L'invention concerne un interrupteur monopolaire à vide, pour courant électrique alternatif, à éléments de contact multiples
travaillant en série, ces éléments de contact appartenant à l'une,
respectivement à l'autre, de deux armatures de contact capables
de se mouvoir l'une par rapport à l'autre le long d'un axe de dé
placement, les éléments de contact d'une armature coopérant avec ceux de l'autre armature de manière à former ensemble une
chaîne d'éléments de contact constituant, lorsque cet interrupteur est fermé, un chemin de conduction passant alternativement par
les élements de contact de l'une et de l'autre de ces armatures, et
ménageant, lorsque cet interrupteur est ouvert, une série d'espaces d'interruption délimités alternativement par ces éiéments de con
tact,
les deux éléments extrêmes de cette chaîne étant reliés élec
triquement à l'une et à l'autre, respectivement, de deux bornes as
surant le raccordement de cet interrupteur à un réseau électrique.
Le problème de la coupure d'un circuit à courant alternatif à
haute tension s'est posé depuis longtemps, notamment dans le domaine des réseaux de transport d'énergie. Ce problème consiste à conférer au milieu dans lequel travaillent les éléments de contact et dans lequel jaillit la décharge consécutive à une coupure, I'apti-
tude à recouvrer très rapidement, après le passage à zéro du cou
rant, une rigidité diélectrique suffisante pour permettre à une tension de l'ordre de 100 kV de s'établir entre les éléments de contact sans donner lieu à un réamorçage de la décharge. En d'autres termes, c'est ie phénomène de la restauration diélectnque du milieu dans lequel jaillit la décharge qui constitue un des éléments clés du problème.
A part les solutions dans lesquelles ce milieu est constitué par un fluide sous pression (air comprimé, huile, hexafluorure de soufre) et dans lesquelles la restauration diélectnque est liée au mécanisme de désionisation, plusieurs solutions ont été préconisées dans lesquelles les éléments de contact travaillent sous vide. II s'agit alors des dispositifs connus sous ie nom d'interrupteurs à vide.
Dans les interrupteurs de ce type, la restauration diélectrique est liée à la condensation, sur les parois voisines de l'endroit où a eu lieu la décharge. et en particulier sur les éléments de contact euxmêmes, des porteurs de charge ainsi que de la vapeur Issue des points chauds de la cathode connus sous le nom de spots cathodiques. Comme cette condensation est d'autant plus rapide que les surfaces sur lesquelles elle a lieu sont rapprochées, les interrupteurs à vide sont caractérisés par un petit écartement des éléments de contact, de l'ordre du centimètre. Cela présente de grands avantages en ce qui concerne le mécanisme de commande, lequel n'a à déplacer les éléments de contact que sur des distances réduites: les forces d'inertie à vaincre sont donc faibles, ce qui rend l'interrupteur à vide peu bruyant.
Or, pour les arcs sous vide, il existe deux régimes pour le courant de décharge, à savoir le régime à arc diffus et le régime à colonne unique.
Dans le régime à arc diffus, qui prend naissance pour les faibles courants (intensités inféneures à 2 kA), le courant est véhiculé par plusieurs colonnes coniques parallèles les unes aux autres, dites cônes de Reece, dont les sommets sont situés sur la cathode et constituent les spots cathodiques dont il a été question plus haut. Ces spots cathodiques se déplacent en balayant la cathode, à la manière des molécules d'un gaz, avec des vitesses de l'ordre de 10 à 100 misez, et les cônes de Reece correspondants, qui ont une durée de vie très courte, de l'ordre de la microseconde à la milliseconde, se maintiennent par subdivision. Ils transportent chacun un courant ne dépassant pas 30 à 100 A. Dans ce régime à arc diffus, la cathode ne subit qu'une érosion faible, qui ne dépasse pas 50 à 100 iug/As.
Dans le régime à colonne unique, le courant est véhicule par une seule colonne qui résulte du regroupement des cônes de
Reece. Cette colonne unique, qui est le siège du courant total, est peu mobile et conduit de ce fait à une fusion destructrice des éléments de contact. Les zones fondues donnent naissance à une forte évaporation du métal, si bien que la décharge se comporte comme un arc à haute pression: la restauration diélectnque est alors compromise et la décharge se réamorce après le passage du courant à zéro.
Accroitre le refroidissement en vue d'empêcher la fusion et de limiter l'évaporation ne résout pas le problème. car la conductibilité thermique du métal dont sont formés les éléments de contact ne permet pas d'évacuer assez rapidement la chaleur engendrée au point d'impact de la décharge: celui-ci est en effet très peu mobile et il s'y concentre une puissance considérable. On a tenté d'obliger le point d'impact à se déplacer. par exemple en soumettant la décharge à un champ magnétique. II existe notamment des solutions dans lesquelles les éléments de contact sont divisés en pétales curvilignes par des fentes hélicoidales: le courant est alors obligé de parcounr dans les éléments de contact un chemin spiralé et d'engendrer de ce fait un champ magnétique propre à mouvoir l'arc par interaction électromagnétique.
Des solutions de ce genre sont décrites par exemple dans les brevets
USA NN 32i0505, 3185799,3185798, 3185797. 3089936.
2949520 et dans le brevet français N 1410884. Néanmoins. du fait de la forme complexe que revêtent les électrodes, ces solutions ne sont pas suffisantes pour suppnmer, lorsque le courant augmente, I'appantion du régime à colonne unique.
Or, il a été établi par C.W. Kimblin (J. Appl. Phys. 401969), p. 1744) que l'apparition du régime à colonne unique est liée à une augmentation sensible de la chute de tension anodique. laquelle peut atteindre plus de 100 V, et que cet effet est d'autant plus prononcé que les colonnes de l'arc diffus sont plus allongées, cet allongement pouvant être dû aussi bien à l'écartement entre les éléments de contact qu'a l'effet de bord de ces derniers. c'està-dire à la propension qu'ont les points d'impact des décharges à fuir vers les bords des éléments de contact.
Par ailleurs, tout interrupteur, lorsqu'il est ouvert, doit pouvoir résister à la disruption, c'est-à-dire supporter une tension élevé vée sans qu'une décharge jaillisse entre ses éléments de contact.
Cela signifie notamment que le milieu situé entre les éléments de contact doit avoir une rigidité diélectrique élevée et que ces derniers doivent avoir un excellent état de surfitcc. Or, le meilleur état de surface qui soit est très rapidement affecté par l'érosion que provoque la décharge résultant de l'ouverture de l'interrupteur. Quant à la ngidité diélectrique du milieu, elle est liée à la pression qui règne dans celui-ci. Cette pression doit rester telle que le libre parcours moyen d'une particule chargée soit suffisam- ment grand pour empêcher cette particule d'être accélérée au point d'engendrer un processus d'avalanche (décharge de Paschen).
Cela signifie qu'on ne peut se contenter de créer une fois pour toutes un vide élevé dans l'espace compns entre les éléments de contact: il faut encore empêcher que ces derniers soient le siège d'un dégazage ultérieur trop important. On est donc conduit à utiliser, pour fabriquer les éléments de contact, des métaux ultrapurs, notamment des métaux qui ont été purifiés par fusion de zone. La demière ressource pour accroitre la tenue à la tension consiste à accroitre la distance entre électrodes. Or, la tension de claquage ne croit linéairement avec la distance que pour des distances inféneurs à 10 mm environ; pour des distances supérieures.
la tension de disruption croît proportionnellement à la racine carrée de la distance, donc moins rapidement. Lorsque la tension à tenir dépasse quelques dizaines de kilovolts, la distance entre électrodes devient importante, ce qui, premièrement, va à l'encontre de la condition de maintien, lors de l'ouverture des éléments de contact, du régime d'arc diffus, et, deuxièmement, oblige à prévoir un mécanisme de commande puissant et bruyant (grand déplacement des éléments de contact en un temps très court). Aussi a-t-on proposé de fractionner l'espace entre les éléments de contact en plusieurs espaces partiels, et cela en disposant une chaine de paires d'éléments de contact, au sein de laquelle les paires sont montées en séne à la suite les unes des autres, chaque paire comptant au moins un élément de contact mobile.
De telles dispositions sont décntes notamment dans les brevets USA N 3185797, 3185798, 2976382, ainsi que dans un article de H.C. Ross, Va cuum Switch Properties of Power Switching Applications, paru dans Trans. AIEE 77(1958), p. 104-117.
Le constructeur d'interrupteurs à vide se trouve donc confronté à deux exigences contradictoires: une faible distance entre électrodes, afin d'empêcher le réamorçage de la décharge après le passage à zéro du courant et une distance élevée entre éléments de contact afin de garantir la tenue à la haute tension. II convient donc de trouver un compromis adéquat et économique entre ces deux conditions. C'est sur un nouveau compromis de ce genre que repose l'interrupteur qui fait l'objet de la présente invention.
Cet interrupeur est caractérisé par le fait que les éléments de contact intermédiaires, au moins, de ladite chaine sont pourvus de moyens de blindage qui leur sont reliés électriquement et qui sont disposés de manière à séparer les uns des autres les espaces d'interruption qui sont délimités par ces éléments de contact et à empécher une même ligne de champ électrique de s'étendre à travers plus qu'un de ces espaces d'interruption.
La description qui va suivre se rapporte à deux formes de réalisation, données à titre d'exemple, de l'interrupteur constituant l'objet de l'invention. Elle est illustrée par le dessin annexé, dans lequel:
La fig. I est une vue de profil, partiellement coupée, de la première forme de réalisation.
La fig. 2 représente une coupe d'une partie de l'interrupteur représenté à la fig. I, celui-ci se trouvant dans une première position particulière.
La fig. 3 représente une coupe analogue, I'interrupteur se trouvant dans une seconde position particulière.
La fig. 4 est un agrandissement d'une partie de la fig. 3, illustrant le fonctionnement de la première forme de réalisation.
Les fig. 5 à 9 sont des schémas se rapportant à diverses dispositions que peuvent prendre certains éléments de cette première forme de réalisation.
Les fig. 10 et 11 représentent, en coupe partielle, deux variantes de la première forme de réalisation.
La fig. 12 est une vue de profil. partiellement coupée, de la deuxième forme de réalisation.
Les fig. 13 à 15 sont des coupes partielles de certains éléments visibles à la fig. 12.
La fig. 16 représente, à plus grande échelle, une partie de la fig. 12 et montre une variante.
Dans l'exemple représenté à la fig. 1, I'interrupteur comprend une enceinte à vide 1, étanche, qui repose sur une base 2, constituant le fond de la moitié inféneure lb de cette enceinte, et dans laquelle pénètre, par l'intermédiaire d'un joint étanche à soufflet 3, une tige de commande 4, conductrice, qui actionne l'arma- ture mobile de cet interrupteur. Cette armature mobile est formée par une série de trois coques métalliques circulaires 5, 6 et 7 qui sont suspendues coaxialement, les unes à l'intérieur des autres, à la tige de commande 4.
Ces coques sont isolées les unes des autres par des entretoises isolantes 8 et 9 et, à l'exception de la coque exteme 5, elles sont isolées de la tige de commande 4 grâce à des épaulements 10, 11 ménagés dans ces entretoises et grâce à une rondelle isolante 12 interposée entre la tête 13 de la tige 4 et la coque inteme 7. Les coques 5, 6, 7 et les éléments isolants 8, 9, 12 sont serrés contre la tête 13 par un écrou 14 qui, en même temps, applique la coque externe 5 contre un épaulement 15 ménagé sur la tige 4, de manière à assurer un contact électrique entre cette tige et cette coque externe. La tige 4 est liée de façon étanche, par une soudure 16, au sommet du soumet 3, lequel est attaché à la moitié supérieure la de l'enceinte 1 par une soudure 17.
L'armature fixe de l'interrupteur est formée de façon similaire, par une série de trois coques métalliques 18, 19 et 20 qui sont montées coaxialement, les unes à l'intérieur des autres, et fixées à la base 2 par une tige filetée conductnce 21. Ces coques sont isolées les unes des autres et de la base 2 par des entretoises isolantes 22, 23, 24 et, à l'exception de la coque inteme 20, elles sont isolées de la tige filetée 21 grâce à des épaulements 25, 26, ménagés dans les entretoises 22 et 23, respectivement. La tige filetée 21 est en outre isolée de la base 2 par une rondelle isolante 27 pourvue d'un épaule- ment 28. La coque interne 20 est prise sous la tète 29 de la tige filetée 21, de manière à être en contact électrique avec cette dernière.
Un écrou 30 assure simultanément l'assemblage des coques 18. 19. 20 et des éléments isolants 22, 23, 24 et 27, la fixation de ces piètes à la base 2 et le contact électrique entre la coque interne 20 et la tige filetée 21. La base 7 porte un téton fileté 31 qui est lié èlectnquement par une soudure 32. Les deux moitiés la et lb de l'enceinte 1 sont fixées l'une à l'autre par une soudure 33.
L'air de l'enceinte I est évacué à travers un tuyau d'évacuation 44.
qui, lorsque la pression atteint la valeur la plus basse possible (de l'ordre de 10-8 Torr et au-dessous), est scellé par pincement et rendu étanche par une soudure 45. La tige filetée 21 constitue l'une des bomes de l'interrupteur, borne à laquelle est connecté, par un écrou 34, un conducteur 35, lequel se trouve ainsi relié électriquement à la coque interne 20 de l'armature fixe; le téton 31 constitue l'autre bome de l'interrupteur. bome à laquelle est connecté, par un écrou 36, un conducteur 37, lequel se trouve ainsi relié électnquement à la coque externe 5 de l'armature mobile.
Chacune des armatures porte une séne d'éléments de contact qui ont une forme de révolution autour de l'axe 52 de l'interrup- teur. L'élément de contact de la coque externe 5 de l'armature mobile revêt la forme d'une couronne 38 disposée à plat et faisant saillie vers l'intérieur de cette coque. De même, I'élément de contact de la coque interne 20 de l'armature fixe revêt la forme d'une couronne 39 disposée à plat, mais faisant saillie vers l'extérieur de cette coque. Les éléments de contact des autres coques sont formés par des piéces de révolution ayant une section droite en forme de T, alternativement en position droite et en position renversée.
Ainsi. les coques 18 et 19 de l'armature fixe ont des éléments de contact 40 et 41, respectivement, dont la section droite est un T renversé, tandis que les coques 6 et 7 de l'armature mobile ont des éléments de contact 42 et 43, respectivement, dont la section droite est un T droit. Ces pièces de révolution sont fixées aux bords des coques correspondantes par le milieu de leurs parties horizontales, de manière que ces parties horizontales débordent à l'intérieur et à l'extérieur de la coque correspondante.
Les dimensions des éléments de contact sont telles que leurs parties horizontales 46 se recouvrent les unes les autres de manière à entrer en contact lorsque l'armature mobile est poussée contre l'armature fixe (interrupteur fermé, fig. 2), tandis que leurs parties verti cales 47 forment des écrans, qui interdisent toute < < vue directe entre éléments de contact contigus, même quand l'armature mobile est éloignée de l'armature fixe (interrupteur ouvert, fig. 3). Le mouvement de l'armature mobile est commandé par un mécanisme non représenté, qui actionne la tige de commande 4, laquelle peut se mouvoir axialement par rapport à l'enceinte 1 grâce à la présence des joints à soufflet 3.
Lorsque les divers éléments qui constituent l'interrupteur sont montés dans l'enceinte 1 et une fois que cette dernière est soudée de façon étanche le long de l'arête 33, on crée dans l'interrupteur un vide élevé en raccordant le tuyau d'évacuation 44 à un groupe de pompage pour haut vide, permettant d'atteindre une pression inférieure à 10.8 Torr. Pendant le pompage, on procède à un dégazage intense, par chauffage, de manière à réduire le plus possible le dégazage subséquent, tant pendant le stockage que pendant la période de service de l'interrupteur.
En effet, on verra plus loin que la pression dans l'enceinte 1 ne doit pas remonter à une valeur supérieure à une limite pl définie par pl.d 4 7.10-2 Torr/cm, la longueur d étant celle de la plus longue ligne de champ pouvant apparaitre dans l'interrupteur. C'est pourquoi le pompage est poursuivi aussi longtemps que la pression ne s'abaisse pas à une valeur de 10-8 Torr. Quand la pression se stabilise à cette valeur, on arrête le pompage, pince le tuyau 44 et on le scelle à la soudure. La pression remonte alors lentement, par suite d'un lent dégazage subséquent, mais reste inférieure à une valeur de l'ordre de 10-4 Torr.
Le fonctionnement de l'interrupteur décrit est le suivant. Supposons l'interrupteur fermé, ses élétneits de contact occupant les positions représentées à la fig. 2. Au moment où l'armature mobile s'éloigne de l'armature fixe, et sorte les éléments de contact (fig. 3), la tension régnant entre deux éléments de contact contigus est égale à la tension régnant entre les conducteurs 35 et 37 divisée par le nombre d'espaces d'interruption qui apparaissent entre les élements de contact, c'est-à-dire par le nombre total de coques diminué d'une unité (dans l'exemple décrit, il y a trois coques (5. 6. 7) pour l'armature mobile et trois coques (18, 19, 20) pour l'armature fixe. soit au total six coques, donc cinq interruptions le long de la chaîne 38, 40, 42, 41, 43, 39).
Du fait de la faible pression qui règne dans l'enceinte, cette tension réduite ne donne naissance qu'à une décharge du type à < < arc diffus , formée par plusieurs colonnes parallèles coniques (dites cônes de Reece), dont les sommets sont situés sur celui des éléments de contact qui se trouve être négatif par rapport à son voisin. Ainsi, si l'on admet que l'interruption a lieu au moment où la borne 21 est positive par rapport à la borne 31, les polarités sont celles qui sont in diquées à la fig. 3.
Les décharges en arc diffus qui prennent naissance ont l'aspect représenté à grande échelle à la fig. 4, où l'on voit que les sommets 49 des cônes de Reece 48 prenant naissance dans l'espace d'interruption compris entre les parties hori- zontales des éléments de contact contigus 41 et 43 sont situés sur l'élément de contact 41, alors que les cônes de Reece 50 prenant naissance dans l'espace d'interruption compris entre les éléments de contact contigus 42 et 41 ont une orientation inverse, leurs sommets 51 étant situés sur l'élément de contact 42. Ces sommets, qui constituent des points de concentration d'échauffement (spots cathodiques), sont très mobiles à la surface des éléments de contact correspondant et, de ce fait, ne produisent pas une érosion importante de cette surface.
La vaporisation du métal de la cathode est donc faible et les cônes de Reece ne contiennent que peu de vapeur. Etant donné que le vide dans l'enceinte I est très élevé, il ne règne entre éléments de contact contigus pas d'autre tension que la chute cathodique; en particulier, il n'y a pas de tension d'arc supplémentaire qui soit due à des collisions de particules chargées (électrons ou ions de vapeur du métal de la cathode) avec des molécules de gaz résiduel.
Comme, de plus, la pression résiduelle est telle que le libre parcours moyen des électrons est supéneur à la moitié de la plus grande distance séparant les piéces de l'interrupteur qui se trouvent à des potentiels différents, ce qui fait que des collisions avec des atomes ou molécules de gaz résiduel ne sauraient en aucune manière donner naissance à un processus d'avalanche lors de la remontée de tension consécutive à l'interruption du courant. II en résulte que la restauration diélectrique du milieu dans les espaces ou ont lieu des décharges (c'est à-dire entre éléments de contact voisins) se fait sans difficulté dés que le courant de décharge passe par zéro. II n'y a de ce fait pas de phénomène de réamorçage.
Par ailleurs. les parties verticales 47 des éléments de contact intermédiaires empêchent toute vue directe d'un espace d'interruption à l'autre, par quoi il faut entendre que ces parties verticales d'une part empêchent une particule de passer d'un espace d'interruption à l'espace d'interruption suivant, ce qui correspond à l'interdiction d'une vue directe au sens optique de l'expression vue directe , d'autre part empêchent que des lignes de champ traversent plus d'un espace d'interruption ou joignent deux élements de contact non adjacents, ce qui correspond au sens électnque de l'expression vue directe .
En effet, à part les lignes de champ qui sont situées dans l'espace d'interruption compris entre deux éléments de contact contigus, comme la ligne de champ 274 (fig. 3), il peut y avoir des lignes de champ qui joignent un élé- ment de contact à la partie verticale de l'élément de contact adjacent, comme la ligne de champ 275, ou à la coque portant l'élément de contact suivant de la méme armature, comme la ligne de champ 276. Il ne saurait apparaitre une ligne de champ telle que la ligne 277 (tracée en trait interrompu) joignant deux éléments de contact non contigus. De ce fait, les espaces d'interruption peuvent être considérés comme indépendants en ce qui concerne leur restauration diélectrique.
II résulte de cette disposition que. d'une part. la vitesse de restauration diétectrique de l'ensemble des espaces d'interruption est accrue. l'independance de ceux-ci permettant d'additionner les vi- tesses de restauration propres à chacun d'eux. et que, d'autre part, la valeur statique de la tension de disruption est augmentée, puisque aucune ligne de champ ne peut traverser plusieurs sauts de potentiel. ce qui réduirait le niveau final de la restauration.
En d'autres termes. l'interrupteur décnt empêche le pheno- mène de réamorçage. accroit la tenue à la disruption et réduit la durée au bout de laquelle cette résistance à la disruption est atteinte.
On voit que la particularité de l'interrupteur décnt réside: dans le fait que l'interruption du circuit n'est pas localisée, mais distribuée en plusieurs interruptions donnant lieu à une cascade de chemins de décharge montés en séne; dans la présence de chi- canes empêchant la vue directe d'un chemin de décharge quelconque vers le chemin de décharge voisin; et dans la présence de coques disposées de manière à assurer des blindages interdisant l'existence de longues lignes de champ ou de lignes de champ à grande chute de potentiel.
Dans la forme de réalisation qui vient d'être décrite et qui est schématisée à la fig. 5. les chicanes sont simples, en ce sens que, à l'exception des éléments de contact terminaux 55 et 56, chaque élément de contact ne porte qu'une seule chicane, laquelle est disposée symétriquement par rapport à cet élément, comme le montre l'élément 57 et sa chicane 58 dessinés en trait épais. D'autres dispositions peuvent être imaginées, comme celle de la fig. 6 où les éléments de contact non terminaux sont tous identiques et sont pourvus, comme l'élément 59. d'une seule chicane 60, laquelle est placée asymétriquement.
Les fig. 7 et 8 schématisent le cas où certains éléments de contact, comme les éléments 61 et 64, respectivement sont pourvus de deux chicanes 62, 63 et 65, 66, respectivement. tandis que d'autres. tels que les éléments 67 et 68. respectivement, en sont dépourvus: dans le cas de la fig. 7, les chicanes 62. 63 sont disposées symétriquement sur l'élément 61; dans le cas de la fig. 8, les chicanes 65, 66 sont disposées asymétriquement sur l'élément 64. Enfin, la fig. 9 montre le cas où certains éléments, tels que l'élément 69, sont pourvus de trois chicanes disposées symétriquement, comme les chicanes 70, 71 et 72, alors que d'autres, comme les éléments 73, en sont dépourvus. Comme on le voit, il y a de nombreuses vanantes possibles quant au nombre de chicanes, à leur emplacement et à leur disposition.
L'interrupteur représenté à la fig. I comporte trois éléments de contact par armature. à savoir les éléments 38, 42 et 43 pour l'armature mobile et les éléments 39, 40, 41 pour l'armature fixe, ce qui conduit à cinq interruptions du circuit. Il est évident que ce nombre de trois éléments par armature n'est pas impératif et que, suivant les cas, notamment suivant la puissance transportée par le circuit et suivant sa tension, on peut recourir à un plus grand nombre d'éléments de contact, ce qui donne naissance à un fractionnement plus important de l'interruption du circuit.
II peut y avoir intérêt à augmenter la souplesse des coques, de manière à permettre à la pression de contact de se distribuer plus uniformément sur toute la périphérie des éléments de contact.
Dans ce cas, on a avantage à agrandir le diamètre des fonds plats en donnant aux coques une forme cylindrique, comme le montre la fig. 10 pour les coques 74, 75 de l'armature mobile et pour les coques 76, 77 de l'armature fixe, en lieu et place des coques tronconiques 5, 6, 7 et 18, 19, 20, respectivement, visibles à la fig. 1.
II peut y avoir intérêt, toujours pour favoriser une répartition uniforme de la pression de contact, à scinder, au moins dans une des deux armatures, un élément de contact en deux parties dont chacune est supportée par une coque qui lui est propre. C'est ce que montre la fig. I I où l'on voit comment la piéce de contact 78 de l'armature fixe est scindée en deux parties 78a, 78b dont cha cune est supportée par sa propre coque 78'a. 78'b. ces deux coques étant raccordées à une partie centrale commune 78". de ma nière à constituer un support support composite pour l'élément de contact ( < fractionné > 78.
De même, l'élément de contact 79 de l'arma- ture fxe est scindé en deux parties 79a, 79b. supportées par des coques 79'a. 79'b raccordées à une partie centrale commune 79''
Cette disposition permet aux deux parties 78a, 78b de se déplacer l'une par rapport à l'autre, de sorte qu'elles peuvent coopérer indépendamment l'une de l'autre avec les éléments de contact contigus 53 et 255 de l'armature mobile, Il en est de mème pour les deux parties 79a. 79b de l'élément de contact 79. qui peuvent ainsi coopérer indépendamment l'une de l'autre avec les éléments de contact contigus 255 et 54 de l'armature mobile.
Bien entendu. la section droite en forme de T droit et renversé, que possèdent les éléments de contact de l'interrupteur représenté a la fig. I ne constitue qu'une possibilité parmi plusieurs, et d'autres sections droites peuvent être imaginées, par exemple en forme de U. droit et renversé, les jambages des uns venant s'insérer entre les Jambages des autres. C'est à des formes de ce genre que conduisent d'ailleurs certaines des dispositions dont on a parlé plus haut, notamment celle qui est schématisée par la fig. 1.
La fig, 12 représente une deuxième forme de réalisation, dans laquelle les éléments de contact. au lieu d'être répartis dans un méme plan, selon des diamètres croissants. comme c est le cas dans la premi d'un U renversé asymétrique dont les jambages 162 et 163 sont inégaux, le jambage long 162 étant situé à l'extérieur et le jambage court étant situé à l'intérieur. Le jambage long 162 de cette pièce 159 prend place dans la cuvette périphérique que forme la première 160. des deux pièces attachées à l'armature fixe, première pièce dont la section droite revêt la forme d'un U droit asymétrique comportant un jambage long 164 éloigné de l'axe et un jambage court 165 rapproché de l'axe.
Le jambage court 163 de la pièce 159 prend place dans la cuvette périphérique que forme la seconde, 161, des deux pièces attachées à l'armature fixe, seconde pièce dont la section droite revêt la forme d'un U droit asymétrique comportant un jambage court 166 éloigné de l'axe et un jambage long 167 rapproché de l'axe, ce jambage long étant prolongé vers le bas par une queue 168.
Chacune des piéces 159, 160 et 161 comprend une aile de fixation 169, 160' et 161', respectivement, par laquelle elle est attachée à l'armature correspondante: ainsi, la piéce 159 de l'étage 156 est attachée par l'aile de fixation 169 à l'extrémité de la coque 105. la pièce 160 de ce même étage est attachée par l'aile de fixation 160' à la partie plane 9683 de l'assiette 83 et la pièce 161 est attachée par l'aile de fixation 161' à la partie plane 9684 de l'assiette 84.
Lorsque l'interrupteur est fermé, la liaison électrique entre les éléments de contact de l'étage 156 se fait par le fond 172 de la cuvette pénphénque que constitue la piéce 160, le sommet 173 du bord externe 162 de la cuvette périphérique inversée que constitue la pièce 159, le sommet 174 du bord interne 163 de cette même cuvette et le fond 175 de la cuvette périphérique que constitue la pièce 161. C'est ce que montrent les tracés en trait interrompu visibles à la fig. 16.
Il s'établit ainsi, au niveau de l'étage 156, une liaison électrique entre les assiettes 83 et 84 de l'armature fixe, au niveau de l'étage 157, une liaison électrique entre les assiettes 85 et 86 de cette même armature fixe, et, au niveau de l'étage 158, une liaison électrique entre les assiettes 87 et 88 de celle-ci.
Etant donné que les assiettes 84 et 85. d'une part, 86 et 87, d'autre part, sont en contact électrique l'une avec l'autre, et étant donné que l'assiette inférieure 83 est en contact électrique avec la base 81, que l'assiette supérieure 88 est en contact électrique avec le tube de serrage 100 par l'intermé- diaire de la pièce de serrage 99, et que le tube de serrage 100 est en contact électrique avec le support 103 par l'intermédiaire de la douille 102 et de l'écrou 101, on voit que, en position fermée, l'interrupteur établit une liaison électrique entre la base 81 et le sup port 103. C'est donc à ces derniers que sont fixées les bornes 176 et 177 par lesquelles l'interrupteur est connecté aux câbles d'amenée du courant 178 et 179, respectivement.
Afin d'éviter au courant de passer par le filetage de l'écrou 101 et de la douille 102, il est prévu une bretelle 180 assurant une liaison électrique directe entre le support 103 et le tube de serrage 100.
On voit que cet interrupteur s'apparente à celui qui a été décnt à propos de la fig. 11: les pièces 159 appartenant aux étages 156, 157, 158 (fig. 12) constituent les éléments de contact de l'armature mobile, alors que les pièces en U inféneures appartenant à un étage (par exemple la pièce en U 160a de l'étage 157) et les pièces en U supérieures appartenant à l'étage sousjacent (par exemple la pièce en U 161 de l'étage 156) constituent les deux par ties d'éléments de contact < ( scindés de l'armature fixe, les as- siettes auxquelles sont fixées ces pièces (par exemple les asslettes 87, 86 et les assiettes 85, 84 respectivement) constituant les supports composites correspondants.
Le fonctionnement de cette deuxième forme de réalisation est en tous points semblable à celui de la première forme de réalisation représentée à la fig. 1. Les bords 164 et 165 (fig. 16) de la cuvette périphérique que forme la partie 160 et les bords 166 et 167 de la cuvette périphérique que forme la partie 161 constituent au sein d'un étage quelconque les chicanes empêchant la vue directe d'un espace d'interruption à l'autre, par exemple de l'espace d'interruption 181 à l'espace d'interruption 182 de l'é- tage 156 représenté a cette figure. II en est de même pour les autres étages 157 et 158 (fig. 12).
En revanche, l'écran cylindrique qui a pour section droite la queue 168 (fig. 16) du jambage
long 167 de la partie 161 de l'étage 156, de même que les écrans analogues des autres étages n'existent pas à la fig. I : ce sont des écrans dits < antivapeur , empêchant la vapeur engendrée par les décharges dans les espaces d'interruption 181 et 182 de diffuser à
l'intérieur de l'enceinte 80. Quant à la coque auxiliaire 134, elle constitue simultanément. d'une part, un autre écran antivapeur supplémentaire et, d'autre part, une chicane supplémentaire empéchant la vue directe entre la pièce de serrage 99 et la coque interne 107.
Comme on l'a vu plus haut, l'écrou 101 sert à assurer le serrage des pièces constituant l'armature fixe et leur fixation au support 103 et à la base 81. Quant au bouchon fileté 146, il permet de régler la précontrainte du ressort 148, ressort qui applique l'armature mobile contre l'armature fixe: c'est donc lui qui exerce la pression de contact entre les éléments de contact des étages 156 et 158 et c'est contre lui que s'applique l'effort exercé par la tige de commande 139 lorsqu'elle provoque la séparation de ces éléments de contact au moment de l'ouverture de l'interrupeur.
On voit que cette deuxième forme de réalisation présente, par rapport à la première, l'avantage d'être réalisée à partir d'un nombre restreint de pièces standard, ce qui réduit le nombre des opérations d'usinage. Les assiettes 83 à 88 sont identiques et sont exécutées facilement par emboutissage. Les éléments de contact des divers étages ne comportent que trois types de pièces différentes, les pièces 159, 160 et 161, lesquelles ne différent d'un étage à l'autre que par le diamètre de leurs ailes de fixation 169. 160' et 161', respectivement: de simples opérations de tournage permettent de donner facilement à ces diamètres les valeurs correspondant aux étages auxquels elles sont destinées.
Les cloches 105, 106 et 107 sont toutes identiques quant à leur profil, profil qui se prête très bien à une fabncation par emboutissage; seule la longueur de leur jupe 115 (fig. 14) diffère d'une cloche à l'autre, de sorte qu'elles s'obtiennent toutes à partir de la plus longue d'entre elles, à savoir la cloche externe 118, par un simple abattage de la longueur en excès. Les pièces d'appui 123, 124, 125 sont toutes identiques et elles sont conçues pour être fabriquées par emboutissage. De plus, la disposition adaptée permet de modifier dans une large mesure le nombre des espaces d'interruption sans avoir à recourir à des piéces nouvelles: il suffit d'augmenter le nombre d'étages empilés.
ce qui accroît la longueur de l'interrupteur sans en modifier sensiblement le diamètre.
II convient de remarquer que la disposition adoptée dans cette deuxième forme de réalisation évite d'avoir à exposer inutilement au vide les pièces purement mécaniques. Ainsi le ressort de serrage 148 et le dispositif 146, 147 permettant de modifier sa précontrainte se trouvent hors de l'enceinte à vide 80; il en est de même pour le dispositif de serrage de l'armature fixe, à savoir l'écrou 101, la douille 102, et le tube 100. De plus, la tige de commande 139 n'est soumise à aucune traction: elle n'agit que par poussée contre la force exercée par le ressort 148, de sorte que, même quand l'interrrupteur est fermé, elle reste soumise à un effort de compression et jamais à un effort de traction.
On voit enfin que, dans cet interrupteur, les bornes 176 et 177 sont toutes deux reliées électriquement à la seule armature fixe, à savoir aux éléments de contact extrêmes de celleci. l'armature mobile n'étant reliée à aucune borne.
Bien entendu, l'une comme l'autre des deux formes de réalisation décrites peuvent être équipées du dispositif de confinement de la décharge appelée barrière cathodique et décrit dans le brevet suisse N 532832. C'est ce qui est représenté schématiquement à ta fig. 16 où apparaissent, pour le confinement de la décharge dans l'espace d'interruption 181, les barrières cathodiques annulaires 184, 185, ménagées sur la pièce 160, et les barrières cathodiques 186, 187 ménagées sur l'élément de contact 159, et, pour le confinement de la décharge dans l'espace d'interruption 182, les barrières cathodiques annulaires 188, 189 ménagées sur l'élément de contact 159, et les barrières cathodiques 190. 191 ménagées sur la pièce 161.
De plus. il peut être avantageux de munir les éléments de contact < blindés , comme l'élément 159 (fig. 16) de l'étage 156 (lequel est /(blind du fait que ses bords 162 et 163 sont emprisonnés dans les cuvettes périphériques 160 et 161. respectivement). de fentes hélicoïdales telles que les fentes 195, ménagées sur le bord externe 162, et que les fentes 196, ménagées sur le bord interne 163 de cet élément de contact 159.
En effet, comme cela est connu dans les interrupteurs classiques, une telle disposition provoque un déplacement rapide des points d'impact des décharges le long des < < < > pètales hélicoïdaux que ces fentes délimitent dans l'élément de contact, comme le < ( pétale 197 ou le pétale 198. Ce déplacement contnbue à répartir l'échauffement dû à ces décharges et limite l'érosion des surfaces de contact, donc la vaporisation du métal dont elles sont constituées. Ces fentes hélicoïdales, toutefois. ne doivent pas atteindre les barrières cathodiques 186, 187 et 188, 189, respectivement, faute de quoi l'efficacité de ces dernières seralt compromise.
Etant donné que ce découpage en pétales a pour but de canaliser dans des chemins hélicoïdaux le courant qui circule dans les éléments de contact, on peut obtenir un effet analogue, bien que moins prononcé, en traçant sur ces éléments de contact des rainures au lieu de fentes, la présence de ces rainures ayant pour effet d'accroitre localement. d'une quantité finie, la résistance électrique de ces éléments de contact alors que celle des fentes rend cet accroissement infini. Ces rainures à résistance accrue qui, deux par deux. délimitent des pétales le long desquels le courant est canalisé, peuvent être tracées sur les collerettes 166, 167 et sur le fond 175 de la pièce 161, ainsi que sur les collerettes 164, 165 et sur le fond 172 de la pièce 160.
Elles doivent être ménagées de préférence sur les faces de ces pièces qui sont opposées aux faces entre lesquelles s'établissent les décharges. Elles dessinent le long de ces faces des tracés hélicoïdaux ou spiralés tels que le courant canalisé par ces rainures crée un champ magnétique ayant une composante capable de faire circuler la décharge le long des éléments de contact en un mouvement de translation circulaire centré sur l'axe 97 de ces derniers.
Une disposition similaire peut être prévue dans l'interrupteur de la fig. I. Pour cela, il convient de tracer les rainures sur les faces des éléments de contact qui sont opposées aux chicanes (ou collerettes de blindage) 47. Ainsi, en se reportant à la fig. 4, les rainures seront tracées sur ia face inférieure de l'élément 41 et sur les faces supérieures des éléments 42 et 43.
A propos des dispositions représentées aux fig. 10 et 11, il convient de remarquer que l'accroissement de souplesse que celles-ci confèrent aux armatures peut, dans certains cas, être gênant pour l'armature mobile, car il accroit l'aptitude de cette dernière à vibrer. Dans de tels cas, il y a lieu de maintenir pour l'armature mobile des coques de forme conique, comme les coques 5, 6 et 7 de la fig. 1, et de n'utiliser les coques souples telles que les coques 76 et 77 (fig. 10) ou 78'a, 78'b, 78" et 79'a, 79'b, 79" (fig. 11) que pour l'armature fixe.
The invention relates to a vacuum monopolar switch for alternating electric current with multiple contact elements.
working in series, these contact elements belonging to one,
respectively to the other, of two contact reinforcements capable of
to move relative to each other along a die axis
placement, the contact elements of one frame cooperating with those of the other frame so as to form together a
chain of contact elements constituting, when this switch is closed, a conduction path passing alternately through
the contact elements of one and the other of these reinforcements, and
leaving, when this switch is open, a series of interrupting spaces delimited alternately by these con
tact,
the two end elements of this chain being electrically connected
trially to one and the other, respectively, of two terminals as
on the connection of this switch to an electrical network.
The problem of breaking an AC circuit at
high voltage arose a long time ago, particularly in the field of energy transmission networks. This problem consists in conferring on the medium in which the contact elements work and in which the discharge resulting from a cut emerges, the apti-
study to be recovered very quickly, after zero crossing of the neck
rant, sufficient dielectric strength to allow a voltage of the order of 100 kV to be established between the contact elements without giving rise to re-initiation of the discharge. In other words, it is the phenomenon of the dielectric restoration of the medium in which the discharge gushes out which constitutes one of the key elements of the problem.
Apart from the solutions in which this medium consists of a pressurized fluid (compressed air, oil, sulfur hexafluoride) and in which the dielectric restoration is linked to the deionization mechanism, several solutions have been recommended in which the contact elements work. under vacuum. These are then devices known under the name of vacuum interrupters.
In switches of this type, dielectric restoration is linked to condensation, on the walls adjacent to the place where the discharge took place. and in particular on the contact elements themselves, on the charge carriers as well as on the vapor coming from the hot spots of the cathode known as cathode spots. As this condensation is all the more rapid as the surfaces on which it takes place are brought together, the vacuum interrupters are characterized by a small distance between the contact elements, of the order of a centimeter. This has great advantages with regard to the operating mechanism, which only has to move the contact elements over short distances: the inertia forces to be overcome are therefore low, which makes the vacuum interrupter little. noisy.
However, for vacuum arcs, there are two regimes for the discharge current, namely the diffuse arc regime and the single column regime.
In the diffuse arc regime, which arises for weak currents (intensities less than 2 kA), the current is conveyed by several conical columns parallel to each other, called Reece cones, the tops of which are located on the cathode and constitute the cathode spots which were discussed above. These cathode spots move by scanning the cathode, like the molecules of a gas, with speeds of the order of 10 to 100 mez, and the corresponding Reece cones, which have a very short lifespan, of the order of the microsecond to the millisecond, are maintained by subdivision. They each carry a current not exceeding 30 to 100 A. In this diffuse arc regime, the cathode undergoes only slight erosion, which does not exceed 50 to 100 iug / As.
In the single column regime, the current is carried by a single column which results from the grouping of the cones of
Reece. This single column, which is the seat of the total current, is not very mobile and therefore leads to a destructive fusion of the contact elements. The molten zones give rise to a strong evaporation of the metal, so that the discharge behaves like a high pressure arc: the dielectric restoration is then compromised and the discharge is re-ignited after the current has passed to zero.
Increasing cooling to prevent melting and limit evaporation does not solve the problem. because the thermal conductivity of the metal from which the contact elements are formed does not allow the heat generated at the point of impact of the discharge to be evacuated quickly enough: it is in fact very little mobile and a power is concentrated there considerable. An attempt was made to force the point of impact to move. for example by subjecting the discharge to a magnetic field. There are in particular solutions in which the contact elements are divided into curvilinear petals by helical slits: the current is then obliged to pass through the contact elements in a spiral path and thereby generate a magnetic field capable of moving. arc by electromagnetic interaction.
Solutions of this kind are described for example in patents
USA NN 3210505, 3185799,3185798, 3185797. 3089936.
2949520 and in French patent N 1410884. Nevertheless. because of the complex shape of the electrodes, these solutions are not sufficient to suppress, when the current increases, the application of the single column regime.
However, it was established by C.W. Kimblin (J. Appl. Phys. 401969), p. 1744) that the appearance of the single column regime is linked to a significant increase in the drop in anode voltage. which can reach more than 100 V, and that this effect is all the more pronounced as the columns of the diffuse arc are more elongated, this elongation being able to be due as well to the distance between the contact elements as to the side effect of these. that is to say, the propensity that the points of impact of the discharges have to leak towards the edges of the contact elements.
Furthermore, any switch, when it is open, must be able to withstand disruption, that is to say withstand a high voltage vee without a discharge spurting out between its contact elements.
This means in particular that the medium located between the contact elements must have a high dielectric strength and that the latter must have an excellent state of surfitcc. However, the best surface condition is very quickly affected by the erosion caused by the discharge resulting from the opening of the switch. As for the dielectric ngidity of the medium, it is linked to the pressure which prevails in it. This pressure must remain such that the mean free path of a charged particle is large enough to prevent this particle from being accelerated to the point of triggering an avalanche process (Paschen's discharge).
This means that it is not enough to create once and for all a high vacuum in the space compns between the contact elements: it is also necessary to prevent the latter from being the site of too much subsequent degassing. It is therefore necessary to use, to manufacture the contact elements, ultra-pure metals, in particular metals which have been purified by zone melting. The last resource for increasing the voltage withstand consists in increasing the distance between electrodes. However, the breakdown voltage increases linearly with distance only for distances less than about 10 mm; for greater distances.
the disruption voltage increases proportionally to the square root of the distance, and therefore less rapidly. When the voltage to be maintained exceeds a few tens of kilovolts, the distance between electrodes becomes large, which, firstly, goes against the condition of maintaining, when opening the contact elements, the diffuse arc regime , and, secondly, requires providing a powerful and noisy control mechanism (large displacement of the contact elements in a very short time). It has also been proposed to divide the space between the contact elements into several partial spaces, and this by arranging a chain of pairs of contact elements, within which the pairs are assembled in row after the each other, each pair having at least one movable contact element.
Such provisions are described in particular in US Patents Nos. 3185797, 3185798, 2976382, as well as in an article by H.C. Ross, Va cuum Switch Properties of Power Switching Applications, published in Trans. IAEA 77 (1958), p. 104-117.
The vacuum interrupter manufacturer is therefore faced with two contradictory requirements: a small distance between electrodes, in order to prevent the re-initiation of the discharge after the current has passed zero, and a large distance between contact elements in order to guarantee the high voltage resistance. It is therefore necessary to find an adequate and economical compromise between these two conditions. The switch which is the subject of the present invention is based on a new compromise of this kind.
This interrupter is characterized in that the intermediate contact elements, at least, of said chain are provided with shielding means which are electrically connected to them and which are arranged so as to separate the interrupting spaces which are delimited by these contact elements and to prevent the same electric field line from extending through more than one of these interrupt spaces.
The following description relates to two embodiments, given by way of example, of the switch constituting the object of the invention. It is illustrated by the accompanying drawing, in which:
Fig. I is a side view, partially cut away, of the first embodiment.
Fig. 2 shows a section of part of the switch shown in FIG. I, the latter being in a first particular position.
Fig. 3 shows a similar section, the switch being in a second particular position.
Fig. 4 is an enlargement of part of FIG. 3, illustrating the operation of the first embodiment.
Figs. 5 to 9 are diagrams relating to various arrangements which certain elements of this first embodiment can take.
Figs. 10 and 11 show, in partial section, two variants of the first embodiment.
Fig. 12 is a side view. partially cut, of the second embodiment.
Figs. 13 to 15 are partial sections of certain elements visible in FIG. 12.
Fig. 16 shows, on a larger scale, part of FIG. 12 and shows a variant.
In the example shown in FIG. 1, the switch comprises a vacuum chamber 1, sealed, which rests on a base 2, constituting the bottom of the lower half lb of this chamber, and into which penetrates, via a sealed bellows seal 3 , a conductive control rod 4 which actuates the movable armature of this switch. This movable frame is formed by a series of three circular metal shells 5, 6 and 7 which are suspended coaxially, one inside the other, from the control rod 4.
These shells are isolated from each other by insulating spacers 8 and 9 and, with the exception of the outer shell 5, they are isolated from the control rod 4 thanks to the shoulders 10, 11 formed in these spacers and thanks to an insulating washer 12 interposed between the head 13 of the rod 4 and the inner shell 7. The shells 5, 6, 7 and the insulating elements 8, 9, 12 are clamped against the head 13 by a nut 14 which, at the same time , applies the outer shell 5 against a shoulder 15 formed on the rod 4, so as to ensure electrical contact between this rod and this outer shell. The rod 4 is tightly linked, by a weld 16, to the top of the subject 3, which is attached to the upper half of the enclosure 1 by a weld 17.
The fixed armature of the switch is formed in a similar fashion, by a series of three metal shells 18, 19 and 20 which are mounted coaxially, one inside the other, and fixed to the base 2 by a threaded rod conductnce 21. These shells are isolated from each other and from the base 2 by insulating spacers 22, 23, 24 and, with the exception of the inner shell 20, they are isolated from the threaded rod 21 by means of the shoulders 25 , 26, formed in the spacers 22 and 23, respectively. The threaded rod 21 is further isolated from the base 2 by an insulating washer 27 provided with a shoulder 28. The internal shell 20 is taken under the head 29 of the threaded rod 21, so as to be in electrical contact with it. the latter.
A nut 30 simultaneously assures the assembly of the shells 18. 19. 20 and of the insulating elements 22, 23, 24 and 27, the fixing of these legs to the base 2 and the electrical contact between the internal shell 20 and the threaded rod 21 The base 7 carries a threaded stud 31 which is electrically connected by a weld 32. The two halves 1a and 1b of the enclosure 1 are fixed to each other by a weld 33.
The air from the enclosure I is evacuated through an evacuation pipe 44.
which, when the pressure reaches the lowest possible value (of the order of 10-8 Torr and below), is sealed by pinching and made watertight by a weld 45. The threaded rod 21 constitutes one of the terminals the switch, terminal to which is connected, by a nut 34, a conductor 35, which is thus electrically connected to the internal shell 20 of the fixed armature; the stud 31 constitutes the other terminal of the switch. terminal to which is connected, by a nut 36, a conductor 37, which is thus electrically connected to the outer shell 5 of the movable frame.
Each of the frames carries a series of contact elements which have a shape of revolution around the axis 52 of the switch. The contact element of the outer shell 5 of the movable armature takes the form of a ring 38 disposed flat and projecting towards the inside of this shell. Likewise, the contact element of the internal shell 20 of the fixed frame takes the form of a ring 39 arranged flat, but projecting outwardly from this shell. The contact elements of the other shells are formed by parts of revolution having a T-shaped cross section, alternately in the upright position and in the inverted position.
So. the shells 18 and 19 of the fixed frame have contact elements 40 and 41, respectively, the cross section of which is an inverted T, while the shells 6 and 7 of the movable frame have contact elements 42 and 43 , respectively, whose cross section is a straight T. These parts of revolution are fixed to the edges of the corresponding shells by the middle of their horizontal parts, so that these horizontal parts protrude inside and outside the corresponding shell.
The dimensions of the contact elements are such that their horizontal parts 46 overlap each other so as to come into contact when the movable armature is pushed against the fixed armature (switch closed, fig. 2), while their parts verti cales 47 form screens which prevent any direct view between adjacent contact elements, even when the mobile armature is far from the fixed armature (switch open, fig. 3). The movement of the mobile armature is controlled by a mechanism, not shown, which actuates the control rod 4, which can move axially relative to the enclosure 1 thanks to the presence of the bellows joints 3.
When the various elements which constitute the switch are mounted in the enclosure 1 and once the latter is welded in a sealed manner along the ridge 33, a high vacuum is created in the switch by connecting the pipe. evacuation 44 to a pumping unit for high vacuum, making it possible to reach a pressure lower than 10.8 Torr. During pumping, intense degassing is carried out, by heating, so as to reduce the subsequent degassing as much as possible, both during storage and during the service period of the switch.
Indeed, we will see later that the pressure in enclosure 1 must not rise to a value greater than a limit pl defined by pl.d 4 7.10-2 Torr / cm, the length d being that of the longest line field that may appear in the switch. Therefore, pumping is continued as long as the pressure does not drop to a value of 10-8 Torr. When the pressure stabilizes at this value, the pumping is stopped, the pipe 44 is clamped and it is sealed to the weld. The pressure then rises slowly, following a slow subsequent degassing, but remains below a value of the order of 10-4 Torr.
The operation of the switch described is as follows. Suppose the switch is closed, its contact elements occupying the positions shown in FIG. 2. At the moment when the movable armature moves away from the fixed armature, and leaves the contact elements (fig. 3), the voltage prevailing between two contiguous contact elements is equal to the voltage prevailing between the conductors 35 and 37 divided by the number of interrupt spaces which appear between the contact elements, i.e. by the total number of shells reduced by one unit (in the example described, there are three shells ( 5. 6. 7) for the movable frame and three shells (18, 19, 20) for the fixed frame. In total six shells, so five breaks along the chain 38, 40, 42, 41, 43 , 39).
Due to the low pressure in the enclosure, this reduced voltage only gives rise to a discharge of the diffuse arc type, formed by several conical parallel columns (called Reece cones), the vertices of which are located on that of the contact elements which is found to be negative compared to its neighbor. Thus, if we admit that the interruption takes place at the moment when terminal 21 is positive with respect to terminal 31, the polarities are those which are indicated in FIG. 3.
The diffuse arc discharges which arise have the appearance shown on a large scale in FIG. 4, where it can be seen that the vertices 49 of the Reece cones 48 originating in the interrupting space between the horizontal parts of the contiguous contact elements 41 and 43 are located on the contact element 41, whereas the Reece cones 50 originating in the interrupting space between the contiguous contact elements 42 and 41 have a reverse orientation, their vertices 51 being situated on the contact element 42. These vertices, which constitute heating concentration points (cathode spots), are very mobile on the surface of the corresponding contact elements and, therefore, do not produce significant erosion of this surface.
The vaporization of the metal from the cathode is therefore low and the Reece cones contain little vapor. Since the vacuum in enclosure I is very high, there is no other voltage between contiguous contact elements other than cathodic drop; in particular, there is no additional arc voltage which is due to collisions of charged particles (electrons or vapor ions of the metal of the cathode) with molecules of residual gas.
As, moreover, the residual pressure is such that the mean free path of the electrons is greater than half of the greatest distance between the parts of the switch which are at different potentials, so that collisions with atoms or molecules of residual gas cannot in any way give rise to an avalanche process during the rise in voltage following the interruption of the current. As a result, the dielectric restoration of the medium in the spaces where discharges take place (that is to say between neighboring contact elements) takes place without difficulty as soon as the discharge current passes through zero. There is therefore no reboot phenomenon.
Otherwise. the vertical parts 47 of the intermediate contact elements prevent any direct view from one interrupting space to another, by which it is understood that these vertical parts on the one hand prevent a particle from passing from an interrupting space to the following interrupt space, which corresponds to the prohibition of a direct view in the optical sense of the expression direct view, on the other hand prevent the field lines from crossing more than one interrupt space or join two non-adjacent contact elements, which corresponds to the electrical meaning of the expression direct view.
Indeed, apart from the field lines which are located in the interrupt space between two contiguous contact elements, such as the field line 274 (fig. 3), there may be field lines which join a contact element to the vertical part of the adjacent contact element, like the field line 275, or to the shell carrying the next contact element of the same reinforcement, like the field line 276. It cannot appear a field line such as line 277 (drawn in dashed line) joining two non-contiguous contact elements. Therefore, the interruption spaces can be considered as independent as regards their dielectric restoration.
It follows from this provision that. Firstly. the speed of dietary restoration of all of the interruption spaces is increased. their independence making it possible to add the recovery speeds specific to each of them. and that, on the other hand, the static value of the disruption voltage is increased, since no field line can cross several potential jumps. which would reduce the final level of the restoration.
In other words. the decnt switch prevents the re-ignition process. increases resistance to disruption and reduces the time after which this resistance to disruption is reached.
It can be seen that the peculiarity of the decnt switch resides: in the fact that the interruption of the circuit is not localized, but distributed in several interruptions giving rise to a cascade of discharge paths mounted in a row; in the presence of chisels preventing the direct view of any discharge path to the neighboring discharge path; and in the presence of shells arranged so as to provide shielding preventing the existence of long field lines or field lines with a large drop in potential.
In the embodiment which has just been described and which is shown schematically in FIG. 5.the baffles are simple, in that, with the exception of the terminal contact elements 55 and 56, each contact element carries only one baffle, which is arranged symmetrically with respect to this element, as shown element 57 and its baffle 58 drawn in thick lines. Other arrangements can be imagined, such as that of FIG. 6 where the non-terminal contact elements are all identical and are provided, like the element 59. with a single baffle 60, which is placed asymmetrically.
Figs. 7 and 8 show schematically the case where certain contact elements, such as elements 61 and 64, respectively, are provided with two baffles 62, 63 and 65, 66, respectively. while others. such as elements 67 and 68. respectively, do not: in the case of FIG. 7, the baffles 62. 63 are arranged symmetrically on the element 61; in the case of fig. 8, the baffles 65, 66 are arranged asymmetrically on the element 64. Finally, FIG. 9 shows the case where certain elements, such as element 69, are provided with three baffles arranged symmetrically, such as baffles 70, 71 and 72, while others, such as elements 73, do not. As we can see, there are many possible vanantes as to the number of baffles, their location and their arrangement.
The switch shown in fig. I has three contact elements per frame. namely elements 38, 42 and 43 for the movable armature and elements 39, 40, 41 for the fixed armature, which leads to five interruptions of the circuit. It is obvious that this number of three elements per armature is not imperative and that, according to the cases, in particular according to the power transported by the circuit and according to its voltage, it is possible to resort to a greater number of contact elements, which gives rise to a greater fractionation of the interruption of the circuit.
It may be advantageous to increase the flexibility of the shells, so as to allow the contact pressure to be distributed more uniformly over the entire periphery of the contact elements.
In this case, it is advantageous to enlarge the diameter of the flat bottoms by giving the shells a cylindrical shape, as shown in fig. 10 for the shells 74, 75 of the mobile frame and for the shells 76, 77 of the fixed frame, instead of the tapered shells 5, 6, 7 and 18, 19, 20, respectively, visible in FIG. . 1.
It may be advantageous, again to promote a uniform distribution of the contact pressure, to split, at least in one of the two reinforcements, a contact element into two parts, each of which is supported by a shell which is specific to it. This is shown in fig. I I where we see how the contact piece 78 of the fixed frame is divided into two parts 78a, 78b each of which is supported by its own shell 78'a. 78'b. these two shells being connected to a common central part 78 ". so as to constitute a composite support for the contact element (<fractionated> 78.
Likewise, the contact element 79 of the fixed armature is split into two parts 79a, 79b. supported by shells 79'a. 79'b connected to a common central part 79 ''
This arrangement allows the two parts 78a, 78b to move relative to each other, so that they can cooperate independently of each other with the contiguous contact elements 53 and 255 of the armature. mobile, It is the same for the two parts 79a. 79b of the contact element 79. which can thus cooperate independently of one another with the contiguous contact elements 255 and 54 of the movable armature.
Of course. the straight section in the form of a straight and inverted T, which the contact elements of the switch shown in FIG. I is only one possibility among several, and other straight sections can be imagined, for example in the shape of a straight U. and reversed, the legs of some being inserted between the legs of others. It is moreover to forms of this kind that some of the arrangements mentioned above lead, in particular that which is shown schematically in FIG. 1.
Fig, 12 shows a second embodiment, in which the contact elements. instead of being distributed in the same plane, according to increasing diameters. as is the case in the case of an asymmetric inverted U of which the legs 162 and 163 are unequal, the long leg 162 being located on the outside and the short leg being located on the inside. The long jamb 162 of this part 159 takes place in the peripheral bowl formed by the first 160. of the two parts attached to the fixed frame, the first part whose straight section takes the form of an asymmetric straight U comprising a long jamb 164 away from the axis and a short leg 165 brought closer to the axis.
The short jamb 163 of the part 159 takes place in the peripheral bowl formed by the second, 161, of the two parts attached to the fixed frame, the second part whose straight section takes the shape of an asymmetric straight U with a short jamb 166 away from the axis and a long leg 167 closer to the axis, this long leg being extended downwards by a tail 168.
Each of the parts 159, 160 and 161 includes an attachment wing 169, 160 'and 161', respectively, by which it is attached to the corresponding frame: thus, the part 159 of the stage 156 is attached by the wing fixing 169 at the end of the shell 105. the part 160 of this same stage is attached by the fixing wing 160 'to the flat part 9683 of the plate 83 and the part 161 is attached by the wing of attachment 161 'to the flat part 9684 of the plate 84.
When the switch is closed, the electrical connection between the contact elements of the stage 156 is made by the bottom 172 of the penphénque bowl that constitutes the part 160, the top 173 of the outer edge 162 of the inverted peripheral bowl that constitutes part 159, the top 174 of the internal edge 163 of this same bowl and the bottom 175 of the peripheral bowl that constitutes part 161. This is shown by the broken lines visible in FIG. 16.
There is thus established, at the level of the floor 156, an electrical connection between the plates 83 and 84 of the fixed frame, at the level of the floor 157, an electrical connection between the plates 85 and 86 of this same frame. fixed, and, at the level of the floor 158, an electrical connection between the plates 87 and 88 thereof.
Since the plates 84 and 85, on the one hand, 86 and 87, on the other hand, are in electrical contact with each other, and since the lower plate 83 is in electrical contact with the base 81, that the upper plate 88 is in electrical contact with the clamping tube 100 via the clamping piece 99, and that the clamping tube 100 is in electrical contact with the support 103 by the intermediate the socket 102 and the nut 101, it can be seen that, in the closed position, the switch establishes an electrical connection between the base 81 and the support 103. It is therefore to these that the terminals 176 are fixed. and 177 by which the switch is connected to the current supply cables 178 and 179, respectively.
In order to prevent the current from passing through the thread of the nut 101 and of the sleeve 102, a strap 180 is provided providing a direct electrical connection between the support 103 and the clamping tube 100.
It can be seen that this switch is similar to that which has been decnt with regard to FIG. 11: the parts 159 belonging to the floors 156, 157, 158 (fig. 12) constitute the contact elements of the mobile armature, while the lower U-shaped parts belonging to a floor (for example the U-shaped part 160a of the 'floor 157) and the upper U-pieces belonging to the underlying floor (for example U-piece 161 of floor 156) constitute the two parts of contact elements <(split from the fixed reinforcement, the plates to which these parts are fixed (for example the plates 87, 86 and the plates 85, 84 respectively) constituting the corresponding composite supports.
The operation of this second embodiment is in all respects similar to that of the first embodiment shown in FIG. 1. The edges 164 and 165 (fig. 16) of the peripheral bowl formed by part 160 and the edges 166 and 167 of the peripheral bowl formed by part 161 constitute within any stage the baffles preventing direct view. from one interrupt space to another, for example from the interrupt space 181 to the interrupt space 182 of stage 156 shown in this figure. It is the same for the other stages 157 and 158 (fig. 12).
On the other hand, the cylindrical screen which has for straight section the tail 168 (fig. 16) of the jamb
long 167 of part 161 of floor 156, just as similar screens of the other floors do not exist in fig. I: these are so-called anti-vapor screens, preventing the vapor generated by the discharges in the interruption spaces 181 and 182 from diffusing through
inside the enclosure 80. As for the auxiliary shell 134, it constitutes simultaneously. on the one hand, another additional anti-vapor screen and, on the other hand, an additional baffle preventing direct view between the clamping part 99 and the internal shell 107.
As seen above, the nut 101 serves to ensure the tightening of the parts constituting the fixed frame and their attachment to the support 103 and to the base 81. As for the threaded plug 146, it makes it possible to adjust the preload of the. spring 148, spring which applies the movable armature against the fixed armature: it is therefore this which exerts the contact pressure between the contact elements of stages 156 and 158 and it is against it that the force is applied exerted by the control rod 139 when it causes the separation of these contact elements at the time of opening of the switch.
It can be seen that this second embodiment has, compared with the first, the advantage of being produced from a small number of standard parts, which reduces the number of machining operations. Plates 83 to 88 are identical and are easily made by stamping. The contact elements of the various stages have only three different types of parts, parts 159, 160 and 161, which differ from one stage to another only in the diameter of their fixing flanges 169. 160 'and 161 ', respectively: simple turning operations make it easy to give these diameters the values corresponding to the stages for which they are intended.
The bells 105, 106 and 107 are all identical in terms of their profile, a profile which lends itself very well to fabrication by stamping; only the length of their skirt 115 (fig. 14) differs from one bell to another, so that they are all obtained from the longest of them, namely the outer bell 118, by a simple felling of the excess length. The support pieces 123, 124, 125 are all identical and they are designed to be manufactured by stamping. In addition, the adapted arrangement makes it possible to modify to a large extent the number of interruption spaces without having to resort to new parts: it suffices to increase the number of stacked floors.
which increases the length of the switch without significantly modifying its diameter.
It should be noted that the arrangement adopted in this second embodiment avoids having to unnecessarily expose the purely mechanical parts to a vacuum. Thus, the clamping spring 148 and the device 146, 147 for modifying its preload are located outside the vacuum chamber 80; it is the same for the clamping device of the fixed armature, namely the nut 101, the sleeve 102, and the tube 100. In addition, the control rod 139 is not subjected to any traction: it does not 'acts only by pushing against the force exerted by the spring 148, so that, even when the switch is closed, it remains subjected to a compressive force and never to a tensile force.
Finally, it can be seen that, in this switch, the terminals 176 and 177 are both electrically connected to the single fixed armature, namely to the end contact elements of the latter. the mobile armature not being connected to any terminal.
Of course, one like the other of the two embodiments described can be equipped with the device for confining the discharge called the cathodic barrier and described in Swiss patent N 532832. This is what is shown schematically in FIG. 16 where appear, for the confinement of the discharge in the interrupting space 181, the annular cathode barriers 184, 185, formed on the part 160, and the cathode barriers 186, 187 formed on the contact element 159, and , for the confinement of the discharge in the interrupting space 182, the annular cathode barriers 188, 189 formed on the contact element 159, and the cathode barriers 190. 191 formed on the part 161.
Furthermore. it may be advantageous to provide the contact elements <shielded, like the element 159 (fig. 16) of the stage 156 (which is / (shielded because its edges 162 and 163 are trapped in the peripheral bowls 160 and 161. respectively), helical slots such as slots 195, formed on the outer edge 162, and that the slots 196, formed on the inner edge 163 of this contact element 159.
Indeed, as is known in conventional switches, such an arrangement causes a rapid displacement of the points of impact of the discharges along the helical blades that these slots define in the contact element, such as the <( petal 197 or the petal 198. This displacement contributes to distributing the heating due to these discharges and limits the erosion of the contact surfaces, and therefore the vaporization of the metal of which they are made. These helical slots, however. cathode barriers 186, 187 and 188, 189, respectively, failing which the effectiveness of the latter will be compromised.
Since the purpose of this cutting into petals is to channel the current flowing through the contact elements in helical paths, a similar effect, although less pronounced, can be obtained by tracing grooves on these contact elements instead of slots, the presence of these grooves having the effect of increasing locally. of a finite quantity, the electrical resistance of these contact elements while that of the slits makes this increase infinite. These grooves with increased resistance which, two by two. delimit petals along which the current is channeled, can be traced on the flanges 166, 167 and on the bottom 175 of the part 161, as well as on the flanges 164, 165 and on the bottom 172 of the part 160.
They should preferably be provided on the faces of these parts which are opposite to the faces between which the discharges are established. They draw helical or spiral paths along these faces such that the current channeled through these grooves creates a magnetic field having a component capable of circulating the discharge along the contact elements in a circular translational movement centered on the axis 97 of these.
A similar arrangement can be provided in the switch of FIG. I. For this, it is advisable to trace the grooves on the faces of the contact elements which are opposite to the baffles (or shielding collars) 47. Thus, referring to FIG. 4, the grooves will be traced on the lower face of the element 41 and on the upper faces of the elements 42 and 43.
With regard to the arrangements shown in fig. 10 and 11, it should be noted that the increase in flexibility which they confer on the reinforcements can, in certain cases, be inconvenient for the mobile armature, because it increases the ability of the latter to vibrate. In such cases, it is necessary to maintain for the movable armature conical shaped shells, such as the shells 5, 6 and 7 of FIG. 1, and to use flexible shells such as shells 76 and 77 (fig. 10) or 78'a, 78'b, 78 "and 79'a, 79'b, 79" (fig. 11) only for the fixed frame.