Paire d'Electrodes pour décharge électrique sous vide
L'invention a pour objet une paire d'électrodes destinées à constituer, dans une enceinte sous vide, les extrémités d'un chemin de décharge électrique.
Par extrémité d'un chemin de décharge électrique , on entend aussi bien les deux contacts d'un interrupteur au moment où ils se séparent pour interrompre le courant, que les deux pôles d'un éclateur au moment où cet éclateur est le siège d'un arc. Qu'il s'agisse d'un interrupteur ou d'un éclateur, ces contacts et ces pôles sont logés dans une enceinte sous vide, par quoi il faut entendre une enceinte dans laquelle la pression p est telle que le libre parcours moyen des électrons soit supérieur à la moitié environ de la longueur de la plus longue des lignes de champ qui peuvent apparaître dans l'interrupteur ou dans l'éclateur.
En d'autres termes, la pression dans l'enceinte doit avoir une valeur telle que l'on se trouve, à coup sûr, endessous du domaine des décharges de Paschen, donc dans le domaine des décharges dites à régime de haut vide, lequel est défini, en fonction de la longueur d de la plus longue des décharges. par la relation (p.d) S (p.d.) crit.
La paire d'électrodes conforme à la présente invention, est destinée notamment à former les contacts ou les pôles d'un interrupteur ou d'un éclateur destiné à être incorporé dans un réseau alternatif à haute tension et à fréquence industrielle, notamment dans un réseau à 50 Hz.
Dans le premier cas (interrupteur à vide), on demande aux contacts de donner naissance à un régime de décharge tel que leur destruction soit évitée sans pour autant que soient compromises leur faculté d'interrompre cette décharge au moment où le courant passe par zéro, ni leur aptitude à empêcher un réamorçage de la décharge lorsque la tension à circuit ouvert se rétablit.
Dans le deuxième cas (éclateur à vide), on demande aux pôles d'amorcer à coup sûr une décharge à forte intensité au moment où une surtension qui leur est appliquée dépasse une valeur donnée, et, en outre, d'assurer à cette décharge un régime tel qu'elle s'interrompe lorsque le courant passe par zéro et qu'elle ne se réamorce pas au moment où la tension normale leur est appliquée à nouveau.
Dans les installations à haute tension à fréquence industrielle, on a tenté depuis longtemps d'utiliser des appareils dans lesquels les chemins de décharge se trouvent sous vide.
En effet, les distances entre électrodes (contacts d'interrupteurs ou pôles d'éclateurs) doivent, dans le cas de chemins de décharge à haute pression, être de l'ordre de plusieurs dizaines de centimètres; c'est là une condition qui est nécessaire pour que la restauration diélectrique du milieu interélectrodes permette à des tensions nominales de l'ordre de 100 kV d'être supportées par les électrodes quelques microsecondes après la fin d'une décharge sans qu'il en résulte une nouvelle décharge.
Des distances aussi élevées conduisent à des appareils qui sont fort encombrants et qui, dans le cas des interrupteurs, nécessitent pour leur commande une mécanique puissante, donc robuste et, par conséquent, lourde, étant donnée la longueur des déplacements que les contacts doivent exécuter. On a cherché à remédier à ces inconvénients, notamment pour les interrupteurs, en recourant à des appareils à gaz comprimé (par exemple air comprimé ou hexafluorure de soufre), car la tenue diélectrique d'un gaz est meilleure lorsque la pression est élevée. Cependant, des difficultés apparaissent dès qu'une décharge a pris naissance, car la désionisation du gaz est beaucoup plus lente du fait de la pression élevée.
C'est pourquoi le technique s'est tournée vers les appareils à vide, dans lesquels les électrodes sont enfermées dans une enceinte soumise à des pressions telles que l'on se trouve, pour chaque décharge qui peut prendre naissance, en-dessous du domaine de Paschen défini par la relation (p.d)Crit = 6.10- torr.cm. Cela signifie que, dans les cas usuels, où les distances entre électrodes sont de l'ordre de 10 cm, les pressions sont de l'ordre de 10-3 torr et au-dessous. Dans de tels appareils, la décharge n'est plus véhiculée par les seuls ions du gaz résiduel compris dans l'espace interélectrodes, mais essentiellement par les ions des vapeurs métalliques issues des points chauds de la cathode, points chauds qui constituent ce qu'on appelle les spots cathodiques.
La restauration diélectrique n'est donc plus liée à une neutralisation des porteurs de charge due à une désionisation par recombinaison, mais bien à une disparition des ions de vapeur due à leur adsorption sur les surfaces métalliques à la suite d'une condensation de ces vapeurs sur ces dernières (en particulier sur les surfaces des électrodes elles-mêmes). Or, cette condensation est d'autant plus rapide que les surfaces sur lesquelles elle a lieu sont plus rapprochées; cela conduit à donner aux distances interélectrodes des valeurs faibles, de sorte que l'encombrement des appareils est réduit. Pratiquement. les distances interélectrodes sont de l'ordre de 1 cm; aussi, dans le cas des interrupteurs, la mécanique de commande s'en trouve-t-elle simplifiée et allégée, puisqu'elle n'a à mouvoir les contacts que sur de courtes distances.
Cependant. les appareils à vide posent un certain nombre de problèmes. Outre la nécessité de maintenir en permanence dans l'enceinte contenant les électrodes une pression très basse. en général inférieure à 10-2 torr, et celle d'utiliser pour les électrodes des métaux ultra-purs qu'il faut purifier par fusion zonale et qu'il faut dégazer très soigneusement, les principaux de ces problèmes sont liés au régime du courant de décharge.
On peut distinguer. en effet, dans les décharges sous vide, deux régimes de courant.
a) Dans le régime dit d'arc diffus , qui s'établit pour des courants faibles. inférieurs à 10 kA environ, la décharge est composée de colonnes parallèles ayant la forme de cônes, dits cônes de Reece. dont chacune est le siège d'un courant de l'ordre de 30 à 100 A. La base de chaque cône est située à la surface de l'anode. et son sommet situé à la surface de la cathode. Les sommets de ces cônes ne sont autres que les spots cathodiques dont il a été question plus haut, et ces spots se déplacent sur la surface cathodique à des vitesses comprises entre 10 et 1C)O ms, un peu à la manière des molécules d'un gaz. En outre, ces colonnes se renouvellent constamment par subdivision. chacune d'elle n'avant qu'une durée de vie très
tourte qui ne dépasse pas la milliseconde.
On voit donc qu'en
régime d'arc diffus. il n'y a pas d'échauffement localisé de la
cathode. puisque les points chauds que constituent les spots
cathodiques balayent constamment cette surface. Il en résulte que la cathode ne subit qu'une faible érosion qui ne dépasse pas 100 microns As et n'a rien de destructeur.
b) Dans le régime dit à arc unique qui s'établit pour les
mourants élevés, supérieurs à 10 kA environ, les cônes de
Reece se regroupent en une colonne unique, peu mobile, qui véhicule tout le courant. Dans ce cas, il se produit une fusion qui détruit les électrodes et qui donne lieu à une forte évaporation du métal des zones fondues. L'arc se comporte alors comme un arc à haute pression: la haute densité de vapeur qui règne dans l'espace interélectrodes compromet la restauration diélectrique. de sorte que l'arc se réamorce après le passage à zéro du courant.
Un autre problème est lié au phénomène dit de chopping , lequel consiste en l'interruption brutale de l'arc diffus par extinction des spots. En effet, lorsque l'intensité du courant que véhicule la décharge devient inférieure à une valeur limite, qui dépend du métal de la cathode et qui est de l'ordre de quelques ampères, le seul spot cathodique qui existe encore pour un courant aussi faible s'éteint brusquement avant le passage naturel du courant par zéro. Si le réseau dans lequel l'appareil est connecté contient des éléments inductifs, cette interruption brusque du courant donne naissance à des surtensions qui peuvent être gênantes voire destructrices.
Diverses solutions ont été proposées pour remédier dans une certaine mesure à ces difficultés. Ainsi, on a réalisé un interrupteur à vide dans lequel les contacts sont divisés en pétales par des fentes appropriées, agencées de manière à obliger le courant à parcourir un chemin spiralé et à engendrer un champ magnétique qui déplace l'arc par interaction électromagnétique (voir le brevet U.S.A. No 2.949.520). Cela empêche l'arc de rester fixé au même point des électrodes et évite dans une certaine mesure l'évaporation du métal de ces dernières, notamment de la cathode.
Pour abaisser l'intensité limite au-dessous de laquelle a lieu le phénomène de chopping , on a proposé de réaliser une électrode à partir de cuivre (Cu) allié à une faible quantité d'antimoine (Sb). De cette manière, le courant limite peut être abaissé à une valeur inférieure à 2A, ce qui constitue une intensité tolérable pour que les surtensions engendrées dans des éléments inductifs du réseau restent admissibles. De plus, cet alliage Cu + Sb est friable et cassant, de sorte que cette solution résout simultanément, dans le cas de l'interrupteur, le problème de la soudure des contacts sous vide.
La présente invention propose une autre solution dans laquelle la décharge est maintenue en régime d'arc diffus. La paire d'électrode qui constitue l'objet de cette invention est caractérisée par le fait que la surface active de celle au moins des électrodes de cette paire qui constitue la cathode de ce chemin de décharge est pourvue d'au moins une barrière cathodique qui est disposée selon un contour fermé et qui est constituée par une bande d'un métal doué de l'une au moins des deux propriétés suivantes: présenter une chute de tension cathodique supérieure à celle du métal de la surface active; posséder un courant de chopping supérieur à celui du métal de la surface active. de manière à empêcher une décharge née à l'intérieur de la zone permise que délimite ce contour fermé de quitter cette zone permise.
La description qui va suivre se rapporte à trois formes de réalisation de la paire d'électrodes faisant l'objet de l'invention. Cette description est illustrée par le dessin annexé, dans lequel:
la fig. 1 est une coupe méridienne représentant la première forme de réalisation;
les fig. 2, 3 et 4 sont des coupes méridiennes partielles représentant des variantes;
la fig. 5 est une coupe méridienne de la deuxième forme de réalisation;
la fig. 6 est une coupe méridienne de la troisième forme de réalisation;
la fig. 7 est une coupe méridienne de la quatrième forme de réalisation;
les fig. 8 et 9 sont des coupes partielles se rapportant à des détails;
les fig. 10 et 11 illustrent un mode de fabrication possible d'un élément commun aux fig. 6 et 7.
La paire d'électrodes visible à la fig. 1 comprend les électrodes 1 et 2, dont la seconde a une surface active 3 qui est pourvue d'une proéminence 4 constituant soit le contact proprement dit, dans le cas d'un interrupteur (auquel cas les électrodes 1 et 2 sont mobiles l'une par rapport à l'autre dans le sens de l'axe 5), soit l'initiateur d'arc, dans le cas d'un éclateur (auquel cas les électrodes 1 et 2 sont fixes l'une par rapport à l'autre). L'électrode 2 est supposée être la cathode de la paire et elle est munie d'un anneau 6 qui entoure la proéminence 4 et qui est fait en un métal capable de provoquer l'extinction de la décharge dans la région de la barrière.
Cette propriété peut être due indifféremment soit au fait que le métal de la barrière possède une chute de tension cathodique plus élevée que le métal dont est constituée la surface active 3, soit au fait que son courant de chopping est supérieur à celui de ce métal, soit encore à la combinaison de ces deux caractéristiques. Le tableau ci-dessous donne pour quelques métaux les valeurs de la chute de tension cathodique, extraites de l'article Cathode fall of an arc discharge in a pure metal , par V.E. GRAKOV (Sov. Phys. Techn. Phys. 12 (1967), p. 286) et les valeurs du courant de chopping extraites de l'article Design of vacuum interrupters to eliminate abnormal overvoltage par
T.H. LEE, A. GREENWOOD et G. POLINKO (Trans.AIEE (1962), Paper 62-161).
Ce tableau montre que, pour une électrode dont la surface active est en cuivre, il y a avantage à réaliser la barrière cathodique sous la forme d'un anneau en tungstène, ce métal cumulant les deux caractéristiques requises. Un anneau en molybdène ou en tantale, ou même en fer, conviendrait aussi, mais son effet ne serait dû qu'à sa chute de tension cathodique.
Chute de tension Courant de
cathodique (Volt) chopping
(Ampère)
Cuivre 14,7-15,4 4
Beryllium 18,6 - 19,2
Aluminium 17,2 - 18,6 2,8
Titane 16,8 - 17,6
Hafnium 16,9 - 17,4
Vanadium 17,3 - 18,0
Niobium 19,9 - 21,6
Tantale 16,8 - 21,4
Chrome 16,7 - 17,4
Molybdène 16,6 - 17,2
Tungstène 16,2 - 22,6 9,2
Fer 17,1-18,0
Cobalt 16,8 - 17,7
Cet anneau empêche les cônes de Reece, qui constituent l'arc diffus de la décharge, de s'échapper vers le bord 7 de l'électrode, partant de s'allonger.
Un tel allongement, en effet,
ajouterait à la chute de tension cathodique une chute de tension anodique dont on sait qu'elle est d'autant plus élevée que les électrodes sont écartées, que les électrodes sont de plus petit diamètre, et que la décharge se trouve plus fortement repoussée vers les bords des électrodes par suite de la répulsion mutuelle qui s'exerce entre les spots, répulsion mutuelle qui croît avec l'intensité du courant. Ces trois effets sont cumulatifs, de sorte que l'allongement du chemin de décharge transforme rapidement une décharge à arc diffus en une décharge à colonne unique.
On voit donc que la présence de l'anneau 6 constitue une barrière cathodique qui empêche les spots cathodiques d'atteindre le bord 7 de la zone à faible espacement 8 et les confine à l'intérieur d'une zone permise 9 contigüe à la proéminence de contact ou d'initiation 4.
Si l'appareil doit être inséré dans un réseau à courant alternatif, les deux électrodes de la paire sont alternativement des cathodes. Dans ce cas, elles sont pourvues toutes deux d'une barrière cathodique 6, comme cela apparaît à la fig. 2. Etant donné que l'espace interélectrodes contient de la vapeur émanant de l'électrode fonctionnant comme anode, il faut empêcher que ces vapeurs se condensent sur la barrière cathodique, car une telle condensation en annihilerait l'effet. C'est pourquoi la barrière cathodique est profilée de manière à présenter une face qui soit à l'abri des projections de vapeur venant de l'autre électrode, notamment des projections de vapeur qui émanent d'un spot 10 situé sur la limite de la zone permise 9 de cette autre électrode, projections qui sont représentées à la fig. 2 sous la forme d'un cône 11.
La barrière cathodique est constituée alors par un anneau 6 dont la surface extérieure 12 est conique, cet anneau étant logé dans une rainure circulaire 13 dont le diamètre extérieur Dr est plus grand que le diamètre extérieur DA de l'anneau 6. La surface extérieure conique 12 constitue la face abritée de la barrière cathodique.
Il peut y avoir intérêt à munir l'électrode de plusieurs barrières cathodiques. La fig. 3 représente une telle variante dans le cas d'une double barrière, constituée par deux anneaux distincts 14 et 15 ayant tous deux une forme identique à celle d'anneau 6 de la fig. 2: ils sont pourvus notamment des flancs coniques 16 et 17, respectivement, qui constituent les faces abritées des projections de vapeur. La fig. 4 représente le cas d'une triple barrière constituée par un anneau unique 18 pourvu d'une surface extérieure conique 19 et de deux gorges concentriques 20 et 21 ayant chacune un flanc intérieur 22 et 23 de forme conique, ces flancs constituant les faces abritées des barrières intérieures 24 et 25, le flanc abrité de la barrière extérieure 26 étant constitué par la surface 19.
La fig. 5 se rapporte à une deuxième forme de réalisation dans laquelle chacune des électrodes 30 et 31 de la paire a la forme d'une couronne, sa partie centrale 32 étant évidée. Dans ce cas, la zone permise où sont confinés les spots est une zone annulaire 33 disposée au moins pour l'une des électrodes, à savoir l'électrode 31 dans le cas représenté, de part et d'autre d'une proéminence circulaire 34, constituant, comme la proéminence 4 de la fig. 1, le contact ou l'initiateur d'arc. La zone permise 33 est délimitée par une barrière cathodique intérieure, constituée par un anneau 35 pourvu d'une surface conique 36 située à l'intérieur de celui-ci, et par une barrière cathodique extérieure, constituée par un anneau 37 pourvu d'une surface conique 38 située à l'extérieur de celui-ci.
Ces surfaces coniques 36 et 38 constituent les flancs abrités des barrières cathodiques 35 et 37, et leur inclinaison est choisie de manière que, dans tout plan méridien, un point quelconque de ces flancs soit hors de vue pour un point quelconque de la zone permise 33.
Il peut y avoir intérêt à donner à la zone permise dans laquelle peuvent se mouvoir les spots une plus grande surface que ce n'est le cas avec les formes de réalisation précédentes: en effet, lorsque la paire d'électrodes fait partie d'un interrupteur, un accroissement de la zone permise limite le risque de soudure des contacts, dans le cas où l'interrupteur serait appelé à se refermer pendant que l'arc jaillit. C'est le but que vise la troisième forme de réalisation représentée à la fig. 6. L'une des électrodes revêt la forme d'une tige 40 qui est coiffée par l'autre électrode, laquelle a la forme d'une cloche 41. L'une comme l'autre de ces électrodes sont munies d'une barrière cathodique, sous la forme des anneaux 42 et 43, respectivement, logés dans les rainures 44 et 45 dont sont pourvues ces électrodes.
La zone permise, que délimitent ces barrières cathodiques sont, pour l'électrode interne, la surface extérieure de la partie 46 de la tige 40 qui est située au-dessus de l'anneau 42 et, pour l'électrode externe, la partie de la surface intérieure de la cloche 41 qui est située entre le fond 47 de celle-ci et l'anneau 43. Chacun des anneaux 42 et 43 est pourvu d'un flanc conique 48 et 49, respectivement, dont chaque point est à l'abri de la vue directe de tout point qui, dans la zone permise de l'autre électrode, est situé dans le même plan méridien. Cette forme de tige et de cloche, respectivement, qu'ont les électrodes permet de supprimer la proéminence de contact ou d'initiation: ce rôle est joué, en effet, par le sommet 51 de la tige 40, ce qui présente l'avantage de donner à chacune des électrodes une zone permise exempte de toute irrégularité.
Une structure similaire, mais ayant un axe de symétrie décalé par rapport à l'axe 50 de la tige de la fig. 6, peut être adoptée à titre de quatrième forme de réalisation. Cette quatrième forme de réalisation, visible à la fig. 7, se déduit de la précédente en faisant décrire à la section représentée à la fig. 6 une rotation autour de l'axe de révolution 51. L'électrode 40 de la fig. 6 prend alors la forme d'une coupelle 52, tandis que l'électrode 41 devient une cloche circulaire 53. La coupelle 52 se termine par un fond 54 qui la relie à une tige axiale 55, tandis que la cloche circulaire 53 est surmontée par un chapeau 56 qui le relie à une tige axiale 57.
Ces tiges axiales 55 et 57 servent de support des électrodes 52 et 53, respectivement, et, dans le cas d'un interrupteur, d'organes de manceuvre permettant d'écarter les contacts que constituent leur sommet 58 et leur fond 59 respectivement. L'électrode 52 possède deux barrières cathodiques, sous forme des deux anneaux 60, 61, en lieu et place de l'anneau unique 42 de la fig. 6; de même l'électrode 53 possède deux barrières cathodiques constituées par les anneaux 62, 63 en lieu et place de l'anneau unique 43 de la fig. 6.
Dans l'une comme l'autre de ces deux variantes, ces anneaux délimitent deux à deux les zones permises, lesquelles, dans le cas de la fig. 7 sont, pour l'électrode 52, la partie 64 comprise entre les anneaux 60 et 61 et, pour l'électrode 53, la partie 65 comprise entre les anneaux 62 et 63, ces zones permises ayant des formes de révolution autour de l'axe 51. Pour la commodité du dessin, les sections de chacune de ces zones permises sont mises en évidence par des tracés en traits renforcés. Cette forme de réalisation offre aussi l'avantage d'etre dépourvue de proéminence de contact ou d'initiation, ce rôle étant joué par le sommet circulaire 58 de la coupelle 52.
Dans une structure de révolution telle que celle qu'on vient de décrire, la longueur des anneaux 60, 61, 62 et 63 qui constituent les barrières cathodiques est telle qu'il faut tenir compte de la différence de dilatation thermique entre la matière dont ils sont faits et la matière dont sont faites les électrodes 52, 53 proprement dites. A cet effet (voir fig. 8), la section droite des anneaux présente un talon, tel que le talon 70 pour l'anneau 60, talon qui s'engage dans un fond de gorge 71, que présente la section droite de la gorge correspondante 72. Les dimensions du talon 70 et du fond de gorge 71 sont choisies de manière qu'il y ait un espace libre 73 entre ce talon et ce fond de gorge, espace qui permet un certain jeu radial entre l'anneau 60 et l'électrode 52. Un montage analogue est prévu pour les autres anneaux 61, 62 et 63, comme cela apparaît à la fig. 8.
On peut choisir pour la section droite des anneaux des barrières cathodiques des formes diverses; la seule condition à remplir est que cette section droite présente une face abritée.
Ainsi, la section trapézoïdale de l'anneau 6 de la fig. 2 peut être remplacée par la forme visible à la fig. 9 forme qui présente un boudin 75 tel que la face abritée 76 dessine un véritable angle rentrant 77.
Dans les formes de réalisation où les électrodes pénètrent l'une dans l'autre, comme celles qui sont représentées aux fig. 6 et 7, les anneaux sont avantageusement fabriqués sur place par une technique de roulage telle que le représentent les fig. 10 et 11. A l'emplacement prévu pour la barrière cathodique, on usine au préalable, dans l'électrode 81 (voir Fig. 10), une rainure qui comprend deux parties: la première partie constitue le logement 82 de l'anneau, tandis que la seconde partie constitue un dégagement 83 dans lequel viendra prendre place la face abritée de l'anneau.
Ce dernier est formé, à partir d'une bande 84 du métal requis, par roulage à l'aide d'un galet de roulage 85 (voir fig. 11) qui roule sur cette bande en tournant autour de son axe 86; on force ainsi cette bande dans la rainure de logement 82, la partie repliée 87 constituant un talon d'ancrage analogue au talon 70 dont il a été question à propos de la fig. 8. La largeur de la bande 84 et la position de celle-ci par rapport à la rainure 82 sont choisies de manière qu'une partie 88 de cette bande se dispose en porte-à-faux audessus de la rainure de dégagement 83. Cette partie en porte à-faux 88 joue un rôle analogue à celui du boudin 75 dont on a parlé à propos de la fig. 9 et la face 89 de la bande qui regarde la rainure de dégagement 83 constitue la face abritée de l'anneau.
Dans toutes les formes de réalisation décrites, ainsi que dans leurs variantes, la barrière cathodique est située au niveau de la zone permise, ou légèrement en retrait de cette dernière par rapport à l'espace interélectrodes. En tout cas, lorsque la paire d'électrodes fait partie d'un interrupteur, cette barrière cathodique ne doit à aucun prix être en relief par rapport à la zone permise, car elle ne doit jamais toucher l'autre électrode de la paire. En particulier, la proéminence 4 de l'électrode visible à la fig. 1 assure que cette condition est remplie, et elle peut s'étendre jusqu'à la barrière cathodique 6. le contact ou l'initiateur d'arc que constitue cette proéminence occupant alors toute la zone permise 9.