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Disrupteur.
L'invention concerne des disrupteurs (parafou- dres à air) constitués¯ par deux ou plus de deux électrodes montées dans une atmosphère réduite d'un gaz, de préférence facile à ioniser, tel que l'hydrogène, l'azote ou un gaz rare, la matière de ces électrodes étant constituée par des éléments de l'un des groupes 2 à 6 ou 8 du système pé- riodique, de préférence de l'aluminium. Ces disrupteurs sont utilisés principalement pour la protection des lignes aériennes servant à la transmission d'indications à dis- tance et ils ont pour but de, dévier rapidement à la terre les charges électriques qui s'accumulent sur la ligne.
Les disrupteurs connus ont le grave inconvénient que la tension aux bornes du disrupteur augmente sensible- ment avec l'intensité du courant de décharge. Cmme les @
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parties de l'installation à protéger qui sont situées en arrière du disrupteur sont souvent exposées, lorsque la tension monte ainsi, à des tensions allant jusqu'à 500 volts, des accidents peuvent se produire en cas de contact malgré le fonctionnement du disrupteur.
Suivant l'invention on supprime ce défaut en donnant aux surfaces efficaces des électrodes des dimen- sions telles et à la distance entre les électrodes une grandeur telle, et enfin à la pression du gaz une hauteur telle que la caractéristique de la décharge lente présen- te après sa chute initiale jusqu'à la tension correspon- 'dant à la chute cathodique normale une partie horizontale ou ne montant que faiblement.
Les fig. 1 à 4 sont des courbes comparatives d'intensité et de tension de disrupteurs connus et du nou- veau disrupteur.
La fig. 1 montre la courbe d'un disrupteur connu à plaques de charbon et la fig. 2 celle d'un disrupteur à électrodes en aluminium rempli d'hydrogène sous une pres- sion de 20 m/m.
Dans la courbe de la fig. 1 on remarquera notam- ment la faible intensité et la montée brusque de la tension Le disrupteur a été détruit à 28 milli-ampères et 360 volts.
On voit par cette courbe que dans ce disrupteur la tension a déjà dépassé, pour une faible augmentation d'intensité de 8 à 28 milli-ampères, la tension minima ob- tenue au début. L'arc de décharge qui se produit alors diminue bien de nouveau considérablement la tension, mais lorsque cet arc de décharge qui détruit les électrodes se produit déjà à d'aussi petites intensités, cela est très nuisible.à la durée du disrupteur.
Le disrupteur à électrodes en aluminium dont la
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caractéristique est-représentée par la fig. 2 comporte des électrodes d'environ 15 mm de longueur et 4 mm de largeur distantes d'environ 2 mm. Pour obtenir la ten- sion d'amorçage de 350 volts on avait choisi une pression d'hydrogène de 20 mm correspondant à cette distance. La caractéristique est fortement positive et les électrodes étaient complètement recouvertes par une décharge lente à partir de l'amorçage du disrupteur ; a fondu sous 130 milli-ampères environ et une tension continue de 500 volts.
Comme la surface efficace des électrodes était trop petite, la décharge lente est passée immédiatement de la zône de chute cathodique normale dans laquelle la densité du courant de décharge est pratiquement constante et dans laquelle le recouvrement des électrodes croît presque proportionnellement avec l'intensité, dans la zône de chute cathodique anormale, dans laquelle la chute catho- dique croit avec l'intensité. Cette transition a lieu, dans ce disrupteur connu, à 10 milli-ampères environ et après que cette valeur est atteinte les augmentations d'in- tensité sont accompagnées d'augmentations de tension consi- dérables, c'est-à-dire que la caractéristique d'intensité et de tension de la décharge lente monte fortement.
La fig. 3 montre la caractéristique d'un disrup- teur construit suivant l'invention. Le disrupteur en question possède des électrodes en aluminium à grande sur- face ayant chacune environ 2 cm2 de surface efficace à plans parallèles. Ce disrupteur est'calculé pour une ten- sion d'amorçage de 350 volts et en conséquence les élec- trodes sont distantes d'environ 0,5 mm, la pression d'hy- drogène étant de 50 mm. Par rapport aux courbes des fig.
1 et 2 cette caractéristique est absolument horizontale, la tension de chute cathodique propre à/la matière étant
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de 215 volts: En utilisant de l'hydrogène aussi sec que possible et des électrodes à surfaces propres, on peut enco- re réduire cette tension jusqu'à environ 190 volts. Dans la zône d'intensité mentionnée les électrodes se recouvrent graduellement de lueurs de décharge lente, A partir de
200 milli-ampères environ la tension monte lentement de quelques volts, les électrodes se couvrant complètement de lueurs, la,décharge en arc à caractéristique négative se produisant à 250 milli-ampères.
L'augmentation de tension qui se produit dans la dernière partie de la courbe est de 25 volts ; augmente simultanément de 0,050 ampères. La résistance dif- férentielle est donc de 500 ohms. Il est avantageux de ré- gler cette augmentation de tension pour l'adapter à la ré- sistance de la ligne à protéger, de façon que l'augmenta- tion soit plus petite que la résistance de la ligne pour qu'en présence de phénomènes variables la résistance du disrupteur reste autant que possible inférieure à celle de l'installation à protéger.
Lorsqu'on tient à obtenir avant la décharge en arc une caractéristique entièrement neutre sans aucune partie faiblement positive, dont la tension maxima ne doit pas dépasser en général la tension d'amorçage, il faudrait augmenter légèrement la surface efficace indiquée dans l'exemple pour les électrodes. Toutefois, comme l'inven- tion concerne particulièrement des disrupteurs dont la masse est pour ainsi dire normalisée par suite de la grande quantité d'appareils dont on a besoin, le résultat obtenu représente à peu près le résultat optimum qu'il ait été pos- sible d'obtenir en tenant compte des caractéristiques de construction données et en maintenant pour le ballon en verre un diamètre maximum de 20 mm et pour le disrupteur une longueur totale de 70 mm, y compris les coiffes de
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raccord de chacune 20 mm de long.
Toutefois l'invention couvre également des disrupteurs à ampoule de plus grande dimension.
Le choix de la pression du gaz permet de régler, c'est-à-dire d'avancer ou de retarder le moment où se pro- duit la décharge en arc. Ceci est important car il faut se guider sur les conditions,données pour savoir s'il'est avantageux.ou utile que l'arc se produise plus tôt ou plus tard. Plus l'arc se produit tôt, plus tôt la tension de la charge sera réduite à une très petite valeur d'environ 30 à 40 volts et plus tôt il se développera un courant intense. Toutefois la décharge en arc nuit aux électrodes et diminue la durée du disrupteur. C'est pourquoi on peut considérer aussi qu'il est plus avantageux de ne développer de hautes intensités que dans la zône de la décharge lente qui ne nuit pas aux électrodes, et de retarder le plus possible le commencement de la décharge en arc.
Comme on vient de le dire, ce réglage du commencement de la décharge en arc est possible par le choix de la pression du gaz, car on sait qu'on a entre la pression du gaz p et la densité j du courant le rapport connu -n j . p = constante dans lequel n = 2,05 pour l'hydrogène. Lorsque la pression est faible, par exemple de 20 à 30 mm de H2, la densité du courant est petite. En conséquence l'intensité des élec- trodes par rapport à l'unité de surface est trop petite pour provoquer par l'échauffement de la surface des élec- trodes une émission d'électrons donnant naissance à l'arc.
D'autre part toutefois, et pour la même raison, la surface disponible sur les électrodes est très rapidement recou- verte de lueurs de décharge lente lorsque l'intensité aug- mente, ce qui fait qu'on se trouve très rapidement hors de la zône désirée suivant l'invention et dns laquelle la @
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tension reste constante (chute cathodique normale). Par contre, lorsque la pression est élevée, à partir de 80 mm et au-dessus, l'intensité du courant et le chauffage des électrodes sont plus importants, de sorte que la décharge en arc commence déjà plus tôt. La fig. 4 montre la carac- téristique d'un disrupteur dans lequel la pression de l'hydrogène est de 250 mm et dont les électrodes sont dis- tantes de 1/IC de mm et ont une surface efficace d'environ 2 cm2.
Comme on le voit, la décharge en arc commence déjà à 170 milli-ampères à la suite de la décharge lente qui se produit sous une tension entièrement constante. On en dé- duit la règle que pour une tension d'amorçage donnée, en vue d'obtenir un arc s'établissant assez tôt, la pression du gaz doit être adaptée, en tenant compte du rapport con- nu de Paschen entre la pression et l'écartement, à un écar- tement des électrodes qui doit être aussi petit que possi- ble et inférieur à 0,5 mm.
Pour un disrupteur pouvant être utilisé de façon générale dans la pratique et dont la tension d'amorçage est de 350 volts, il en résulte que la pression doit être d'environ 50 à 70 mm de H2, la surface efficace des élec- trodes d'environ 2 cm2 et la distance entre les surfaces des électrodes, d'environ 0,3 à 0,5 mm.
On reconnaît que la grandeur de la surface effi- cace des électrodes est bonne et que la pression du gaz ainsi que la distance entre les électrodes conviennent bien lorsqu'une partie seulement de la surface cathodique est recouverte de lueurs de décharge lente lorsque le disrupteur fonctionne. Cette partie doit être assez peti- te pour que la cathode soit entièrement recouverte tout au plus sous l'intensité à laquelle la décharge lente est déjà capable de se transformer en décharge en arc. Une caractéristique sûre pour la fabrication des disrupteurs
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est donnée par le fait que la décharge lente ne recouvre dans sa plus grande étendue que les surfaces intérieures des électrodes, cest-à-dire celles qui se font face.
En effet, lorsque les électrodes ont de telles dimensions, on a encore l'avantage d'un champ homogène qui n'est pas troublé par des phénomènes se produisant sur le bord des électrodes. Cette homogénéité est très importante pour une décharge en arc devant être répartie sur toute la sur- face des électrodes. En effet, lorsque le champ n'est pas homogène et lorsqu'il se produit par exemple par une action marginale en des points isolés une décharge en arc par- tielle punctiforme ou en forme de zône, ces parties s'échauffent très fortement par suite de la grande densité de courant qui se produit à cet endroit, et ceci provoque un dégagement de gaz qui fait remonter la tension d'amorça- ge. Enfin les électrodes peuvent aussi être détruites à partir d'un tel point.
La masse des électrodes a une importance non moins grande pour la constance de la tension d'amorçage.
Plus cette masse est grande plus sont grandes les quanti- tés de chaleur nécessaires pour chauffer les électrodes jusqu'au dégagement de.ga ; c'est pourquoi il est utile de faire les électrodes aussi épaisses que possible. Il est vrai que cette épaisseur est limitée naturellement par le dégagement de gaz sur les électrodes avant le mon- tage, dégagement qui dure de plus en plus longtemps. En général une épaisseur de 1 mm suffit pour empêcher un échauffement trop rapide des électrodes.