Brevet FR2841682A1 — publié le 20040102

i AMPOULE A VIDE POUR UN APPAREIL DE PROTECTION ELECTRIQUE TEL UN INTERRUPTEUR OU UN DISJONCTEUR. La présente invention concerne une ampoule à vide pour un appareil de protection électrique tel un interrupteur ou un disjoncteur, ladite ampoule comprenant une enveloppe de forme sensiblement cylindrique fermée par deux fonds, deux contacts s'étendant axialement à l'intérieur de l'enveloppe, dont l'un au moins dit contact mobile, est relié à un mécanisme de commande et est monté coulissant entre une position de fermeture des contacts permettant le passage du courant et une position dans laquelle les contacts sont séparés et forment un arc électrique entre eux, ainsi qu'un moyen de production d'un champs magnétique axial dans la zone de formation de l'arc. Un disjoncteur à vide du genre précédemment mentionné est décrit dans le document FR 2.682.808 ou FR 2 726 396 de la demanderesse. Dans ce type de disjoncteur, les ampoules à vide ont sous des courants forts, un pouvoir de coupure qui est limité par le phénomène suivant. Lors du passage du courant, l'arc entraîne de la matière liquide provenant du contact en fusion, jusqu'au bord des contacts. Ce matériau liquide très chaud (environ 20000) se trouve au bord des contacts au moment de la coupure. Après la coupure, la tension de rétablissement imposée par le réseau s'établit entre les deux contacts. Compte tenu de la forme géométrique des contacts, le champ électrique engendré par cette tension est maximum aux bords des contacts. Ceci engendre les phénomènes indésirables suivants. Premièrement, en refroidissant, le liquide émet en permanence des vapeurs métalliques ainsi que des gaz. Ces émissions créent une atmosphère à haute densité de gaz laquelle, dans un environnement normalement sous vide poussé, a une tenue diélectrique réduite. Deuxièmement, le champ électrique, présent juste au-dessus de la matière liquéfiée et très chaude, engendre l'émission d'électrons par un mécanisme thermoélectrique. Ces électrons libres ionisent la vapeur et le gaz. Ces deux phénomènes conjugués conduisent ensuite à des réamorçages et à la défaillance de l'ampoule en coupure. En outre, le champ électrique risque de déformer la surface du liquide augmentant encore le champ électrique davantage. Ceci est un phénomène néfaste qui s'auto-amplifie et qui peut conduire à un réamorçage. Pour pallier ces inconvénients dans les ampoules industrialisées, certaines mesures ont été prises qui consistent à respecter une distance, dite distance optimale, entre les contacts et la paroi de l'enveloppe, laquelle distance garantit un pouvoir de coupure maximum. Ceci impose donc des contraintes tenant au volume de l'ampoule. D'autre part, certaines des ampoules du genre précédemment mentionné, telle que décrite dans le document FR 2 726 396 comportent en outre un écran métallique faisant office de paroi de l'enveloppe. Cet écran est relié à l'un des contacts, le plus souvent au contact fixe, et produit secondairement un renforcement du champ électrique crée au niveau du contact mobile. Ainsi, diélectriquement, l'ampoule est considérée comme étant asymétrique. Le champ électrique est plus intense aux bords du contact mobile qu'aux bords du contact fixe. Et, selon la polarité de la tension de rétablissement, la tenue diélectrique après la coupure est plus ou moins bonne. Ainsi, il est préférable que ce soit le contact fixe qui soit soumis à une tension négative plutôt que le contact mobile. Lorsque le contact mobile est soumis à une tension négative par rapport au contact fixe, la matière chaude émet d'avantage d'électrons à cause de la présence du champ électrique renforcé, ce qui augmente les risques de réamorçage. Cette asymétrie en terme de géométrie se traduit également par une asymétrie en terme de pouvoir de coupure, la différence étant de l'ordre de 15% pour un courant nominal de 25kAeff. La présente invention résout ces problèmes et propose une ampoule à vide à pouvoir de coupure amélioré et dont le comportement en coupure est plus symétrique. L'ampoule réalisée selon l'invention peut également être réduite en taille. A cet effet, la présente invention a pour objet une ampoule à vide du genre précédemment mentionné, cette ampoule étant caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un écran conducteur monté autour de la périphérie de l'un au moins des contacts, ledit écran étant conformé et agencé de manière à supporter le champ électrique issu de la tension de rétablissement imposée par le réseau après la coupure et à réduire ainsi considérablement le champs électrique au bord du contact. Selon une réalisation particulière, l'écran précité est relié électriquement audit contact et est suffisamment séparé dudit contact pour que le liquide s'écoulant sur la surface de contact dudit contact ne puisse atteindre ledit écran. A cet effet, un fossé sépare la surface de contact du contact du bord dudit écran. Selon une caractéristique particulière, l'écran précité est présent tout autour dudit contact. Selon une autre caractéristique, l'écran précité présente une forme semiannulaire et est fixé sur la partie inférieure du contact mobile. Selon une autre caractéristique, l'ampoule comporte, pour l'un ou chaque contact, un écran dit premier comportant les caractéristiques précédemment mentionnées prises seules ou en combinaison, ainsi qu'un écran dit second, monté entre l'écran dit premier et l'enveloppe de l'ampoule, ledit second écran étant destiné à protéger l'enveloppe de la métallisation par la vapeur d'arc et produisant secondairement une augmentation de la valeur du champ électrique sur ledit contact. Selon une caractéristique particulière, la continuité physique est réalisée sur les contacts en position fermée en un endroit o l'usure des contacts est minimale. Selon une caractéristique particulière, la continuité physique est réalisée au moyen d'un anneau, de secteurs d'anneau ou de plots agencés sur la surface de contact de l'un des contacts et situés en regard respectivement d'un anneau, de secteurs d'anneau, ou de plots agencés sur la surface de contact de l'autre des contacts. Selon une caractéristique particulière, ces anneaux, secteurs d'anneaux ou plots sont situés au-dessus du (des) fossé(s) précité(s) séparant l'écran (les écrans) dit(s) premier(s) du (des) contact(s) associé(s). Mais d'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels: - La figure 1 est une vue en coupe axiale d'une ampoule à vide selon l'art antérieur, - La figure 2 est une vue en perspective d'une ampoule à vide selon l'invention, - La figure 3 est une vue en coupe axiale de l'ampoule à vide selon l'invention de la figure précédente, - La figure 4 est une vue en coupe axiale d'une ampoule selon l'invention du type symétrique, - La figure 5 est une vue en coupe axiale d'une ampoule selon l'invention, les contacts étant en outre équipés de fentes inclinées, - La figure 6 est une vue en coupe axiale d'une ampoule selon l'invention, avec fentes et anneaux, - La figure 7 est un graphe illustrant la relation entre le pouvoir de coupure et la distance entre les contacts et la paroi, pour une ampoule selon l'art antérieur et une ampoule selon l'invention, et - La figure 8 est une représentation graphique illustrant la relation entre le pouvoir de coupure et le diamètre des contacts pour une ampoule selon l'art antérieur et une ampoule selon l'invention. Sur les figures 1 à 6, on voit une ampoule à vide A destinée notamment à être intégrée dans un disjoncteur électrique moyenne tension afin de réaliser la coupure d'un circuit électrique en cas de défaut ou lors d'une commande d'ouverture volontaire du circuit électrique. Sur la figure 1, on voit une ampoule à vide A selon l'art antérieur. Cette ampoule à vide A comprend une enveloppe cylindrique E obturée par deux fonds 1,2 à l'intérieur de laquelle sont logées deux contacts d'arc 3,4, respectivement un contact d'arc fixe 3 et un contact d'arc mobile 4. Ce contact mobile 4 est relié mécaniquement par l'intermédiaire d'une tige d'actionnement 5 à un dispositif de commande (non représenté), ladite tige 5 étant reliée audit dispositif par l'une 5a de ses extrémités et étant solidarisée au contact d'arc mobile 4 par son extrémité opposée 5b. Ce dispositif de commande est apte à déplacer la tige précitée 5 et le contact mobile 4 en translation à l'intérieur de l'enveloppe E entre deux positions respectivement une position de fermeture des contacts correspondant à un fonctionnement normal de l'appareil et une position d'ouverture ou de séparation des contacts après l'apparition d'un défaut dans le circuit électrique à protéger ou lors d'une commande d'ouverture volontaire du circuit électrique. On voit également qu'une spire interne 6,7 est montée à l'arrière de chacun des contacts 3,4, lesdites spires 6,7 constituant un moyen de production d'un champ magnétique axial apte à réaliser une diffusion de l'arc créé entre les contacts après la séparation des contacts lors de la coupure. On voit également qu'un écran métallique 9 est monté autour de l'extrémité 5b de la tige d'actionnement 5 reliée au contact mobile 4, ledit écran 9 et une partie d'un autre écran 1 étant situés autour du contact mobile 4 et produisant une augmentation du champ électrique créé au niveau du contact mobile pendant la coupure. Sur les figures 2 et 3, on voit une ampoule à vide A selon l'invention comprenant en outre des éléments mentionnés précédemment, un écran 11 destiné à réduire le champ électrique aux bords du contact 4. Cet écran 11, de forme semi-annulaire, est disposé tout autour de la périphérie du contact mobile 4, et présente deux bords circulaires i la, 1 b de diamètres différents. Cet écran 11 est relié électriquement au contact d'arc mobile 4 par son bord circulaire inférieur I lb et est suffisamment séparé dudit contact 4 pour que le liquide, s'écoulant par-dessus la surface de contact sous la pression d'arc, ne puisse atteindre ledit écran 11. Un fossé 14 est ainsi créé entre le contact 4 et l'écran 11, ledit fossé 14 ayant une profondeur de Smm et une largeur comprise entre 0,5 et 4 mm. La forme de l'écran 11 est telle que la valeur du champ électrique aux bords du contact 4 est sensiblement réduite. Ainsi, le bord 1 la dudit écran 11 est à fleur de la pastille de contact ou est à une hauteur légèrement inférieure à celle de la pastille de contact, la différence étant comprise entre 0 et mm lorsque l'écran 11 est légèrement en retrait par rapport au contact 4. L'écran 11 doit présenter une bonne résistance thermique, car des projections de gouttes en provenance du contact 4 peuvent lui faire subir des chocs thermiques. Ainsi, l'écran 11 est de préférence réalisé en cuivre oubien dans le même matériau que le contact 4. Alternativement, cet écran 11 peut être réalisé dans un matériau réfractaire comme le SiC, à l'exception des isolants. Le pouvoir de coupure de l'ampoule A de cette figure est supérieur de 20% à celui de la figure 1. L'écran protecteur 11 selon l'invention diminue sensiblement la distance entre le contact mobile 4 et l'enveloppe métallique E. Ainsi, malgré le fait que l'écran 11 diminue de manière sensible cette distance, on obtient une augmentation nette du pouvoir de coupure comme indiqué par la courbe 2 sur la figure 7, alors que la courbe 1 représente le comportement d'une ampoule de l'art antérieur. Cette courbe représente en effet en ordonnée le pouvoir de coupure P en pourcentage, et en abscisse, la distance 1 de l'écran par rapport à la paroi en mm. Dans cette réalisation, du fait de l'écran 11, la distance entre le contact mobile 4 et la paroi de l'enveloppe E a été réduite et est maintenant de 9 mm alors qu'elle était initialement de 13 mm. L'écran 11 présente de ce fait un champ électrique très élevé qui ne dégrade pas le pouvoir de coupure. De préférence, l'écran 11 est disposé autour du contact mobile 4, comme illustré sur les figures 2,3, mais un autre écran peut également être placé, en outre du premier, autour du contact fixe 3. Cet écran 11 peut également être utilisé avantageusement dans des ampoules du type symétrique avec écran flottant tel qu'illustré sur la figure 4. Cette ampoule présente en effet, pour chacun des contacts 3,4, une spire interne 6,7 située derrière le contact 3,4, un écran métallique 8,9 ici en forme de coupelle s'étendant au voisinage de la paroi de l'enveloppe, entre la spire interne 6,7 et l'enveloppe, et deux écrans 10,11 selon l'invention disposés respectivement autour du contact fixe 3 et autour du contact mobile 4. Sur la figure 5, l'invention est mise en application dans une ampoule A dans laquelle les contacts sont munis de fentes 12 telle que décrite dans la demande de brevet français FR 2 808 617. Ces fentes 12 sont réalisées dans les contacts 3,4 de manière à recevoir et faciliter l'écoulement du liquide de contact en direction des surfaces situées sous les surfaces de contact, le liquide provenant de la fusion du matériau de contact sous l'effet de la concentration de l'arc pendant la coupure. Ces fentes 12 permettent d'augmenter la surface de contact entre les contacts d'arc 3,4 et le liquide de manière à créer des surfaces cachées pour l'arc mais accessibles au liquide. Cette disposition a pour effet d'accélérer le refroidissement dudit matériau de contact malgré la concentration de l'arc pendant la coupure. Grâce à ces dispositions, il s'écoule d'avantage de temps avant que le liquide n'atteigne les bords des contacts 3a,4a. Ainsi, le liquide atteint les bords des contacts 3a,4a en un moment o les valeurs de courant sont très élevées. Dans la réalisation décrite sur cette figure, le contact mobile 4 est pourvu d'un écran 1 1 selon l'invention. Les effets avantageux associés à l'écran 11 qui entoure le contact 4 se trouvent renforcés par la présence des fentes 12 dans les contacts 3,4, puisque le liquide d'une part, n'atteint pas l'écran 11, et de plus atteint plus tardivement les bords des contacts 3a,4a. Sur la figure 6, on voit une ampoule A comportant une spire extérieure 17 et comportant en outre deux anneauxl5,16 permettant de réaliser la continuité physique entre les deux contacts 3,4 en position fermée. Les contacts 3,4 de l'ampoule A de la figure précédente présentent une usure plus importante que les ampoules standard pour les raisons suivantes: le liquide créé lors de la coupure, ne stagne pas à la surface et l'augmentation du pouvoir de coupure fait croître encore d'avantage cette érosion. Il est alors avantageux de séparer l'endroit o est réalisée la continuité physique en position fermée des contacts 3,4, permettant la conduction du courant, de l'emplacement sur les contacts présentant une usure maximale. Or, il est connu que le champ magnétique axial créé par les spires externes et internes stabilise bien l'arc et l'entraîne plutôt vers l'endroit o il est le plus fort, au moins pour des courants forts. C'est à ces endroits là que l'érosion sera la plus élevée. Il est alors avantageux de réaliser la continuité physique ailleurs. Cette continuité physique peut être réalisée au moyen de plusieurs pièces pouvant prendre la forme d'un anneau 15,16. A cet effet, l'ampoule décrite sur cette figure comporte, au niveau de chacun des contacts 3,4, un anneau 15,16 placé au dessus du fossé 13,14 séparant l'écran 10,11 et le contact 3,4. Grâce à cette disposition, le liquide peut s'écouler librement au travers des fentes 12. Dans cette réalisation, le pouvoir de coupure est augmenté, la valeur de cette augmentation pouvant aller jusqu'à 60% du pouvoir de coupure associé à une ampoule selon la figure 1. On notera que cette continuité physique pourra également être réalisée avec des anneaux ayant un diamètre réduit, lesquels ne sont plus en contact avec l'écran. On peut également réaliser cette continuité physique au moyen de plots ou de secteurs d'anneaux. On notera également que l'écran pourrait être d'une autre forme que semiannulaire, par exemple rectangulaire etc... L'invention pourra également être mise en application avantageusement dans une ampoule telle que décrite dans le brevet FR 2 745 118. Dans cette réalisation de l'ampoule non illustrée sur les dessins, ladite ampoule comporte en outre un autre écran réalisé en matériau conducteur et relié électriquement à l'un des contacts, ledit écran étant situé à l'intérieur de l'enveloppe au droit de l'intervalle de séparation des contacts et localisé autour des contacts en une position prédéterminée en fonction de la position des amenées de courant de manière que lorsque l'arc tend à dévier de l'intervalle précité, cet arc se place entre les contacts et l'écran. L'interrupteur de cette réalisation présente un pouvoir de coupure amélioré, ce pouvoir de coupure pouvant être obtenu en produisant un champ magnétique moindre et dont la capacité à tenir le courant permanent est augmenté. L'utilisation d'un écran selon l'invention dans un tel interrupteur, permet d'accroître d'avantage le pouvoir de coupure. La figure 8 illustre la relation entre le pouvoir de coupure c et le diamètre des contacts d pour une ampoule selon l'invention et pour une ampoule selon l'art antérieur. Le courant c en k A eff est représenté en ordonnée, tandis qu'en abscisse est représenté le diamètre d des contacts en mm. Sur cette figure, les points représentés par des carrés représentent des valeurs obtenues avec une ampoule classique comportant une spire extérieure (12kv). Les points représentés par des triangles représentent des valeurs obtenues avec une ampoule comportant une spire intérieure (24kv). Les cercles correspondent à des valeurs 1 0 démontrées. Le trait foncé représente la limite pour une ampoule du type classique utilisant un champ axial tandis que le trait clair représente la limite pour une ampoule selon l'invention. On voit ainsi sur cette courbe que les valeurs du pouvoir de coupure pour un même diamètre de contact sont supérieures dans le cas d'une ampoule selon l'invention à celles 1 5 concernant une ampoule selon l'art antérieur. Il en résulte qu'une même valeur de pouvoir de coupure peut être obtenue avec une valeur de diamètre de contact diminuée d'un tiers. En outre, l'ampoule selon l'invention présente un comportement plus symétrique en coupure, en particulier lorsque l'ampoule est du type comportant des fentes. Ainsi, la tenue diélectrique après la coupure ne varie pratiquement pas avec la polarité de la tension de rétablissement. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. REVENDICATIONS 1. Ampoule à vide pour un appareil de protection électrique tel un interrupteur ou un disjoncteur, ladite ampoule comprenant une enveloppe de forme sensiblement cylindrique fermée par deux fonds, deux contacts s'étendant axialement à l'intérieur de l'enveloppe, dont l'un au moins dit contact mobile, est relié à un mécanisme de commande et est monté coulissant entre une position de fermeture des contacts permettant le passage du courant et une position dans laquelle les contacts sont séparés et forment un arc électrique entre eux, ainsi qu'un moyen de production d'un champs magnétique axial dans la zone de formation de l'arc, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un écran conducteur (11), monté autour de la périphérie de l'un au moins des contacts (3,4), ledit écran (3,4) étant conformé et agencé de manière à supporter le champ électrique issu de la tension de rétablissement imposée par le réseau après la coupure et à réduire ainsi considérablement le champs électrique au bord dudit contact (3,4). 2. Ampoule à vide selon la revendication 1,caractérisée en ce que l'écran précité (11) est relié électriquement audit contact (3,4) et est suffisamment séparé dudit contact (3,4) pour que le liquide s'écoulant sur la surface de contact dudit contact (3,4) ne puisse atteindre ledit écran (11). 3. Ampoule à vide selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'écran précité (11) est présent tout autour dudit contact (3,4). 4. Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'écran (11) est conformé de manière à créer entre ledit écran (11) et ledit contact (3,4) un fossé (14) présentant une largeur comprise entre 0,5 mm et 4 mm. 5. Ampoule à vide selon la revendication 4, caractérisée en ce que le fossé précité (14) présente une profondeur d'environ 5mm. 6. Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le bord (1 la) de l'écran précité (11) est sensiblement au même niveau que la pastille de contact (3,4), ou est d'une hauteur légèrement inférieure à la hauteur de cette pastille de contact (3,4). 7. Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'écran précité (11) présente une forme semi-annulaire et est fixé sur la partie inférieure du contact mobile (3,4). 8. Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'écran (11) est réalisé dans le même matériau que le contact (3,4), par exemple en cuivre. 9. Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'écran (11) est réalisé dans un matériau réfractaire tel le SiC. 10. Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'écran précité (11) est monté autour du contact mobile (4). 11. Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un autre écran (8,9,1), ledit écran (8,9) étant destiné à protéger l'enveloppe de la métallisation par la vapeur d'arc et produisant secondairement une augmentation de la valeur du champ électrique sur ledit contact (3,4). 12. Ampoule à vide selon la revendication 11, caractérisée en ce que ledit second écran (8,9) est monté entre l'écran (10,11) dit premier, et l'enveloppe E de l'ampoule A. 13. Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou chaque contact (3,4) comporte au moins une fente (12) traversant il ledit contact (3,4), lesdites fentes (12) étant agencées de manière à recevoir le liquide précité et à faciliter son écoulement (3,4). 14. Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour réaliser la continuité physique sur les contacts (3,4) en position fermée, en un endroit o l'usure des contacts (3,4) est minimale. 15. Ampoule à vide selon la revendication 14, caractérisée en ce que la continuité physique est réalisée au moyen d'un anneau (15), de secteurs d'anneau ou de plots agencés sur la surface de contact de l'un des contacts (3) et situés en regard respectivement d'un anneau (16), de secteurs d'anneau, ou de plots agencés sur la surface de contact de l'autre (4) des contacts. 16. Ampoule à vide selon les revendications 4 et 15, caractérisée en ce que ces anneaux (15,16), secteurs d'anneaux ou plots sont situés au-dessus du (des) fossé(s) précité(s) (13,14) séparant l'écran (les écrans) dit(s) premier(s) (10,11) du (des) contact(s) associés(s) (3,4). 17. Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un écran dit troisième, réalisé en un matériau conducteur, ledit écran étant situé à l'intérieur de l'enveloppe E au droit de l'intervalle de séparation des contacts (3,4) et étant relié électriquement à l'un des contacts (3,4), ledit écran étant localisé autour des contacts (3,4) en une position prédéterminée en fonction de la position des amenées de courant de manière que lorsque l'arc tend à dévier de l'intervalle précité, cet arc se place entre les contacts (3,4) et l'écran.