EP0041523B1 - Perfectionnements aux dispositifs de coupure a conducteur destructible par effet pyrotechnique avec systeme fusible en derivation - Google Patents

Perfectionnements aux dispositifs de coupure a conducteur destructible par effet pyrotechnique avec systeme fusible en derivation Download PDF

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EP0041523B1
EP0041523B1 EP80902391A EP80902391A EP0041523B1 EP 0041523 B1 EP0041523 B1 EP 0041523B1 EP 80902391 A EP80902391 A EP 80902391A EP 80902391 A EP80902391 A EP 80902391A EP 0041523 B1 EP0041523 B1 EP 0041523B1
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EP
European Patent Office
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intermediate part
destructible
bore
destructible conductor
piston
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EP80902391A
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Jean-Pierre Cinquin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lucien Ferraz et Cie SA
Original Assignee
Lucien Ferraz et Cie SA
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/10Adaptation for built-in fuses
    • H01H9/106Adaptation for built-in fuses fuse and switch being connected in parallel
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H01H39/006Opening by severing a conductor

Definitions

  • the present invention relates to devices for breaking an electrical circuit by pyrotechnic effect with a fused bypass system, according to the preamble of claim 1.
  • Apparatuses are known in which a punching piston is repelled by a pyrotechnic charge so as to cut a destructible conductor.
  • Document DE-A-1 904 244 describes a breaking device comprising three successive metal parts arranged substantially along the same axis, namely an upstream part constituted by a socket closed by a plug and in which the load is disposed with a filling mass , an intermediate part or connecting part which forms in a way the integral extension of the bottom of the sleeve to which it is connected only by an annular zone of small thickness, and a downstream part or conduction part, inside which the connecting piece or intermediate part is slidably engaged.
  • the intermediate part is torn off from the bottom of the upstream part and is projected inside the downstream part, which is provided with means for stopping its travel and locking it in position.
  • the electric circuit is then cut, all the intensity goes through the fuse system which jumps instantly.
  • the current can flow between the intermediate part and the downstream part only through the contact established between these two parts.
  • contact is not always perfect, especially in the case of aggressive atmospheres which tend to attack the surfaces concerned.
  • a significant contact resistance then appears and there is a voltage drop and overheating.
  • the highly ionized combustion gases spread in the space which then separates the upstream part from the intermediate part torn from it and projected to the inside the downstream part, which favors the formation of the breaking arc and tends to maintain it.
  • the filling mass which surrounds the charge can be constituted by what is called an arc extinguishing material (silica powder, for example), but the action of such a material is obviously hampered by the presence ionized gases.
  • the invention aims to improve the devices of the kind in question, as mentioned according to the characterizing part of claim 1.
  • the invention uses, as is known in the prior art, a punch piston slidably mounted in the upstream part so as to be interposed between the pyrotechnic charge and the metal elements conductors to be cut, that is to say in the present case the annular zone which connects the bottom of the upstream part to the intermediate part.
  • the intermediate part is in one piece with the downstream part to which it is connected by another annular zone of small cross section, so that the whole of the destructible conductor constitutes only one unique piece.
  • the device represented in FIG. 1 comprises a destructible conductor 1 having the shape of a substantially cylindrical body which can be divided into three parts starting from the left, namely an upstream part 1a in the form of a socket, then an intermediate part 1b of which the diameter is reduced to a considerable extent by an annular groove 1c and finally a downstream part 1d comprising a blind bore 1e of diameter barely greater than that of the intermediate part 1b.
  • the upstream part 1a delimits a cylindrical interior space whose bottom 1f is in the form of a flared truncated cone with a cylindrical central depression 1g of shallow depth and of diameter slightly smaller than that of the intermediate part 1b.
  • the arrangement is such that this depression leaves only a 1 h connection zone with a small cross section between this part 1 b and the upstream part 1 a.
  • connection zone 1 i with a relatively small section.
  • a sleeve 2 of small thickness made of insulating material.
  • a piston 3 of laminated insulating material with high non-thermoplastic mechanical strength the face of which faces towards the bottom of said space is shaped so as to correspond to the profile thereof, namely with a frustoconical surface 3a and a central cylindrical boss 3b, it being noted however that the length of this boss is notably greater than the depth of the depression 1g.
  • the piston 3 is normally completely pushed back to the left so that its boss 3b touches the bottom of the depression 1g, so that an empty space 4 of appreciable width is formed between the frustoconical surfaces facing the bottom of the part 1a and this piston 3.
  • the face of the piston 3 opposite the boss 3b is hollowed out with a blind bore 3c in which is engaged one of the ends of a pyrotechnic engine 5.
  • the latter comprises a main body metallic cap 5a containing the pyrotechnic charge proper, a piston 5b which protrudes from this body to come to the bottom of the blind bore 3c and at its opposite end a head 5c to which lead the electrical ignition conductors 6.
  • the body 5a is provided with a rib or flange 5d against which bears a ring 7 of thermosetting material clamped by the inner rim of a metal crown 8 screwed into the threaded outlet of the upstream part 1a.
  • the intermediate part 1b is pierced axially with a tapped hole into which is screwed the end of a rod 9 which extends into the blind bore 1e of the downstream part 1d.
  • the outlet of this bore is internally threaded to receive a metal plug 10 pierced with an axial bore 10a with a small cone angle converging towards the outside, this bore receiving the end 9a of the rod 9, provided at a cone angle identical.
  • the groove 1c which defines the intermediate part 1b is closed by a sleeve 11 extending on either side thereof over a fraction of the length of the upstream and downstream parts 1a and 1d.
  • This sleeve is made of thermosetting material reinforced with glass fibers so as to have a high mechanical tensile strength in the longitudinal direction. It is moored to the aforementioned upstream and downstream parts by means of metal studs 12 whose ends opposite the axis of the conductor 1 are covered by the material of the sleeve or by an attached coating, the whole so that these studs are maintained in place and isolated from the outside atmosphere.
  • the sleeve 11 can be provided and mounted so as to close the groove 1c in a perfectly sealed manner, if desired.
  • the device finally comprises several fusible cartridges 13 regularly arranged around the sleeve 11.
  • the number of these cartridges can vary depending on the case, the essential being only that there are at least two.
  • the ends of these cartridges are fitted with metal contact brackets 14, the horizontal branch of which is permanently fixed to the upstream and downstream parts 1a and 1d of the destructible conductor 1 beyond the sleeve 11 by screws 15.
  • the device To use the device that has just been described, it is mounted on a suitable support by means of metal clamping collars coming to surround the ends of the upstream and downstream parts 1a and 1d to constitute circuit terminals.
  • the current normally passes almost entirely through the intermediate part 1b whose ohmic resistance is much lower than that of all of the cartridges 13 which are therefore crossed only by a very small fraction of the intensity thereof and do not undergo no appreciable heating.
  • the wires 6 being connected to a suitable control device, for example to an overcurrent detector, when the latter sends a signal, the charge contained by the motor 5 explodes.
  • the inner piston 5b of this engine is therefore pushed to the left and the force applied to it is sufficient for the boss 3b, acting like a punch, to shear the connection zones 1h h and 1i i of the zone intermediate 1 with parts 1 a and 1d.
  • a suitable control device for example to an overcurrent detector
  • the annular chamber or sectioning chamber 16 defined by the annular groove 1c remains isolated from the outside and therefore there can not be formed there a surface deposit of dust or other impurities liable to carry out a path of travel between the upstream and downstream parts 1a and 1d during the overvoltage which follows the operation of the cartridges 13. It is even possible, if desired, to fill this chamber 16 with a suitable solid, liquid, or even gaseous material to oppose any arc formation during such an overvoltage.
  • this sleeve is made very thick and provision is made in this thickness for longitudinal bores inside which the cartridges can be produced by arranging fuses with a mass of arc extinguishing material and closing the whole with two metal heads, in the manner well known in the art.
  • this ring of cartridges can be produced in a thick insulating sleeve attached to the sleeve 11 of FIG. 1 and 2.

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Abstract

Lorsque la cartouche ou moteur pyrotechnique (5) est mis en action par allumage electrique a partir de sa tete (5c), elle repousse le piston isolant (3) qui separe par cisaillement la partie intermediaire de liaison (1b) du conducteur destructible (1) et la repousse dans l'alesage (1 e) avec la tige (9) dont l'extremite conique (9a) vient se coincer dans le bouchon (10) pour former frein. Les cartouches fusibles (13) coupent alors le circuit en toute securite. Application a la coupure de circuits electriques, par exemple sous l'effet de detecteurs de surintensite.

Description

  • La présente invention se réfère aux dispositifs de coupure d'un circuit électrique par effet pyrotechnique avec système fusible en dérivation, selon le préambule de la revendication 1.
  • On connaît des appareils dans lesquels un piston poinçonneur est repoussé par une charge pyrotechnique de façon à venir sectionner un conducteur destructible.
  • Le document DE-A-1 904 244 décrit un dispositif de coupure comprenant trois parties métalliques successives disposées substantiellement suivant le même axe, savoir une partie amont constituée par une douille fermée par un bouchon et dans laquelle la charge est disposée avec une masse de remplissage, une partie intermédiaire ou pièce de liaison qui forme en quelque sorte le prolongement intégral du fond de la douille auquel elle n'est reliée que par une zone annulaire de faible épaisseur, et une partie aval ou pièce de conduction, à l'intérieur de laquelle la pièce de liaison ou partie intermédiaire est engagée à coulissement. Lorsque la charge explose la partie intermédiaire est arrachée du fond de la partie amont et est projetée à l'intérieur de la partie aval, laquelle est pourvue de moyens pour arrêter sa course et la bloquer en position. Le circuit électrique est alors coupé, toute l'intensité passe par le système fusible qui saute instantanément.
  • Dans cette disposition le courant ne peut circuler entre la partie intermédiaire et la partie aval qu'à travers le contact établi entre ces deux parties. Or un tel contact n'est pas toujours parfait, notamment dans le cas d'atmosphères agressives qui tendent à attaquer les surfaces intéressées. Il apparaît alors une résistance de contact non négligeable et il y a chute de tension et échauffement. Il convient en outre de noter que lors de l'explosion de la charge pyrotechnique, les gaz de combustion, fortement ionisés, se répandent dans l'espace qui sépare alors la partie amont de la partie intermédiaire arrachée d'elle et projetée à l'intérieur de la partie aval, ce qui favorise la formation de l'arc de rupture et tend à entretenir celui-ci. Certes la masse de remplissage qui entoure la charge peut être constituée par ce qu'on appelle une matière d'extinction d'arc (poudre de silice, par exemple), mais l'action d'une telle matière est évidemment gênée par la présence des gaz ionisés.
  • L'invention vise à perfectionner les dispositifs du genre en question, tel que mentionné selon la partie caractérisante de la revendication 1.
  • Il convient de noter tout d'abord à cet égard que l'invention utilise, à la façon connue dans la technique antérieure, un piston poinçonneur monté à coulissement dans la partie amont de manière à se trouver interposé entre la charge pyrotechnique et les éléments métalliques conducteurs à sectionner, c'est-à-dire dans le présent cas la zone annulaire qui relie le fond de la partie amont à la partie intermédiaire. Ceci posé, conformément à l'invention la partie intermédiaire est d'une seule pièce avec la partie aval à laquelle elle est reliée par une autre zone annulaire à faible section, de sorte que tout l'ensemble du conducteur destructible ne constitue qu'une pièce unique.
  • Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer :
    • Figure 1 est une coupe axiale générale d'un dispositif suivant l'invention à sa position normale de circuit fermé.
    • Figure 2 reproduit partiellement figure 1, mais en montrant les pièces à la position d'ouverture du circuit.
  • Le dispositif représenté en figure 1 comprend un conducteur destructible 1 présentant la forme d'un corps substantiellement cylindrique qu'on peut diviser en trois parties en partant de la gauche, savoir une partie amont 1a en forme de douille, puis une partie intermédiaire 1b dont le diamètre se trouve réduit dans une mesure considérable par une gorge annulaire 1c et enfin une partie aval 1d comportant un alésage borgne 1e de diamètre à peine supérieur à celui de la partie intermédiaire 1b.
  • La partie amont 1a délimite un espace intérieur cylindrique dont le fond 1f est en forme de tronc de cône évasé avec une dépression centrale cylindrique 1g de faible profondeur et de diamètre légèrement inférieur à celui de la partie intermédiaire 1b. L'agencement est tel que cette dépression ne laisse subsister qu'une zone de liaison 1 h à faible section entre cette partie 1 b et la partie amont 1a.
  • De même d'ailleurs le fond de l'alésage borgne 1 de la partie aval 1 d ne ménage entre cette partie et celle intermédiaire 1b qu'une zone de liaison 1 i à section relativement faible.
  • La paroi de l'espace intérieur cylindrique de la partie amont 1a est revêtue par un manchon 2 de faible épaisseur, fait en matière isolante. Dans ce manchon est monté à coulissement un piston 3 en matière isolante stratifiée à haute résistance mécanique non thermoplastique, dont la face tournée vers le fond dudit espace est conformée de façon à correspondre au profil de celui-ci, savoir avec une surface tronconique 3a et un bossage central cylindrique 3b, étant toutefois noté que la longueur de ce bossage est notablement supérieure à la profondeur de la dépression 1g. Le piston 3 est normalement complètement repoussé à gauche de manière que son bossage 3b touche le fond de la dépression 1g, de sorte qu'un espace vide 4 de largeur notable est ménagé entre les surfaces tronconiques en regard du fond de la partie 1a et de ce piston 3.
  • La face du piston 3 opposée au bossage 3b est creusée d'un alésage borgne 3c dans lequel est engagée l'une des extrémités d'un moteur pyrotechnique 5. Ce dernier comporte un corps principal métallique 5a renfermant la charge pyrotechnique proprement dite, un piston 5b qui dépasse de ce corps pour venir au fond de l'alésage borgne 3c et à son extrémité opposée une tête 5c à laquelle aboutissent les conducteurs 6 d'allumage électrique. Le corps 5a est pourvu d'une nervure ou bride 5d contre laquelle prend appui une bague 7 en matière thermodurcissable serrée par le rebord intérieur d'une couronne métallique 8 vissée dans le débouché fileté de la partie amont 1a.
  • La partie intermédiaire 1b est percée axialement d'un trou taraudé dans lequel est vissée l'extrémité d'une tige 9 qui s'étend dans l'alésage borgne 1e de la partie aval 1d. Le débouché de cet alésage est fileté intérieurement pour recevoir un bouchon métallique 10 percé d'un alésage axial 10a à faible angle de cône convergeant vers l'extérieur, cet alésage recevant l'extrémité 9a de la tige 9, prévue à un angle de cône identique.
  • La gorge 1c qui définit la partie intermédiaire 1b est fermée par un manchon 11 s'étendant de part et d'autre de celle-ci sur une fraction de la longueur des parties amont et aval 1a et 1d. Ce manchon est fait en matière thermodurcissable armée de fibres de verre de façon à comporter une grande résistance mécanique à la traction dans le sens longitudinal. Il est amarré aux parties amont et aval précitées par le moyen de goujons métalliques 12 dont les extrémités opposées à l'axe du conducteur 1 sont recouvertes par la matière constitutive du manchon ou par un revêtement rapporté, le tout de façon que ces goujons soient maintenus en place et isolés de l'atmosphère extérieure. Il convient de noter que le manchon 11 peut être prévu et monté de manière à fermer la gorge 1c de façon parfaitement étanche, si on le désire.
  • Le dispositif comprend enfin plusieurs cartouches fusibles 13 disposées régulièrement autour du manchon 11. Le nombre de ces cartouches peut varier suivant les cas, l'essentiel étant seulement qu'il y en ait au moins deux. Les extrémités de ces cartouches sont équipées d'équerres métalliques de contact 14 dont la branche horizontale est fixée à demeure aux parties amont et aval la et 1d du conducteur destructible 1 au-delà du manchon 11 par des vis 15.
  • Pour utiliser le dispositif qu'ont vient de décrire, on le monte sur un support approprié par le moyen de colliers métalliques de serrage venant entourer les extrémités des parties amont et aval 1 a et 1d pour constituer bornes de mise en circuit. Le courant passe normalement en presque totalité par la partie intermédiaire 1b dont la résistance ohmique est nettement inférieure à celle de l'ensemble des cartouches 13 qui ne sont donc traversées que par une très faible fraction de l'intensité de celui-ci et ne subissent aucun échauffement appréciable.
  • Les fils 6 étant reliés à un appareil de commande approprié, par exemple à un détecteur de surintensité, lorsque celui-ci envoie un signal, la charge renfermée par le moteur 5 explose. Le piston intérieur 5b de ce moteur est donc repoussé vers la gauche et la force qui lui est appliquée est suffisante pour que le bossage 3b, agissant à la façon d'un poinçon, cisaille les zones de liaison 1h h et 1i i de la zone intermédiaire 1 avec les parties 1 a et 1d. On arrive ainsi à la position indiquée en fig. 2 : la partie intermédiaire 1b, séparée des parties 1 a et 1 précitées, a été repoussée dans l'alésage 1e de la partie aval 1d, tandis que la face gauche tronconique 3a du piston isolant 3 est venue s'appliquer à la façon d'un clapet contre le fond de forme correspondante 1f de l'intérieur de la partie amont 1a en faisant disparaître l'espace vide 4 (l'air qui remplissait ce dernier s'étant évacué par les défauts d'étanchéité du piston). En même temps la tige 9 a quelque peu cheminé à force dans le bouchon 10 moyennant une très légère dilatation de celui-ci, en réalisant ainsi un effet de freinage qui empêche la partie intermédiaire 1 d'être projetée à l'extérieur à la façon d'un projectile.
  • Le passage du courant à travers le conducteur destructible est donc coupé et toute l'intensité circule dans les cartouches 13 qui, prévues pour une limite de courant beaucoup plus faible, sautent presque instantanément en interrompant définitivement le circuit.
  • Par suite de la présence du manchon entourant 11, la chambre annulaire ou chambre de sectionnement 16 définie par la gorge annulaire 1c reste isolée de l'extérieur et par conséquent il ne peut s'y former un dépôt superficiel de poussières ou autres impuretés susceptibles de réaliser un trajet de cheminement entre les parties amont et aval 1a et 1d lors de la surtension qui suit le fonctionnement des cartouches 13. On peut même, si désiré, remplir cette chambre 16 d'une matière appropriée solide, liquide, voire même gazeuse propre à s'opposer à toute formation d'arc lors d'une telle surtension.
  • En second lieu, en raison de l'effet de clapet résultant de l'application quasi étanche du piston 3 contre le fond de la partie amont 1a, les gaz provenant de l'explosion de la charge pyrotechnique ne peuvent accéder à la chambre 16 pour y provoquer des phénomènes d'ionisation quelconques susceptibles de provoquer l'amorçage d'un arc et celà même si le corps 5a du moteur a éclaté. L'évacuation de ces gaz ne peut s'effectuer que par les défauts d'étanchéité entre les pièces qui ferment à droite l'espace intérieur de la partie 1a. Bien entendu rien n'interdit d'exagérer éventuellement ces défauts par des rainures, des orifices calibrés, etc... si on le juge nécessaire.
  • On notera que le cisaillement de la partie intermédiaire 1 b entraîne deux réactions respectivement sur la partie amont 1a et sur celle 1d. La première est équilibrée par la réaction en sens inverse appliquée à la bague 7. Quant à la seconde, elle est théoriquement supportée par le manchon 11. Mais l'expérience montre que le phénomène de cisaillement est de si courte durée que l'inertie de la masse de la partie aval 1d suffit pratiquement à lui résister (en d'autres termes, si les goujons 12 arrivent à déchirer localement le manchon 11, cela n'apparaît que sur une longueur négligeable de celui-ci et ne modifie rien au fonctionnement).
  • Enfin en raison de la répartition régulière des cartouches 13 autour du conducteur destructible 1, la brusque dérivation de la totalité de l'intensité à travers celles-ci ne fait apparaître aucun effet notable de self-induction, de sorte qu'il n'y a pas génération d'une surtension notable lors de la coupure du conducteur précité.
  • Pour réduire l'encombrement de l'ensemble du dispositif et le rendre plus compact, on peut incorporer les cartouches fusibles 13 à la périphérie du manchon 11. En pareil cas on réalise ce manchon à forte épaisseur et l'on prévoit dans cette épaisseur des alésages longitudinaux à l'intérieur desquels on peut réaliser les cartouches en y disposant des fusibles avec une masse de matière d'extinction d'arc et en fermant le tout par deux têtes métalliques, à la façon bien connue dans la technique. En variante on peut réaliser cette couronne de cartouches dans un manchon isolant épais rapporté sur le manchon 11 de fig. 1 et 2.

Claims (9)

1. Dispositif de coupure ultra-rapide d'un circuit électrique, du genre comportant un conducteur destructible (1) en dérivation sur un système fusible (13, 14), et qui comprend une partie amont (1a) présentant la forme d'une douille dans laquelle un piston poiçonneur (3) peut coulisser sous l'effet d'une charge pyrotechnique, la face extérieure du fond de cette dcuille se prolongeant par une partie intermédiaire (1b) arracha- ble, de forme substantiellement cylindrique, elle-même reliée électriquement à une partie aval (1d) située à un certain écartement de la partie amont (1a) et percée d'un alésage dans lequel la partie intermédiaire (1b) peut coulisser après avoir été arrachée de la partie amont (1a), caractérisé en ce que la partie intermédiaire (1b) est d'une seule pièce avec la partie aval (1d) à laquelle est reliée par une zone annulaire (1 i) à faible section, de sorte que tout l'ensemble du conducteur destructible ne constitue qu'une pièce unique.
2. Dispositif suivant la revendication 1, dans lequel la partie amont (1a) et la partie intermédiaire (1 b) du conducteur destructible (1) sont coaxiales, caractérisé en ce que la partie intermédiaire (1b), présente un diamètre extérieur notablement inférieur au diamètre intérieur de la partie amont (1a), et en ce que le piston poiçonneur (3) comporte sur sa face tournée vers le fond de cette partie amont (1a) un bossage cylindrique (3b) de diamètre correspondant à celui de l'alésage (1e) de la partie aval (1d).
3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la partie du piston (3) qui entoure le bossage central (3b) de celui-ci est conformée de manière à s'appliquer de façon substantiellement étanche contre le fond (1f) de la partie amont (1a) de façon à empêcher les gaz engendrés par l'explosion de la charge pyrotechnique (5) d'accéder au point de rupture entre ladite partie amont (1a) et la partie intermédiaire (1b).
4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que la gorge annulaire (1c) déterminée par la réduction de diamètre du conducteur destructible (1) au droit de la partie intermédiaire (1b) est entourée de façon substantiellement étanche par un manchon isolant (11) qui délimite ainsi une chambre de sectionnement (16). 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la chambre de sectionnement (16) renferme une substance s'opposant à l'amorçage d'un arc.
6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce qu'à la partie intermédiaire (1 b) est fixée une tige axiale (9) qui traverse un bouchon (10) de guidage et de retenue monté dans le débouché de l'alésage de la partie aval (1d).
7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la tige (9) et la perforation centrale correspondante (10a) du bouchon (10) sont légèrement coniques avec faible angle de cône convergeant vers l'extérieur, de manière à assurer le freinage progressif de la partie intermédiaire (1 b).
8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que le système fusible est constitué par des cartouches à fusibles (13) disposées en cercle autour du conducteur destructible (1).
9. Dispositif suivant l'ensemble des revendications 4 et 8, caractérisé en ce que les cartouches à fusibles (13) sont établies dans des alésages pratiqués dans l'épaisseur du manchon isolant (11) qui entoure le conducteur destructible (1).
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