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K. KESL, résidant à LIEGE.
PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX FUSIBLES A HAUT POUVOIR DE COUPURE.
On connait actuellement deux catégories d'appareils de protec- tion contre les court-circuits francs et les surcharges inadmissibles : les fusibles et les disjoncteurs automatiques.
Ni l'un ni l'autre ne constituent la solution idéale.
L'inconvénient majeur du coupe-circuit à fusible est d'exiger le changement de tout ou partie du dispositif après chaque opération. Un de ses inconvénients secondaires est de ne pas assurer une protection appro- priée aux moteurs électriques. Seuls, certains modèles peu répandus et re- lativement chers, sont établis en vue de suivre au plus près les caractéris- tiques d'échauffement des moteurs.
Par contre, l'avantage capital des coupe-circuits à fusible est d'assurer.une protection efficace contre les court-circuits les plus vio'.- lents. Cette supériorité est si évidente que les constructeurs d'appareils de coupure recommandent souvent de protéger leurs propres appareils par des coupe-circuits à fusible. Deux éléments expliquent la supériorité de ces appareils dans le domaine de la protection contre les court-circuitsviolents; d'une part leur mode d'action sur l'ensemble du circuit qui revient à y in- sérer une résistance initiale non négligeable et rapidement croissante, et d'autre part à opérer un soufflage mécanique rapide et énergique de l'arc.
Le premier de ces deux facteurs est bien connu des praticiens qui ont remarqué que, toutes choses égales d'ailleurs, les coupe-circuits de petits calibres réussissaient plus facilement que les gros à maîtriser les court-circuits les plus violents.
L'insertion de la résistance ainsi constituée a pour effet de limiter le courant à une valeur très inférieure à celle qu'il prendrait si
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le fusible était courtmcircuité,
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Bien que la technique du développement des disjoncteurs automa- tiques, plus spécialement des disjoncteurs tableau d'abonnés et pour la pro- tection des petits moteurs, semble avoir atteint son point culminant, on a pas renoncé à l'emploi des fusibles pour les raisons sus-mentionnées,
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c'est=à=dire s
1 - qu'ils restent toujours le dispositif le plus rapide pour interrompre le courant,
2 - que ce sont les appareils les moins couteux.
De ces deux raisons résulte un compromis judicieux entre le fu- sible et le disjoncteur automatique, selon lequel le disjoncteur est utili- sé plus spécialement pour les petites intensités nominales, pour surveiller les surcharges lentes, tandis que le fusible, destiné à surveiller la zone de court-circuit assure la sécurité totale de l'installation.
Les différentes applications des fusibles dans les installations nécessitent une variété de caractéristiques de coupure de courant de ceux-ci suivant leur emploi et que nous pourrons brièvement subdiviser de la maniè- re suivante :
1 - la protection simple (sans disjoncteur surveillant les sur- charges lentes dans les installations),
2 - la protection supplémentaire de l'installation déjà protégée par un disjoncteur surveillant les surcharges lentes, (voir figure 10)
3 - la protection des moteurs et appareils par les fusibles de- vant suivre les différentes caractéristiques d'échauffement lent ainsi que celles des court-circuits.
Les fusibles retardés sont souvent subdivisés par les techni .- ciens actuels en deux parties, connectées ensemble, dont l'une est destinée à couper les surcharges lentes tandis que l'autre les court-circuits.
Un coup d'oeil sur la figure 10 nous donne un aperçu des diffé- rentes conditions dans lesquelles travaillent les fusibles ou les disjonc- teurs combinés avec ceux-ci dans une installation déterminée.
Nous avons représenté schématiquement l'ordre de grandeur des court-circuits qui peuvent se produire à différentes distances entre le pos- te de transformation 500 KVA et un moteur protégé par exemple par un dis - joncteur de 10 ampères sous 380 volts.
Tandis qu'un court-circuit franc de 25.000 ampères environ pour- rait se produire aux bornes du transformateur et de 14.000 ampères environ à une distance de 10 mètres de celui-ci (en supposant la section des câbles de 4 mm2 correspondant à un disjoncteur de 10 ampères d'intensité nominale), il ne reste que 1.000 ampères maxima pouvant se produire aux bornes du dis- joncteur placé à 50 mètres du poste de transformation.
On a, en même temps, représenté la caractéristique thermique d'un disjoncteur de 10 ampères muni d'éléments thermiques, combiné avec des fusi- bles protégeant le relais thermique chauffé directement. Il en résulte la nécessité de choisir judicieusement les fusibles et leurs caractéristiques de coupure pour une protection parfaite du disjoncteur moteur.
Nous avons déjà rappelé que les fusibles pour les petits cali- bres d'intensité nominale limitent beaucoup mieux l'accroissement des court=circuits que les fusibles pour les calibres élevés, pour les deux rai- sons suivantes bien compréhensibles : a) pour la volatilisation des barres épaisses, des fusibles pour les grands calibres d'intensité, une énergie électrique plus grande que cel- le des fils de petit diamètre est nécessaire, b) la durée de l'arc dans les fusibles de grand calibre est pro-
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longée par suite de la volatilisation des grandes masses de métaux et de la ionisation du milieu en résultant.
Pour remédier à cet état de choses, on utilise souvent pour les fusibles de grand calibre, plusieurs fils minces connectés en parallèle et logés dans les poudres en amiante ou silicate pour augmenter la rapidité de coupure et favoriser l'extinction de l'arc.
Cependant, cette solution a plutôt une action favorable sur la rapidité de soufflage de l'arc que sur le temps de fusion des fils fusibles dont la masse est à peu près égale à celle d'une seule barre, étant donné la densité de courant maxima que l'on doit respecter en tenant compte de l'échauffement.
Ces conditions résultent d'une manière plus claire des équations fondamentales des fusibles, c'est-à-dire :
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où on a appelé : M Masse, C Chaleur spédifique, Ó coefficient de rayonnement, / température en instant t, To température ambiante, # la résistivité. S surface de rayon- nement Périmètre, 1 longueur de conducteur,z section du fil, densité du courant.
L'équation 1) est valable pour 3'échauffement lent. Par con- tre, en cas de surcharges rapides et plus spécialement en cas de court-cir- cuits francs, le facteur III est négligeable.
La température Tn de conservation illimitée du fil fusible cor- respondant à l'intensité nominale de fusible exprimé en équation
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( tempériatur la plus élevée que peut supporter le conducteur sans alté- ration permanente) démontre que l'intensité nominale du fil fusible dépend de la forme et des conditions du conducteur, Or, pour élever au maximum possible la température (aifn d'approcher le /, à 1) il est nécessaire de choisir le matériel supportant les températures élevées sans altération ou bien d'introduire le fil fusible dans une matière protectrice contre l'oxydation et l'altération. Suivant l'objet d'invention on augmente la densité du courant dans le fil fusible sans exagérer sa température en lui assurant un refroidissement efficace.
L'intensité de fusion du fil fusible (surcharge lente) est don- née par l'équation connue
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d étant le diamètre du fil, température de fusion.
On appelle la sensibilité du fusible la surcharge permanente fjr # provoquant la fusion, c'est-à-dire ce qui nous indique que le fusible est d'autant plus sensible que # est plus proche d'l. Le temps de fusion
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(ou T est la constante de temps du fusible) dépendant de la nature, de la forme et des dimensions des fils fusibles.
Les valeurs relatives de durée de fusion tt par rapport à la valeur de l'argent considéré comme 1 sont indiquées à titre d'information dans le tableau ci-dessous :
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<tb> A1... <SEP> 1.9 <SEP> Température <SEP> de <SEP> fusion <SEP> 657 <SEP> C.
<tb>
<tb>
Ag <SEP> 1. <SEP> " <SEP> 960 <SEP> - <SEP>
<tb>
<tb> Cu <SEP> 2.38 <SEP> " <SEP> 1.082-
<tb>
<tb> Pb <SEP> 1.54 <SEP> " <SEP> 312-
<tb>
<tb> Etain <SEP> 1.29 <SEP> " <SEP> 231,5 <SEP> - <SEP>
<tb>
<tb> Ferro-Nickel <SEP> 9 <SEP> " <SEP> 1.500 <SEP> - <SEP>
<tb>
<tb> Nickel <SEP> 5.4 <SEP> " <SEP> 1. <SEP> 452 <SEP> -
<tb>
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Etant donné que le diamètre d du fil fusible est fixé par l'in- tensité de fusion., suivant l'équation **.-J'0fCT/-T.)' e1 ¯ . . - lo C ¯ a ¯ nous pouvons agir sur 2u et elf
Or, la limitation rapide de l'accroissement du court-circuit nous oblige :
1t 1) à réduire le u - 12/13 au minimum possible (déterminé par l'altération du fil) ainsi que 2) t a le temps de soufflage de l'arc en respectant en même temps les phénomènes de surtensions proportionnés à et respectant en me atteindre dans cerains cas les valeurs dangereuses et prolonger le t q,
Il est plus facile de souffler ou "étrangler" énergiquement l'arc se produisant entre les bornes d'un fil fusible logé dans une matière favo- risant l'extinction de l'arc qu'entre les contacts ouverts d'un disjoncteur.
Sa constante de temps de déclenchement supérieure à 2 millièmes de seconde permet déjà d'accroître l'intensité de court-circuit à une valeur assez importante tandis que la fusion des fils fusibles, même des fusibles de calibre supérieur à 100 ampères peut se produire dans un temps inférieur à 1/000ëm de seconde.
Il en résulte que le rôle du disjoncteur en cas de fonctionne- ment sous un court-circuit est loin d'être idéal et que la fusible s'appro- che incomparablement plus près de cette perfection. On comprend bien l'in- tért de confier au disjoncteur le rôle de la protection contre les surchar- ges lentes et les surcharges ne dépassant pas 10 à 15 fois l'intensité nomi- nale, le rôle de la protection contre les surcharges violentes étant confié aux fusibles ultra-rapides.
L'objet de l'invention consiste en une nouvelle conception de fils fusibles et leur exécution pratique, ayant pour but de limiter l'ac - croissement des surintensités violentes, même dans les fusibles de gros ca- libre et d'accélérer l'extinction de l'arc qui pourrait se produire en cas d'interruption des court-circuits.
Théoriquement, on intervient par une nouvelle conception de fils fusibles sur le facteur II de la première équation, c'est-à-dire en rédui- sant MC au minimum (le facteur III est pratiquement nul au moment des sur- charges brusques). Par contre,en surcharge lente, on intervient sur le facteur S et ainsi que sur les grandeurs MC du facteur II.
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Pour réduire au minimum la masse des fils fusibles, l'invention s'efforce d'augmenter le plus possible la densité du courant, condition ob- tenue par le dispositif suivant :
Sur le fil fusible 1 sont enfilés les corps cylindriques 3 sépa- rés par un disque mince 8 (figures 1 et 2). Or, les deux corps 3 se compor- tent de la même manière que les contacts dans lesquels les surfaces de con- tact même (surface Hertz) sont remplacées par la section faible du fil fu- sible 6. Il s'ensuit que la répartition du courant entre les deux corps métalliques et le fil fusible est identique à celle qui se produit dansées contacts massifs (voir les lignes 19, 19' dans la figure 2).
Il en résulte aussi que lorsque des court-circuits puissants se produisent, les corps 3 et 3' sont repoussés par les efforts électrodyna- miques provenant de la forme des lignes de courant, ces forces étant inver- sement proportionnelles au carré du diamètre du fil 6.
Etant donné la surface de refroidissement des corps 3, 3' ainsi que leur masse, il est parfaitement possible d'augmenter la densité.dans le conducteur 6 entre les deux corps cylindriques à 50 et plus ampères mm2 sans que se produise d'échauffement exagéré..
Dans le cas d'un court-circuit franc, l'interruption du courant se produit entre les corps 3, c'est-à-dire dans les disques 8 exécutés en matière favorisant l'extinction de l'arc.
Dans cette exécution, le fusible fonctionne alors comme un dis- joncteur ultra-rapide avec coupures multiples, l'extinction des arcs par- tiels se produisant dans un milieu analogue à celui des fusibles remplis de silicates.
Bien que ce dispositif limite énergiquement l'accroissement de l'intensité du court-circuit, même dans les fusibles de grand calibre, dans certaines applications (circuits inductifs) des surtensions proportion- nelles, comme on le sait, au produit L di peuvent en résulter. dt
Pour remédier à cet état de choses, l'invention vise l'emploi du remplissage semi-conducteur court-circuité par le fil fusible entre cer- tains éléments 3, 3', suivant la figure 5 afin que les résistances ainsi créées par la fusion d'une partie du fil fusible soient mises progressive-:- ment dans le circuit à protéger, comme c'est le cas dans les disjoncteurs à résistances.
Les corps 3 possèdent la forme d'un H (9, 16) et sont séparés par une rondelle en matière isolante favorisant l'extinction de l'arc 10.
L'intérieur des cavités se faisant face est rempli, alternati- vement, d'une matière semi-conductrice et isolante favorisant l'extinction de l'arc. Il est évident qu'en cas de court-circuit violent, le fil 6 se volatilise complètement, le remplissage des cavités 20 assurant l'extinction de l'arc, en série avec le remplissage 11 fonctionnant comme résistance de limitation de courant. (le schéma de fonctionnementdu fil fusible décrit ci-dessus est représenté dans la figure 5.
Suivant l'objet de l'invention, le remplissage des cavités peut être exécuté comme un corps rigide enfilé, sur le fil fusible. Les fusibles ainsi exécutés permettant de réduire le # ainsi que le t a au mini- mum (fig. 56).
Les fils sur lesquels sont enfilés les corps cylindriques de re- froidissement et d'extinction de l'arc peuvent être avantageusement logés dans les tubes céramiques de petit diamètre ; de ces éléments nor- malisés pouvant être connectés en série (haute tension) ou en parallèle.
Ge genre de fusible peut être combiné avec les disjoncteurs ou contacteurs à déclenchement thermique, suivant les caractéristiques de dé-
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clenchement représentées dans la figure 10, le point de fusion XI (fig. 10) étant placé dans la zone de surcharges violentes et de court-circuits. En cas de charge normale, la densité élevée dans le fil fusible 6 pouvant at- teindre 50 à 100 ampères par mm2 est obtenue par les corps métalliques 9 avec grande surface de refroidissement. Ces corps peuvent être aussi conçus en masse avec basse température de fusion, comme l'étain ou ses alliages, pour obtenir la caractéristique d'un fusible retardé.
On utilise avantageusement des corps en masse fondante à basse température et des corps en métal bon conducteur thermique assurant le re- froidissement efficace du fil fusible 6 (comme le cuivre, l'argent, etc,..) enfilés alternativement.
La figure 3 représente schématiquement en agrandissement, une autre variante d'exécution d'un fil fusible assurant la limitation rapide de l'accroissement du court-circuit ou des surcharges violentes.
Les corps métalliques enfilés ou pressés sur le fil fusible ont la forme de boules 7 logées dans les calices 8 exécutés en matière favori- sant l'extinction de l'arc. Cette exécution est particulièrment apprécia- ble pour la conception des fusibles de petits calibres, plus spécialement retardés, la masse fondante, au lieu de couler sur les fils en cas de sur- charges lentes, étant retenue dans les calices.
Les figures 6 et 7 représentent schématiquement en agrandisse- ment une autre variante, utilisable pour les intensités nominales élevées.
On emploie des rubans métalliques en forme de grille dont les fils longitudinaux 12 fig. 6, 7 sont exécutés en bon conducteur, plus spé- cialement en argent, tandis que les fils transversaux 15 servant pour le re- froidissement des fils parcourus par le courant possèdent un diamètre plus élevé et peuvent être exécutés en forme de lames tressées dans les fils lon- gitudinaux.
L'invention vise, en cas de surcharge violente, la possibilité de fixer sur ces fils longitudinaux des zones de fusion 14 en plaçant les lames de refroidissement 12 entre les parties entourées par une masse 14 favorisant l'extinction de l'arc. L'interruption des surcharges violentes par le dispositif sus-mentionné se produit de la même manière que dans les disjoncteurs à coupures multiples, les deux étapes de l'interruption : - temps de fusion correspondant à la constante de déclenchement mécanique d'un disjoncteur et - temps de soufflage d'arc étant réduits au minimum,le premier par la haute densité du courant dans les dils fusibles, le second par le dispositif efficace de soufflage d'arc aménagé dans les zones d'interruption.
Les figures 8 et 9 représentent schématiquement et à titre d'exemple, une variante d'exécution d'un fusible pour les intensités élevées avec 4 fils fusibles en parallèle reliés en un ou plusieurs endroits par un conducteur de compensation 22 assurant leur fusion homogène et simultanée (les 4 fils fusibles pouvant être logés dans des tubes spéciaux en matière céramique).