, Ts. Plus particulièrement, quand le courant traversant la composition polymère excède une certaine valeur critique d'intensité pour une composition donnée, la composition polymère s'échauffe et devient résistante. Si le courant reste suffisamment élevé pendant assez longtemps, la composition s'échauffe jusqu'à sa température de transition Ts à partir de laquelle la résistivité de la composition s'élève très rapidement ce qui limite le passage du courant. Des compositions polymères limiteur de courant sont décrites notamment dans les documents de brevet US-5920251, US-4238812, US-4545926, US-5363083. Dans le fusible selon l'invention, la composition de l'élément polymère limiteur de courant atteint sa température de transition quand le courant qui traverse la composition polymère excède par exemple 1,5 fois le courant nominal. La liaison thermofusible sera de préférence choisie pour avoir une température de fusion sensiblement égale à la température de transition de l'élément polymère. Ainsi, la liaison thermofusible fond quand l'élément polymère atteint sa température de transition, c'est-à-dire quand l'élément polymère est dans un état très résistant et s'oppose au passage du courant. L'élément polymère peut être connecté électriquement par simple contact avec une des deux bornes du fusible de sorte que la coupure du courant est réalisée par le déplacement de l'élément polymère par rapport à la borne conductrice du fusible. Dans une application moyenne tension, un arc électrique est susceptible de se former entre l'élément polymère et cette borne conductrice lors du déplacement de l'élément polymère. Dans ce cas, la coupure du courant peut être réalisée par l'intermédiaire d'un percuteur actionné par le déplacement de l'élément polymère, lequel percuteur à son tour peut actionner un interrupteur de courant de charge qui interrompra le courant limité par l'élément polymère Le fonctionnement de l'interrupteur de courant de charge, déclenché par le percuteur se produit quand le courant est faible, voire bien inférieur au courant nominal, ce qui facilite la coupure. Le courant coupé étant par nature un courant résistif de faible intensité, un interrupteur de courant de charge simple peut parfaitement convenir à une ouverture de circuit triphasé. Le fusible limiteur de courant selon l'invention est décrit ci-après en détail et illustré sur les figures. La figure 1 illustre un premier exemple de réalisation du fusible selon l'invention. La figure 2 illustre un second exemple de réalisation du fusible selon l'invention. Sur la figure 1, le fusible limiteur de courant à coupure intégrale selon l'invention comporte ici un boîtier cylindrique 1 électriquement isolant dans lequel est disposé un élément polymère limiteur de courant 2 se présentant également sous la forme d'un cylindre coaxial au boîtier 1. Le boîtier 1 est réalisé par exemple en porcelaine ou en résine chargée en fibres de verre. L'élément polymère 2 est constitué d'une composition polymère choisie pour atteindre sa température de transition (de l'ordre de 2000C) quand le courant qui traverse la composition polymère excède par exemple 1,5 fois le courant nominal du fusible. Le boîtier 1 est fermé à ses deux extrémités par une première borne électriquement conductrice 3 en contact électrique avec l'extrémité supérieure de l'élément polymère 2 et par une seconde borne électriquement conductrice 4 reliée électriquement à l'extrémité inférieure de l'élément polymère 2 par un fil conducteur souple 5. Plus particulièrement, la borne 3 est en contact électrique avec une électrode conductrice (en cuivre par exemple) de l'élément polymère couvrant l'ensemble de la surface supérieure de l'élément polymère 2 et le fil conducteur 5 est reliée électriquement à une autre électrode conductrice de l'element polymère couvrant l'ensemble de la surface inférieure de l'élément polymère 2. Un organe élastique 6 est disposé dans le boîtier 1 pour exercer une force de rappel, indiquée par la flèche F, tendant à déplacer l'élément polymère 2 vers l'extrémité inférieure du boîtier 1 pour le séparer de la borne 3 Dans le cas présent, l'organe élastique 6 est un ressort spiralé tendu entre l'extrémité inférieure de l'élément polymère 2 et la borne 4 de sorte que l'élément polymère est déplacé dans le boîtier selon une direction axiale. Les deux extrémités du ressort 6 peuvent par exemple être soudées respectivement à l'électrode inférieure de l'élément polymère et à la borne 4. L'élément polymère 2 est maintenu en contact électrique avec les deux bornes 3 et 4 et plus particulièrement avec la borne 3, contre l'action du ressort 6, par une liaison thermofusible 7 électriquement isolante qui est ici une couche de colle thermofusible disposée entre la surface extérieure cylindrique de l'élément polymère 2 et la surface intérieure cylindrique du boîtier 1. Le composant de la liaison thermofusible 7 est choisi pour avoir une température de fusion proche de la température de transition de l'élément polymère de sorte que la liaison thermofusible, échauffée par conduction thermique par l'élément polymère, fond quand l'élément polymère atteint sa température de transition. La liaison thermofusible 7 pourra par exemple être un polyamide 12. De la sorte, quand le courant qui traverse le fusible devient supérieur à 1,5 fois le courant nominal du fusible, l'élément polymère 2 chauffe par conduction thermique la colle thermofusible 7 jusqu'à sa température de fusion. Quand la colle thermofusible a fondu, ce qui ne peut se produire que en état de limitation de courant, l'élément polymère est déplacé dans le boîtier 1 sous l'action du ressort 6 de sorte que l'élément polymère 2 est séparé de la borne 3. La liaison électrique entre les deux bornes 3 et 4 est ainsi rompue. Comme la coupure de la liaison électrique entre les deux bornes 3 et 4 s'effectue alors que le courant est limité à une valeur bien inférieure au courant nominal (voire pratiquement nulle), il n'y a pas de risque en basse tension qu'un arc électrique se maintienne entre l'élément polymère et la borne 3. En prévoyant un déplacement suffisant de l'élément polymère 2 dans le boîtier sous l'action du ressort 6, on empêchera tout risque de réamorçage électrique entre les deux bornes 3 et 4 après la coupure. Dans une application moyenne tension, un percuteur 9 est prévu dans le boîtier 1 du fusible pour déclencher le fonctionnement d'un interrupteur de courant de charge non représenté. Ce percuteur 9 se présente sous la forme d'un doigt coulissant traversant la borne inférieure 4 et s'étendant à l'intérieur du boîtier 1 sur le trajet de l'élément polymère 2 de telle sorte que l'élément polymère 2 en se déplaçant selon la direction F vient pousser le percuteur 9 vers l'extérieur du boîtier. Le déplacement correspondant du percuteur 9 (comme illustré en traits pointillés) à l'extérieur du boîtier 1 permet d'actionner l'ouverture d'un interrupteur de courant de charge qui interrompra le courant limité par l'élément polymère. Dans une application BT ou MT, comme visible sur la figure 1, les deux bornes conductrices 3 et 4 sont des calottes métalliques. Pour éviter un collage de la borne 3 sur l'élément polymère 2 par effet de succion quand l'élément polymère est tiré vers le bas du boîtier par le ressort 6, la calotte 3 est une calotte flexible bombée du côté de l'élément polymère de sorte à réduire la surface de contact entre la calotte 3 et l'élément polymère. Le boîtier 1 peut être muni d'un ou plusieurs évents 8 permettant l'échappement de gaz vers l'extérieur du boîtier lorsque l'élément polymère est déplacé vers le bas du boîtier. Ces évents 8 sont disposés de préférence dans la partie basse du boîtier entre la calotte 4 et l'extrémité inférieure de l'élément polymère quand ce dernier a été complètement déplacé par le ressort 6 vers le bas du boîtier. La figure 2 illustre très schématiquement un autre mode de réalisation du fusible à coupure intégrale selon l'invention. Ici, le fusible comprend deux bornes conductrices 3', 4' disposées sur un support l' électriquement isolant. Les deux bornes 3', 4' sont en contact électrique avec un élément polymère 2'qui est monté rotatif autour d'un axe central A solidaire du support 1'. La flèche sur la figure 2 montre le mouvement rotatif de l'élément polymère 2'autour de l'axe A. Un organe élastique 6' est tendu entre une extrémité de l'élément polymère 2'et le support l' pour exercer une force de rappel F tendant à entraîner en rotation autour de l'axe A l'élément polymère de manière à le séparer des deux bornes 3' et 4'. Dans ce mode de réalisation, l'élément polymère se présente donc comme une lame rotative. La liaison thermofusible 7'qui maintient l'élément polymère 2'en contact électrique avec les deux bornes 3', 4', contre l'action de l'organe élastique 6', est ici un doigt thermofusible fixé au support l'et bloquant le mouvement angulaire de l'élément polymère. Ce doigt 7'peut avantageusement être disposé pour traverser l'élément polymère de manière à augmenter sa surface de contact avec l'élément polymère. L'échauffement de l'élément polymère, en présence d'un surcourant sur les bornes 3', 4' provoque la fusion du doigt 7'pour permettre la rotation de l'élément polymère 2'. Il s'ensuit que les deux bornes 3'et 4'sont déconnectées en même temps de l'élément polymère 2'. Le support l'peut être conçu comme un boîtier étanche rempli d'un gaz diélectrique sous une pression contrôlée. REVENDICATIONS 1/Fusible limiteur de courant à coupure intégrale, caractérisé en ce qu'il comprend un élément polymère limiteur de courant (2) qui est normalement connecté électriquement à deux bornes conductrices (3,4) du fusible, cet élément polymère (2) étant immobilisé sur un support électriquement isolant (1) par une liaison thermofusible (7) tout en étant soumis à une force de rappel (F) tendant à le déplacer par rapport à au moins une des deux bornes conductrices et en ce que ladite liaison thermofusible (7) est chauffée par conduction thermique jusqu'à sa température de fusion par ledit élément polymère (2) lorsqu'il est traversé par un courant ayant une intensité supérieure à une valeur critique de sorte à permettre le déplacement de l'élément polymère quand la liaison thermofusible a fondu. 2/Fusible selon la revendication 1, dans lequel le support (1) est un boîtier cylindrique dans lequel est disposé l'élément polymère (2), dans lequel le boîtier est fermé à ses deux extrémités respectivement par une première borne conductrice (3) en contact électrique avec l'élément polymère et par une seconde borne conductrice (4) reliée électriquement à l'élément polymère par l'intermédiaire d'un fil conducteur souple (5) et dans lequel la force de rappel (F) est exercée par un organe élastique (6) tendu entre l'élément polymère et la seconde borne conductrice. 3/Fusible selon la revendication 2, dans lequel la liaison thermofusible (7) est une couche de colle disposée entre l'élément polymère et le boîtier. 4/Fusible selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la première borne électrique (3) est une calotte métallique flexible bombée du côté de l'élément polymère. 5/Fusible selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel le boîtier est muni d'évents (8) pour l'échappement de gaz vers l'extérieur du boîtier. 6/Fusible selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel un percuteur (9) est monté dans le boîtier (1) de telle manière à être poussé par l'élément polymère (2) lors du déplacement de ce dernier.