FR3143893A1 - Eclateur à gaz à forte capacité d’extinction du courant de suite - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un éclateur à gaz 2 pour la protection d’une installation électrique, qui comporte un boîtier 4 étanche au gaz, deux électrodes 13, 14 allongées délimitant entre elles un espace inter-électrodes. L’espace inter-électrodes comporte successivement une chambre d’amorçage 17 et une chambre d’extinction 20 pour éteindre l’arc électrique. La chambre d’extinction 20 comporte des tôles de fractionnement 29 mutuellement espacées. L’éclateur à gaz 2 comporte également deux bornes de raccordement 11, 12 accessibles depuis un extérieur du boîtier 4 et destinées à permettre un raccordement électrique dudit éclateur à gaz 2 à l’installation électrique. Les deux bornes de raccordement 11, 12 sont respectivement reliées électriquement auxdites deux électrodes 13, 14. Enfin, l’éclateur à gaz 2 comporte un gaz inerte emprisonné dans le boîtier 4. Figure pour l’abrégé : Fig.   4

Description

Eclateur à gaz à forte capacité d’extinction du courant de suite
L’invention se rapporte au domaine général des dispositifs de protection contre les surtensions transitoires de tous types de circuits, d’installations, d’équipements électriques et de réseaux.
L’invention se rapporte plus particulièrement au domaine des parafoudres ou parasurtenseurs à éclateurs à gaz pour la protection des circuits, installations ou équipements électriques et réseaux contre les surtensions transitoires, notamment dues à la foudre.
 Arrière-plan technologique
Les réseaux électriques ou de transmission de données peuvent être soumis à des surtensions et des surintensités transitoires. Les perturbations industrielles et de manœuvre, engendrées par le démarrage ou l’interruption de moteurs ou d’alternateurs, la commutation de réseaux d’alimentation ou encore la chute des câbles électriques ayant des tensions différentes sont par exemple susceptibles de provoquer des surtensions et surintensités transitoires. En outre, lorsque ces réseaux comportent des câbles suspendus au-dessus du sol, fixés à des poteaux électriques ou à d’autres structures, sur de longues distances, ils sont particulièrement susceptibles d’être frappés par la foudre.
La foudre est caractérisée par un courant impulsionnel de décharge de forte intensité en crête avec un temps de montée de l’ordre de la microseconde. Typiquement, la foudre peut provoquer des surtensions de plusieurs millions de volts et des surintensités de milliers d'ampères. Or, les réseaux électriques ou de transmission de données ne sont pas prévus pour supporter de telles surtensions et surintensités transitoires.
Pour protéger ces réseaux, il est connu d’utiliser des dispositifs de protection généralement désignés par l’appellation « parafoudres » ou « parasurtenseurs » qui ont pour but d’écouler à la terre les courants impulsionnels, ce qui permet d’écrêter les surtensions à des valeurs compatibles avec la tenue de l’installation électrique et des équipements auxquels ils sont raccordés.
On connaît en particulier par FR 3 017 004 des parafoudres à éclateurs à gaz inerte. Un tel éclateur à gaz est un composant électrique hermétiquement scellé comportant deux électrodes conductrices séparées par une céramique isolante à l’intérieur duquel est emprisonné un gaz inerte. En fonctionnement normal du réseau électrique, c’est-à-dire en l’absence de surtension et/ou de surintensité, l’éclateur à gaz présente une résistance d’isolement très élevée, pouvant être considérée comme quasiment infinie. En revanche, lorsqu’il est soumis à une surtension transitoire, dont la valeur dépasse la tension d’amorçage de l’éclateur à gaz fixée par la pression du gaz inerte, un arc électrique se forme par ionisation de ce gaz inerte situé entre les électrodes : l’éclateur à gaz s’amorce brusquement et devient conducteur avec une impédance très faible. L’éclateur à gaz est alors assimilable à un court-circuit qui dérive à la terre un fort courant de décharge correspondant à la surtension transitoire. Il est ainsi possible de protéger les circuits électriques situés en aval de l’éclateur à gaz contre les courants impulsionnels en les évacuant vers la terre par l’intermédiaire de l’éclateur à gaz.
De tels éclateurs à gaz sont conçus pour présenter une bonne tenue aux courants de chocs, typiquement 100 kA. Le courant de choc est défini comme la tenue maximale sans destruction ni dispersion des caractéristiques électriques d’amorçage suite au passage d’une onde 10/350 µs représentative du courant de foudre généré lors d’un impact direct.
Cependant, une fois amorcé, l’éclateur à gaz écoule une partie du courant du réseau, alors appelé courant de suite. Les éclateurs à gaz étant hermétiquement scellés – contrairement aux éclateurs à air –, l’arc électrique ne peut pas être soufflé afin de supprimer le courant de suite, ce qui limite fortement leur capacité d’extinction, en général limitée à quelques centaines d’ampères.
Or, en cas de fonctionnement prolongé de l’éclateur à gaz, l’arc électrique peut provoquer une érosion des électrodes par arrachement de particules métalliques sur leur surface. Ces particules métalliques sont alors susceptibles de se déposer à un autre endroit dans l’espace situé entre les électrodes, créant ainsi une pollution conductrice qui risque de provoquer une défaillance de l’éclateur à gaz.
Plus précisément, l’arrachement des particules métalliques à la surface des électrodes peut conduire, soit à une dégradation du niveau de protection de l’éclateur à gaz en raison de l’augmentation non maîtrisée de la tension d’amorçage de l’éclateur à gaz, soit à la formation d’un chemin conducteur préférentiel entre les électrodes provenant de la formation d’un pont conducteur partiel ou total entre les électrodes. Dans ce dernier cas, le passage du courant électrique le long de ce pont risque également d’entraîner un échauffement anormal de l’éclateur.
Résumé
Une idée à la base de l’invention est de réaliser un éclateur à gaz présentant une meilleure capacité d’extinction du courant de suite, tout en conservant ses caractéristiques électriques d’amorçage et de tenue aux courants de choc.
Selon un mode de réalisation, l’invention fournit un éclateur à gaz pour la protection d’une installation électrique, comportant :
– un boîtier délimitant un espace interne, le boîtier étant étanche au gaz ;
– deux électrodes allongées selon une trajectoire de propagation et logées dans l’espace interne, les deux électrodes délimitant entre elles un espace inter-électrodes, les deux électrodes étant agencées de manière que l’espace inter-électrodes comporte successivement selon la trajectoire de propagation une chambre d’amorçage située entre des premières portions des deux électrodes pour amorcer un arc électrique entre les premières portions des deux électrodes et une chambre d’extinction située entre des deuxièmes portions des deux électrodes pour éteindre l’arc électrique, une distance d’isolement étant définie comme une plus courte distance entre les deux électrodes selon un plan transversal à ladite trajectoire de propagation, la distance d’isolement entre les deuxièmes portions des deux électrodes étant supérieure à la distance d’isolement entre les premières portions des deux électrodes, ladite chambre d’extinction comportant des tôles de fractionnement mutuellement espacées réparties entre les deuxièmes portions des deux électrodes ;
– deux bornes de raccordement accessibles depuis un extérieur du boîtier et destinées à permettre un raccordement électrique dudit éclateur à gaz à l’installation électrique, les deux bornes de raccordement étant respectivement reliées électriquement auxdites deux électrodes ; et
– un gaz inerte emprisonné dans l’espace interne du boîtier.
Selon un mode de réalisation, la première borne de raccordement et la deuxième borne de raccordement sont destinées à permettre le raccordement électrique de l’éclateur à gaz entre une phase de l’installation électrique à protéger et la terre.
En variante, l’éclateur à gaz peut être raccordé électriquement entre le neutre et la terre, entre la phase et le neutre, ou encore entre deux phases pour réaliser une protection différentielle.
Selon un mode de réalisation, les bornes de raccordement peuvent notamment se présenter sous la forme de cosses, de brides élastiques ou d’ensembles vis-cage métallique, typiquement destinés à venir en prise sur l’extrémité d’un câble, sur un bornier ou sur un rail conducteur relié à l’installation électrique à protéger.
Grâce à ces caractéristiques, lorsqu’une surtension transitoire associé à un courant impulsionnel dépasse la tension d’amorçage de l’éclateur à gaz, un arc électrique est amorcé dans la chambre d’amorçage puisque la distance que doit parcourir l’arc électrique pour relier électriquement les deux électrodes – appelée distance d’isolement – y est la plus courte. Sous l’effet de la force de Lorentz induite par la circulation d’un courant électrique entre les deux électrodes, l’arc électrique s’allonge tout en se propageant vers la chambre d’extinction au niveau duquel il se subdivise en une succession de sous-arcs électriques entre les tôles de fractionnement empilées. La tension de l’arc électrique étant équivalente à la somme des tensions des sous-arcs électriques, l’arc électrique finit par s’éteindre spontanément entre les tôles de fractionnement empilées.
Cependant, plus l’amplitude du courant est importante, plus l’intensité de la force de Lorentz exercée sur l’arc électrique correspondant augmente, i.e. plus l’arc électrique se propage rapidement vers la chambre d’extinction. Un arc électrique associé à un courant impulsionnel généré par un impact de foudre aura donc tendance à se propager plus rapidement qu’un arc électrique associé au seul courant de suite pour s’éteindre dans la chambre d’extinction.
Plus l’intensité du courant électrique déchargé par l’arc électrique est importante, plus l’intensité de la force de Lorentz exercée sur l’arc électrique augmente. L’arc électrique se propage donc d’autant plus rapidement vers la chambre d’extinction. Ainsi, un arc électrique amorcé par un courant impulsionnel généré par un impact de foudre, bien que d’une durée brève, peut se propager suffisamment rapidement pour atteindre la chambre d’extinction et s’y éteindre par fractionnement.
Or, la décharge des courants impulsionnels dans la chambre d’extinction impose des contraintes importantes pour le dimensionnement de l’éclateur à gaz et le recours à des matériaux thermiquement résistants, notamment pour les tôles de fractionnement, ce qui ressortit sur le coût de fabrication.
Une autre idée à la base de l’invention est ainsi de limiter le coût de fabrication d’un tel éclateur en gaz comportant une chambre d’extinction en réalisant une géométrie qui permet de ralentir sélectivement la vitesse de propagation des seuls arcs électriques amorcés par un courant impulsionnel. Ainsi, une fois ralenti, le courant impulsionnel s’écoule entre les deux électrodes avant que l’arc n’atteigne la chambre d’extinction. Les arcs électriques amorcés par des courants de suite, moins ou pas ralentis, s’éteignent par fractionnement dans ladite chambre d’extinction.
Selon un mode de réalisation, l’éclateur à gaz comporte en outre un élément amorceur pour favoriser l’amorçage de l’arc électrique, l’élément amorceur étant positionné entre les premières portions des deux électrodes et fixé sur un support isolant de l’électricité.
Selon un mode de réalisation, l’élément amorceur se présente sous la forme d’une fine couche de graphite sous la forme d’un trait. Par exemple, ses dimensions peuvent être de 0,5 mm à 1 mm de largeur et quelques microns à dizaines de microns d’épaisseur.
Ainsi, l’élément amorceur améliore l’amorçage de l’éclateur à gaz en faisant apparaître une décharge disruptive entre les premières portions des deux électrodes dans la chambre d’amorçage.
Selon un mode de réalisation, chacune des deux électrodes comporte une troisième portion située entre la première portion et la deuxième portion et l’espace inter-électrodes comporte en outre une chambre d’allongement située entre les troisièmes portions des deux électrodes pour allonger l’arc électrique, la chambre d’allongement étant intercalée entre la chambre d’amorçage et la chambre d’extinction, les deux électrodes étant agencées de sorte que la distance d’isolement entre les troisièmes portions des deux électrodes augmente depuis ladite chambre d’amorçage vers ladite chambre d’extinction.
Ainsi, dans la chambre d’allongement, l’arc électrique est guidé par les troisièmes portions des deux électrodes : il s’allonge en se propageant vers la chambre d’extinction, ce qui le « fragilise ».
Selon un mode de réalisation, une variation de la distance d’isolement entre les premières portions des deux électrodes dans la chambre d’amorçage est inférieure à la variation de la distance d’isolement entre les troisièmes portions des deux électrodes dans la chambre d’allongement.
Ainsi, dans la chambre d’amorçage, l’espace inter-électrodes s’élargit légèrement en se rapprochant de la chambre d’allongement de l’arc électrique.
Selon un mode de réalisation, les premières portions des deux électrodes dans la chambre d’amorçage sont parallèles.
Ainsi, la distance d’isolement entre les premières portions des deux électrodes dans la chambre d’amorçage est maintenue constante et proche de la distance d’isolement minimale.
Grâce à ces caractéristiques, la force de Lorentz exercée sur l’arc électrique correspondant à un courant impulsionnel amorcé entre les premières portions des deux électrodes est minimisée. En effet, l’intensité de la force de Lorentz est proportionnelle à la distance d’isolement, ce qui limite la vitesse de propagation de l’arc électrique dans la chambre d’amorçage.
Selon un mode de réalisation, les deux électrodes sont agencées de sorte que l’espace inter-électrodes présente une forme de cornet.
Selon un mode de réalisation, l’embouchure du cornet se situe au niveau de la chambre d’amorçage tandis que le pavillon du cornet se développe selon la chambre d’allongement.
En effet, à la différence d’un arc électrique de courant de suite, la décharge d’un arc électrique amorcé par un courant impulsionnel produit localement des ondes de pression qui se propagent dans l’espace inter-électrodes à forme de cornet depuis la chambre d’amorçage de sorte à être réfléchies dans la chambre d’allongement, ou bien au niveau ou en aval de la chambre d’extinction. Ces ondes de pression réfléchies exercent sur l’arc électrique une force tendant à s’opposer à la force de Lorentz, ce qui limite la vitesse de propagation de l’arc électrique vers la chambre d’extinction.
La forme de cornet imprimée par les électrodes à l’espace inter-électrodes permet en outre la réalisation d’un éclateur à gaz compact.
Selon un mode de réalisation, les tôles de fractionnement comportent des encoches, chaque encoche présentant une ouverture orientée vers la chambre d’amorçage.
Ainsi, la présence de telles encoches influence favorablement la rentrée de l’arc électrique dans la chambre d’extinction.
Selon un mode de réalisation, les deuxièmes portions des deux électrodes sont parallèles dans la chambre d’extinction, et dans lequel les tôles de fractionnement sont parallèles aux deuxièmes portions des deux électrodes et disposées à intervalles réguliers perpendiculaires au plan transversal à la trajectoire de propagation.
Selon un mode de réalisation, l’éclateur à gaz comporte une plaque d’arrêt en matière isolante positionnée perpendiculairement à la trajectoire de propagation, en aval des tôles de fractionnement selon ladite trajectoire de propagation.
Ainsi, le positionnement de la plaque d’arrêt en aval des tôles de fractionnement permet d’accentuer les effets de réflexion des ondes de pression générées par la décharge des courants impulsionnels, ce qui permet de ralentir davantage la vitesse de propagation des arcs électriques correspondants.
Selon un mode de réalisation, l’éclateur à gaz comporte en outre deux plaques isolantes disposées dans l’espace interne du boîtier, les deux plaques isolantes étant agencées de sorte à enserrer tout ou partie des premières portions des deux électrodes et des troisièmes portions des deux électrodes.
Ainsi, la propagation de l’arc électrique dans tout ou partie de la chambre d’amorçage et de la chambre d’allongement est délimitée par les plaques isolantes.
Selon un mode de réalisation, l’éclateur à gaz comporte en outre deux plaques déflectrices logées dans l’espèce interne du boîtier, chaque plaque déflectrice étant respectivement intercalée entre ledit boîtier et l’une des deux plaques isolantes au niveau de la chambre d’allongement.
Ainsi, les plaques déflectrices, par exemple en acier, contribuent à canaliser le champ magnétique, pour que ce champ magnétique en interaction avec l’arc électrique fasse propager l’arc électrique vers la chambre d’extinction.
Selon un mode de réalisation, le boîtier est formé en matière isolante.
Selon un mode de réalisation, le boîtier comporte une base isolante et un couvercle isolant liés de manière étanche au gaz, la liaison d’étanchéité entre la base isolante et le couvercle isolant étant réalisée par brasure, par exemple une brasure Ag-Cu.
Selon un mode de réalisation, la base isolante présente des extrémités ouvertes destinées à être en contact étanche au gaz avec le couvercle isolant, les extrémités ouvertes comportant une couche de molybdène-manganèse recouverte d’une couche de nickel.
Selon un mode de réalisation, la base isolante comporte au moins deux parois en regard l’une de l’autre et une paroi de fond, les deuxièmes portions des deux électrodes étant appuyée contre les deux parois, la paroi de fond comportant deux rainures d’électrodes dans la chambre d’amorçage et/ou dans la chambre d’allongement et des rainures de tôles dans la chambre d’extinction, les deux électrodes étant remontées dans les deux rainures d’électrodes et les tôles de fractionnement étant montées dans les rainures de tôles.
Selon un mode de réalisation, un ensemble constitué par les deux plaques isolantes comporte deux rainures d’électrodes et des rainures de tôles, les deux électrodes étant montées dans les deux rainures d’électrodes et les tôles de fractionnement étant montées dans les rainures de tôles.
Selon un mode de réalisation, le boîtier comporte une paroi périphérique en matière isolante présentant deux extrémités opposées ouvertes, les deux bornes de raccordement étant formées par deux plaques métalliques fermant respectivement les deux extrémités opposées de manière étanche au gaz, la liaison étanche entre la paroi périphérique et chacune des deux bornes de raccordement étant réalisée par une brasure.
Selon un mode de réalisation, deux plaques isolantes sont disposées dans l’espace interne du boîtier, les deux plaques isolantes étant agencées de sorte à enserrer les deux électrodes, et deux plaques déflectrices sont respectivement intercalées entre les deux plaques isolantes et les deux bornes de raccordement.
Grâce à ces caractéristiques, le montage des deux électrodes et des tôles de fractionnement dans l’espace interne du boîtier est facilité.
Selon un mode de réalisation, les deux électrodes sont faites d’un métal choisi dans le groupe constitué du cuivre et de ses alliages.
Selon un mode de réalisation, le gaz inerte emprisonné dans l’espace interne du boîtier est choisi dans le groupe constitué de l’argon, du néon, du dihydrogène, du diazote, des gaz rares et des mélanges de ces gaz.
Selon un mode de réalisation, le gaz inerte comporte du dihydrogène.
Le choix du gaz inerte ou de la composition de gaz inertes permet de régler finement les conditions d’amorçage de l’éclateur à gaz ainsi que de limiter le temps de maintien de l’arc électrique entre les électrodes, ce qui améliore la capacité d’extinction de courant de suite de l’éclateur à gaz.
 Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.
La est une représentation schématique d’un réseau électrique comportant un dispositif de protection prenant la forme d’un éclateur à gaz.
La est une vue en perspective d’un l’éclateur à gaz selon l’invention.
La est une vue en perspective éclatée de l’éclateur à gaz de la .
La est une vue en coupe de dessus de l’éclateur à gaz de la .
La est une vue en perspective de la base isolante du boîtier de l’éclateur à gaz de la .
La est une vue en perspective coupée de l’éclateur à gaz de la , le couvercle isolant du boîtier étant omis.
Les modes de réalisation ci-après sont décrits en relation avec un éclateur à gaz destiné à limiter les surtensions transitoires dans un réseau électrique ou de transmission de données comportant une ligne électrique à protéger, par exemple un réseau de télécommunications, ou un réseau pour le transport d’énergie à très haute puissance comme un réseau à haute tension, ou encore un réseau à moyenne ou basse tension.
L’éclateur à gaz ci-après décrit est plus généralement destiné à être branché sur tous types d’appareils, d’installations ou de réseaux alimentés électriquement et susceptible de subir des perturbations transitoires, notamment dues à la foudre. Un tel éclateur à gaz peut donc avantageusement constituer un parafoudre.
En référence à la , une ligne électrique à protéger 1 est relié par un éclateur à gaz 2 à une autre ligne électrique 3, par exemple une liaison de mise à la terre, une autre ligne de décharge, ou tout autre ligne électrique du réseau. L’éclateur à gaz 2 est ainsi branché en dérivation (ou encore en parallèle) sur la ligne électrique à protéger 1.
La ligne électrique à protéger 1 transporte une tension alternative ou continue.
En référence à la , l’éclateur à gaz 2 comporte un boîtier 4 parallélépipédique creux délimitant un espace interne 5 (visible sur la ). Le boîtier 4 est par exemple réalisé en matériaux céramiques, de préférence en alumine. Le boîtier 4 est de préférence recouvert d’une enveloppe ou d’un revêtement assurant une protection mécanique et une isolation électrique, par exemple en matière plastique, notamment PBT ou PA. En variante, d’autres matériaux isolants que les céramiques peuvent être employés pour la réalisation du boîtier 4.
Le boîtier 4 est pourvu d’une base isolante 6 et d’un couvercle isolant 7. La base isolante 6 comporte une paroi de fond 8 et deux parois longitudinales 9 reliées entre elles par deux parois transversales 10. Tel que représentées, les parois longitudinales 9 présentent une dimension supérieure à celle des parois transversales 10.
L’une des parois transversales 10 de la base isolante 6 comporte une première borne de raccordement 11 et une deuxième borne de raccordement 12. La première borne de raccordement 11 et la deuxième borne de raccordement 12 forment des interfaces de connexion électrique entre l’intérieur et l’extérieur du boîtier 4 afin de permettre le raccordement de l’éclateur à gaz 2 à la ligne électrique à protéger 1.
Par exemple, la première borne de raccordement 11 peut être reliée électriquement à la ligne électrique à protéger 1 tandis que la deuxième borne de raccordement 12 peut être reliée électriquement à une liaison de mise à la terre.
Sur les figures 2 à 4, la première borne de raccordement 11 et la deuxième borne de raccordement 12 se présentent sous la forme de plots de connexion, par exemple en cuivre, dans un alliage de cuivre et de tungstène ou tout autre métal ou alliage adapté.
En variante (non représentée), la première borne de raccordement 11 et la deuxième borne de raccordement 12 peuvent notamment se présenter sous forme de cosses, de brides élastiques ou d’ensembles vis-cage métallique, typiquement destinés à venir en prise sur l’extrémité d’un câble, sur un bornier ou encore sur un rail conducteur relié à la ligne électrique à protéger 1.
En références aux figures 3 et 4, le boîtier 4 creux délimite un espace interne 5 à l’intérieur duquel sont logées deux électrodes 13, 14. Chaque électrode 13, 14 est reliée électriquement à une borne de raccordement 11, 12 par l’intermédiaire d’un moyen de connexion 15, 16.
Avantageusement, les électrodes 13, 14 et les moyens de connexion 15, 16 forment des organes monoblocs. Un tel agencement permet de supprimer les moyens de jonction (rivets, vis ou métaux d’apport) pour s’affranchir d’opérations d’assemblages délicates et coûteuses.
Chaque électrode 13, 14 se présente sous la forme d’une bande métallique se développant selon une trajectoire de propagation T d’un arc électrique et dont l’épaisseur est de l’ordre de la hauteur de la base isolante 6 du boîtier 4. Les deux électrodes 13, 14 peuvent être fabriquées en cuivre, dans un alliage de cuivre et de tungstène ou tout autre métal ou alliage adapté.
Les deux électrodes 13, 14 délimitent un espace inter-électrodes comportant une chambre d’amorçage 17 située entre des premières portions 18, 19 des deux électrodes 13, 14 pour amorcer un arc électrique, une chambre d’extinction 20 située entre des deuxièmes portions 21, 22 des deux électrodes 13, 14 pour éteindre l’arc électrique, et une chambre d’allongement 23 située entre des troisièmes portions 24, 25 des deux électrodes 13, 14, pour allonger ledit arc électrique. La chambre d’allongement 23 est intercalée entre la chambre d’amorçage 17 et la chambre d’extinction 20.
Avantageusement, en référence aux figures 4 et 5, la base isolante 6 du boîtier 4 comporte des rainures d’électrodes 26 dans la chambre d’amorçage 17. Les rainures d’électrodes 26 sont alors traversées par les premières portions 18, 19 des deux électrodes 13, 14, ce qui permet le positionnement des deux électrodes 13, 14 dans l’espace interne 5 du boîtier 4. En variante, les rainures d’électrodes 26 peuvent être placées dans la chambre d’allongement 23 ; elles sont alors traversées par les troisièmes portions 24, 25 des deux électrodes 13, 14.
On appelle « distance d’isolement », noté di, la distance que doit parcourir l’arc électrique pour relier électriquement les deux électrodes 13, 14. La trajectoire de propagation T correspond à la trajectoire de l’arc électrique dans l’espace inter-électrodes. En un point de la trajectoire de propagation T, la distance d’isolement dis’identifie à la plus courte distance entre les deux électrodes 13, 14 dans le plan perpendiculaire à la tangente au point de la trajectoire de propagation T considéré.
Comme visible sur la , la distance d’isolement diaugmente depuis la chambre d’amorçage 17 vers la chambre d’extinction 20 en passant par la chambre d’allongement 23. En particulier, la distance d’isolement diest minimale entre les premières portions 18, 19 des deux électrodes 13, 14 dans la chambre d’amorçage 17. Elle croît entre les troisièmes portions 24, 25 des deux électrodes 13, 14 dans la chambre d’allongement 23. Enfin, la distance d’isolement diest maximale entre les deuxièmes portions 21, 22 des deux électrodes 13, 14 dans la chambre d’extinction 20.
La distance d’isolement diminimale participe, avec la composition et la pression du gaz inerte emprisonné dans l’espace interne 5 du boîtier 4, de la définition de la tension d’amorçage à partir de laquelle l’éclateur à gaz 2 est activé, c’est-à-dire à partir de quelle intensité de courant électrique l’éclateur à gaz 2 détourne ledit courant vers une ligne de mise à la terre ou, plus généralement, une ligne de décharge.
En référence à la , pour favoriser l’amorçage d’un arc électrique dans chambre d’amorçage 17, l’éclateur à gaz 2 comporte un élément amorceur 27 conducteur, par exemple un trait de graphite, fixé sur la surface isolante interne 28 du boîtier 4 de sorte faire apparaître une décharge disruptive entre les premières portions 18, 19 des deux électrodes 13, 14.
Le gaz inerte emprisonné dans le boîtier 4 de l’éclateur à gaz 2 est par exemple de l’argon Ar, du néon Ne, du diazote N2, du dihydrogène H2, de l’hélium He, un mélange de ces gaz ou autres. Avantageusement, le gaz inerte comporte du dihydrogène H2. Ce gaz inerte est conservé dans l’éclateur à gaz 2 à une pression absolue allant de 0,5 bar (50 kPa) à 2 bars (200 kPa). Comme indiqué, cette pression influe sur la tension d’amorçage de l’éclateur à gaz 2. Le gaz inerte peut ainsi être emprisonné dans l’éclateur à gaz 2 à différentes pressions selon la tension d’amorçage souhaitée.
Afin d’assurer l’emprisonnement du gaz inerte dans l’éclateur à gaz 2, l’espace interne 5 du boîtier 4 est étanchéifié. L’étanchéité est réalisée entre la base isolante 6 et le couvercle isolant 7 par tout moyen adapté.
Par exemple, une couche de molybdène-manganèse peut être utilisée pour recouvrir une tranche des extrémités de la base isolante 6 et une surface correspondante du couvercle isolant 7, cette couche de molybdène-manganèse étant elle-même recouverte d’une couche de nickel. L’étanchéité entre la base isolante 6 et le couvercle isolant 7 peut être réalisée par fusion de la brasure Ag-Cu, notée 28, entre le couvercle isolant 7 et la couche de nickel, typiquement au four à 780°C.
Alternativement, l’étanchéité entre la base isolante 6 et le couvercle isolant 7 peut être réalisée par une brasure Ag-Cu-Ti déposée directement sur la base isolante 6 et le couvercle isolant 7 en céramique (alumine).
Une autre manière de réaliser cette fermeture étanche est un collage par une colle compatible avec les alumines. Encore une autre technique consiste à utiliser un joint d’étanchéité et un serrage mécanique des deux parties sur ce joint d’étanchéité.
Lorsqu’une surtension transitoire associé à un courant impulsionnel dépasse la tension d’amorçage de l’éclateur à gaz 2, un arc électrique est amorcé dans la chambre d’amorçage 17 où la distance d’isolement dientre les premières portions 18, 19 des deux électrodes 13, 14 est minimale.
Cet arc électrique est soumis à la force de Lorentz induite par la circulation d’un courant électrique entre les deux électrodes 13, 14. L’arc électrique se trouve alors dans une boucle de courant, de sorte que la force de Lorentz s’exerçant sur la boucle tend à ouvrir la boucle (cet effet est parfois nommé « l’effet de boucle »). Ainsi, la force de Lorentz s’exerçant sur l’arc électrique tend à le « pousser » vers la chambre d’allongement 23.
Dans la chambre d’allongement 23, l’arc électrique est guidé par les troisièmes portions 24, 25 des deux électrodes 13, 14. L’arc électrique s’allonge en se propageant vers la chambre d’extinction 20, ce qui le « fragilise ».
La chambre d’extinction 20 comporte des tôles de fractionnement 29 planes empilées à intervalles réguliers entre les deuxièmes portions 21, 22 des deux électrodes 13, 14, parallèlement aux parois longitudinales 9 de la base isolante 6 du boîtier 4. La hauteur des tôles de fractionnement 29 est sensiblement égale à la hauteur de la base isolante 6 du boîtier 4 et, partant, sensiblement égale à l’épaisseur des deux électrodes 13, 14. Les tôles de fractionnement 29 sont de préférence faites d’un métal ferromagnétique, par exemple en acier doux.
En référence à la , la paroi de fond 8 de la base isolante 6 du boîtier 4 comporte un support de tôles 30. Le support de tôles 30 comporte des nervures de tôles 31 dans lesquelles sont fixées, par emboîtement, les tôles de fractionnement 29. Le montage des tôles de fractionnement 29 dans les nervures de tôles 31 du support de tôles 30 permet de former une chambre d’extinction 20 rigide. Avantageusement, la paroi de fond 8 et le support de tôles 30 forment un ensemble monobloc.
Lorsque l’arc électrique atteint la chambre d’extinction 20, il se subdivise en une succession de sous-arcs électriques entre les tôles de fractionnement 29 empilées. La tension de l’arc électrique étant équivalente à la somme des tensions des sous-arcs électriques, l’arc électrique finit par s’éteindre spontanément entre les tôles de fractionnement 29 empilées.
Sur les figures 3 et 4, douze tôles de fractionnement 29 sont représentées. En variante, la chambre d’extinction 20 peut comporter plus ou moins de douze tôles de fractionnement 29. À noter que la capacité d’extinction de l’éclateur à gaz 2 est fonction du nombre de tôles de fractionnement 29 empilées dans la chambre d’extinction 20. Ce nombre peut ainsi être adapté selon la nature du dispositif électrique (circuit, réseau, équipement, installation, etc.) à protéger.
Pour empêcher l’expansion de l’arc électrique sur les deux plaques déflectrices 33, l’éclateur à gaz 2 comporte deux plaques isolantes 32, logées dans l’espace interne 5 du boîtier 4 et agencées de sorte à enserrer une partie des premières portions 18, 19 deux électrodes 13, 14 et les troisièmes portions 24, 25 des deux électrodes 13, 14. Tel qu’illustré, les deux plaques isolantes 32 se développent parallèlement au couvercle isolant 7 et à la paroi de fond 8 du boîtier 4.
L’éclateur à gaz 2 comporte en outre deux plaques déflectrices 33 logées dans l’espace interne 5 du boîtier 4, chaque plaque déflectrice 33 étant intercalée entre ledit boîtier 4 et la plaque isolante 32 au niveau de la chambre d’allongement 23.
Plus l’intensité du courant électrique déchargé par l’arc électrique est importante, plus l’intensité de la force de Lorentz exercée sur l’arc électrique augmente. L’arc électrique se propage donc d’autant plus rapidement vers la chambre d’extinction 20. Ainsi, un arc électrique amorcé par un courant impulsionnel généré par exemple par un impact de foudre, bien que d’une durée brève, peut se propager suffisamment rapidement pour atteindre la chambre d’extinction 20 et s’y éteindre par fractionnement.
Or, la décharge des courants impulsionnels dans la chambre d’extinction 20 impose des contraintes importantes pour le dimensionnement de l’éclateur à gaz 2 et le recours à des matériaux thermiquement résistants, notamment pour les tôles de fractionnement 29, ce qui ressortit sur le coût de fabrication de l’éclateur à gaz 2.
Pour réduire, voire supprimer, la proportion d’arcs électriques de courants impulsionnels qui migrent vers la chambre d’extinction 20, leur vitesse doit être sélectivement ralentie. En effet, une fois la vitesse de propagation diminuée, les arcs électriques de courants impulsionnels, qui présentent déjà de brèves durées de décharge, s’éteignent avant d’atteindre la chambre d’extinction 20. En revanche, les arcs électriques amorcés par des courants de suite, qui présentent généralement des durées de décharge plus longues, ont le temps de se propager jusqu’à la chambre d’extinction 20 pour s’y éteindre par fractionnement.
La vitesse de propagation d’un arc électrique dépend de nombreux paramètres, et notamment des matériaux des électrodes 13, 14, de la résistance d’isolement dans l’espace interne 5 (qui dépend de la composition du gaz inerte emprisonné et des « obstacles » placés sur la trajectoire de propagation T de l’arc électrique) ainsi que de la nature et de l’intensité des forces exercées sur l’arc électrique.
En référence à la , il est visible la distance d’isolement dientre les premières portions 18, 19 des deux électrodes 13, 14 est maintenue égale à ou voisine de la distance d’isolement diminimale. Ainsi, dans la chambre d’amorçage 17, les premières portions 18, 19 des deux électrodes 13, 14 sont essentiellement parallèles et l’espace inter-électrode s’élargit légèrement en s’approchant de la chambre d’allongement 23.
La force de Lorentz exercée sur les arcs électriques amorcés dans la chambre d’amorçage est ainsi minimisée puisque l’intensité cette force est proportionnelle à la distance d’isolement di, ce qui permet de ralentir la vitesse de propagation de l’arc électrique dans la chambre d’amorçage 17.
Avantageusement, les deux électrodes 13, 14 sont agencées de manière à conférer à l’espace inter-électrodes une forme de cornet dont l’embouchure se situe au niveau de la chambre d’amorçage 17 et dont le pavillon se développe selon la chambre d’allongement 23.
En effet, à la différence d’un arc électrique de courant de suite, la décharge d’un arc électrique amorcé par un courant impulsionnel produit localement des ondes de pression qui se propage dans l’espace inter-électrodes à forme de cornet depuis la chambre d’amorçage 17 de sorte à être réfléchies dans la chambre d’allongement 23, ou bien au niveau ou en aval de la chambre d’extinction 20. Ces ondes de pression réfléchies exercent sur l’arc électrique une force tendant à s’opposer à la force de Lorentz, ce qui limite la vitesse de propagation de l’arc électrique vers la chambre d’extinction 20.
Avantageusement, en référence aux figures 4 et 5, pour accentuer les effets de réflexion des ondes de pression générées par la décharge des courants impulsionnels, une plaque d’arrêt 34 en matière céramique, par exemple en alumine, est positionnée perpendiculairement à la trajectoire de propagation T, en aval des tôles de fractionnement 29. Tel que représentée, la plaque d’arrêt 34 se situe encore dans la chambre d’extinction 20. En variante, la plaque d’arrêt 34 pourrait se trouver en aval des tôles de fractionnement 29 hors de l’espace inter-électrodes.
Avantageusement, en référence à la , les tôles de fractionnement 29 comportent des encoches en forme de « V » dont les ouvertures sont orientées vers la chambre d’amorçage. Ainsi, la résistance d’isolement et donc la résistance à l’écoulement du courant reste élevée en entrée de la chambre d’extinction 20.
En dimensionnement, le boîtier 4 mesure par exemple 58 x 44 x 16 mm ou des dimensions moindres.
La montre un éclateur à gaz 102 selon un autre mode de réalisation, dans une vue en perspective éclatée. Les éléments analogues ou identiques à ceux des figures 2 à 6 portent le même chiffre de référence augmenté de 100.
Dans ce mode de réalisation, le boîtier 104 de l’éclateur à gaz 102 est de forme cylindrique. Les deux bornes de raccordement 111 et 112 sont des disques métalliques qui forment respectivement les deux couvercles du boîtier 104. La paroi latérale 136 du boîtier 104 est par exemple réalisée en matériaux céramiques, de préférence en alumine. Elle est de préférence recouverte d’une enveloppe ou d’un revêtement assurant une protection mécanique et une isolation électrique, par exemple en matière plastique, notamment PBT ou PA. En variante, d’autres matériaux isolants que les céramiques peuvent être employés pour la réalisation de la paroi latérale 136. L’étanchéité entre la paroi latérale 136 et les deux bornes de raccordement 111, 112 est réalisée par brasure, tel que précédemment décrit.
L’éclateur à gaz 102 diffère également de l’éclateur à gaz 2, notamment illustré en , en ce que les rainures d’électrodes 126a, 126b et les rainures de tôles 131 sont réalisées sur les plaques isolantes 132a, 132b. Plus précisément, sur la , une rainure d’électrode 126a est réalisée sur la plaque isolante 132a en épousant la forme de l’électrode 113 depuis la chambre d’amorçage jusque dans la chambre d’extinction ; et une rainure d’électrode 126b est réalisée sur la plaque isolante 132b dans la chambre d’allumage. Les rainures de tôles 131 sont réalisées sur la plaque isolante 132a. Dans ce mode de réalisation, les plaques isolantes 132a, 132b ne sont pas symétriques.
L’éclateur à gaz 102 comporte en outre un espaceur isolant 135 positionné entre les deux électrodes 113, 114 dans la chambre d’allumage pour maintenir un espacement entre elles. L’espaceur isolant 135 permet également de maintenir la plaque isolante 132a plaquée contre la borne de raccordement 111 et la plaque isolante 132b plaquée contre la borne de raccordement 112.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
L’usage du verbe « comporter », « comprendre » ou « inclure » et de ses formes conjuguées n’exclut pas la présence d’autres éléments ou d’autres étapes que ceux énoncés dans une revendication.
Dans les revendications, tout signe de référence entre parenthèses ne saurait être interprété comme une limitation de la revendication.

Claims (20)

  1. Éclateur à gaz (2, 102) pour la protection d’une installation électrique, comportant :
    – un boîtier (4, 104) délimitant un espace interne (5), le boîtier (4, 104) étant étanche au gaz ;
    – deux électrodes (13, 113, 14, 114) allongées selon une trajectoire de propagation (T) et logées dans l’espace interne (5), les deux électrodes (13, 113, 14, 114) délimitant entre elles un espace inter-électrodes, les deux électrodes (13, 113, 14, 114) étant agencées de manière que l’espace inter-électrodes comporte successivement selon la trajectoire de propagation (T) une chambre d’amorçage (17) située entre des premières portions (18, 19) des deux électrodes (13, 113, 14, 114) pour amorcer un arc électrique entre les premières portions (18, 19) des deux électrodes (13, 113, 14, 114) et une chambre d’extinction (20) située entre des deuxièmes portions (21, 22) des deux électrodes (13, 113, 14, 114) pour éteindre l’arc électrique, une distance d’isolement (di) étant définie comme une plus courte distance entre les deux électrodes (13, 113, 14, 114) selon un plan transversal à ladite trajectoire de propagation (T), la distance d’isolement (di) entre les deuxièmes portions (21, 22) des deux électrodes (13, 113, 14, 114) étant supérieure à la distance d’isolement (di) entre les premières portions (18, 19) des deux électrodes (13, 113, 14, 114), ladite chambre d’extinction (20) comportant des tôles de fractionnement (29, 129) mutuellement espacées réparties entre les deuxièmes portions (21, 22) des deux électrodes (13, 113, 14, 114) ;
    – deux bornes de raccordement (11, 111,12, 112) accessibles depuis un extérieur du boîtier (4, 104) et destinées à permettre un raccordement électrique dudit éclateur à gaz (2, 102) à l’installation électrique, les deux bornes de raccordement (11, 111, 12, 112) étant respectivement reliées électriquement auxdites deux électrodes (13, 113, 14, 114) ; et
    – un gaz inerte emprisonné dans l’espace interne (5) du boîtier (4, 104).
  2. Éclateur à gaz (2, 102) selon la revendication 1, comportant en outre un élément amorceur (27) pour favoriser l’amorçage de l’arc électrique, l’élément amorceur (27) étant positionné entre les premières portions (18, 19) des deux électrodes (13, 113, 14, 114) et fixé sur un support isolant de l’électricité.
  3. Éclateur à gaz (2, 102) selon la revendication 2, dans lequel l’élément amorceur (27) se présente sous la forme d’une fine couche de graphite sous la forme d’un trait.
  4. Éclateur à gaz (2, 102) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel chacune des deux électrodes (13, 113, 14, 114) comporte une troisième portion (24, 25) située entre la première portion (18, 19) et la deuxième portion (21, 22) et l’espace inter-électrodes comporte en outre une chambre d’allongement (23) située entre les troisièmes portions (24, 25) des deux électrodes (13, 113, 14, 114) pour allonger l’arc électrique, la chambre d’allongement (23) étant intercalée entre la chambre d’amorçage (17) et la chambre d’extinction (20), les deux électrodes (13, 113, 14, 114) étant agencées de sorte que la distance d’isolement (di) entre les troisièmes portions (24, 25) des deux électrodes (13, 14) augmente depuis ladite chambre d’amorçage (17) vers ladite chambre d’extinction (20).
  5. Éclateur à gaz (2, 102) selon la revendication 4, dans lequel une variation de la distance d’isolement (di) entre les premières portions (18, 19) des deux électrodes (13, 113, 14, 114) dans la chambre d’amorçage (17) est inférieure la variation de la distance d’isolement (di) entre les troisièmes portions (24, 25) des deux électrodes (13, 113, 14, 114) dans la chambre d’allongement (23).
  6. Éclateur à gaz (2, 102) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel les premières portions (18, 19) des deux électrodes (13, 113, 14, 114) dans la chambre d’amorçage (17) sont parallèles.
  7. Éclateur à gaz (2, 102) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel les deux électrodes (13, 113, 14, 114) sont agencées de sorte que l’espace inter-électrodes présente une forme de cornet.
  8. Éclateur à gaz (2, 102) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel les tôles de fractionnement (29, 129) comportent des encoches, chaque encoche présentant une ouverture orientée vers la chambre d’amorçage (17).
  9. Éclateur à gaz (2, 102) selon l’une des revendication 1 à 8, dans lequel les deuxièmes portions (21, 22) des deux électrodes (13, 113, 14, 114) sont parallèles dans la chambre d’extinction (20), et dans lequel les tôles de fractionnement (29, 129) sont parallèles aux deuxièmes portions (21, 22) des deux électrodes (13, 113, 14, 114) et disposées à intervalles réguliers perpendiculaires au plan transversal à la trajectoire de propagation (T).
  10. Éclateur à gaz (2, 102) selon la revendication 9, comportant une plaque d’arrêt (34, 134) en matière isolante positionnée perpendiculairement à la trajectoire de propagation (T), en aval des tôles de fractionnement (29, 129) selon ladite trajectoire de propagation (T).
  11. Éclateur à gaz (2, 102) selon l’une des revendications 4 à 5, comportant en outre deux plaques isolantes (32, 132a, 132b) disposées dans l’espace interne (5) du boîtier (4, 104), les deux plaques isolantes (32, 132a, 132b) étant agencées de sorte à enserrer tout ou partie des premières portions (18, 19) des deux électrodes (13, 113, 14, 114) et des troisièmes portions (24, 25) des deux électrodes (13, 113, 14, 114).
  12. Éclateur à gaz (2) selon la revendication 11, comportant en outre deux plaques déflectrices (33) logées dans l’espèce interne (5) du boîtier (4), chaque plaque déflectrice (33) étant respectivement intercalée entre ledit boîtier (4) et l’une des deux plaques isolantes (32) au niveau de la chambre d’allongement (23).
  13. Éclateur à gaz (2) selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel le boîtier (4) comporte une base isolante (6) et un couvercle isolant (7) liés de manière étanche au gaz, la liaison étanche entre la base isolante (6) et le couvercle isolant (7) étant réalisée par une brasure (28), par exemple une brasure Ag-Cu.
  14. Éclateur à gaz (2) selon la revendication 13, dans lequel la base isolante (6) présente des extrémités ouvertes destinées à être en contact étanche au gaz avec le couvercle isolant (7), les extrémités ouvertes comportant une couche de molybdène-manganèse recouverte d’une couche de nickel.
  15. Éclateur à gaz (2) selon la revendication 13 ou 14, dans lequel la base isolante (6) comporte au moins deux parois (9) en regard l’une de l’autre et une paroi de fond (8), les deuxièmes portions (21, 22) des deux électrodes (13, 14) étant appuyée respectivement contre les deux parois (9), la paroi de fond (8) comportant deux rainures d’électrodes (26) dans la chambre d’amorçage (17) et des rainures de tôles (31) dans la chambre d’extinction (20), les deux électrodes (13, 14) étant montées dans les deux rainures d’électrodes (26) et les tôles de fractionnement (29) étant montées dans les rainures de tôles (31).
  16. Éclateur à gaz (102) selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel le boîtier (104) comporte une paroi périphérique (136) en matière isolante présentant deux extrémités opposées ouvertes, les deux bornes de raccordement (111, 112) étant formées par deux plaques métalliques fermant respectivement les deux extrémités opposées de manière étanche au gaz, la liaison étanche entre la paroi périphérique (136) et chacune des deux bornes de raccordement (111, 112) étant réalisée par une brasure (128).
  17. Éclateur à gaz (102) selon la revendication 16, comportant en outre :
    – deux plaques isolantes (132a, 132b) disposées dans l’espace interne du boîtier (104), les deux plaques isolantes (132a, 132b) étant agencées de sorte à enserrer les deux électrodes (113, 114) ; et
    – deux plaques déflectrices (133) respectivement intercalées entre les deux plaques isolantes (132a ,132b) et les deux bornes de raccordement (111, 112).
  18. Éclateur à gaz (2, 102) selon l’une des revendications 1 à 17, dans lequel les deux électrodes (13, 113, 14, 114) sont faites d’un métal choisi dans le groupe constitué du cuivre et de ses alliages.
  19. Éclateur à gaz (2, 102) selon l’une des revendications 1 à 18, dans lequel le gaz inerte emprisonné dans l’espace interne (5) du boîtier (4, 104) est choisi dans le groupe constitué de l’argon, du néon, du dihydrogène, du diazote, des gaz rares et des mélanges de ces gaz.
  20. Éclateur à gaz (2, 102) selon la revendication 19, dans lequel le gaz inerte comporte du dihydrogène.
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