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.
Pair of Electrodes for vacuum electric discharge
The subject of the invention is a pair of electrodes intended to constitute, in a vacuum chamber, the ends of an electric discharge path.
By end of an electric discharge path, we mean both the two contacts of a switch when they separate to interrupt the current, as the two poles of a spark gap when this spark gap is the seat of a bow. Whether it is a switch or a spark gap, these contacts and these poles are housed in a vacuum chamber, by which is meant an chamber in which the pressure p is such that the mean free path of the electrons or greater than approximately half the length of the longest of the field lines which may appear in the switch or in the spark gap.
In other words, the pressure in the enclosure must have a value such that one is undoubtedly below the range of Paschen discharges, therefore in the range of so-called high vacuum discharges, which is defined, depending on the length d of the longest discharge. by the relation (p.d) S (p.d.) crit.
The pair of electrodes in accordance with the present invention is intended in particular to form the contacts or the poles of a switch or a spark gap intended to be incorporated into a high-voltage and power-frequency AC network, in particular in a network. at 50 Hz.
In the first case (vacuum switch), the contacts are asked to give rise to a discharge regime such that their destruction is avoided without compromising their ability to interrupt this discharge when the current passes through zero, nor their ability to prevent re-ignition of the discharge when the open circuit voltage is restored.
In the second case (vacuum spark gap), the poles are asked to initiate a high intensity discharge without fail when an overvoltage applied to them exceeds a given value, and, in addition, to ensure this discharge a regime such that it stops when the current passes through zero and that it does not re-ignite when the normal voltage is applied to them again.
In high voltage power frequency installations, attempts have been made for a long time to use devices in which the discharge paths are under vacuum.
Indeed, the distances between electrodes (switch contacts or spark gap poles) must, in the case of high pressure discharge paths, be of the order of several tens of centimeters; this is a condition which is necessary for the dielectric restoration of the interelectrode medium to allow nominal voltages of the order of 100 kV to be withstood by the electrodes a few microseconds after the end of a discharge without causing any a new discharge results.
Such high distances lead to devices which are very bulky and which, in the case of switches, require powerful mechanics for their control, which is therefore robust and, consequently, heavy, given the length of movements that the contacts must perform. Attempts have been made to remedy these drawbacks, in particular for switches, by using compressed gas devices (for example compressed air or sulfur hexafluoride), since the dielectric strength of a gas is better when the pressure is high. However, difficulties arise as soon as a discharge has taken place, since the deionization of the gas is much slower due to the high pressure.
This is why the technique has turned to vacuum devices, in which the electrodes are enclosed in an enclosure subjected to pressures such that one is, for each discharge that may arise, below the range. de Paschen defined by the relation (pd) Crit = 6.10- torr.cm. This means that, in the usual cases, where the distances between electrodes are of the order of 10 cm, the pressures are of the order of 10-3 torr and below. In such devices, the discharge is no longer conveyed only by the ions of the residual gas included in the interelectrode space, but essentially by the ions of the metal vapors coming from the hot spots of the cathode, hot spots which constitute what is calls the cathode spots.
The dielectric restoration is therefore no longer linked to a neutralization of the charge carriers due to deionization by recombination, but rather to a disappearance of the vapor ions due to their adsorption on the metal surfaces following a condensation of these vapors. on the latter (in particular on the surfaces of the electrodes themselves). Now, this condensation is all the more rapid as the surfaces on which it takes place are closer together; this leads to giving the interelectrode distances low values, so that the bulk of the devices is reduced. Practically. the interelectrode distances are of the order of 1 cm; also, in the case of switches, the control mechanism is thereby simplified and lightened, since it only has to move the contacts over short distances.
However. vacuum devices pose a number of problems. In addition to the need to permanently maintain a very low pressure in the chamber containing the electrodes. generally less than 10-2 torr, and that of using ultra-pure metals for the electrodes which must be purified by zonal fusion and which must be degassed very carefully, the main of these problems are related to the current regime discharge.
We can distinguish. in fact, in vacuum discharges, two current regimes.
a) In the so-called diffuse arc regime, which is established for weak currents. less than about 10 kA, the discharge is made up of parallel columns in the form of cones, called Reece cones. each of which is the seat of a current of the order of 30 to 100 A. The base of each cone is located on the surface of the anode. and its top located at the surface of the cathode. The tops of these cones are none other than the cathode spots discussed above, and these spots move on the cathode surface at speeds between 10 and 1C) O ms, much like the molecules of a gas. In addition, these columns are constantly renewed by subdivision. each of them having only a very
pie that does not exceed a millisecond.
We therefore see that in
diffuse arc regime. there is no localized heating of the
cathode. since the hot spots that are the spots
cathode rays constantly sweep this surface. As a result, the cathode only undergoes a slight erosion which does not exceed 100 microns As and is in no way destructive.
b) In the so-called single-arc regime which is established for
high dying, greater than about 10 kA, the cones of
Reece gather in a single column, not very mobile, which carries all the current. In this case, a melting occurs which destroys the electrodes and which gives rise to strong evaporation of the metal from the molten zones. The arc then behaves like a high pressure arc: the high vapor density which prevails in the interelectrode space compromises the dielectric restoration. so that the arc reignites after the current has passed zero.
Another problem is linked to the phenomenon known as chopping, which consists of the sudden interruption of the diffuse arc by extinction of the spots. Indeed, when the intensity of the current carried by the discharge becomes less than a limit value, which depends on the metal of the cathode and which is of the order of a few amperes, the only cathode spot which still exists for such a low current abruptly goes out before the current passes naturally through zero. If the network in which the device is connected contains inductive elements, this sudden interruption of the current gives rise to overvoltages which can be annoying or even destructive.
Various solutions have been proposed to remedy these difficulties to some extent. Thus, a vacuum interrupter has been produced in which the contacts are divided into petals by suitable slots, arranged in such a way as to force the current to travel a spiral path and to generate a magnetic field which moves the arc by electromagnetic interaction (see U.S. Patent No. 2,949,520). This prevents the arc from remaining fixed at the same point of the electrodes and to a certain extent prevents the evaporation of metal from the latter, in particular from the cathode.
To lower the limiting intensity below which the chopping phenomenon takes place, it has been proposed to produce an electrode from copper (Cu) alloyed with a small quantity of antimony (Sb). In this way, the limiting current can be lowered to a value less than 2A, which constitutes a tolerable intensity so that the overvoltages generated in the inductive elements of the network remain admissible. In addition, this Cu + Sb alloy is friable and brittle, so that this solution simultaneously solves, in the case of the switch, the problem of soldering the vacuum contacts.
The present invention proposes another solution in which the discharge is maintained in a diffuse arc regime. The pair of electrodes which constitutes the object of this invention is characterized in that the active surface of at least one of the electrodes of this pair which constitutes the cathode of this discharge path is provided with at least one cathode barrier which is arranged in a closed contour and which is formed by a strip of a metal endowed with at least one of the following two properties: having a cathodic voltage drop greater than that of the metal of the active surface; have a chopping current greater than that of the metal of the active surface. so as to prevent a discharge originating inside the permitted zone delimited by this closed contour from leaving this permitted zone.
The description which follows relates to three embodiments of the pair of electrodes forming the subject of the invention. This description is illustrated by the accompanying drawing, in which:
fig. 1 is a meridian section showing the first embodiment;
figs. 2, 3 and 4 are partial meridian sections representing variants;
fig. 5 is a meridian section of the second embodiment;
fig. 6 is a meridian section of the third embodiment;
fig. 7 is a meridian section of the fourth embodiment;
figs. 8 and 9 are partial sections relating to details;
figs. 10 and 11 illustrate a possible method of manufacturing an element common to FIGS. 6 and 7.
The pair of electrodes visible in fig. 1 comprises the electrodes 1 and 2, the second of which has an active surface 3 which is provided with a protrusion 4 constituting either the contact itself, in the case of a switch (in which case the electrodes 1 and 2 are movable the one relative to the other in the direction of axis 5), or the arc initiator, in the case of a spark gap (in which case the electrodes 1 and 2 are fixed relative to the other). Electrode 2 is assumed to be the cathode of the pair and is provided with a ring 6 which surrounds the protrusion 4 and which is made of a metal capable of causing the discharge in the region of the barrier to be extinguished.
This property may be due either to the fact that the metal of the barrier has a higher cathode voltage drop than the metal of which the active surface 3 is made, or to the fact that its chopping current is greater than that of this metal, or even the combination of these two characteristics. The table below gives the values of the cathodic voltage drop for some metals, taken from the article Cathode fall of an arc discharge in a pure metal, by V.E. GRAKOV (Sov. Phys. Techn. Phys. 12 (1967), p. 286) and the values of the chopping current taken from the article Design of vacuum interrupters to eliminate abnormal overvoltage by
T.H. LEE, A. GREENWOOD and G. POLINKO (Trans.AIEE (1962), Paper 62-161).
This table shows that, for an electrode whose active surface is copper, it is advantageous to produce the cathodic barrier in the form of a tungsten ring, this metal combining the two characteristics required. A ring of molybdenum or tantalum, or even iron, would also be suitable, but its effect would only be due to its drop in cathodic voltage.
Voltage drop Current of
cathode (Volt) chopping
(Ampere)
Copper 14.7-15.4 4
Beryllium 18.6 - 19.2
Aluminum 17.2 - 18.6 2.8
Titanium 16.8 - 17.6
Hafnium 16.9 - 17.4
Vanadium 17.3 - 18.0
Niobium 19.9 - 21.6
Tantalum 16.8 - 21.4
Chromium 16.7 - 17.4
Molybdenum 16.6 - 17.2
Tungsten 16.2 - 22.6 9.2
Iron 17.1-18.0
Cobalt 16.8 - 17.7
This ring prevents the Reece cones, which constitute the diffuse arc of the discharge, from escaping towards the edge 7 of the electrode, starting to elongate.
Such an extension, in fact,
would add to the drop in cathodic voltage an anode drop in voltage which we know is all the higher the more apart the electrodes are, the smaller the electrodes are, and the more strongly the discharge is pushed back towards the edges of the electrodes as a result of the mutual repulsion which is exerted between the spots, mutual repulsion which increases with the intensity of the current. These three effects are cumulative, so that lengthening the discharge path quickly transforms a diffuse arc discharge into a single column discharge.
It can therefore be seen that the presence of the ring 6 constitutes a cathode barrier which prevents the cathode spots from reaching the edge 7 of the narrow-spaced zone 8 and confines them inside a permitted zone 9 contiguous to the prominence. contact or initiation 4.
If the device is to be inserted into an AC network, the two electrodes of the pair are alternately cathodes. In this case, they are both provided with a cathodic barrier 6, as shown in FIG. 2. Since the interelectrode space contains vapor emanating from the electrode functioning as an anode, it is necessary to prevent these vapors from condensing on the cathode barrier, as such condensation would destroy the effect. This is why the cathode barrier is profiled so as to present a face which is sheltered from projections of vapor coming from the other electrode, in particular projections of vapor which emanate from a spot 10 located on the limit of the permitted zone 9 of this other electrode, projections which are represented in FIG. 2 in the form of a cone 11.
The cathode barrier then consists of a ring 6 whose outer surface 12 is conical, this ring being housed in a circular groove 13 whose outer diameter Dr is greater than the outer diameter DA of the ring 6. The conical outer surface 12 constitutes the sheltered face of the cathode barrier.
It may be advantageous to provide the electrode with several cathode barriers. Fig. 3 shows such a variant in the case of a double barrier, consisting of two separate rings 14 and 15 both having a shape identical to that of ring 6 of FIG. 2: they are provided in particular with conical flanks 16 and 17, respectively, which constitute the faces sheltered from the projections of steam. Fig. 4 shows the case of a triple barrier constituted by a single ring 18 provided with a conical outer surface 19 and two concentric grooves 20 and 21 each having an inner flank 22 and 23 of conical shape, these flanks constituting the sheltered faces of the internal barriers 24 and 25, the sheltered side of the external barrier 26 being formed by the surface 19.
Fig. 5 relates to a second embodiment in which each of the electrodes 30 and 31 of the pair has the shape of a crown, its central part 32 being recessed. In this case, the permitted zone where the spots are confined is an annular zone 33 arranged at least for one of the electrodes, namely the electrode 31 in the case shown, on either side of a circular prominence 34 , constituting, like the prominence 4 of FIG. 1, the contact or the arc initiator. The permitted zone 33 is delimited by an internal cathodic barrier, constituted by a ring 35 provided with a conical surface 36 located inside it, and by an external cathodic barrier, constituted by a ring 37 provided with a conical surface 38 located outside thereof.
These conical surfaces 36 and 38 constitute the sheltered sides of the cathode barriers 35 and 37, and their inclination is chosen so that, in any meridian plane, any point of these sides is out of sight for any point of the permitted zone 33 .
It may be advantageous to give the permitted zone in which the spots can move a larger surface than is the case with the previous embodiments: in fact, when the pair of electrodes is part of a switch, an increase in the permitted zone limits the risk of the contacts being welded, in the event that the switch is called upon to close while the arc flashes. This is the aim of the third embodiment shown in FIG. 6. One of the electrodes takes the form of a rod 40 which is capped by the other electrode, which has the shape of a bell 41. Both of these electrodes are provided with a barrier. cathode, in the form of rings 42 and 43, respectively, housed in grooves 44 and 45 with which these electrodes are provided.
The permitted zone, which delimits these cathode barriers are, for the internal electrode, the external surface of the part 46 of the rod 40 which is located above the ring 42 and, for the external electrode, the part of the inner surface of the bell 41 which is located between the bottom 47 thereof and the ring 43. Each of the rings 42 and 43 is provided with a conical flank 48 and 49, respectively, each point of which is at the shielded from direct view of any point which, in the allowable zone of the other electrode, is situated in the same meridian plane. This shape of rod and bell, respectively, that the electrodes have makes it possible to eliminate the prominence of contact or initiation: this role is played, in fact, by the top 51 of the rod 40, which has the advantage to give each of the electrodes a permitted zone free of any irregularity.
A similar structure, but having an axis of symmetry offset from the axis 50 of the rod of FIG. 6, can be adopted as a fourth embodiment. This fourth embodiment, visible in FIG. 7, can be deduced from the previous one by having the section shown in FIG. 6 rotation about the axis of revolution 51. The electrode 40 of FIG. 6 then takes the form of a cup 52, while the electrode 41 becomes a circular bell 53. The cup 52 ends with a bottom 54 which connects it to an axial rod 55, while the circular bell 53 is surmounted by a cap 56 which connects it to an axial rod 57.
These axial rods 55 and 57 serve as a support for the electrodes 52 and 53, respectively, and, in the case of a switch, as actuators making it possible to separate the contacts formed by their top 58 and their bottom 59 respectively. The electrode 52 has two cathode barriers, in the form of the two rings 60, 61, instead of the single ring 42 of FIG. 6; likewise the electrode 53 has two cathode barriers formed by the rings 62, 63 instead of the single ring 43 of FIG. 6.
In either of these two variants, these rings delimit two by two the permitted zones, which, in the case of FIG. 7 are, for the electrode 52, the part 64 comprised between the rings 60 and 61 and, for the electrode 53, the part 65 comprised between the rings 62 and 63, these permitted zones having shapes of revolution around the axis 51. For the convenience of the drawing, the sections of each of these permitted zones are highlighted by reinforced lines. This embodiment also offers the advantage of being devoid of any contact or initiation protrusion, this role being played by the circular top 58 of the cup 52.
In a structure of revolution such as that which has just been described, the length of the rings 60, 61, 62 and 63 which constitute the cathode barriers is such that it is necessary to take into account the difference in thermal expansion between the material of which they are are made and the material from which the electrodes 52, 53 proper are made. To this end (see fig. 8), the cross section of the rings has a heel, such as the heel 70 for the ring 60, which heel engages in a bottom of the groove 71, which the straight section of the groove has. corresponding 72. The dimensions of the heel 70 and the bottom of the groove 71 are chosen so that there is a free space 73 between this heel and this bottom of the groove, a space which allows a certain radial play between the ring 60 and the electrode 52. A similar assembly is provided for the other rings 61, 62 and 63, as shown in FIG. 8.
We can choose for the cross section of the rings cathode barriers of various shapes; the only condition to be fulfilled is that this straight section has a sheltered face.
Thus, the trapezoidal section of the ring 6 of FIG. 2 can be replaced by the shape visible in FIG. 9 form which has a coil 75 such that the sheltered face 76 draws a true re-entrant angle 77.
In embodiments where the electrodes penetrate one into the other, such as those shown in FIGS. 6 and 7, the rings are advantageously manufactured on site by a rolling technique as shown in FIGS. 10 and 11. At the location provided for the cathodic barrier, a groove which comprises two parts is first machined in the electrode 81 (see FIG. 10): the first part constitutes the housing 82 of the ring, while the second part constitutes a clearance 83 in which the sheltered face of the ring will take place.
The latter is formed, from a strip 84 of the required metal, by rolling with the aid of a rolling roller 85 (see FIG. 11) which rolls on this strip while rotating around its axis 86; this strip is thus forced into the housing groove 82, the folded part 87 constituting an anchoring heel similar to the heel 70 which was discussed in connection with FIG. 8. The width of the strip 84 and the position thereof with respect to the groove 82 are chosen so that a portion 88 of this strip is disposed in a cantilever above the release groove 83. This cantilevered part 88 plays a role analogous to that of the coil 75 which was mentioned in connection with FIG. 9 and the face 89 of the strip which faces the release groove 83 constitutes the sheltered face of the ring.
In all the embodiments described, as well as in their variants, the cathode barrier is located at the level of the permitted zone, or slightly set back from the latter with respect to the interelectrode space. In any case, when the pair of electrodes is part of a switch, this cathodic barrier must not at any cost be raised in relation to the permitted zone, because it must never touch the other electrode of the pair. In particular, the prominence 4 of the electrode visible in FIG. 1 ensures that this condition is met, and it can extend as far as the cathodic barrier 6, the contact or the arcing initiator that constitutes this protrusion then occupying the entire permitted zone 9.