Dispositif à distance explosive. La présente invention concerne un dispo sitif à distance explosive comprenant au moins deux électrodes espacées l'une de l'au tre pour former entre elles l'espace à air de la distance explosive, ce dispositif étant par ticulièrement utile par exemple en. connexion avec des parafoudres ou autres dispositifs protecteurs à décharge.
Les parafoudres pour la protection de lignes de transmission et autres dispositifs électriques comprennent ordinairement un dispositif à distance explosive relié en série avec un élément de résistance qui a la pro priété de pouvoir, comme une valve, changer d'un état sensiblement non-conducteur, ou du moins de haute résistance, à l'état de conduc teur, lorsqu'un survoltage prédéterminé y est appliqué. Cet élément de résistance permet,. par conséquent, le passage de grands cou rants lorsqu'un voltage élevé, tel qu'un vol tage d'éclair se manifeste, mais réduit le courant à une très faible valeur lorsque le voltage tombe approximativement au voltage de ligne normal.
Le dispositif à distance explosive inter calé entre l'élément de résistance et la ligne remplit trois fonctions. En premier lieu, il sert à isoler l'élément de résistance de la ligne dans des conditions normales et em pêche le passage de courants de fuite à la terre. Puis, lorsque la foudre ou tout autre saut de haut-voltage se présente, le dispositif à distance explosive se rompt et relie le para foudre à la ligne de façon à permettre la décharge du voltage à la terre.
Après que le saut de voltage a ainsi disparu, le dispositiË accomplit sa troisième fonction en interrom pant le courant suiveur, d'intensité relative ment petite, qui traverse le parafoudre comme résultat du voltage de ligne normal qui y est appliqué, et isole de nouveau le parafoudre de la ligne jusqu'à ce qu'un nouveau surgis sement de voltage survienne.
Pour obtenir le plus haut degré de pro- tection, on comprend qu'une distance explo sive de parafoudre devrait avoir un voltage de rupture faible, lorsqu'un surgissement de voltage y est appliqué, et qu'il devrait avoir un voltage de rupture à fréquence normale ou à 60 périodes, suffisamment élevé, pour empêcher la possibilité d'une rupture sous conditions normales. Le rapport du voltage de rupture en surgissement au voltage de rupture de fréquence normale est appelé le rapport d'impulsion de la distance explosive.
Comme le voltage de rupture en surgisse ment d'une distance explosive varie avec le degré de l'accroissement du voltage, le rap port d'impulsion n'a aucune signification dé finie à moins que ce degré de l'accroissement du voltage ne soit spécifié. L'Institut Amé ricain des Ingénieurs-Electriciens recom mande un degré standard d'accroissement de. 50 lLilovolts par microseconde pour comparer différentes distances explosives, cette valeur étant entendue en connexion avec les rapports d'impulsion mentionnés dans la présente des cription.
Il est apparent qu'il est désirable que la valeur de ce rapport soit aussi près que possible de l'unité.
Les dispositifs à distance explosive en série actuels pour les parafoudres et autres appareils de protection comprennent ordinai rement des électrodes en laiton ou autre ma tière conductrice possédant des qualités ap propriées d'extinction d'arc, c'est-à-dire qui soit capable d'éteindre facilement l'arc pour interrompre le courant suiveur, et un organe espaceur en forme d'un anneau de porcelaine ou autre matière isolante placé entre les élec trodes pour maintenir celles-ci à la distance appropriée.
Un nombre suffisant de pareilles distances explosives peut être relié en série entre la liane ou tout autre appareil à proté ger et l'élément de résistance pour obtenir le degré de voltage désiré pour le parafoudre. On a cependant remarqué, dans la pratique, que les distances explosives construites de cette manière ont des voltages de rupture de surgissement élevé, donnant des rapports d'impulsion indésirablement élevé et rendant difficile de prédire le comportement de la distance explosive dans des conditions don née.
Ces distances explosives ont. des vol tages de rupture. appropriés à une fréquence de 60 périodes, mais, sous l'influence d'un voltage d'accroissement rapide, il y a un retard de temps après que le voltage s'élève au-dessus du voltage de rupture statique avant que la distance explosive se rompe, et la durée de ce retard de temps peut varier dans les différents essais de la même distance explosive en donnant < les résultats inconsé quents. Il est, par suite, hautement désirable de prévoir une distance explosive qui se rompt plus rapidement lors d'un voltage d'ac croissement rapide.
Pratiquement, il est en outre nécessaire que la rupture soit répétable, c'est-à-dire que les organes du dispositif ne se détériorent pas en conséquence des rup tures.
Le dispositif à distance explosive, objet de l'invention, se caractérise par un organe isolant situé entre deux électrodes et en con tact avec au moins l'une d'elles tout en étant à l'écart de la distance explosive, 1a, constante diélectrique de la matière de cet organe iso lant et la conformation de sa surface ainsi que de la surface d'au moins une des deux électrodes dans la zone de contact étant telles que, lorsqu'un survoltage est imprimé au tra vers des deux électrodes, le gradient de vol tage créé dans l'air à l'intérieur du dispositif dans des régions limitées, voisines de cette zone de contact produise une radiation d'un degré suffisamment grand pour donner lieu à une ionisation de l'air,
ionisation qui s'étend dans la distance explosive pour produire la rupture rapide de cette dernière.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple. plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention.
Le dispositif à distance explosive montré en fig. 1 comprend des électrodes 1 et ? en laiton ou toute autre matière appropriée, sé parées l'une de l'autre par un espaceur iso lant 3 de forme annulaire. Comme il est ordi nairement désirable que les bords périphéri ques des électrodes soient séparés par une plus grande distance que la distance explo- sive efficace, l'électrode supérieure 1 est re présentée en forme d'assiette creuse, c'est-à- dire que dans sa partie centrale elle se rap proche plus près de l'électrode inférieure 2, qui a la forme d'un disque, pour former une distance explosive annulaire 4.
Lorsque ce dispositif est appliqué à un parafoudre, l'électrode supérieure 1 est reliée à une ligne de transmission 5 ou autre appa reil électrique qui doit être protégé, tandis que l'électrode inférieure \? est reliée à un élément de résistance à parafoudre 6 qui, à son tour, est relié à la terre, comme indiqué en 7. On comprend qu'en pratique on em ploiera autant de dispositifs à distance explo sive en série qu'il est nécessaire pour obtenir le voltage désiré.
Pour obtenir un. voltage de rupture bas, l'espaceur 3 est destiné à produire des gra dients élevés de voltage dans des régions localisées de l'espace entre les électrodes. Ceci peut être accompli de manière désirable et convenabhe en utilisant pour l'espaceur une matière à très haute constante diélectrique, et, pour cette raison, il est avantageux d'éta blir l'espaceur en matière céramique à base de rutile, quoique l'on puisse aussi utiliser toute autre matière appropriée ayant une constante diélectrique suffisamment élevée.
'Un avantage additionnel est obtenu en utili sant des espaceurs à haute constante diélec trique, lorsqu'on emploie une série de ces distances explosives. La rupture en 60 pé riodes est alors plus grande que si l'on em ployait des espaceurs à constante diélectrique plus basse, grâce à une meilleure distribution de voltage effectuée par la capacité aug mentée.
Le rutile est un minéral naturel consis tant principalement de dioxyde de titane avec, ordinairement, une petite quantité d'im puretés. Pour l'usage comme matière isolante électrique, le rutile est, de préférence, purifié pour obtenir un dioxyde de titane sensible ment pur, lequel est ensuite moulu et mé langé avec environ<B>10%</B> d'eau. Ce mélange est moulé sous forte pression à la forme dé sirée et cuit pour produire une matière céra- mique. Cette matière a de très bonnes pro priétés isolantes et accuse la caractéristique plutôt extraordinaire d'avoir une constante diélectrique extrêmement élevée, dans l'ordre de grandeur de 20 à 110-, selon la méthode de fabrication. L'organe isolant peut être fait ou se composer principalement de cette ma tière céramique.
En utilisant un espaceur en cette matière dans un dispositif à distance explosive, la constante diélectrique élevée provoque un gradient de voltage très élevé dans le champ entre les électrodes. Comme le champ n'est pas homogène, spécialement aux limites entre l'électrode métallique, le diélectrique solide et l'air, l'air sera surchargé dans ces régions limitées, voisines de la zone de contact entre isolateur et électrode et il se produira une radiation qui sera très efficace pour occasion ner une rupture rapide de la distance explo sive lois d'un saut de voltage.
En effet, le grand gradient de voltage local provoque des décharges électriques qui produisent une ra diation (ayant par exemple une longueur d'onde de 13 à 1000 A) dans ces régions de la distance explosive et cette radiation donne lieu à la naissance d'électrons et d'ions de gaz positifs. Les électrons ainsi formés sont très efficaces pour amorcer la rupture de la dis tance explosive et l'obligent à se produire avec un très court retard de temps, donnant ainsi un voltage de rupture bas.
Des rapports d'impulsion aussi bas que 1,08 ont été obte nus dans des distances explosives de ce genre en comparaison avec les rapports d'impulsion de 1,6 jusqu'à 2,0 obtenus ordinairement avec les espaceurs en porcelaine conventionnels.
La fig. 3 montre un autre dispositif à distance explosive tout aussi efficace. Les électrodes 1 et 2, dans cette figure, sont sépa rées par un organe espaceur annulaire 3 en porcelaine ou tout autre matière isolante ap propriée. Pour produire un gradient de vol tage élevé, une couche mince de métal ou autre matière conductrice 13 est appliquée sur l'organe espaceur 3. Cette couche, qui électriquement fait partie de l'électrode 2, couvre, comme le montre la fig. 3, la surface inférieure de l'organe espaceur et est en con tact avec la plaque de l'électrode inférieure 2.
Elle s'étend aussi de la surface inférieure vers en haut sur la paroi intérieure de l'es- paceur annulaire 3. Elle est de préférence très mince et en métal ou toute autre matière conductrice; elle pourrait cependant aussi être en une matière semi-conductrice. Elle peut être appliquée de toute manière appro priée sur l'espaceur, comme par exemple par projection au pistolet.
L'effet de la couche conductrice 13, lors qu'un voltage est appliqué à la distance explosive, est de déformer le champ entre les électrodes (c'est-à-dire le champ qui existerait sans cette couche conductrice) et de provoquer un gradient de voltage élevé au bord de la. couche. Les gradients de vol tage local sont assez élevés pour surcharger l'air et provoquer la production d'une radia tion dans la distance explosive de la façon décrite plus haut, assurant ainsi une rupture rapide de la distance explosive de manière à obtenir un saut de voltage de rupture bas.
Dans cette forme d'exécution, la radiation en question est concentrée dans le voisinage du bord de la couche conductrice.
La fig. 4 montre encore une autre forme d'exécution de l'objet d'invention, dans la quelle un gradient de voltage local élevé se produit au voisinage des jonctions de con tact entre les électrodes et l'espaceur isolant par la forme particulière de celui-ci. Les électrodes 1 et 2, dans cette figure, sont sépa rées par un espaceur annulaire 3 en porce laine ou toute autre matière isolante appro priée, qui est pourvu d'une couche mince 18 en métal ou autre matière conductrice sur chacune de ses surfaces supérieure et infé rieure pour perfectionner le contact avec les électrodes dont électriquement ces couches font partie.
Pour provoquer un gradient de voltage élevé au voisinage de la jonction avec l'électrode inférieure, le bord inférieur inté rieur de l'espaceur est arrondi en 19. L'effet de cette conformation est de provoquer un haut gradient de voltage dans l'air entre le bord arrondi et l'électrode correspondante. Le haut gradient de voltage dans l'air pro voque la. radiation susmentionnée, qui est très efficace pour amorcer la rupture dans la distance explosive avec un très court retard de temps, réalisant un saut de voltage de rupture bas avec un rapport d'impulsion bas.
Dans les fig. 5 et 6, les électrodes 1 et 2 sont aussi séparées par un espaceur 3 en por celaine ou toute autre matière semi-conduc trice appropriée ou matière à haute résis tance. La partie centrale de l'électrode 1 est dressée en tubulure relevée en 20, de ma nière à former une ouverture centrale, for mant ainsi une distance explosive annu laire 4.
Pour obtenir de hauts gradients de vol tage, un bouchon 21 en matière isolante à constante diélectrique élevée est inséré dans l'ouverture centrale de l'électrode supérieure 1. Ce<B>bouchon,</B> qui constitue l'organe isolant susmentionné, est soutenu par l'électrode 1 à laquelle il est fixé. Il s'étend à travers l'es pace intermédiaire entre les deux électrodes et fait légèrement contact avec l'électrode 2, ou bien, si on le désire, son extrémité infé rieure peut être légèrement à l'écart de l'élec trode 2. Le bouchon 21 est légèrement à l'écart de la distance explosive 4 et de pré férence disposé de façon que la distance de crachement périphérique d'étincelles le long du bouchon soit au moins deux fois aussi grande que celle de l'espace intermédiaire 4.
Si on le désire, on peut appliquer une couche conductrice sur les portions du bouchon qui font contact avec. les électrodes 1 et 2.
Le bouchon 21 est fait de rutile cérami que. Toutefois, d'autres matières isolantes à constante diélectrique suffisante peuvent être employées. Ainsi, on a trouvé qu'un bouchon en porcelaine ayant une constante diélectri que d'environ 6 donne des résultats satisfai sants.
En appliquant un saut de voltage à ce dispositif à distance explosive, la présence du bouchon 21 occasionne un haut gradient de voltage au voisinage des jonctions entre le bouchon et les électrodes. Les hauts gradients de voltage impliquent une surcharge locale de l'air dans ces régions et l'émission de la radiation signalée plus haut. Cette radiation occasionne une ionisation de l'air et la pro duction d'électrons qui sont très efficaces pour initier la rupture de la distance libre.
Un comprend que, dans la disposition décrite, la radiation est produite plus près de l'espace intermédiaire 4, où elle est très efficace pour réduire le retard de temps de rupture de la distance explosive, et, pour cette raison, on peut obtenir de bons résultats même avec une matière à constante diélectrique de l'ordre de 6, telle que de la porcelaine, l'écart existant entre l'organe isolant et la distance explosive étant encore suffisant pour empêcher la dé térioration de cet organe.
Dans le cas d'une construction à distance explosive multiple, le bouchon 21 pourrait être fait assez long pour s'étendre à travers deux ou plus de distances explosives indivi duelles.
La déformation ou distorsion du champ électrique entre les électrodes de façon qu'un haut gradient de voltage se manifestent, peut être produite en réduisant la surface de con tact entre l'une des électrodes et l'espaceur à une très petite aire. Comme montré aux fig. 7 et 8,, cette réduction est accomplie en prévoyant une pluralité de saillies sur la sur face de l'une des électrodes de façon à écar ter un peu l'espaceur, ces saillies présentant une très petite aire de contact avec l'espaceur. Ces saillies peuvent être aménagées en fixant de petits morceaux de fil 22, par soudure ou autrement, à la surface supérieure de l'élec trode,
comme montré en fig. 8. Le même ré sultat peut être obtenu en formant l'électrode en question avec une nervure annulaire 23, comme montré en fig. 9, ou en la formant avec des portions en saillie de toute configu ration appropriée, qui écarteront un peu la plaque de l'électrode de l'espaceur 3 et qui ont une toute petite aire de contact avec celui-ci.
L'effet de cette construction est d'occa sionner un haut gradient de voltage au voisi nage des petites surfaces de contact. Des essais ont montré que le perfectionnement du- dit dispositif à distance explosive est, en plus grande partie, fonction de la hauteur des saillies, et des rapports d'impulsion de l'ordre de grandeur 1,00 à 1,05 ont été réalisés avec des distances explosives de ce genre. Il est évident que ces saillies pourraient aussi être prévues sur l'électrode supérieure, quoique l'effet ne serait probablement pas si grand, attendu que la ionisation de l'air se produi rait en des points plus éloignés de la dis tance explosive.
Une autre forme d'exécution de l'objet de l'invention est représentée dans les fig. 10 et 11. Dans ce cas, la déformation du champ électrique est produite en introduisant des éléments conducteurs à l'intérieur de l'espace intermédiaire, lesquels provoquent une défor mation locale du champ au voisinage de l'électrode. Un dispositif à double distance explosive est montré dans ces figures, étant entendu toutefois que cette disposition peut aussi être employée avec une seule distance explosive.
Ce dispositif à double distance explosive comprend une électrode supérieure 30, une plaque intermédiaire 32 séparée de l'électrode 30 par un espaceur annulaire 33, et une électrode inférieure 31 séparée de la plaque 3,2 par un espaceur annulaire 34.
Les espaceurs sont établis en porcelaine ou autre matière isolante, tandis que les électrodes sont, de préférence, faites en laiton; les élec trodes supérieure et inférieure ont la forme d'une assiette creuse et sont placées en posi tion inversée l'une par rapport à l'autre de façon qu'à leurs périphéries extérieures elles sont plus espacées l'une de l'autre que dans leurs parties centrales, où elles forment les distances explosives avec la plaque commune 32. Dans cette forme d'exécution, des hauts gradients de voltage local sont obtenus par l'introduction d'éléments conducteurs à l'in térieur de l'espace intermédiaire ayant comme but de déformer le champ électrique entre les électrodes.
Ces éléments conducteurs sont formés par des chevalets à ressort 35 enga gés en des endroits diamétralement opposés, dans les distances explosives, de part et d'autre de la plaque intermédiaire 32 et en contact avec celle-ci, formant ensemble l'élec trode intermédiaire. Ces chevalets peuvent être en laiton, en bronze phosphoreux ou en un autre métal approprié et, comme montré plus clairement en fig. 12, ils ont la forme d'un H. Des fentes 36 sont prévues en des endroits diamétralement opposés de l'élec trode 32 pour la réception du pontet trans versal des chevalets.
En ce qui concerne le montage du dispositif, les chevalets 35 sont insérés dans les fentes 36 de la plaque 32, comme montré en fig. 12, de façon que les barrettes latérales de 1'H se trouvent situées de part et d'autre de la plaque 3"2, et les espaceurs 33 et 34 sont alors mis en place, obligeant ainsi les chevalets à ressort à pren dre la position montrée en fig. 11, avec leurs extrémités extérieures jointivement en con tact avec les surfaces intérieures des espa- ceurs.