Parafoudre. La présente invention concerne un para foudre perfectionné.
Le but principal de l'invention est de réaliser un parafoudre fonctionnant d'après le. principe de décharge d'arc et ayant un rapport très petit du voltage d'amorçage au voltage d'interruption. Le parafoudre suivant l'invention comporte une pluralité de courts trajets de décharge d'arc, en série, qui est destinée à être connectée entre une ligne de transmission de courant ou autre conducteur électrique à protéger et la terre. Un para foudre ainsi construit a un très faible rap port du voltage d'amorçage au voltage d'in terruption et un très. petit accroissement du voltage à ses bornes pour une élévation du courant de décharge ou même point du tout.
Ce parafoudre est également capable de sup porter sans détérioration des courants de dé charge bien plus élevés que n'importe quel type de parafoudres actuellement employés et n'est pas détérioré par des courants de très forte puissance.
Le fonctionnement de ce parafoudre est basé sur le fait qu'une .eouch-e mince de ma tière isolante semi-conductrice, ou de matière conductrice finement divisée placée entre des couches de matière conductrice possède un faible voltage de rupture qui ne dépasse que très peu le voltage minimum nécessaire pour maintenir la décharge. Par exemple, de pa reilles couches peuvent exiger de 15 à 20 volts pour maintenir une décharge de courte durée, tandis que, si la couche est suffisam ment mince, le voltage d'amorçage ne sera que de 25 à 401 volts.
On peut ainsi obtenir un faible rapport de voltage et un parafoudre très efficace peut être établi en reliant un nombre suffisant de pareils. trajets de dé charge en série pour obtenir le voltage désiré.
Le parafoudre suivant l'invention com porte une pluralité de courts trajets de dé charge d'arc, disposés en série, chacun de ces trajets comprenant des éléments conducteurs de faible résistivité avant une résistance de contact élevée et faible voltage d'amorçage entre eux.
Plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exem ple, au dessin annexé, dans lequel: La fia. 1 montre une vue en perspective d'un disque pouvant constituer un élément pour un parafoudre; La fia. 2 montre une vue schématique d'un parafoudre; La fia. 3 montre une coupe d'une pre mière forme d'exécution du parafoudre sui vant l'invention; La fia. 4 est un diagramme montrant les caractéristiques volt-ampère du parafoudre suivant la fia. 3; La fia. 5 montre une coupe transversale d'un disque de parafoudre; La fig. 6 montre une vue schématique d'une autre forme d'exécution du parafoudre; La fia. 7 montre schématiquement un procédé pour fabriquer un parafoudre sui vant l'invention; La fia. 8 montre une coupe d'une troi sième forme d'exécution du parafoudre;
La fia. 9 montre une autre forme d'exé cution du parafoudre La fig. 10 montre, à plus grande échelle. une vue schématique de certains détails des éléments du parafoudre suivant la fia. 9; La fia.<B>Il.</B> montre une autre forme d'exé cution du parafoudre, en coupe horizontale, et La. fi-. 12 est une coupe suivant la. ligne XII-XII de la fi g. 11.
Comme mentionné plus haut, on. a trouvé qu'une mince couche de matière isolante ou semi-conductrice placée entre des. surfaces conductrices présente un voltage de rupture très bas:. Z n parafoudre utilisant ce fait est représenté aux fia. 1 et 2. Ce parafoudre comporte une série de minces couches de c.ar- borundum placées entre des surfaces métal liques, et est constitué par une série de dis ques minces 1., comma représenté à la, fi". 1. Ces disques peuvent être en laiton ou tout autre métal approprié et comportent sur une surface un mince revêtement de Carborun dum, comme représenté en ? à la fia. 1.
Ce revêtement de Carborundum sera très mince et une couche de Carborundum de grosseur .,3oo mailles" ayant une épaisseur approxi mativement égale à la grandeur d'un grain (le Carborundum forme une couche très satis faisante. L'épaisseur des disques métalliques est de préférence de l'ordre de 0,125 mm. Le parafoudre est formé d'un certain nombre de ces disques disposés en pile comme repré- >enté à la fia. 2 et placés entre des électrodes métalliques 3.
Des couches de earborundum de ce genre ont un voltage de rupture d'envi ron 35 volts et un voltage d'interruption d'entre<B>111</B> et<B>15</B> volts. Un parafoudre de tout voltage désiré petit être établi en empilant simplement le nombre nécessaire de ces dis ques en obtenant ainsi une série de courts trajets de décharge d'arc.
Un parafoudre de ce genre a. une très grande capacité de décharge et un faible rapport du voltage d'amorçage au voltage d'interruption. Pratiquement. ce parafoudre est toutefois dépendant de la difficulté de produire une couche de Carborundum satisfai sante de l'épaisseur et de l'uniformité dési rées, et il est en outre sujet à une concentra tion de la décharge d'arc. qui peut provoquer aine fusion du disque métallique aux bornes d'arc, occasionnant 'la formation de saillies de métal et un court-circuitage de la couche de carbortindum.
'Un exemple de parafoudre plus satisfai sant à, ce point de vue est représenté à la fia. 3. Ce parafoudre comprend une pile de minces disques de carbone 4 disposés en série entre des électrodes 5 en laiton ou autre mé tal approprié. Comme représenté à la fia. 3, la pile de disques est enfermée dans une boîte en porcelaine 6 et reliée par un conducteur 7 à travers l'éclateur usuel 8 à un conducteur de ligne de transmission 9 ou tin autre organe qui doit être protégé et son autre extrémité est reliée par un conducteur 10 à la terre.
Ce parafoudre a une résisance de contact assez élevée entre les disques de carbone adjacents et présente donc une série de courts trajets de décharge d'arc de la même manière que le parafoudre de la fig. 2. Dans ce parafoudre à disques en carbone, il ne se produit toute- fois que peu ou point de combustion ou éro sion aux bornes d'arc et il .semble que la dé charge est uniformément répartie sur toute l'aire du disque, de sorte qu'il n'y aura point d'empreintes à sa surface.
La fig. 4 montre la caractéristique voltampère d'un parafoudre constitué par une pile de 100 disques de car bone d'un diamètre de 47,7 mm et d'une épaisseur de 0,4 mm, ayant une électrode de 275 grammes au sommet. Dans cette figure, a montre le premier essai, la courbe b le troi sième essai et la courbe c est la caractéris tique obtenue du dixième essai et de tous les essais suivants. Ces courbes montrent que la résistance de contact a la tendance à augmen ter par suite d'un fonctionnement répété et qu'on obtient finalement une caractéristique très désirable.
L'augmentation de la résis tance de contact est apparemment provoquée par le dépôt de poudre de carbone finement divisée qui a été évaporée par la température d'arc élevée -et recondensé dans une forme différant du carbone du disque.
Le parafoudre représenté à la fig. 3 com porte des disques à bords carrés. Si l'arc s'é tend jusqu'au bord du disque, il peut se pro duire un éclatement de l'arc d'un disque à l'autre. Cela peut être évité en recouvrant les bords du disque d'un mince revêtement de vernis ou de ciment isolant 11. Toute com position isolante appropriée peut être utili sée à cet effet et on a trouvé qu'un mélange de corindon avec du verre soluble est très sa tisfaisant parce qu'il agit comme isolant et maintient en même temps les disques dans leur position exacte. Comme autre moyen pour empêcher l'arc de sauter d'un disque à l'autre, on peut utiliser des disques tels que celui représenté en 12 à la fig. 5.
Ce disque comporte des bords biseautés ou effilés 13, de sorte que la distance entre les disques adja cents est augmentée aux bord et que la pos sibilité que l'arc puisse sauter d'un disque à l'autre est pratiquement éliminée. On a parlé d'une augmentation de la ré sistance de contact résultant d'un fonction nement répété du parafoudre.
Dans quelques cas, il peut être désirable d'augmenter cette résistance de. contact, afin de réduire la fuite de courant du parafoudre et pour rendre la résistance de contact moins sensible à la pres sion de la pile de disques. De ce fait, il ré sulte une légère augmentation du voltage d'amorçage, mais celui-ci peut encore être maintenu assez faible pour obtenir un rap port de voltages très satisfaisant.
La résis tance de contact peut être augmentée en re couvrant chaque disque sur un côté de car bone pulvérisé similaire à celui formé par l'arc comme susdécrit. Cela peut être effec tué en préparant un mélange de carbone fine ment divisé avec un liquide évaporable, en ré pandant le mélange sur le disque et en évapo rant ensuite le liquide. Un pareil revêtement peut aussi être formé en chauffant le disque ou simplement en saupoudrant sa surface de poudre de carbone non liée.
On peut égale ment employer un revêtement de carbone mé langé avec un liquide organique tel qu'une laque ou un vernis, pour augmenter la résis tance de contact; et avec un revêtement de ce genre, la résistance de contact peut être réglée en chauffant le disque à une tempéra ture assez. élevée pour carboniser la matière organique. Plus. la température de chauffe est élevée, plus 1a résistivité de la matière organique sera réduite. Des revêtements iso lants ou semi-conducteurs d'autres matières peuvent également être employés pour aug menter ou régler la résistance de contact entre les disques de carbone adjacents.
Par exemple, on peut appliquer au disque une poudre réfractaire, telle que du carbure de silice ou du corindon, soit à l'état sec ou en suspension liquide. D'autres matières iso lantes telles. que de la silice, du silex et du quartz peuvent être utilisés à l'état pulvérisé de la même manière. On a trouvé que du verre soluble dilué au degré nécessaire est très satisfaisant à ce point de vue, et on peut également utiliser de la gomme-laque et des couleurs, organiques ou vernis. De pareils re- .
vêtements organiques présentent l'avantage crue leur résistance peut être réglée en chauf fant le disque avec son revêtement. On peut également utiliser une séparation mécanique des disques de carbone pour augmenter la ré sistance à la fuite entre les disques et on a trouvé que des feuilles d'espacement en pa pier mince sont très satisfaisantes à cet ef fet. De pareilles feuilles d'espacement peuvent être coupées de papier d'une épaisseur de 0,01 à 0,02 mm pour être placées entre les disques.
Généralement parlé, ou peut appli quer tout revêtement approprié de matière isolante ou semi-conductrice sur l'un ou les deux côtés des disques de carbone pour régler la résistance de contact entre eux et pour ob tenir ainsi les caractéristiques désirées de haute résistance aux fuites sans augmenter sensiblement le: voltage d'amorçage.
La fig. 6 montre schématiquement une construction modifiée de ce type de para foudre, dans laquelle des disques métalliques 14 sont disposés en alternance avec des dis ques de carbone 15 entre les électrodes de laiton 1,6.
Ce parafoudre fonctionne de la même manière que le parafoudre à, disques de carbone et des revêtements isolants simi laires entre les disques: adjacents peuvent être utilisés comme susdécrit. Cette disposition présente l'avantage d'une plus. rapide dis@si- pation de chaleur par suite de la meilleure conductivité de chaleur des disques métal liques en augmentant ainsi le pouvoir du parafoudre de supporter des décharges d'in tensité élevée.
On a trouvé que lorsqu'on em ploie ainsi des disques métalliques en alter nance avec des disques de carbone, l'arc ne se concentre pas sur un point du disque mé tallique, mais a la tendance à, se répartir sur toute la surface du métal, de sorte qu'il ne se produit point de combustion nuisible aux bornes d'arc.
Les disques de carbone utilisés dans les parafoudres susdécrits peuvent. être réalisés de différentes manières. Par exemple, du gra phite pulvérisé peut être moulé seul ou peut être mélangé avec l'une quelconque d'un cer tain nombre de matières comprenant des poudres therrno-plastiques, telles que de la bakélitedes poudres de moulage telles que de l'argile, de l'acide borique ou du talc, des matières fibreuses telles que l'amiante, ou des poudres métalliques telles que du cuivre, zinc, fer ou nickel.
Les mélanges formés de cette manière sont alors, moulés en disques des dimensions désirées au moyen d'une ma chine à mouler appropriée et, après le mou lage, un revêtement isolant est appliqué aux disques, si l'on désire, et les disques sont em pilés et chauffés à la température nécessaire pour en expulser l'excédent de matière vola tile et pour carboniser partiellement ou com plètement les matières organiques présentes.
Au lieu de mouler les disques, chacun des mélanges de graphite susmentionnés peut être amené par étirage ou laminage à l'état de feuilles minces et les disques peuvent en être découpés au moyen d'un poinçon, après quoi ils sont isolés, assemblés et chauffés comme susdécrit.
Une. autre méthode de fabrication est re présentée schématiquement à la fig. 7, dans laquelle le mélange de graphite 17 est amené par extrusion à la. forme d'une bande mince 18 qui passe entre des rouleaux chauffés 19 et ensuite entre une paire de tuyères 20 qui rèpandent un revêtement isolant sur la bande. Des bras de levier 21 qui peuvent être mis en oscillation par un mécanisme approprié, plient cette bande en couches successives comme indiqué en 22 et lorsqu'un nombre de couches suffisant a été formé, la bande peut être coupée et 'la partie pliée mise sous pres sion et chauffée.
Les angles des parties pliées sont alors coupés pour obtenir une forme cir culaire et on obtient ainsi une pile cylindri que de disques isolés. Cette méthode de fa brication présente l'avantage d'assurer un es pacement uniforme entre les couches iso lantes individuelles et on obtient par consé quent une uniformité plus grande de la ten sion d'amorçage entre: les disques. Au lieu d'utiliser un mélange soumis. à l'extrusion comme susdécrit, on pourrait aussi employer du papier ou tissu, plein ou imprégné, et le carboniser par une opération de chauffe.
Àinsi, les disques peuvent consister soit sen siblement en du carbone pur, soit en un mé lange de carbone avec d'autres matières, con ductrices ou non conductrices, et le terme "carbone" est employé dans la description et dans les revendications pour désigner la ma tière pure aussi bien qu'un mélange de car bone avec un liant approprié pour former une matière carbonée ayant une résistivité relativement faible.
La fig. 8 montre une autre forme de dis que pouvant servir comme élément constitu tif dans un parafoudre. Cet élément se com pose d'un mince disque métallique 23 avec un revêtement de carbone 24 sur ses deux côtés. Les couches de carbone peuvent être appliquées au disque métallique en l'exposant à l'éclatement d'une décharge électrique, en l'enduisant d'un mélange liquide de carbone, par pulvérisation ou au pinceau, en carboni sant des couches de matières organiques au moyen de chaleur ou d'autres moyens appro priés.
Il est essentiel d'établir un bon contact entre la couche de carbone et le métal du disque. Des matières appropriées pour les dis ques sont le cuivre, le fer ou le nickel. Dans ce type de disque, le métal sert de support mécanique pour le carbone et également de connexion électrique entre les deux couches. Ces disques peuvent être faits plus minces que les disques de carbone, de façon à réduire ainsi la hauteur totale du parafoudre. Par exemple, chaque disque métallique peut avoir une épaisseur de 0,15 mm et les deux couches chacune une épaisseur de 0,05 mm.
Les dis- ques de carbone les plus minces qui puissent être utilisés pratiquement ont une épaisseur d'environ 0,45 mm et l'on peut donc réaliser une réduction considérable de la hauteur en employant des disques métalliques avec un revêtement de carbone.
Une autre forme de l'objet de l'invention est représentée à la fig. 9 et comporte un grand nombre de petites et minces pièces, de carbone 25 de forme irrégulière ayant des surfaces plates parallèles.. Ces, pièces ont toutes la même épaisseur et sont disposées en un certain nombre de couche entre les élec- trodes métalliques, par exemple en laiton, 26, et munies au bord d'un revêtement isolant 27.
Les pièces de carbone peuvent être sans isolement ou être munies d'un revêtement iso lant comme susdécrit sur les deux surfaces ou sur l'une seulement de leurs surfaces plates. Les pièces de carbone peuvent être assemblées librement dans un récipient approprié, ou, si l'on désire, elles peuvent être moulées en un bloc cylindrique au moyen d'un liant appro prié.
Pour une tension normale donnée, ce parafoudre peut avoir une hauteur bien moindre que le parafoudre susdécrit avec dis ques de carbone, bien que son fonctionne ment soit le même. Urne vue de quelques pièces de carbone 215 est représentée, à plus grande échelle, à la fig. 10, dans laquelle on a indiqué le chemin de l'arc en 26'.
Une autre forme d'exécution encore du parafoudre est représentée aux fig. 11 et 12. Le parafoudre représenté dans ces figures comporte une électrode centrale 27' qui peut être en carbone, entourée d'une bobine en spi rale à plusieurs couches minces de carbone 28 et ayant une électrode cylindrique exté rieure 29 en carbone ou en laiton.
Un isole ment marginal 30 est prévu aux bords pour empêcher l'arc de s auter. Ce parafoudre peut facilement être- fabriqué en enroulant une bande de papier ou de tissu, nue ou isolée sur l'une ou sur les deux faces, autour de l'élec trode centrale et en carbonisant ensuite le tissu .ou papier par une opération de chauffe.
Il est apparent que le fonctionnement de ce parafoudre est le même que celui des para foudres, susdécrits attendu qu'on a affaire à un certain nombre de couches de matière con ductrice ayant une résistance de contact éle vée entre elles ou séparées par des couches minces de matière isolante.
Il résulte de la description précédente que le principe du parafoudre selon l'invention peut être réalisé dans une grande variété de formes, mais que chacune de ces formes com porte toujours une série de courts trajets de décharge d'arc comprenant une mince couche de matière isolante ou semi-conductrice pla cée entre des couches conductrices ou qu'il peut être établi simplement. en forme d'une série de couches conductrices ayant une ré sistance de contact élevée entre elles.
Lors qu'un voltage élevé est appliqué à un para foudre de ce type, un arc s'amorce dans cha cun des trajets d'arc en série, de façon que le courant de décharge est conduit à travers le parafoudre par une série de courts arcs. La naissance de la décharge d'arc peut très pro bablement être .expliquée :de 'la. manière sui vante, bien que d'autres. explications soient possibles. La surface des disques de carbone, vue au microscope, n'est pas parfaitement lisse, mais offre quelques: points saillants qui peuvent être du même ordre de grandeur que la distance entre des disques adjacents.
Le nombre de ces points saillants est relative ment petit, mais ils ont une résistance limi tée qui dépend de l'aire de contact avec le disque adjacent et la résistivité de la matière. Le courant se concentre- alors dans ces points de contact et produit une température assez élevée pour vaporiser le carbone. Ceci produit très rapidement une décharge d'are en ces points et il est probable que plusieurs de ces décharges partent simultanément.
Par suite de l'échauffement des bornes d'arc, le carbone,est vaporisé sans entrer en fusion, et, dans ces conditions, la borne d'arc cathodique se déplace très rapidement sur toute la sur face du disque ou un grand nombre de dé charges. parallèles peut apparaître.
Le car bone vaporisé formé par la. décharge se recon- dense à l'état amorphe sur la surface du dis que et peut former un pont dans l'espace sé parant les disques, mais. lorsque cela se pro duit, les particules de carbone finement di visées formées de cette manière auront une résistance élevée par suite de leurs très petites dimensions et de leur libre disposition. D'autres effets contribuent probablement aussi à l'opération d'amorçage de la décharge, tels que l'émission d'électrons à la cathode par suite du champ élevé, et la distorsion du champ diélectrique entre les disques de car bone par la, couche isolante.
On a trouvé au moyen d'essais qu'un parafoudre composé de disques de carbone et fonctionnant de la manière s@usdécrite a. des caractéristiques favorables. On a obtenu des rapports du voltage d'amorçage au vol tage d'interruption jusqu'à 1,3 et 2,0 et on a trouvé que ce parafoudre est à même de sup porter une décharge brusque de courant beau coup plus élevée que n'importe lequel des parafoudres ordinaires actuellement en usage.
Ainsi, un parafoudre composé de 20 disques de carbone empilés avec une légère pression a été essayé deux fois avec une décharge atteignant<B>65</B> 000 ampères et quatre fois avec 1.10 000 ampères. Les, disques n'ont. pas été affectés par cet essai et l'accroissement. de température n'était que de 50 à 80 C.
D'autres essais ont démontré que l'accroisse ment du voltage aux bornes: de ce parafoudre est nul ou du moins très petit pour une aug mentation du courant de décharge, et on a aussi trouvé que ce parafoudre est à même de supporter de manière satisfaisante des cou rants de très grande puissance sans s'endom mager. Cette dernière caractéristique est de grande importance dans bien des applications oii des courants très élevés peuvent passer à travers le parafoudre pendant la demi- période suivant une décharge.
Les types de parafoudre antérieurement utilisés n'ont pas donné satisfaction pour un pareil service lors que ces courants étaient très élevés. Le para foudre à disques de carbone a été essayé avec des courants forts de<B>60</B> périodes jusqu'à 3000 ampères sans subir de dégradation.