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rîtb'C1:ONN.tdtT AUX ;R&.Sr8'lNCE::i ELEC'l'Ri("JUES U'l'ILISh.B.r...Ei:3 NO'l'AM- MENT DANS LES PARAFOUDRES
La présente invention a pour objet une matière formant résistance, utilisable en particulier dans des dispositifs électriques à décharge, tels que les parafoudres, cette matière ayant une caractéristique varia. ble de résistance, cette dernière diminuant lorsque la tension augmente aux bornes de la dite matière.
Un a déja utilisé de telles résistances sur une très grande échelle dans les dispositifsà décharge tels'que'les parafoudres,
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comme, par exemple: la matière bien connue commercialement sous le nom de thyrite. un grand nombre de parafoudres sont constitués par un écla- teur, disposé en série avec une pièce faite avec la matière ci-dessus.
Lors d'une surtension, comme celle qui peut être c&usée par un coup de foudre, la distance explosive de l'éclateur devient conductrice et fer- me un circuit à basse résistance vers le sol, en passant par la résis- tance en question. Celle-ci joue en quelque sorte le rôle d'une valve.
Avec un tel dispositif, on constitue un circuit de faible résistan ce entre la ligne et le sol, de telle sorte que les surtensions dues à la fouare ou à des ouvertures d'interrupteurs peuvent passer sans dan- ger vers le sol, sans endommager le matériel électrique relié à la li- gne. La résistance en question qui joue le rôle de valve, en raison de sa caractéristique variable de résistance, permet le passage de la sur- tension vers le sol, sans augmentation importante de tension à ses bor- nes, et elle augmente même suffisamment de résistance sous la tension de la ligne pour limiter à une valeur telle, le courant qui se produit sous l'influence de la tensiode la ligne, que la distance explosive ci dessus peut couper ce courant.
Comme plus le courant qui passe dans cette résistance est élevé, plus la résistance est faible, il n'existe aucune tension élevée aux bornes de cette résistance, qui puisse endom- mager les appareils qui lui sont associés. il est évident que, puisque la surtension entière traverse la r é- sistance, et que la distance explosive ne peut pas couper le courant qui prend alors naissance sous l'influence de la tension en ligne, à moins que ce courant ne soit limité par la résistance mise en sérier cei te résistance doit être capable de résistera- sans amorçage, sans cla- quage ou sans modification importante de ses caractéristiques électri- ques, à toutes les décharges qui passent à travers le parafoudre,
en raison d'une surtension due à la foudre ou à une ouverture d'interrup- teur. n raison de l'importance et de la durée de telles décharges, il est très difficile de produire de tels éléments de résistance formant valve, capables de résister aux décharges très violentes auxquelles la nature peut les soumettre.
La présente invention a justement pour objet une nouvelle
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résistance, destinée à jouer le rôle de valve ci-dessus, dans un dispo- sitif à décharge, et dont la capacité de fonctionnement est beaucoup plus élevée' que dans les appareils connus jusqu'ici afin de résister à des surtensions de toute nature et de longue durée, telles que celles qui durent environ une milliseconde ou davantage. Une telle résistance conforme à l'invention, possède en outre des caractéristiques protec- trices d'une beaucoup plus grande permanence que les matière actuelle- ment connues, lorsqu'elle est soumise à des décharges correspondant à de très forts courants.
EN outre, cette matière est facile à construire, et son prix de re vient est peu élevé. L'invention sera d'aileurs bien comprise si l'on se reporte à la description qui suit et au dessin qui l'accompagne à titre d'exemple non limitatif et dans lequel :
La figure 1 est une élevation, partie en coupe, d'un dispositif à décharge utilisant une résistance conforme à l'invention.
La figure 2 est une vue en perspective d'un disque fait avec cette résistance, et utilisé dans l'appareil de la figure 1.
La figure 3 est une vue analogue d'un autre appareil utilisant en- core la résistance conforme à l'invention.
La figure 4, est une vue analogue à celle de la figure 3, et repré. sente un disque fait dans la matière employée dans l'appareil de la fi- gure 3.
Les figures 5, 6 et 7 sont des courbes facilitant la compréhension de l'invention.
Les figures 8, 9, 10 et 11 représentent certaines caractéristiques de la résistance de l'invention, avant et après son,conditionnement.
L'appareil à décharge 1, représenté figure 1, appelé généralement parafoudre, est constitué par une monture 2 à l'intérieur de laquelle se -trouve un élément 3 comportant plusieurs éclateurs en série, tels que 4. En série avec cet élément 3, se trouve un autre élément formant valve, et représenté dans son ensemble par la référence 5. Cet élément 5 est.constitué par plusieurs disques (ou plateaux) de résistance 6, empilés les uns sur les autres, leurs faces adjacentes étant en con- tact les unes avec les autres, et, de préférence, munies d'un
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revêtement ou d'une matière conductrice telle q'un métal.
Ces plateaax . ou disques comportent de préférence un élément annulaire extérieur 7 iso lent, tel qu'une pièce céramique -appropriée, contenant à l'intérieur une Scie 8 en matière formant résistance, fabriquée'conformément à la présen- te invention, comme on va le décrire ci-dessous.
Le parafoudre 1 est muni d'une borne 9 reliée à la ligne, et d'une bmrne lu connectée au sol.
Dans les figures 3 et 4, on a représenté un parafoudre de forme quelque peu différente, mais qui utilise toujours un type analogue de plateaux ou de disques résistants. Ce parafoudre 11, de la figure 3, com prend une monture cylindrique scellée 12, à l'intérieur de laquelle on a disposé plusieurs disques 13 en résistance conforme à l'invention, et disposés alternativement avec plusieurs éléments 14 à éclateurs. Ces élé ments 13 et 14 sont logés à l'intérieur de la monture 12, et connectés électriquement entre la borne 15 reliée à la ligne et la borne 16 reliée au sol. Les disques de résistance 13 sont mieux représentés figure 4, où l'on voit qu'ils sont constitués par un élément annulaire extérieur 17, analogue à l'élément 7 de la figure 2, et par une âme 18, en résis- tance conforme à l'invention.
On voit donc par ce qui précède que les disques 6 et 13, des figu- res et 4 sont analogues d'une manière générale, chacun comportant un anneau 7 en 17 respectivement. Ces anneaux évitent les amorçages. Comme on le voit, les disques 6 ont un diamètre plus grand et une épaisseur plus grande que les disques 13, mais il doit bien être compris que l'on peut utiliser des disques de toutes dimensions appropriées.
La matière constituant la résistance conforme à l'invention est constituée par des grains ou particules de carbure de silicium, ou de car borundum, maintenus ensemble par un liant approprié. @fin que la. résis- tance utilisée dans les disques 6 et 13 résiste mieux pendant des sur- tensions de longue durée dues à la foudre ou aux ouvertures d'interrup- teurs, et pour qu'elle présente une permanence plus grande de protection Que les matières utilisées auparavent, lorsqu'elle est soumise à des décharges à fort courant, on introduit une quantité prédéterminée de talc dans le liant, et les disques'sont en outre conditionnés par
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l'application d'impulsions contrôlées, de grandeur, de durée et de po- .
larité prédéterminées, cette introduction de talc et les impulsions en question agissant d'une manière favorable, à la fois séparément et par leur action combinée.
La Société demanderesse a trouvé que l'addition de petites quanti- tés de talc dans le liant, unissant les particules de carbure de sili- cium, rend ce .iant plus apte à réagir et plus fluide pendant sa vitri- fication, ce qui fait que ce liant entre en contact plus intime sur des surfaces plus grandes des grains de carbure de silicium. Lors de la so- lidification, le liant comportant du talc se fixe sur les grains de car. bure de silicium d'une manière plus intime que les liants utilisés jusqu'ici,ce qui entraîne un contact plus étroit entre les grains, ain- si qu'un plus grand nombre de points de contact. La résistance du disquE diminue ainsi puisqu'une grande partie de sa résistance est cànstituée par les contacts entre grains.
La résistance plus faible de ces contacts diminue la tension à leurs bornes, pour toute la gamme de courants entrainés par les surten- sions dues aux interrupteurs ou aux décharges de longue durée dues à la foudre, et ces contacts peuvent laisser passer un courant plus élevé avant d'atteindre leur tensionde rupture. Il est également possible que la plus grande fluidité du liant comportant du talc entraine sa distri- bution sur une proportion plus grande de 'la surface des grains et procu- re ainsi un plus grand nombre de contacts, dans lesquels l'isolement est excessivement faible. cette fabrication aboutit, bien entendu, à une matière susceptible d'être grandement améliorée par impulsions électriques, comme on le ver- ra ci-dessous.
Le liant est un isolant, et des quantités modérées entre les surfa. ces des grains peuvent isoler électriquement les grains les uns des au- tres.
11 doit être bien entendu que tout ce qui précède, au sujet du fait que la présence d'une certaine quantité de talc améliore les disques résistants, est seulement donné à titre d'explication, et que cette .explication n'est nullement limitative, les caractéristiques amé-
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-liorées de la résistance en question pouvant peut être se trouver expliquées d'une manière différente.
La Société demanderesse a trouvé qu'une résistance très favorable pouvait être constituée par un mélange comportant 75% de particules de carbure de silicium et 25% de liant. Ces particules, ou ces grains, peu. vent avoir des dimensions telles qu'ils passent dans des tamis de l'or- dre de 20 ou de 200, suivant l'application particulière envisagée. Un liant satisfaisant peut être obtenu par un mélange destiné à constituer une porcelaine, et qui, conformément à l'invention, est mélangé à un lé- ger pourcentage de talc, tel que la stéatite, ou le silicate hydraté de magnésium, un a trouvé qu'une proportion de b% de talc est excessivement satisfaisante, bien que les avantages de la présente invention puissent être obtenus avec un pourcentage de talc allant par exemple de 2 à 10%.
de la quantité totale de liant.
En réalité, le pourcentage de talc dans le liant est très impor- tant .
Si l'on utiliso trop de talc, par exemple plus de 10%, le courant qui prend naissance du fait de la tension en ligne, est plus grand que celui de l'éclateur placé en série avec le disque, peut arrêter, et, en outre, les disques peuvent devenir non satisfaisants, au point de vue mécanique,. 1,'influence du talc sur le courant ci-dessus est clairement indiquée par la courbe de la figure @ dans laquelle on a représenté en abcisses le pourcentage du talc dans le liant, et en ordonnées, le rap- port dudit courant après 3 impulsions de 7 Ka (onde de 9 à 17 micro-se- condes) au même courant après 2 impulsions de 1,b Ka (onde de lu 20 micro-secondes).
Si l'onnutilise pas assez de talc dans le liant, par exemple, moins de 2%, la résistance devient trop petite pour des déchar. ges de longue durée, durant une milliseconde, et même davantage.
L'influence du talc sur la résistance, pendant une longue durée de temps, est clairement indiquée sur la figure 6, dans laquelle on a en- obre porté en abcisses la proportion en % de talc dans le liant, les ordonnées représentant les courants d'impulsions de longue durée d'une forme particulière d'ondes que les disques ont supportés sans être percés.
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D'après ce qui précède, une résistance particulière conforme à l'invention peut être constituée par exemple par un mélange de 75% de particules de carbure de silicium, 23,75 % d'un mélange destiné'à cons- tituer une porcelaine et 1,se % de talc. Le mélange à porcelaine peut être constitué par de l'argile, du feldspath, du quartz ou des matières analogues. il est excessivement important que le très petit pourcentage de talc soit réparti de manière uniforme à travers l'ensemble des matières.
.uans une méthode préférée de fabrication de'la résistance, le talc est d'abord mélangé parfaitement avec le mélange à porcelaine, ensuite les grains ou particules de carbure de silicium sont ajoutés au liant, et la masse est à nouveau mélangée très soigneusement. L'ensemble de ce mé- lange est ensuite introduit dans un'cylindre, placé à son tour dans un poule, de manière à ménager ainsi un espace annulaire dans lequel on pla ce une matière appropriée, destinée à former un anneau isolant. Après une manipulation convenable, le cylindre est retiré, et l'on applique une certaine pression, à la fois sur l'àme di disque et sur son anneau extérieur.
En appliquant et en supprimant plusieurs fois la pression, on oblige l'air à s'échapper entièrement du mélange, de manière à obte- nir un disque sans défaut mécanique. un applique de préférence des pressions de l'ordre de grandeur de 28U à 840 Kilogs par cm2.
Après que.la résistance a été séchée, elle est chauffée suivant un cycle de température, contrôlé de manière très précise, comme par exem- ple celui qui est représenté dans la courbe de la figure 7, dans laquel- le on a porté en abcisses le temps en heures, et en ordonnées la tempé- rature en C. un a trouvé, dans un exemple particulier de fabrication, que la température maxima désirabl'e pouvait s'échelonner entre 1210 et 1240 C. De préférence, cette température maxima, appliquée à un exem- ple particulier de disque en résistance conforme à l'invention, a été de 1225 C. Rien entendu, le cycle de chauffage de la figure 7 peut être modifié pour des disques de composition différente.
Comme on l'a signalé plus haut, on peut apporter certaines carac- téristiques améliorées à une résistance du type ci-dessus, en sou-
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-mettant les disques ayant été ainsi chauffés à des impulsions électri- ques, d'une manière prédéterminée. il doit encore être bien entendu que l'invention ne doit nullement être limitée par théorie suivante, qui semble expliquer comment les ca- ractéristiques améliorées sont ainsi obtenues, bien que les explication: en question semblent, logiques.
Lorsque les disques sont soumis à des impulsions analogues à celles que l'on va décrire, on croit que ces im- pulsions brisent quelques uns des films isolants du liant, qui sont si- tués entre certains des grains de carbure de silicium. il en résulte que l'on crée un plus grand nombre de chemins pour laisser passer les courants de décharge.
Ces explications seront d'ailleurs bien comprises si l'on se repor. te aux figures 8, 9, 10, 11.
La figure 8 est une coupe à travers un disque 6 avant le condition, nernent conforme à l'invention, et la figure 10 est une vue analogue du même disque après conditionnement. Les lignes en traits interrompus, munies de flèche dans la figure 6, indiquent la distribution non unifor. me du courant à travers le disque, du fait que les parties telles que 19 à80, par exemple, du disque, contiennent des particules de carbure de silicium isolées les unes des autres par un film de liant, comme on le voit clairement, d'une .tanière bien apparente sur la vue très agran- die de cette partie 19, représentée par la figure 9. Les grains de car- bure de silicium sont indiqués en 26, et les films isolants de liant sont représentés par les taches plus noires indiquées en 27.
Le liant n'est en réalité ps entièrement concentré dans ces taches noires, mais il est aussi réparti à travers un très grand nombre d'interstices entre les grains. Les grains de carbure de silicium ont une couleur sombre, tandis que le liant est blanc, mais pour mieux représenter l'objet de l'invention, les films de liant, qui ont été percés lorsque le disque a été conditionné, ont été représentés par des points plus noirs.
Lorsque le disque a été conditionné, comme on le verra ci-apres, les films de liant isolant 27 sont percés et les chemins que peut sui- vre le courant à travers la partie 19 sont clairement représentés figu- re 11, La figure 10 représentée le disque 6 après conditionnement,
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et fait ressortir le fait que le courant est maintenant distribué d'une maniere beaucoup plus uniforme. Un a ainsi éliminé des régions où se produiraient des surtensions par suite de concentrations de courant.
Un voit que le passage d'une décharge à travers les diverses sé- ries de contacts entre les grains fait naître des tensions plus élevées aux contacts de résistance plus grande et chauffe cescontacts plus que ceux qui offrent une résistance plus faible. Comme les contacts de ré- sistance élevée deviennent plus chaude que les contacts de faible régie tance, ces contacts sont modifiés de manierenà avoir une résistance plus faible, et ceci entraine une résistance plus uniforme dans tous les contacts. n d'autres termes, le gradient de tension entre les dis- ques sera plus uniforme après le conditionnement. Chaque partie du tra- jet suivi par le courant supportera une partie plus égale de la tension et la solidité du disque en sera augmentée.
Ces théories ont été expérimentées, en reliant deux disques de même composition initiale et de memescaractéristiques, enparallèles l'un avec l'autre, de telle sorte que, lorsqu'une impulsion se décharge à travers ces disques, chacun ait la même tension à ses bornes. L'un de ces disques avait été conditionné avec trois impulsions de 5.000 ampères, avec une forme d'onde atteignant son courant de crête en 9 mi- crosecondes, ce courant étant réduit de moitié en 16 microsecondes. Le deuxième disque n'avait pas été conditionné.
L'essai a montré que le disque conditionné laissait passer deux fois plus de courant que le disque non conditionné.'n outre, bien que le disque non conditionné n'ait supporté qu'un courant moitié de'l'autre disque, et qu'il n'ait absorbé qu'une énergie moitié, il claqua, tandis que le disque condi- tionné résista. Cet essai fut répété avec le même disque conditionné, essayé successivement avec trois disques non conditionnés. Dans chaque cas, les disques non conditionnés ont-été percés tandis que le disque conditionné ne le fut pas.
Cet ensemble complet d'essais fut répété deux fois encore, avec de nouveaux disques conditionnés dans chaque cas Il est probable que l'amélioration de la résistance des disques condi- tionnés est due à la plus grande surface que ces disques offrent au passage de la décharge, comme on l'a expliqué plus haut, en rait
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-son d'un gradient plus uniforme qui répartit la tension d'une manière plus égale à travers la masse du disque.
Il est évident que les disques peuvent être conditionnés par une grande varie-té d'impulsions. Conformément à l'invention, les disques sont conditionnés à la fois par des impulsions négatives et des impul- sions positives, car ceci renforce beaucoup les disques, à la fois con- tre les surtensions positives et négatives. Si l'on ne conditionnait les disques que sous une seule polarité, par exemple positive, le dis- que serait très fort contre les surtensions négatives, mais il n'offri- rait qu'une résistance modérée aux surtensions positives, et récipro- quement, si l'on n'avait conditionné le disque qu'avec des impulsions négatives. C'est pourquoi il est préférable de conditionner les dis- ques sous les deux polarités pour augmenter leur résistance contre les surtensions des deux polarités.
Conformément à l'invention, on conditionne d'abord un disque au moyen de deux impulsions négatives, appliquées sur la face du disque reliée à la ligne, ces impulsions étant suivies de deux impulsions po- sitives. Cette succession de polarités est utilisée, carelle donne aux disques une résistance un peu plus grande contre les surtensions néga- tives, que contre les surtensions positives. Cette propriété est préfé- rable, car les surtensions dues à la foudre sont en général négatives, tandis que les surtensions ordinaires dues à l'ouverture d'interrupteur peuvent être, soit positives, soit négatives. Les disques 6 de la figu- re sont donc conditionnés par deux impulsions négatives de 10.000 am- pères, suivies par deux impulsions positives de 10.000 ampères.
Ces im- pulsions ont une forme d'onde telle que le courant de crête est atteint en 10 microsecondes, ou tout au moins dans une durée comprise entre 10 et 20 microsecondes, le courant tombant de moitié en 20 microsecondes, ou tout au moins en 20 à. 40 microsecondes. De préférence, les disques 13 de la figure u sont conditionnés par des impulsions de 5.000 ampères dont le nombre, la polarité, la succession, et la durée sont les mêmes que pour les disques 6 de la figure 2.
Si l'on utilisait pour ces conditionnements des courants d'un- tensité plus grande, ou pendant des durées égales à, ou plus lon-
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-gués que celle mentionnée ci-dessus, on augmenterait de manière inu- tile le courant du à la tension de la ligne et on imposerait à l'écla-' leur des obligations de coupure plus sévères, par contre, si 'on utilisait des courants plus faibles, ou de durées égales ou plus cour- tes, on réduirait la résistance dans le temps, de l'élement jouant le rôle de valve.
On peut également adopter avec succès une impulsion légèrement plus grande, mais de durée plus courte, par exemple une impulsion at- teignant une crête de 13 à 15.000 ampères en 1 à 4 microsecondes, le courant tombant à la moitié de cette valeur en 3 à 7 microsecondes, on obtiendrait ainsi un disque très résistant.
Théoriquement, un impul- sion courte de courant élevé est désirable, en ce sens que l'impulsion de tension, nécessaire pour briser les films isolants entre les partie. cules de carbure de silicium, est appliquée pendant un temps courte te qu'il y a moins de danger d'endommager les contacts entre les particu- les. il est également désirable au point de vue mécanique, que le géné rateur d'impulsion produisant les dites ondes soit matériellement de petites dimensions. une autre forme d'ondes favorable au conditionnement pourrait être constituée par une onde oscillant rapidement et ayant des courbes de courant positives et négatives, de grandeur égale ou sensiblement égale, car cette onde conditionnerait le disque en une seule opération, avec une succession de décharges positives et négatives.
il est toute- fois difficile de produire une telle onde, car certaines limitations provenant des circuits entraînent l'obtention de demi-ondes correspon- dant à des grandeurs de courant plus petites.
La Société demanderesse a trouvé qu'en utilisant le talc, et qu'er conditionnant les disques éonformes à l'invention comme,on vient de le décrire, on obtient des caractéristiques de protection beaucoup plus durables. Si les résistances connues jusqu'ici étaient soumises à des décharges de courant très élevées de l'ordre de 100.000 ampères, la tension aux bornes des résistances, et par conséquent la tension aux bornes des appareils qu'elle protège, augmenterait d'une manière sen- sible pour des courants plus faibles, de l'ordre de quelques cen- taines d'ampères. Au contraire, dans des conditions similaires,
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la tension aux bornes des nouveaux éléments construits selon l'inven- tion reste pratiquement inchangée.
LI est tout à fait indésirable que- la résistance utilisée pour jouer le rôle de valve dans un parafoudre, change d'une manière importante. dans ses caractéristiques de protection du fait qu'elle a été soumise à un fort courant de décharge, L'invention permet non seulement d'obtenir une plus grande constance des caractéris tiques mais, en outre, elle assure une plus grande résistance contre les coups de foudre de durée relativement longue, et les surtensions d'interrupteurs.
Bien qu'on ait décrit quelques exemples de réalisation de l'inven- tion, il e-st bien entendu qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulieres, données à titre d'exemple et sans aucun caractere res- trictif, et que, par conséquent toutes les variantes ayant même princi- pe et même objet que les dispositions indiquées ci-dessus, rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.