Interrupteur électrique La présente invention a pour objet un interrupteur électrique comprenant deux contacts destinés à être dis posés dans un circuit dans lequel un arc tend à se pro duire lors de la fermeture et de l'ouverture.
Quand des circuits comportent des charges forte ment inductives, les contacts d'un interrupteur à ferme ture et rupture sont fréquemment faits en cuivre ou en alliage d'argent et de cuivre ou d'argent et de tungstène et sont toujours actionnés par des mécanismes puissants à haute vitesse, car les tensions de choc produites à la fermeture et à la rupture croissent exponentiellement avec le temps. Alors même que les contacts comportent invariablement un dispositif de suppression d'arc tel qu'un soufflage magnétique ou une barrière d'arc, un arc se forme qui est disruptif pour le métal des contacts. On recherche toujours toute réduction possible de ces effets d'érosion en dessinant ces contacts.
L'interrupteur faisant l'objet de l'invention est ca ractérisé en ce que les contacts sont formés au moins partiellement d'un métal ou d'un alliage superconduc- teur, et en ce qu'il comprend un dispositif pour refroi dir les contacts à une température à laquelle ils sont superconducteurs.
Les métaux et les alliages qui deviennent supercon- ducteurs présentent une résistivité électrique très faible quand ils sont maintenus à des températures très basses ; en conséquence, les hautes tensions de choc et les fortes densités de courant qui se produisent à la fermeture et à la rupture n'augmentent pas la température de fonc tionnement des contacts faits de ces métaux ou alliages, à moins que le courant n'excède une valeur critique. En vertu de ce fait, la formation d'un arc est contrariée car une augmentation de température est normalement liée à la vaporisation des surfaces métalliques proches de l'arc et à l'ionisation de la vapeur dans le voisinage immédiat.
En éliminant au moins partiellement l'ionisation, une tension plus élevée est nécessaire pour former l'arc et, en outre, une fois que l'arc a été formé, son action éro sive est beaucoup moins forte par suite de la faible densité de courant aux racines de l'arc proches des sur faces métalliques.
Le matériau superconducteur est de préférence un métal ou un alliage qui est superconducteur à la tem pérature de l'hélium liquide, ce dernier pouvant être uti lisé pour le refroidissement des contacts. Le métal peut être le niobium ou l'étain et l'alliage un alliage de nio bium et de zirconium (contenant ordinairement une pro- portion atomique de 25 à 33 % de zirconium),
de nio- bium et d'étain, ou de nobium et de titane contenant une proportion atomique d'environ 40'% de titane. On pré- fère utiliser comme matériau superconducteur un alliage de niobium et de zirconium, car il est comparativement ductile et peut être ainsi mis à la forme désirée.
Les mé taux ou les alliages doivent être aussi purs que possible, et bien qu'on puisse tolérer des impuretés jusqu'à 0,1 %, la teneur totale en impuretés ne dépasse pas de préfé- rence 0,05'%.
Les contacts sont montés de préférence dans un logement qui est immergé dans de l'hélium liquide et relié à un dispositif capable de le maintenir sous vide.
La figure unique du dessin représente en coupe, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention.
L'interrupteur représenté comprend deux contacts massifs 1 en alliage de niobium et de zirconium et sont reliés chacun à un porte-contact 2 et montés dans un logement 3 qui est maintenu constamment sous vide par un tuyau 4 et une pompe 5 destinée à éliminer les gaz. Les contacts se font face dans l'espace vide à l'intérieur du logement. Les porte-contact 2 passent à travers des manchons 6 auxquels ils sont scellés par des soufflets 7. Le logement 3 est entouré par de l'hélium liquide placé dans un vase de Dewar 8. Les contacts sont amenés en contact et séparés mécaniquement par des articula tions mécaniques 10. Le courant est amené aux porte- contact par des conducteurs 11.
On comprend que l'ensemble des contacts n'a pas besoin d'être en matière superconductrice. La vaporisa tion aux surfaces des contacts peut être minimisée en utilisant un capuchon d'une matière superconductrice sur un conducteur normal. Dans les cas où les portes par hystérésis sont lourdes, par exemple quand on utilise des superconducteurs durs fonctionnant en courant alter natif, une couche périphérique de matière superconduc- trice autour d'un conducteur normal réduit ces pertes à un minimum,
tout en formant en même temps une trappe thermique suffisamment grande pour dissiper la chaleur de la région chaude formée par l'arc.
Les porte-contact peuvent être en aluminium, en cuivre ou en argent puisque à de très basses tempéra tures ces métaux présentent une augmentation de la résistance à la traction par rapport à la température ordinaire. A 40 K par exemple, le cuivre présente une résistance à la traction double de celle à la température ordinaire et l'aluminium une résistance quadruple.
Pour maintenir la basse température nécessaire en dépit de l'inévitable absorption de chaleur par le vase de Dewar et de la production d'une petite quantité de chaleur au niveau des contacts 1, on utilise des tuyaux 12 et 13 d'alimentation et de drainage de l'hélium qui passent à travers les parois du vase de Dewar et sont reliés à un appareil de circulation et de réfrigération 14.
Electric switch The present invention relates to an electric switch comprising two contacts intended to be arranged in a circuit in which an arc tends to occur during closing and opening.
When circuits have highly inductive loads, the contacts of a close-break switch are frequently made of copper or an alloy of silver and copper or silver and tungsten and are always actuated by powerful mechanisms. at high speed, because the shock voltages produced at closing and breaking increase exponentially with time. While the contacts invariably have an arc suppressor such as a magnetic blast or an arc barrier, an arc forms which is disruptive to the metal in the contacts. We always seek any possible reduction of these erosion effects by drawing these contacts.
The switch forming the subject of the invention is characterized in that the contacts are formed at least partially of a metal or of a superconducting alloy, and in that it comprises a device for cooling the cables. contacts at a temperature at which they are superconducting.
Metals and alloys which become superconducting exhibit very low electrical resistivity when maintained at very low temperatures; therefore, the high impulse voltages and high current densities which occur on closing and breaking do not increase the operating temperature of contacts made of these metals or alloys, unless the current exceeds a critical value. By virtue of this fact, the formation of an arc is thwarted because an increase in temperature is normally related to the vaporization of the metal surfaces near the arc and the ionization of the vapor in the immediate vicinity.
By at least partially eliminating ionization, a higher voltage is required to form the arc and, furthermore, once the arc has been formed its erosive action is much less due to the low density of the arc. current at the roots of the arc close to the metal surfaces.
The superconducting material is preferably a metal or an alloy which is superconducting at the temperature of liquid helium, the latter possibly being used for cooling the contacts. The metal can be niobium or tin and the alloy an alloy of niobium and zirconium (usually containing an atomic proportion of 25 to 33% zirconium),
of niobium and tin, or of nobium and titanium containing an atomic proportion of about 40% titanium. It is preferred to use as the superconducting material an alloy of niobium and zirconium, since it is comparatively ductile and can thus be formed into the desired shape.
The metals or alloys should be as pure as possible, and although impurities up to 0.1% can be tolerated, the total impurity content preferably does not exceed 0.05%.
The contacts are preferably mounted in a housing which is submerged in liquid helium and connected to a device capable of maintaining it under vacuum.
The single figure of the drawing represents in section, by way of example, an embodiment of the object of the invention.
The switch shown comprises two solid contacts 1 made of a niobium and zirconium alloy and are each connected to a contact holder 2 and mounted in a housing 3 which is kept constantly under vacuum by a pipe 4 and a pump 5 intended to eliminate the gas. The contacts face each other in the empty space inside the housing. The contact carriers 2 pass through sleeves 6 to which they are sealed by bellows 7. The housing 3 is surrounded by liquid helium placed in a Dewar vessel 8. The contacts are brought into contact and mechanically separated by mechanical joints 10. The current is supplied to the contact carriers by conductors 11.
It will be understood that all of the contacts do not need to be made of superconductive material. Vaporization at the contact surfaces can be minimized by using a cap of a superconductive material over a normal conductor. In cases where the hysteresis gates are heavy, for example when using hard superconductors operating on alternating current, a peripheral layer of superconducting material around a normal conductor reduces these losses to a minimum,
while at the same time forming a thermal trap large enough to dissipate heat from the hot region formed by the arc.
The contact carriers can be made of aluminum, copper or silver since at very low temperatures these metals exhibit an increase in tensile strength compared to ordinary temperature. At 40 K for example, copper has a tensile strength twice that at room temperature and aluminum has a tensile strength four times.
To maintain the necessary low temperature despite the inevitable absorption of heat by the dewar and the production of a small amount of heat at the contacts 1, supply and drainage pipes 12 and 13 are used. helium which passes through the walls of the Dewar vessel and is connected to a circulation and refrigeration device 14.