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Dispositif à tube à cathode de mercure destiné à l'interruption de courants électriques à haute tension.
L'invention est relative à un dispositif destiné à l'interruption de courants électriques à haute tension, auquel est incorporé un tube convertisseur de courant à cathode de ,mer- cure qui comporte une électrode d'amorçage et une anode auxiliai- re servant respectivement à établir et à entretenir une décharge auxiliaire.
Avec les dispositifs de ce genre, qui sont utilisés plus particulièrement comme convertisseurs continu-alternatif pour haute tension, il est en général très difficile de réaliser l'in- terruption de la décharge à un instant où cette dernière possède encore une intensité de courant appréciable. Notamment pour les tensions anodiques très élevées il y a en pratique de grands in-
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convénients à réduire le courant anodique à zéro, même pendant un court intervalle de temps, ou à faire se rapprocher de la va- leur zéro la tension anodique et, en outre, il subsiste le grand danger que par suite de l'ionisation résiduelle encore présente la décharge déjà éteinte soit établie avant l'instant prescrit.
Il est déjà connu, par exemple par le brevet français 844.414, de disposer plusieurs 'lectrodes auxiliaires et une électrode d'amorçage de haute résistance à l'intérieur d'un écran de telle façon que ces organes ne puissent communiquer avec la chambre de décharge principale et avec l'anode principale dispo- sée dans cette chambre, que par l'intermédiaire de trous prévus dans le bord de l'écran au niveau de la surface du mercure. Dans ce cas la décharge principale est amorcée du fait que la tache cathodique de la décharge auxiliaire, tache qui se forme à l'in- térieur de l'écran, est tirée vers l'extérieur par le champ ano- dique ou au moins se divise et est tirée en partie vers l'exté- rieur.
Les tubes de ce genre ne conviennent pas pour des tensions très élevées car l'anode principale est exposée sans aucune pro- tection au mercure liquide ou vaporisé qui est projeté à partir de le, tache cathodique dans la chambre de la décharge principale dès que la tache cathodique sort de l'écran.
L'invention pour but de réaliser pour les dispositifs décrits ci-dessus qui servent à interrompre des courants à haute tension, un mode de construction et un fonctionnement tels que les inconvénients précités soient évités et, plus particulièrement, que l'extinction de la décharge ait lieu avec une plus grande sé- curité et que, même après l'extinction, le trajet de la décharge principale soit exempt autant que possible d'ionisation gênante.
Conformément à l'invention, on dispose à cet effet à l'intérieur d'une chambre sensiblement close non seulement l'arc auxiliaire, l'électrode d'amorçage et l'anode auxiliaire mais aussi la surface active entière de la. cathode, l'agencement étant tel que sensiblement tout le mercure provenant de la cathode demeure n
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à l'intérieur de cette chambre et que la décharge principale et la décharge auxiliaire soient éteintes par des impulsions de tension simultanées à front d'onde en pente raide sur les anodes principale et auxiliaire. Cela a.pour conséquence que la tache cathodique formée dans la chambre close se détache du mercure cathodique.
De la manière décrite ci-dessus la sécurité de l'extinc- tion de la décharge principale est fortement favorisée du fait que les effets exercés par les impulsions d'extinction sur les décharges principale et auxiliaire s'ajoutent, pourvu que ces im- pulsions agissent simultanément sur ces décharges.
Cela est accom- pagné d'une dé-ionisation très satisfaisante de la décharge prin- cipale, qui est due au fait qu'en tout état de cause la tache cathodique est blindée; il n'est alors pas nécessaire de dispo- ser sur le trajet de décharge des grilles extinctrices distinc- tes de sorte que tous les inconvénients inhérents à ces organes, tels qu'une valeur élevée de la tension de l'arc due à la pré- sence de forts rétrécissements du trajet de décharge ou la pro- duction de courants de grille appréciables dus à la grande sur- face active de la grille, sont supprimés.
On dispositif réalisé conformément à l'invention peut être utilisé comme interrupteur pour du courant continu à haute tension ou comme convertisseur continu-alternatif, c'est-à-dire un tube servant à convertir du courant continu à haute tension en du courant alternatif. Ces deux usages sont particulièrement importants pour la solution du problème de la transmission d'é- nergie sur une grande distance au moyen de courant continu à haute tension. L'usage mentionné en premier lieu permet de rédui- re fortement l'encombrement d'un interrupteur de grande puissance et, tout en évitant l'emploi des agents extincteurs usuels, de faire fonctionner cet interrupteur avec une perte d'énergie ex- trêmement faible.
Le second usage permet d'étendre la possibi- lité d'assurer la sécurité du fonctionnement des convertisseurs Continu-alternatif , même pour des tensions très élevées.
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Il est recommandé d'utiliser pour le dispositif sui- vant l'invention un tube convertisseur de courant qui comporte, en plus de la "chambre cathodique" mentionnée ci-dessus et de la chambre de l'anode principale qui font partie de récipients distincts, une chambre de condensation intercalaire qui communi- que avec les deux chambres précitées par l'intermédiaire de piè- ces de jonction rétrécies et qui empêche les particules de mer- cure provenant de la chambre cathodique, d'atteindre l'anode principale le long du trajet de décharge, un pouvoir bloquant par- ticulièrement élevé étant ainsi assuré dans la phase négative de la tension de l'anode principale.
Dans certains cas il peut être avantageux, toutefois, de renoncer à l'emploi d'une chambre de condensation distincte et de construire le tube à décharges de telle façon que la sur- face active de la cathode et les électrodes servant à produire et à entretenir la décharge auxiliaire soient entourées d'un écran en une matière à conductibilité calorifique satisfaisante qui est immergée au moins en partie, dans le mercure de la catho- de, cette dernière étant munie, de préférence, d'un dispositif de refroidissement.
Il est avantageux de choisir dans ce cas un mode de construction tel que la chaleur développée pendant la dé- charge soit en substance cédée au milieu environnant par l'inter- médiaire de l'écran et du mercure cathodique- Dans la majorité des cas il est possible d'extraire ainsi du trajet de décharge une quantité de chaleur telle qu'on puisse éviter la complication d'un récipient de condensation distinct.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, on utilise un tube convertisseur de courant dont la surface active de la cathode et les électrodes servant à pro- duire et à entretenir la décharge auxiliaire sont entourées d'un écran sensiblement cylindrique dont une partie est plongée dans le mercure cathodique et dont l'ouverture supérieure qui sert au .passage de la décharge principale, peut comporter éventuellement
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des organes de commande tandis que l'anode principale en forme de cloche entoure la partie supérieure de cet écran, l'agence- ment étant tel qu'il n'y ait nulle part à l'intérieur du tube, entre l'anode et ces organes,
des trajets ininterrompus de lignes de force électrostatiques dont la longueur soit supérieu- re à la moitié environ du trajet libre des électrons pour la pres- sion de service du tube. De la sorte, le trajet de décharge sen- siblement entier est entouré d'un écran à bonne dissipation de la chaleur et, en outre, on obtient une construction d'un encom- brement très réduit et d'un grand pouvoir bloquant dans la phase non conductrice.
Dans une variante d'un tube convertisseur de courant pour un dispositif suivant l'invention l'écran à l'intérieur duquel se trouvent la surface active de la cathode et les élec- trodes servant à produire et à entretenir la décharge auxiliaire, est disposé co-axialement à l'intérieur du récipient de décharge cylindrique du tube et à une faible distance radiale de ce ré- cipient et l'anode est disposée d'une manière analogue dans le prolongement de cet écran, l'ouverture de passage supérieure de l'écran étant couverte à une faible distance par la face anté- rieure de l'anode, face qui est perpendiculaire à l'axe du tube.
De la sorte l'écran n'est pratiquement pas couvert par l'anode dans le sens radial, ce qui favorise dans une grande mesure la dissipation de la chaleur de l'écran.
La description des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre comment l'inven- tion peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant des dessins que du texte faisant, bien entendu, partie de l'in- vention.
Les figs. 1, 2 et 3 représentent schématiquement en coupe des modes de constructions de tubes destinés à être utilisés dans les dispositifs suivant l'invention.
Les figs. 4 et 5 représentent des schémas de connexion de dispositifs d'extinction réalisés conformément à l'invention.
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La fig. 1 représente unftube convertisseur de courant dont le récipient de décharge est composé de deux compartiments 1 et 2 qui sont reliés entre eux par un tube de jonction métalli- que 3 et par un tube en verre 4 qui est enroulé en hélice, le tube de jonction 3 étant scellé de façon étanche aux deux compar- timents 1 et 2. Dans le compartiment 1 se trouve une cathode de mercure 5 qui est en contact avec une électrode d'amorçage 6 en matière demi-conductrice qui sort du tube en 7. Dans la partie supérieure du compartiment 1 est disposée une anode auxiliaire 8 qui entretient l'arc auxiliaire dès l'amorçage par l'électrode 6.
Comme électrode d'amorçage on peut aussi utiliser une électrode capacitive, par exemple une petite boule en quartz et à oaroi min- ce dont une partie est immergée dans le mercure et qui comporte à l'intérieur un revêtement conducteur dont la sortie hors du tube est blindée. Dans la partie supérieure du compartiment 2, qui est divisée en deux à mi-hauteur environ par un anneau en ferrochrome 12, est disposée une anode principale 16 qui sort du tube de façon étanche en 17. De part et d'autre du tube de jonction métallique 3 se trouvent des pièces 10 et 11 en forme d'entonnoir qui servent à guider la décharge principale entre la cathode 5 et l'anode 16 et à protéger les points de scellement du tube 3.
De plus, une ten- sion positive ou négative peut être appliquée à l'ensemble des or- ganes 3, 10 et 11, respectivement, pour faciliter l'amorçage de l'arc et pour augmenter le pouvoir bloquant dans la phase non con- ductrice. A l'intérieur de l'anneau 12 est disposé un organe 13 dont la partie inférieure affecte la forme d'un entonnoir et qui sert, comme l'ensemble 10-3-11 décrit ci-dessus, au guidage de la décharge vers l'anode principale 16 et à la protection des points de scellement de l'anneau 12. Au sommet l'organe 13 se termine par un rebord profilé creux 15 et à l'intérieur il est muni d'un dia- phragme 14 et d'ailettes radiales 19.
Le rebord 15 et le diaphragme 14 ne laissent à découvert que la partie centrale de la face anté- @
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rieure de l'anode et par ailleurs ils empêchent la production de trajets ininterrompus de lignes de force dont la longueur soit supérieure à la moitié de la longueur du trajet libre des élec- trons et qui autrement pourraient être formés entre la surface de l'anode et des organes à potentiel différent, le pouvoir bloquant du tube étant ainsi fortement augmenté. A la borne anodique 17 est fixé un écran en forme de cloche 18 qui empêche une concen- tration indésirable de lignes de force électrostatiques à la face postérieure de l'anode.
Le tube fonctionne comme suit: Après que, au moyen de l'électrode 6, il s'est formé une tache cathodique, il se produit une décharge auxiliaire entre la cathode de mercure 5 et l'anode auxiliaire 8. Cette décharge maintient la tache cathodique de sor- te que, éventuellement par application de potentiels convenables aux électrodes 3 et 13, il peut se produire une décharge princi- pale sur l'anode 16. La tache cathodique demeure alors en perma- nence à l'intérieur du récipient 1 et du mercure passant sous for- me de vapeur par 3 se condense dans la partie inférieure du réci- pient 2 et reflue à travers le tube en verre 4 à la cathode de mercure 5.
Dès que, conformément à l'invention, des impulsions de tension à front d'onde raide sont appliquées simultanément à l'anode auxiliaire 8 et à l'anode principale 16, la tache cathodi- que disparaît de la surface de la cathode de mercure 5 du fait que la tension anodique des décharges principale et auxiliaire se rap- proche pendant un court intervalle de temps de la valeur zéro ou bien atteint cette valeur. Grâce au mode de construction du tube il ne se produit sensiblement pas d'ionisation pendant la phase de blocage dans le compartiment 2 du récipient de décharge et du mercure provenant du compartiment cathodique se condense dans la partie inférieure du compartiment 2 et ne peut pas atteindre l'ano- de principale 16. On obtient ainsi une très grande sécurité du fonctionnement du tube même pour des tensions continues de 20.000 Volts.
Un tube des dimensions mentionnées ci-dessus convient pour @
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une intensité de courant dont la valeur efficace est de 6 amp. et dans le cas de dimensions plus grandes il est parfaitement possi- bLe d'éteindre quelques dizaines d'ampères.
La fig. 2 représente schématiquement en coupe un tube convertisseur de courant comportant un récipient de décharge en verre 20 qui contient une cathode de mercure 21 et une anode prin- cipale 22. Dans la cathode de mercure se trouve une électrode d'a- morçage 23 en matière semi-conductrice qui sort en 24 de l'extré- mitéinférieure du tube. Au-dessus de l'électrode d'amorçage est disposée une anode auxiliaire annulaire 25 qui sort également de l'extrémité inférieure du tube en 26. Ce mode de construction ne comporte pas une chambre de condensation distincte mais pour la dissipation de la chaleur de condensation et de la chaleur due aux pertes d'énergie on utilise un écran cylindrique 27 dont la partie inférieure est immergée dans le mercure et qui entoure la surface active de la cathode, l'électrode d'amorçage et l'anode auxiliaire.
Cet écran est établi en une matière à bonne conductibilité calo- rifique et comporte un certain nombre d'ailettes radiales 28 qui assurent une grande surface de contact avec le mercure catho- dique et qui aident à évacuer au mercure la chaleur de l'écran 27.
Ce dernier peut alors céder cette chaleur vers l'extérieur à tra- vers la paroi du récipient 20, éventuellement à l'aide d'un dispo- sitif de refroidissement artificiel. La partie supérieure de l'écran 27 est entourée de l'anode en forme de cloche 22 et la position relative de cette anode, de la partie cylindrique de l'écran et de la partie plane 23 à bord extérieur rabattu, est choisie de telle façon qu'à l'intérieur' du tube, entre l'anode 22 et d'autres organes dont le potentiel diffère de celui de l'anode, la production de trajets ininterrompus de lignes de force d'une longueur supérieure à la moitié environ du trajet libre des élec- trons est évitée à la pression de service du tube.
A l'intérieur de l'écran se trouve, au sommet, un organe en forme de grille 30 qui permet de faciliter 1'amorçage de la décharge principale par
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l'application d'une tension positive ou d'éteindre (ou de maintenir éteint) le tube au moyen d'une tension négative. Les conducteurs de la grille 30 et de la cathode 21 sortent de l'extrémité infé- rieure du tube respectivement en 31 et en 32. La partie inférieure du tube est entourée d'une chemise de refroidissement 33, munie d'un tuyau d'entrée 34 et d'un tuyau de sortie 35, dans laquelle peut circuler un réfrigérant gazeux ou liquide.
Le fonctionnement du tube décrit ci-dessus correspond à celui du tube de la fig. 1. Vis-à-vis de ce dernier, le tube représenté sur la fig. 2 présente, toutefois, l'avantage d'une ré- duction des dimensions et d'un moins grand risque de détériora- tion. Dans le mode de construction de la ,fige 3 on ne fait pas usa- ge non plus d'un récipient de condensation distinct.
A l'intérieur du récipient de décharge cylindrique 40 se trouvent le mercure ca- thodique 41 muni d'un conducteur d'alimentation 42, l'anode prin- cipale 43 munie d'un conducteur d'alimentation 44, l'électrode d'a- morçage 45 en matière semi-conductrice munie d'un conducteur d'ali- iaentation 46 qui sort de façon isolée de l'extrémité inférieure du tube et deux anodes auxiliaires 47 et 48 munies de conducteurs d'alimentation 45 et 49 qui sortent également de l'extrémité infé- rieure du tube. La chambre cathodique est entourée par un -écran 51 muni d'ailettes de refroidissement 52 qui sont immergées de la manière montrée sur la fig. 3 dans le mercure cathodique.
La partie inférieure de l'écran 51 présente une forme tronconique, la partie supérieure affecte, toutefois, une forme cylindrique et se trouve à une distance très faible de la paroi du récipient 40 de sorte que dans ce cas également une bonne dissipation de la chaleur vers l'extérieur est possible. A une faible distance du sommet aplati de l'écran et parallèlement à cette face aplatie s'étend la face antérieure de l'anode 43 qui affecte extérieurement une forme cy- lindrique et qui est également écartée du récipient de décharge d'une distance très faible de sorte que dans ce cas aussi des tra- jets de lignes de force ininterrompus de longueur excessive sont
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évités.
Les anodes auxiliaires 47 et 48 disposées à la suite l'une de l'autre favorisent la sécurité de l'amorçage de la dé- charge principale passant par l'ouverture 53 à l'anode 43. L'em- ploi de plusieurs anodes auxiliaires permet de donner à l'écran 51 une hauteur telle que le mercure provenant de la tache catho- dique soit complètement empêché de passer par l'ouverture 53 et qu'il se dépose avant cela sur la paroi de l'écran 51 et reflue à la cathode 41. En vue du refroidissement de cette dernière la partie inférieure du tube est entourée d'une chemise de refroi- dissement 54 munie de tuyaux 55 et 56 destinés respectivement à l'amenée et à la décharge d'un réfrigérant gazeux ou liquide.
La fig. 4 représente schématiquement un dispositif ex- tincteur comportant un tube convertisseur de courant à cathode en mercure dui peut faire partie d'un convertisseur continu-al- ternatif réalisé conformément à l'invention. La cathode 61 du tube 60 est reliée d'une nartà un système convertisseur continu-alter- natif indiqué schématiquement par 62 et d'a.utre part, à travers le orimaire 63 d'un transformateur 64, à la cathode à incandes- cence 65 d'un tube-relais 66. A ,La grille 67 de ce tube est relié, par l'intermédiaire d'une résistance 68, le secondaire 69 d'un transformateur à tension de crête 70 dont le primaire 71 est con- necté à un réseau à courant alternatif 72.
L'anode 73 du tube-relais 66 est reliée, à travers la liaison en série d'une résistance 74 et d'une source de courant continu 75 et, en parallèle avec ces éléments, à travers le condensateur 76, à celle des bornes du pri- maire 63 qui est éloignée de la cathode à incandescence 65, cette borne étant également connectée à la cathode de mercure 61 du tube convertisseur de courant.
Pour chaque impulsion positive appliquée à la grille 63, le condensateur 76 se décharge brusquement à travers le trajet de décharge du tube-relais de sorte que dans le secondaire 77 du transformateur 64 il se produit des impulsions de tension à front d'onde raide qui sont amenées, à travers les con- densateurs 78 et 79, à l'anode principale 80 et à l'anode auxiliaire
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81 du tube convertisseur de courant, une tension continue étant appliquée à cette dernière électrode dans le système convertis- seur continu-alternatif.
Les impulsions en question se produisent à la fréquence du réseau de commande à courant alternatif, par exemple 50 périodes, et de ce fait les anodes 80 et 81 acquièrent, au moins pendant un court intervalle de temps, un potentiel néga- tif ou un faible potentiel positif ou bien un potentiel nul par rapport à la cathode et cela pendant un intervalle de temps suffisamment long pour faire disparaître la tache cathodique et, en conséquence, le courant dans le tube convertisseur de courant
60, par exemple pendant 10-5 secondes. Il est du plus haut in- térêt d'amener les impulsions aux anodes 80 et 81 tout à fait simultanément car autrement la sécurité de l'extinction de la décharge diminuerait fortement.
Les décharges principale et auxiliaire du tube 60 sont alors produites périodiquement par l'électrode d'amorçage 82 qui est alimentée par la source de ten- sion de crête 83 synchroniquement avec la source de courant 72.
L'extinction simultanée périodique des courants anodiques principal et auxiliaire est effectuée chaque fois en synchronisme au moyen du système suivant l'invention, décrit ci-dessus.
La fig. 5 représente un mode de construction du dispo- sitif extincteur dans lequel la fréquence extinctrice est obtenue mécaniquement au moyen d'un contact d'interrupteur 90 qui est com- mandé par une came 91 calée sur un arbre tournant à une vitesse appropriée. Les éléments du schéma qui sont analogues à ceux de la fig. 4 sont indiqués par les mêmes chiffres de référence. Le contact 90 ferme et interrompt périodiquement le circuit dans le- quel circule le courant fourni par une batterie 92 et s'écoulant par le primaire 93 d'une bobine 94. Le point d'interruption est ponté par un condensateur 95.
Au moyen de ce mode de construction, qui correspond à un dispositif d'amorçage couramment utilisé pour les moteurs à explosion, il est appliqué aux bornes du secondaire 96 de la bobine des impulsions de tension à front d'onde raide qui
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sont amenées de la. manière indiquée sur la fig. 4 à travers les condensateurs 78 et 79 aux anodes 80 et 81 du tube à cathode de mercure 60.
Ce mode de construction convient également à être utilisé pour un dispositif d'interruption pour interrompre un circuit dans lequel circule un courant continu à haute tension pourvu que le contact 90, au lieu d'être mis en fonctionnement périodiquement par une came tournante 91, ne soit mis en service qu'une seule fois dans chaque mise hors circuit, car exemple au moyen .d'un bouton poussoir, auquel cas la cathode 61 et l'anode 80 font office de pôles de l'interrupteur ? courant continu.
Un dispositif réalisé conformément à l'invention permet, au moyen des tubes et des modes de connexion décrits ci-dessus, d'interrompre avec grande sécurité des tensions de l'ordre de 20.000 volts et pour des intensités de courant de l'ordre de 10 à 100 amp.