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EMI1.1
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Parafoudres.
La présente invention est relative aux parafoudres et elle concerne plus particulièrement un parafoudre perfection-! né dont le principe de fonctionnement est nouveau.
Le.. principal but de l'invention est de procurer un parafoudre qui fonctionne selon le principe de la décharge à arc et qui ait un très faible rapport entre la tension de dis- rupture et la tension de coupure. Ce parafoudre est constitué essentiellement par une série de courts trajets de décharge à arc, ayant une faible tension de disrupture, connectés entre la ligne ,électrique ou autre appareil électrique à pro- téger et la terre. Un parafoudre construit de cette manière a un très faible rapport entre la tension de crête et la tension
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de coupure et un accroissement très faible ou nul de la ten- sion maximum en fonction d'une augmentation du taux d'accrois- sement de l'intensité du courant.
Ce parafoudre est en outre apte à régir sans dommage des courants de front d'onde nota- blement plus intenses qu'aucun des parafoudres du type ha- bituel employés actuellement et il n'est pas endommagé par des courants d'une très grande puissance.
Le fonctionnement du nouveau parafoudre est basé sur le fait qu'une couche mince de matière isolante, de ma- tière semi-conductrice ou de matière conductrice finement di- visée, placée entre des couches de matière conductrice, a une faible tension de disrupture qui est très peu supérieure à la tension minimum requise pour maintenir la décharge. Par exem- ple, ces couches peuvent exiger 15 à 20 volts pour maintenir une décharge avec un courant de front d'onde intense, tandis que si la couche est suffisamment mince, la tension de dis- rupture n'est que de 25 à 40 volts. De cette façon, on peut obtenir un très faible rapport de tension et construire un parafoudre très satisfaisant en connectant en série un nombre suffisant de ces trajets de décharge pour arriver au voltage voulu.
L'invention consiste principalement en un parafoudre comportant un certain nombre de courts trajets de décharge à arc en série, dont chacun comprend des éléments conducteurs de faible résistivité qui ont entre eux une résistance de contact élevée et une faible tension de disrupture.
On comprendra mieux l'invention à l'aide de la des- cription suivante de certaines formes d'exécution pratiques représentées à titre d'exemple sur le dessin annexé, dans lequel:
Fig. 1 est une vue en perspective d'un disque qui peut être employé comme élément d'un parafoudre,
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Fig. 2 est une vue schématique d'un parafoudre,
Fig. 3 est une vue, partie en coupe, d'une forme d'exécution préférée de l'invention,
Fig. 4 est un diagramme montrant les caractéristi- ques volts-ampères du parafoudre de la Fig. 3,
Fig. 5 est une coupe transversale d'un disque de parafoudre,
Fig. 6 est une vue quelque peu schématique d'une autre forme d'exécution de l'invention,
Fig. 7 montre schématiquement un procédé pour cons- truire un parafoudre,
Fig.
8 est une coupe d'une autre forme d'exécution d'un disque de parafoudre,
Fig. 9 montre une autre forme d'exécution de l'in- vention,
Fig. 10 est une vue schématique, à plus grande échelle, de certains des éléments de la Fig. 9,
Fig. 11 est une coupe horizontale d'une autre forme d'exécution de l'invention, et
Fig. 12 est une coupe suivant la ligne XII-XII de la Fig. 11.
Comme on l'a spécifié ci-dessus, il a été constaté qu'une couche mince de matière isolante ou semi-conductrice placée entre des surfaces conductrices a une très faible tension de disrupture. Un parafoudre utilisant cette propriété est représenté sur les Figs. 1 et 2. Ce parafoudre comporte une série de couches minces de carborundum placées entre des surfaces métalliques, et il est de préférence formé par une série de disques minces 1 comme celui représenté sur la Fig.l.
Ces disques peuvent être faits en laiton ou autre métal ap- propri et comporter sur une face und mince revêtement de carborundum, comme indiqué en 2 sur la Fig. 1. Ce revêtement de carborundum doit être très mince ; unecouche de carborundum
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passant au tamis de 300 mailles, ayant une épaisseur sensi- blement égale à la grosseur d'un grain de carborundum, consti- tue un revêtement très satisfaisant. Les disques métalliques ont de préférence une épaisseur de l'ordre de 0,12 millimè- tre. Le parafoudre est constitué par un certain nombre de ces disques empilés comme le montre la Fig. 2 et disposés entre des électrodes métalliques 3.
Des couches de carborundum de ce genre ont une tension de disrupture d'environ 35 volts pour un courant de front d'onde et une tension de coupure com- prise entre 10 et 15 volts. On fabrique un parafoudre de tout voltage voulu en empilant simplement le nombre nécessaire de ces disques, de manière à constituer une série de courts trajets de décharge à arc.
Un tel parafoudre est capable de conduire un cou- rant oscillant très intense et a un faible rapport entre la tension de disrupture et la tension de coupure. Toutefois, pratiquement, ce parafoudre présente des inconvénients en raison de la difficulté de produire une couche satisfaisante de carborundum de l'épaisseur et de l'uniformité voulues et en raison de la concentration de la décharge à arc, qui pro- voque la fusion des disques métalliques aux bornes des arcs, ce qui forme des excroissances métalliques et court-circuite la couche de carborundum.
Un parafoudre d'un type:plus satisfaisant, qui fonctionne selon le même principe, est représenté sous une forme d'exécution pratique sur la Fig. 3. Ce parafoudre est constitué par un empilage de minces disques de carbone 4 dis- posés en série entre des électrodes 5 en laiton ou autre métal approprié. Comme le montre la Fig. 3, le parafoudre est de préférence. enfermé dans une enveloppe de porcelaine 6 et est connecte par un conducteur 7, par l'intermédiaire de l'éclateur usuel 8 en série, au conducteur 9 d'une ligne électrique ou d'un autre appareil à protéger, tandis que son
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autre extrémité est connectée par un conducteur 10 à une prise de terre appropriée.
Ce parafoudre a une résistance de contact élevée entre disques de carbone adjacents et, par conséquent, procure une série de courts trajets de décharge à arc de la même manière que le parafoudre de la Fig. 2. Avec le parafoudre à disques de carbone il ne se produit toutefois que peu ou pas de combustion ou érosion aux bornes des arcs et il apparaît que la décharge se répartit uniformément sur toute la surface du disque, de sorte qu'il ne se forme pas de creux dans sa surface. La Fig. 4 montre la caractéristique volts-ampères de front d'onde d'un parafoudre constitué par un empilage de 100 disques de carbone de 47,6 millimètres de diamètre et 0,39 millimètre d'épaisseur et comportant à sa partie supérieure une électrode de 275 grammes.
La courbe a de cette figure montre le premier essai, la courbe b lé troisième et la courbe est la caractéristique obtenue au dixième essai et à tous les essais suivants. On voit par ces courbes que la résistance de contact tend à augmenter quand on répète le fonctionnement et qu'on obtient finalement une caractéristique très avantageuse. L'accroissement de la résistance de contact est probablement dû à des dépôts de car- bone en poudre finement divisé qui a été vaporisé par latem- pérature .élevée de 1[.$arc et recondensé sous une forme diff-é- rente de celle du carbone du disque.
Le parafoudre représenta sur la Fig. 3 utilise des disques à bords en équerre. Si l'arc s'étale près du bord du disque, un crachement périphérique peut se produire. On peut y obvier en recouvrant les bords du disque d'un mince revêtement de peinture ou ciment isolant 11. Tout composé isolant appro- prié peut être employé à cet effet et on a trouvé qu'un mé- lange d'alundum et de verre soluble constitue une composition satisfaisante, vu qu'il agit comme isolant et, en outre, tend à maintenir les disques dans leur position correcte. Comme
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autre moyen d'empêcher les crachements périphériques, on peut employer le disque 12 représenté sur la Fig. 2.
Ce disque a des bords chanfreinés ou effilés 13, de manière que la distance entre disques adjacents soit augmentée au bord et la possibi- lité d'un crachement périphérique pratiquement écartée.
Il a été fait allusion à l'accroissement de la ré- sistance de contact résultant du fonctionnement répété du pa- rafoudre. Dans certains cas il peut être avantageux d'accroî- tre la résistance de contact pour diminuer le courant de fuite du parafoudre et rendre la résistance de contact moins sensi- ble à la pression exercée sur l'empilage de disques. Ceci a pour effet d'augmenter légèrement la tension de disrupture, mais elle peut encore être maintenue suffisamment faible pour donner un rapport de tensions très satisfaisant. On peut ac- croître la résistance de contact en recouvrant une face de cha- que disque de carbone pulvérisé analogue à celui formé par l'arc comme c'est décrit ci-dessus.
On peut atteindre ce but en mélangeant à un liquide du carbone finement divisé, en étendant le mélange sur le disque et en évaporant ensuite le liquide.
On peut aussi former un pareil revêtement en chauffant le dis- que ou simplement en épandant sur sa surface de la poudre de carbone meuble. Des revêtements de carbone mélangé à un liquide organique tel qu'une gomme-laque ou un vernis peuvent aussi être employés pour accroître la résistance de contact, et avec ces revêtements on peut régler la résistance en soumettant le disque à une cuisson au feu à une température suffisamment éle- vée pour carboniser la matière organique. Plus on 'élève la tem- pérature de cuisson, et plus faible deviendra la résistivité de la matière organique. Des revêtements isolants ou semi- isolants faits en d'autres matières peuvent aussi être em- ployés pour accroître ou pour régler la résistance de contact entre disques de carbone adjacents.
Par exemple, on peut appli- quer sur le disque une poudre réfractaire telle que le carbure n
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de silicium ou l'alundum, à l'état sec ou en suspension dans un liquide. D'autres matières isolantes comme la silice, le silex et le quartz peuvent être employées de cette manière à l'état pulvérulent. On a trouvé que le verre soluble dilué à la consistance correcte est satisfaisant pour cette fin, et la gomme-laque, les peintures organiques et les vernis peuvent aussi être employés. Ces revêtements organiques présentent l'avantage qu'on peut régler leur résistance en chauffant le disque conjointement avec son revêtement.
On peut aussi re- courir à une séparation mécanique des disques de carbone pour accroître la résistance aux fuites-entre les disques, et on a trouvé que des intercalations de papier mince satisfont à cette fin. Ces intercalations peuvent être découpées dans du papier d'une épaisseur et 0.3 à 0. 5 mil intercalé entre les disques.
De manière générale, on peut dire que tout revêtement appro- prié de matière isolante ou semi-isolante peut être appliqué sur l'une ou les deux faces des disques de carbone pour régler la résistance de contact entre eux et pour assurer de cette manière les caractéristiques voulues de haute résistance aux fuites sans augmenter notablement la tension de disrupture.
La Fig. 6 montre schématiquement une autre construc- tion d'un parafoudre de ce type, dans laquelle des disques mé- talliques 14 alternent avec des disques de laiton 15 entre des électrodes de laiton 16. Ce parafoudre fonctionne de la même manière que le parafoudre à disques de carbone, et des revête- ments isolants analogues peuvent être employés entre disques adjacents comme c'est décrit ci-dessus. Cette disposition pré- sente l'avantage d'une plus rapide dissipation de la chaleur en raison de la meilleure conductibilité thermique des disques métalliques, ce qui a pour effet d'augmenter l'aptitude du parafoudre à régir des courants de front d'onde intenses.
On a trouvé que lorsque des disques métalliques alternent de la sorte avec des disques de carbone, l'arc ne se concentre pas en un point sur le disque métallique, mais tend à tourner sur
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la surface du métal, si bien qu'il ne se produit guère de brû- lures nuisibles aux bornes de l'arc.
Les disques de carbone employés pour les parafoudres décrits ci-dessus peuvent être fabriqués de diverses manières.
Par exemple, le graphite pulvérisé peut être moulé seul ou être mélangé à l'une ou l'autre d'entre un certain nombre de matières qui comprennent: des poudres thermoplastiques comme la bakélite; des poudres de moulage comme l'argile, l'acide borique ou le talc; des matières fibreuses comme l'asbeste; des poudres mé- talliques comme le cuivre, le zinc, le fer ou le nickel. Les mélanges formés de cette manière sont ensuite moulés à la forme de disques des dimensions voulues au moyen de toute machine à mouler appropriée, et après moulage on applique éventuellement sur les disques un revêtement isolant, puis on empile les dis- ques et on les cuit au feu à la température correcte pour chas- ser l'excédent de matière volatile et pour carboniser partiel- lement ou complètement les matières organiques présentes.
Au lieu de mouler les disques, on peut extruder ou laminer l'un ou l'autre des mélanges de graphite mentionnés ci-dessus, pour constituer des feuilles minces, et découper les disques au poin- çon, après quoi on les isole, on les assemble et on les cuit au feu comme c'est décrit ci-dessus.
Un autre mode de fabrication est représenté schémati- quement sur la Fig. 7, où le mélange de graphite 17 est extrudé en une bande mince 18 qui passe d'abord entre des cylindres chauffés 19 et ensuite entre deux ajutages 20 qui projettent sur la bande un revêtement isolant. Des bras de levier 21, qui peuvent osciller sous l'action de tout mécanisme approprié, plient la bande en couches, comme indiqué en 22, et quand un nombre suffisant de oouches sont formées, on peut couper la bande et mettre sous pression et cuire au feu la partie pliée de la bande. Puis on rogne à la meule les bords pour leur don- ner une forme circulaire, formant ainsi un empilage cylindrique de disques isolés.
Ce procédé de fabrication présente l'avanta-
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ge de produire des couches isolantes uniformément espacées et, par conséquent, il assure une plus grande uniformité de dis- rupture électrique entre les disques. Il est clair aussi qu'au lieu d'employer un mélange extrudé, comme c'est décrit, on peut employer du papier ou du tissu, simple ou imprégné, et le carboniser dans une opération de cuisson au feu. Ainsi, les disques peuvent être constitués soit de carbone sensiblement pur, soit de mélanges de carbone avec d'autres matières, con- ductrices ou non-conductrices, et le terme "carbone" est em- ployé dans la présente description tant pour la matière pure, que pour un mélange de carbone avec un liant apte à fournir une matière carbonée ayant une résistivité relativement faible.
La Fig. 8 montre une autre forme d'exécution d'un disque qui peut être employé comme élément de parafoudre. Cet élément est constitué par un disque métallique mince 23 en- duit sur les deux faces d'un revêtement de carbone 24. La cou- che de carbone peut être appliquée sur le.disque métallique par éclaboussage dans une décharge électrique, par projection ou étalement d'un mélange liquide de carbone, par carbonisation de matières Qrganiques sous l'effet de la chaleur ou par d'au- tres moyens appropriés. Il est essentiel qu'un bon contact soit établi entre la couche de carbone et le disque métalli- que. Des métaux appropriés pour le disque sont le cuivre, le fer ou le nickel. Avec ce type de disque, le métal sert de support mécanique au carbone et aussi de connexion électri- que entre les deux couches.
Ces disques peuvent être faits plus minces que les disques de carbone, de sorte qu'on réduit la hauteur totale du parafoudre. Par exemple, le disque métal- lique peut avoir une épaisseur de 0,15 millimètre, tandis que les deux revêtements peuvent être chacun de 0,05 millimètre.
Les disques de carbone les:plus minces qu'on peut employer en pratique ont une épaisseur d'environ 0,45 millimètre, et par suite on peut obtenir une notable diminution de la hauteur en employant des disques métalliques revêtus de carbone.
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Une autre forme d'exécution de l'invention est représentée sur la fig.9; elle consiste essentiellement en un grand nombre de fragments de carbone petits et minces, de forme irrégulière, 25 ayant des surfaces parallèles plates. Ces fragments sont tous d'une épaisseur uniforme et sont disposés en plusieurs couches entre des électrodes en laiton ou autre métal 26, tandis que sur les bords les couches sont garnies d'un revêtement isolant 27. Les frag- ments de carbone peuvent ne pas être isolés ou ils peuvent comporter un revêtement isolant sur l'une ou sur leurs deux faces plates, comme c'est décrit ci-dessus. Les fragments de carbone peuvent être assemblés en vrac dans un récipient approprié ou, si on le désire, ils peuvent être moulés en un bloc cylindrique au moyen d'un liant approprié.
Pour un voltage donné, le parafoudre peut avoir une hauteur notable- ment moindre que le parafoudre à disques de carbone décrite plus haut, bien que son fonctionnement soit le même. Une vue agrandie de plusieurs des fragments de carbone 25 est repré- sentée sur la fig.10, et on voit que l'effet de cette dis- position est d'allonger le trajet de crachement périphérique entre couches adjacentes, indiqué en 26', sans augmenter la hauteur totale du parafoudre.
Encore une forme d'exécution de l'invention est représentée sur les figs. Il et 12. Le parafoudre représenté sur ces figures comporte une électrode centrale 27', qui peut être faite en carbone, entourée par une spirale de carbone mince à couches multiples 28, et une électrode cylindrique extérieure 29 en carbone ou laiton. Une isolation 30 est prévue aux bords pour empêcher les crachements périphériques.
On peut produire facilement ce parafoudre en enroulant autour de l'électrode centrale une bande de papier ou de tissu, simple
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ou isolé sur l'une ou les deux faces, et en carbonisant ensuite le tissu ou le papier par cuisson au feu. Il va , de soi que le fonctionnement de ce parafoudre est le même que celui des parafoudres décrits ci-dessus, étant donné qu'il forme un certain nombre de couches de matière con- ductrice comprenant entre elles une résistance de contact élevée ou séparée par de minces couches de matière isolante.
De ce qui précède il ressort que le principe fon- damental du nouveau parafoudre peut être réalisé sousune grande variété de formes d'exécution, mais que chacune de ces formes d'exécution consiste essentiellement en une série de courts trajets de décharge à arc constitués par une couche mince de matière isolante ou semi-conductrice placée entre des couches conductrices, ou qu'il peut avoir simplement la forme d'une série de couches conductrices ayant entre elles une résistance de contact élevée. Quand on applique une haute tension à un parafoudre de ce type, chacun de ces trajets de décharge à arc subit une disrupture, de sorte que le courant de front d'onde traverse le parafoudre par une série d'arcs courts.
L'amorçage de la décharge à arc peut s'expliquer trèsprobablement de la manière suivan- te, encore que d'autres explications soient possibles. La surface des disques de carbone, examinée sous le microscope, n'est pas parfaitement lisse: elle accuse quelques points surélevés qui peuvent être du même ordre de grandeur que l'écartement entre disques adjacents. Ces points sont re- lativement peu nombreux, mais ils ont une résistance finie dépendant de la surface de contact avec le disque adjacent et de la résistivité de la matière. Le courant se concentre en ces points et produit une température suffisamment éle- vée pour vaporiser le carbone. Celui-ci amorce très vite une décharge à arc en ce point, et il est probable que
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plusieurs décharges de cette nature commencent simultanément.
L'échauffement des bornes de l'arc a pour effet de vaporiser le carbone sans le faire fondre et, dans ces conditions, la borne cathodique de l'arc se déplace apparemment très vite sur la surface entière du disque, ou beaucoup de décharges en parallèle s'étendant sur toute la surface peuvent appa- raitre. Le carbone vaporisé formé par la décharge se recon- dense sous une forme amorphe sur la surface du disque et peut combler l'intervalle entre les disques, mais quand ceci a lieu, les particules de carbone finement divisées formées de cette manière ont une résistance élevée par suite de leurs très faibles dimensions et de leur disposition lâche.
A l'amorçage de l'arc contribuent probablement aussi d'autres facteurs, tels que l'émission d'électrons à la cathode, due au champ intense, et la déformation du champ diélectrique entre les disques de carbone par la couche i solante.
Il a été constaté par des essais qu'un parafoudre constitué de disques de carbone et fonctionnant de la ma- nière décrite ci-dessus possède beaucoup de caractéristiques avantageuses. On a obtenu des rapports entre la tension de crête et la tension de coupure pas plus grands que 1,3 à 2,0 et on a trouvé que ce parafoudre régit sans dommage un courant de front d'onde notablement plus intense qu'aucun des parafoudres du type habituel employés actuellement. insi, un parafoudre constitué de 20 disques de carbone empilés sous une faible pression fut essayé par deux fois avec un courant de front d'onde dont l'intensité de crête était de 65. 000 ampères et par quatre fois avec un courant de crête de 110.000 ampères.
Les disques ne furent point altérés par cet essai èt l'élévation de température ne fut que de l'ordre
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de 50 à 80 C. D'autres essais ont montré que ce parafoudre a un accroissement très faible ou nul de la tension maximum en fonction d'une augmentation du taux d'accroissement de l'intensité de courant, et on a aussi trouvé qu'il régit de manière satisfaisante, sans dommage, des courants d'une très grande puissance. Cette dernière caractéristique pré- sente une grande importance dans beaucoup d'applications où-des arrière-courants de grande puissance parcourent le parafoudre pendant un demi-cycle. Les types de parafoudres employés jusqu'ici se sont avérés insuffisants pour un service où- ces courants sont très intenses.
En revanche, le parafoudre à disques de carbone a été essayé, sans avoir été endommagé, avec des courants à grande puissance de 60 cycles, dont l'intensité atteignait 3000 ampères.