Brevet FR3056822A1 — publié le 20180330

Ampoule à vide pour appareil de connexion électrique Domaine technique de l'invention La présente invention concerne une ampoule à vide destinée à assurer une coupure d'un circuit électrique dans un appareil de connexion électrique moyenne tension et haute tension, c'est-à-dire un appareil opérant à une tension supérieure à 1000V. L'invention concerne également un appareil de connexion électrique comportant une telle ampoule à vide pour au moins une de ses phases. Dans le présent document, le terme appareil de connexion électrique regroupe indifféremment plusieurs types d'appareils électriques comme un interrupteur, un disjoncteur, un contacteur, un interrupteur fusible, un recloser, etc. Etat de la technique Un appareil de connexion électrique moyenne tension et haute tension du type de celui décrit dans le document EP2182536 comporte une ampoule à vide qui est placée non pas dans le circuit principal comprenant l'interrupteur principal d'une phase de l'appareil, mais dans une dérivation en parallèle de cet interrupteur principal. En fonctionnement normal lorsque l'interrupteur principal est fermé, il ne passe aucun courant dans l'ampoule à vide. Celle-ci n'est sollicitée que durant une opération d'ouverture du circuit principal, à l'aide d'un mécanisme d'ouverture de l'interrupteur principal qui permet de basculer le courant progressivement du circuit principal vers la dérivation, de façon à ouvrir l'interrupteur principal pendant que le courant passe intégralement dans l'ampoule à vide. Celle-ci est ensuite ouverte à son tour par le mécanisme d'ouverture. On évite ainsi l'apparition d'un arc électrique de coupure au niveau de l'interrupteur principal lors de l'opération d'ouverture. Grâce à cette architecture, l'ampoule à vide reçoit un courant uniquement durant la phase d'ouverture du circuit principal de phase, et pas en fonctionnement normal. De plus, l'ampoule n'est pas sollicitée durant une opération de fermeture du circuit principal et elle n'a pas à supporter non plus un éventuel courant de court-circuit. Elle doit juste être capable de supporter une tension transitoire de rétablissement (Transient Recovery Voltage - TRV) après la coupure du courant dans le circuit principal. 3056822 2 Il en résulte que l'ampoule à vide peut avantageusement être simplifiée et conçue d'une taille bien inférieure par rapport à une architecture classique dans laquelle l'ampoule à vide est placée dans le circuit principal de l'appareil de connexion électrique. 5 Cependant, la réduction de taille de l'ampoule à vide entraîne potentiellement des contraintes de champ électrostatique plus importantes que sur une ampoule à vide de plus grande taille, ainsi que des difficultés pour contrôler la bonne étanchéité de la chambre de coupure de l'ampoule. L'invention a donc pour but de concevoir une ampoule à vide de taille réduite 10 qui soit capable de surmonter les contraintes de champ électrostatique dues à la réduction de ses dimensions. L'invention a également pour but de s'assurer de l'étanchéité et de la qualité du vide lors de la fabrication d'une telle l'ampoule à vide. A titre d'exemples, une telle ampoule à vide pourrait avoir un diamètre de l'ordre de 30 à 80 mm et une longueur de l'ordre de 40 à 80 mm pour une tension de 12kV, et un 15 diamètre de l'ordre de 40 à 100 mm et une longueur de l'ordre de 50 à 120 mm pour une tension de 24kV. Exposé de l'invention Ce but est atteint par une ampoule à vide destinée à un appareil de connexion 20 électrique, comprenant une première électrode se terminant par une première zone de contact et une seconde électrode se terminant par une seconde zone de contact, la première électrode étant mobile par rapport à la seconde électrode entre une position fermée dans laquelle les deux zones de contact sont en contact l'une avec l'autre et une position ouverte dans laquelle les deux zones de contacts sont séparées. 25 Selon l'invention, la seconde zone de contact est de forme arrondie, la seconde électrode comporte un renfoncement axial à proximité de la seconde zone de contact, et l'ampoule à vide comporte un écran métallique entourant la première zone de contact et la seconde zone de contact, l'écran comportant une première extrémité qui est fixée à la première électrode et une extrémité libre opposée présentant une 30 boucle. Selon une caractéristique, la seconde zone de contact est de forme semisphérique ou de forme semi-elliptique. 3056822 3 Selon un premier mode de réalisation, la seconde électrode est fixe par rapport à l'ampoule et la première électrode est mobile par rapport à l'ampoule. Selon une autre caractéristique, la boucle de l'écran est orientée vers l'extérieur de l'ampoule. Alternativement, la boucle de l'écran est orientée vers 5 l'intérieur de l'ampoule. Selon une autre caractéristique, l'ampoule à vide comporte un soufflet d'étanchéité autour de la première électrode et l'écran est fixé à la première électrode entre le soufflet d'étanchéité et la première zone de contact. Selon une autre caractéristique, l'écran comporte également un 10 rétrécissement de son diamètre au voisinage de l'extrémité libre. Selon un deuxième mode de réalisation, la première électrode est fixe par rapport à l'ampoule et la seconde électrode est mobile par rapport à l'ampoule. L'invention se rapporte également un appareil de connexion électrique comportant une telle ampoule à vide pour au moins une des phases, l'ampoule à vide 15 étant placée en dérivation d'un interrupteur principal de phase de l'appareil de connexion électrique. Description détaillée D'autres caractéristiques vont apparaître dans la description détaillée qui suit 20 faite en regard des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 montre une vue simplifiée en coupe d'un mode de réalisation d'une ampoule à vide selon l'invention, la figure 2 montre une vue simplifiée en coupe d'une variante de la figure 1, la figure 3 reprend la figure 1 en illustrant une localisation possible des 25 pièges à électrons. En référence à la figure 1, une ampoule à vide 10 comporte un tube isolant sensiblement cylindrique 14, de préférence en céramique, dont les deux extrémités sont fermées par respectivement une première plaque de contact 12 et une seconde 30 plaque de contact 13. Le tube 14 et les plaques de contacts 12, 13 délimitent une chambre de coupure 11 dans laquelle il est possible de faire le vide. De façon connue, l'ampoule 10 comporte une première électrode 20 (appelée aussi première tige conductrice) conductrice traversant la première plaque de contact 3056822 4 12 et se terminant par une première zone de contact 21. De même, l'ampoule 10 comporte une seconde électrode 25 (appelée aussi seconde tige conductrice) conductrice traversant la seconde plaque de contact 13 et se terminant par une seconde zone de contact 26. La première électrode 20 est mobile selon un axe 5 longitudinal par rapport à la seconde électrode 25 entre une position dite fermée dans laquelle la première zone de contact 21 est en contact avec la seconde zone de contact 26 de sorte qu'un courant peut traverser l'ampoule à vide 10, et une position dite ouverte dans laquelle les deux zones de contacts 21, 26 sont séparées. Toutes les figures montrent une ampoule à vide 10 en position ouverte. 10 Dans les modes de réalisation présentés dans les figures, la seconde électrode 25 est fixe par rapport à l'ampoule 10 et la première électrode 20 est mobile par rapport à l'ampoule 10. Un soufflet d'étanchéité 18 entoure la première électrode mobile 20 pour garantir l'étanchéité de la chambre 11 vis-à-vis de l'extérieur. Alternativement, on pourrait envisager de façon équivalente une première 15 électrode qui est fixe par rapport à l'ampoule à vide et une seconde électrode qui est mobile par rapport à l'ampoule à vide, avec un soufflet d'étanchéité entourant alors la seconde électrode. L'ampoule à vide 10 comporte également un écran de protection métallique 15 de protection contre les projections, qui entoure la première zone de contact 21 et la 20 seconde zone de contact 26. L'écran 15 possède de préférence une section transversale sensiblement circulaire. Il comporte une extrémité qui est fixée à la première électrode 20 et comporte à l'opposé une extrémité libre 16. Etant donné les faibles dimensions de l'ampoule à vide et les performances de coupure requises, un tel écran 15 est suffisant pour protéger la céramique du tube 14 et le soufflet d'étanchéité 25 18 contre d'éventuelles projections de matière lors des coupures. Donc, prévoir un autre écran n'est pas nécessaire et l'ampoule à vide 10 ne comporte avantageusement qu'un seul écran 15 de protection contre les projections. Durant la phase d'ouverture, l'apparition d'une tension transitoire de 30 rétablissement (TRV) entraîne un champ électrostatique élevé dans certaines régions de l'ampoule à vide 10 qui comportent des arêtes, en particulier au niveau des zones de contact et au niveau de l'extrémité libre 16 de l'écran 15. Ce problème est accru du fait des faibles dimensions de l'ampoule à vide. 3056822 5 C'est pourquoi, l'invention prévoit que la seconde zone de contact 26 ne soit pas plane comme dans les solutions habituelles, mais soit de forme arrondie, de façon à éviter les angles trop marqués. Cette solution permet une meilleure répartition du champ électrostatique sur une plus grande partie de la seconde zone de contact 26 et 5 permet d'éviter les pointes. Dans le mode de réalisation de la figure 1, la seconde zone de contact 26 présente ainsi un dôme qui est sensiblement semi-sphérique. Alternativement, la seconde zone de contact 26 pourrait présenter un dôme de forme sensiblement semi-elliptique. Pour réduire au maximum le champ électrique, d'autres formes arrondies sont également possibles pour la seconde zone de contact 26, par 10 exemple en associant plusieurs rayons de courbure et sections droites (profils de type Rogowski, Borda). Par ailleurs, la première zone de contact 21 pourrait elle aussi ne pas être plane mais présenter également une forme arrondie selon une des variantes décrites ci-dessus. 15 Le fait d'avoir au moins une des deux zones de contact 21, 26 qui ne soit pas plane entraîne une diminution des surfaces qui sont en contact et augmente donc la résistance de contact lorsque l'ampoule 10 est en position fermée. Ceci est néanmoins acceptable car l'ampoule à vide est placée dans un circuit en dérivation et non dans un circuit principal de l'appareil de connexion électrique et elle n'est donc utilisée que 20 pendant les opérations d'ouverture, comme indiqué précédemment. Elle doit donc supporter des courants moins élevés et pendant un temps beaucoup plus court. Pour améliorer la répartition du champ électrostatique, l'invention prévoit également que l'écran métallique 15 se termine par une boucle 17 ce qui évite d'avoir 25 une arête sur l'extrémité libre 16 de l'écran. Selon une première variante représentée dans les figures 1 et 2, la boucle 17 est orientée vers l'extérieur de l'ampoule. Selon une seconde variante, la boucle 17 pourrait aussi être orientée vers l'intérieur de l'ampoule, ce qui permettrait aussi d'améliorer la capacité de l'écran 15 à piéger plus d'électrons dans la zone interne 31 lorsque l'écran 15 est polarisé négativement durant 30 la procédure de test, comme expliqué ci-après. Pour simplifier la réalisation industrielle de l'écran, cette boucle 17 n'est pas directement réalisée dans la même pièce que l'écran mais peut être réalisé à partir d'une pièce distincte, tel qu'un tore métallique ouvert qui est fixé à l'extrémité libre 16 de l'écran 15 par exemple par soudage. 3056822 6 Une ampoule à vide est censée garantir une bonne étanchéité à l'air pendant de très nombreuses années. Pour mesurer d'éventuelles fuites qui subsisteraient dans l'ampoule et donc mesurer la pression résiduelle dans l'ampoule après sa fabrication, il 5 existe une procédure de test dans laquelle l'ampoule à vide est placée dans un magnétron. Le magnétron consiste à placer l'ampoule dans un champ magnétique axial, par exemple de l'ordre de 50 à 250 mT créé à partir d'aimants/électroaimants situés autour du tube de l'ampoule, et dans un champ électrostatique radial perpendiculaire, 10 par exemple de l'ordre de 2 à 20 kV créé à partir d'un générateur haute tension relié aux électrodes de l'ampoule à vide. Ce flux croisé entre le champ magnétique axial et le champ électrostatique radial permet de piéger des électrons de fortes énergies et ainsi de générer une décharge de très basse pression dont l'intensité est globalement proportionnelle à la pression résiduelle de l'ampoule. 15 Si l'on est capable de piéger suffisamment d'électrons dans l'ampoule à proximité de l'une ou l'autre des électrodes, il est alors possible de mesurer un courant circulant entre les deux électrodes. Le courant ainsi mesuré entre les deux électrodes est donc proportionnel à la pression d'air résiduelle existant dans l'ampoule. Ainsi cette procédure de test, qui est par exemple réalisée lors de la fabrication d'une ampoule à 20 vide, permet de mesurer jusqu'à des pressions de l'ordre de 10-7 mbar et est donc bien représentative de la qualité du vide existant dans l'ampoule. Pour pouvoir retenir le plus possible d'électrons durant cette procédure de test et donc avoir le meilleur signal de mesure possible pour une pression la plus basse possible, l'ampoule comporte un ou plusieurs pièges à électrons 30, 31 localisés à 25 plusieurs endroits, comme le montre la figure 3. Ainsi, la seconde électrode 25 comporte un renfoncement axial 27 à proximité de la seconde zone de contact 26, comme indiqué dans les figures. Ce renfoncement 27 correspond à une partie en retrait, c'est-à-dire à une partie présentant une diminution du diamètre de la seconde électrode 25, par exemple de l'ordre de quelques 30 millimètres, la seconde électrode retrouvant ensuite son diamètre initial par exemple. Préférentiellement, cette diminution du diamètre est présente le long de l'axe longitudinal de la seconde électrode 25 sur seulement une petite longueur, par exemple de l'ordre de quelques millimètres. Cette portion délimite alors une zone 30 dans laquelle pourront être piégés un certain nombre d'électrons dans le cas où, 3056822 7 durant la procédure de test, l'écran 15 est polarisé positivement par le champ électrostatique radial (c'est-à-dire raccordé à la borne positive du générateur haute-tension du magnétron) et la seconde électrode 25 est polarisée négativement (c'est-à-dire raccordé à la borne négative du générateur haute-tension). 5 Dans le mode de réalisation de la figure 2, l'écran 15 peut également présenter optionnellement un rétrécissement 18 au voisinage de son extrémité libre 16, avant la boucle 17. Ce rétrécissement 18, de l'ordre de quelques millimètres et qui resserre l'extrémité libre 16, permet alors de délimiter une zone interne 31 entre les extrémités de l'écran 15 dans laquelle pourront être piégés un certain nombre 10 d'électrons dans le cas où, durant la procédure de test, l'écran 15 est polarisé négativement et la seconde électrode 25 est polarisée positivement par le champ électrostatique radial. REVENDICATIONS1. Ampoule à vide (10) destinée à un appareil de connexion électrique, comprenant une première électrode (20) se terminant par une première zone de contact (21) et une seconde électrode (25) se terminant par une seconde zone de contact (26), la première électrode (20) étant mobile par rapport à la seconde électrode (25) entre une position fermée dans laquelle les deux zones de contact (21, 26) sont en contact l'une avec l'autre et une position ouverte dans laquelle les deux zones de contacts (21, 26) sont séparées, caractérisée en ce que : - la seconde zone de contact (26) est de forme arrondie, - la seconde électrode (25) comporte un renfoncement axial (27) à proximité de la seconde zone de contact (26), - l'ampoule à vide (10) comporte un écran métallique (15) entourant la première zone de contact (21) et la seconde zone de contact (26), l'écran comportant une première extrémité qui est fixée à la première électrode (20) et une extrémité libre opposée (16) présentant une boucle (17). 2. Ampoule à vide selon la revendication 1, caractérisée en ce que la seconde zone de contact (26) est de forme semi-sphérique ou de forme semi- elliptique. 3. Ampoule à vide selon la revendication 1, caractérisée en ce que la seconde électrode (25) est fixe par rapport à l'ampoule (10) et la première électrode (20) est mobile par rapport à l'ampoule (10). 4. Ampoule à vide selon la revendication 3, caractérisée en ce que la boucle (17) de l'écran (15) est orientée vers l'extérieur de l'ampoule (10). 5. Ampoule à vide selon la revendication 3, caractérisée en ce que la boucle (17) de l'écran (15) est orientée vers l'intérieur de l'ampoule (10). 6. Ampoule à vide selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que la boucle est réalisée à l'aide d'un tore métallique ouvert fixé à l'extrémité libre de l'écran. 7. Ampoule à vide selon la revendication 3 comportant un soufflet d'étanchéité (18) autour de la première électrode (20), caractérisée en ce que 3056822 9 l'écran (15) est fixé à la première électrode (20) entre le soufflet d'étanchéité (18) et la première zone de contact (21). 8. Ampoule à vide selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'écran (15) comporte également un rétrécissement (18) de son diamètre au voisinage de 5 l'extrémité libre (16). 9. Ampoule à vide selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première électrode est fixe par rapport à l'ampoule et la seconde électrode est mobile par rapport à l'ampoule. 10. Appareil de connexion électrique caractérisé en ce qu'il comporte une 10 ampoule à vide selon l'une des revendications précédentes, l'ampoule à vide étant placée en dérivation d'un interrupteur principal de phase de l'appareil de connexion électrique.