EP2223319B1 - Isolation d'un dispositif de coupure de type ampoule a vide par surmoulage - Google Patents

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EP2223319B1
EP2223319B1 EP08872829.0A EP08872829A EP2223319B1 EP 2223319 B1 EP2223319 B1 EP 2223319B1 EP 08872829 A EP08872829 A EP 08872829A EP 2223319 B1 EP2223319 B1 EP 2223319B1
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EP
European Patent Office
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tubular part
covers
caps
elastomer
chamber
Prior art date
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Not-in-force
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EP08872829.0A
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EP2223319A2 (fr
Inventor
Ludovic Martin
Christian Mennessier
Catherine Herault
Bruno Chatelet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schneider Electric Industries SAS
Original Assignee
Schneider Electric Industries SAS
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Publication date
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/662—Housings or protective screens
    • H01H33/66207—Specific housing details, e.g. sealing, soldering or brazing
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    • H01H2033/6623—Details relating to the encasing or the outside layers of the vacuum switch housings
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    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/662—Housings or protective screens
    • H01H33/66261—Specific screen details, e.g. mounting, materials, multiple screens or specific electrical field considerations
    • H01H2033/66284—Details relating to the electrical field properties of screens in vacuum switches
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    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/04—Fuses, i.e. expendable parts of the protective device, e.g. cartridges
    • H01H85/041—Fuses, i.e. expendable parts of the protective device, e.g. cartridges characterised by the type
    • H01H85/047—Vacuum fuses

Definitions

  • the invention relates to switches and switchgear, in particular vacuum interrupters, operating in particular at high and medium voltage.
  • the invention relates to the insulation of such equipment by coating with a suitable material.
  • the invention relates to the isolation of a cutting member by injection of an elastomer in order to overmold said member.
  • an elastomer in order to overmold said member.
  • the junction areas of the envelope are protected by mechanical reinforcements, also dielectric baffles.
  • a vacuum interrupter is constituted by a breaking chamber in which a low pressure prevails and in which there is a pair of contacts that can take a closed position allowing the passage of current and an open position in which the two contacts are separated so as to interrupt the current.
  • a contact is fixed, secured to a bottom of the envelope; the other contact is mobile with a bellows surrounding it and allows to mechanically isolate the interior of the room.
  • the envelope of the chamber of a vacuum interrupter comprises an insulating casing, sometimes also called bulb, made of ceramic or glass, which constitutes the first generally tubular central part; the tube is closed at its ends by lids, usually metal, also called bowls or caps, to which are connected the contacts.
  • insulating casing sometimes also called bulb, made of ceramic or glass, which constitutes the first generally tubular central part; the tube is closed at its ends by lids, usually metal, also called bowls or caps, to which are connected the contacts.
  • Vacuum bulbs require a dielectric environment to counter discharges when triggered by opening contacts.
  • a free space around the bulb can be enough; however, especially when the operating voltage is high, an option is the location of the bulb in a sealed chamber comprising a dielectric fluid, empty or SF 6 .
  • solid insulators have been developed for coating vacuum bulbs, including an overmoulding epoxy such as for example presented in the document EP 0 866 481 .
  • This type of overmolding is however not optimized, despite the possible interposition of a flexible or elastic layer between the coating and the bulb, due to the different coefficients of thermal expansion of the ceramic cylinder, metal bowls and the epoxy coating, which can lead to cracking or even fractures of the insulation.
  • thermosetting elastomers certainly combine a very good dielectric strength with suitable mechanical properties. Their use as a vacuum bulb coating has, however, been restricted because of the conditions of their shaping: overmoulding by such a material, which is carried out under high pressure, may damage the coated components, in particular fragile elements such as vacuum interrupters or fuses that include welds. For example, overmolding directly a vacuum bulb with an EPDM elastomer or silicone deforms or destroys parts constituting it. In fact, as described in the document US 5,864,942 , a thermoset elastomer is used, for a device whose vacuum chamber is delimited by several components, as a complement to a first coating, with establishment of a rigid protective layer around the bulb before overmolding.
  • the invention aims at overcoming the drawbacks of the insulation of existing controlled atmosphere cut-off devices, and at allowing the direct use of elastomers on multi-component waterproof envelopes.
  • the invention relates to a method according to claim 11 for isolating a switching device whose chamber, isolated with respect to the fluidic exchanges, is delimited by a multi-component envelope, it is that is to say a sealed envelope having areas of weakness, and in particular comprising solder-bonded ceramic and metal parts, in particular on the edge of the wall of a cover comprising a bottom extended by metal side walls coupled on the periphery to the side wall of a ceramic part.
  • the insulation is made by a step of overmolding by injection at high pressure of an elastomer which is vulcanized.
  • protective covers that cover the areas of weakness.
  • the covers are fitted on the covers and exceed the junction area between insulator and conductor; the shape of the covers is also optimized for a role of mechanical reinforcement.
  • the surfaces of the envelope of the cut-off device which will be in contact with the injected elastomer, that is to say the protective covers and / or a large part of the central tube, are prepared. , for example with a bonding agent, to facilitate the adhesion of the elastomer.
  • the elastomer may in particular be EPDM or silicone, and the process is preferably continued by a step of painting or overmolding said elastomer loaded with conductive particles in order to electrostatically shield the cut-off device.
  • the invention relates to a cut-off device according to claim 1 made by this method.
  • a breaking device which is preferably axisymmetric, comprises a sealed chamber extending along a longitudinal axis.
  • the chamber is delimited by an envelope which comprises an insulating tubular part, preferably ceramic, open at its ends, which is associated with conductive covers, advantageously metallic monobloc, closing the tubular part; in particular, the connection between the various components of the envelope defines a junction zone, which is advantageously a solder between the thickness of the tubular portion and thickness of the wall of the lids which are in the form of cylinders closed by a bottom at one end.
  • the sealed chamber comprises two movable contacts relatively to each other along its axis; preferably, one of the two contacts is fixed and the other mobile, each of them being coupled to one of the two covers.
  • low pressure prevails in the chamber, and the cutoff device is a vacuum interrupter.
  • the cut-off device further comprises two covers covering each of the covers and protecting their junction zone with the tubular part; in particular, the covers are in the form of bowls, with a bottom wall substantially normal to the axis of the cut-off device, and a peripheral wall extending along this axis a distance sufficient to cover the wall side of the cover and also an end portion of the insulating tube.
  • the thickness of the lid is determined by its role of mechanical reinforcement, with removal of brittle points type protruding angles. Means, for example a direct contact, are provided to avoid the creation of a potential difference between them.
  • a conductive spacer may spread the bottom of the lid of the bottom of the lid in the longitudinal direction so as to facilitate the connection of the assembly means of the cut-off device.
  • the covers are rigid enough to serve as mechanical reinforcements, and advantageously they are designed to serve as dielectric baffles; in particular, they do not have sharp corners on their outer surface, and may have bulges at the junction points between insulator and conductor. It is furthermore preferred that a seal be present between the insulating tubular part and the cover, so as to protect the junction zone between the cover and the tubular part by locating it in a clean space; the seal may be of elastomer, and is advantageously put in place in a suitable groove of the cover.
  • the solder is protected against fluid infiltration.
  • the cut-off device finally comprises an elastomeric coating, preferably made of EPDM, around the envelope of the chamber and protective covers with which it is in direct contact: the interface is "adhered", that is to say that it is waterproof, devoid of empty spaces.
  • the elastomer is advantageously coated with a conductive electrostatic shielding layer, for example the same charged elastomer; this elastomer can be used for the joint.
  • a vacuum interrupter 1 according to the invention is intended for use in a switch for making the cut in an electric circuit.
  • the bulb 1 according to the invention is preferably arranged to operate at high or medium voltage, that is to say between 1 and 75 kV or 52 kV, although low voltage use is possible.
  • the ampoule 1 comprises a sealed chamber or cartridge 2 in which there is preferably a controlled low pressure of air or other dielectric fluid, that is to say a "vacuum"; the chamber 2 is defined by a longitudinal envelope extending along an axis AA, and which is advantageously axisymmetric (symmetrical of revolution) for reasons of manufacture and assembly.
  • the envelope of the chamber 2 comprises a first main part, central, insulating 4, preferably ceramic although glass may be an option.
  • the insulating part 4 is tubular, preferably cylindrical of revolution to optimize its resistances mechanical and dielectric, as well as to facilitate its manufacture; in the preferred embodiment, each open end of the tube 4 is delimited by an orthogonal section of its wall, thus forming two superimposable rings.
  • the orifices of the tube 4 are partially closed by conductive covers 6 1 , 6 2 ; in the illustrated frame, the covers, or caps, 6 are metallic and each comprise a substantially plane bottom normal to the axis AA, extended on its periphery by an orthogonal side wall 7 of the same shape as the tube 4 at its ends; the side wall 7 1 , 7 2 is longer or shorter depending on the use, but anyway extends the bottom to optimize the construction of the bulb 1.
  • the covers 6 are advantageously formed in one piece and substantially constant thickness between the peripheral walls 7 and bottom.
  • the conductive covers 6 are tightly secured to the insulating tube 4 according to a junction zone 8.
  • the junction zone 8 is limited to a line corresponding to a brazing of the peripheral wall 7 of the covers 6 on the insulating tubular wall 4.
  • the thickness of the tube 4, homogeneous is greater than the thickness of the cover 6 (for example of the order of 1.5 to 2 mm), and the two ends are placed edge to edge, with vacuum brazing of the cap 6 substantially in the center of the wall of the tube 4.
  • the chamber 2 delimited by the ceramic tube 4 and the covers 6 comprises a pair of arcing contacts 10 1 , 10 2 movable relative to each other along the axis AA of the bulb 1.
  • Each contact 10 comprises a contact pad 12 of suitable material, such as CuCr, fixed on a longitudinal electrode 14 made of copper.
  • a first contact 10 1 is fixed, integral with one of the end caps 6 1 to which its electrode 14 is coupled to close it, for example by welding or mechanical assembly; the second contact 10 2 is mounted to slide axially inside the cartridge 2, with its electrode 14 being able to move through the other bowl 6 2 .
  • a sealing bellows 16 is interposed between the mobile electrode 14, to which it can by for example be welded at one end, and the corresponding cover 6 2 , thus isolating the opening of the cover 6 2 of the chamber 2.
  • a dielectric screen 18 can be placed around the bellows seal 16, at its end coupled to the electrode 14 to protect it against projections caused by a cut.
  • the sealed chamber 2 further preferably comprises a dielectric screen 20 positioned at the contact pads 12 regardless of their position in order to protect the ceramic 4 possible projections.
  • the internal dielectric screen 20 is fixedly attached to one of the covers 6 1 in order to simplify the manufacturing process and limit the number of solderings on the ceramic tube 4.
  • the ampoule 1 according to the invention is preferably used in tight spaces, which can also be aggressive: so that the cut-off device is insensitive to the environment (pollution, dust, other dirt) and reduce the dimensions, solid insulation 22 is used to concentrate the dielectric stresses inside the insulator 22; a shield 24 may be associated with it to confine them by removing any electric field from the ambient air.
  • the ampoule 1 according to the invention is preferably suitable for storage conditions of up to -40 ° C and to tolerate large temperature differences in operation, in particular an ambient temperature of -25 ° C to 55 ° C. C, to which are added the local heating due to the operation (of the order of 45 ° C): an amplitude of -40 ° C to + 100 ° C for the vacuum bottle 1 preferably expands the metallic elements 6, 10, 16, 18, 20 of the cartridge 2.
  • the dielectric insulating coating 22 of the vacuum ampoule 1 is chosen from elastomers that are sufficiently flexible to compensate for the different expansions of the components of the envelope of the ampoule 1 to which it is joined, for example of Shore hardness. A between 40 and 80. Silicones, especially injectable silicone, rubbers or other thermoset elastomers can be envisaged; in the preferred embodiment of the invention, the dielectric coating is made of an ethylene-propylene-diene terpolymer or EPDM (for: "Ethylene-Propylene Diene Monomer rubber") sufficiently flexible but which has sufficient mechanical strength to a protection The advantage of this material, besides its cost, lies in its known dielectric qualities of other electrical applications.
  • EPDM for: "Ethylene-Propylene Diene Monomer rubber
  • the material is injected at a temperature of the order of 60 to 80 ° C., that is to say in a viscous state or liquid, in a heated mold between 140 and 170 ° C under a pressure of 100 to 150 bar. It is important to protect in particular the junction zone between the components 4, 6 of the envelope, in particular to eliminate any failure of the solder 8: according to the invention, a suitable means is put in place, with a reinforcement
  • a suitable means is put in place, with a reinforcement
  • the presence of such an additional element whose main role is mechanical can also be used to reduce the electric fields, and the mechanical reinforcement 26 used according to the invention. is advantageously shaped to serve as a dielectric baffle.
  • a preferred embodiment of a reinforcing cover 26 comprises a bottom extended at its periphery by a side wall, defining a recess in which the cover 6 of the bulb 1 can be put in place; the peripheral wall extends along the axis AA of sufficient length to cover the junction zone 8.
  • the internal recess may comprise sharp angles
  • the outer surface of the hood 26 is smooth, with blunted, rounded corners; the cover 26 is advantageously axisymmetric, and its external shape is determined according to the mechanical and dielectric stresses.
  • the end portion of the peripheral wall being set up at the level of the ceramic wall 4 and / or the conductive solder 8, that is to say in an area where the field constraints are the higher, comprises an annular bulge 28.
  • the dielectric cover 26 may comprise a swollen end portion 28 up to 8 mm thick, the length of which is about 16 mm along the axis AA is substantially distributed on each side of the solder 8.
  • the cover 26 may be made of a thermoplastic or thermosetting conductive material; advantageously, the cover 26 is made of a single piece of metal whose mechanical strength is proven, for example steel. Its general shape is preferably standardized, with, as illustrated in figure 1 , an adaptation of the size of the cylindrical part of its wall to that of the lid 6; Furthermore the bottom of the reinforcement 26 comprises an orifice 30 allowing the passage of the electrode 14 and means 32 to which the contact 10, and more generally the bulb 1, are coupled.
  • a spacer 34 takes up the mechanical forces between the cover 6 and the bottom of the cover 26.
  • the spacer 34 can be conductive and provide the same potential between the cover 6 and cover 26; it allows the assembly with the coupling means 32 of the bulb 1.
  • Other geometric possibilities for the covers 26 may be derived from the constraints by the skilled person; whatever the solution, contact is made between the parts 6, 26 under tension to prevent the remaining space is crossed field lines.
  • the vacuum bottle 1 Prior to overmolding, the vacuum bottle 1 is thus protected at its ends by placing covers 26 on its end covers 6 and through which the connection means 32 pass.
  • the dielectric covers 26 cover by their peripheral wall, at the the level of a bulge 28, the junction zones 8 and a portion of the ceramic tube 4.
  • the internal arrangement of the wall of the cover 26 allows adequate positioning at the junction braking 8, with sufficient space to do not solicit this weak point during the installation of the cover 26.
  • sealing means between the cover 26 and the ceramic tube 4.
  • Any means can be envisaged, but, for example, the inner surface of the peripheral wall of the cover 26 is provided with an annular groove 36 in which a seal 38 is put in place.
  • the seal 38 is of insulating or conductive material; it may be of any shape, for example toric, but advantageously, its geometry is complementary to that of the groove 36 of the deflector 26 to distribute the forces on the ceramic 4 during the injection of the insulating material; the seal 38 may also make it possible to center the mechanical cap 26 on the cut-off member 1.
  • the seal 38 is made of elastomer whose compatibility with the insulator 22 overmoulding is good, preferably of the same nature as the insulating coating 22 (here of the EPDM), in order to maintain the same mechanical properties, and its hardness is compatible with the ceramic rib tolerances 4. Depending on the relative shape of the groove 36 and the seal 38, the latter may be inserted or adhered to the peripheral wall of the bulge 28.
  • the ampoule 1 is assembled with the covers 26 and the seal 38, it is placed in a mold of suitable size and shape, preferably with centering means.
  • the EPDM is injected into the residual space, whose overmolding thickness is determined by the lightning strike, and vulcanized; the ampoule 1 is then demolded.
  • the external interface surface between the envelope of the chamber 2 and the coating 22, in particular that of the ceramic tube 4 and the dielectric cover 26, is prepared in order to optimize the attachment of the elastomer 22 and to guarantee a waterproof direct adherence, with no residual spaces likely to contain air; in particular, a bonding agent can be used to optimize the interface and counteract partial discharges.
  • the dielectric overmolding 22 itself is covered with a conductive or semi-conductive layer 24 called shielding, in particular a conductive EPDM overmoulding, which may be grounded.
  • shielding in particular a conductive EPDM overmoulding, which may be grounded.
  • the field lines are held inside the coating 22, which allows the positioning of other electrical equipment in the vicinity of the bulb 1 according to the invention and the insensitivity of the latter to the environment.
  • the role of mechanical protection of the cover 26 is essential with a large pressure difference between the injection of the elastomer 22 and the interior of the chamber 2; however, even when this difference decreases, or even vanishes, the dielectric action of the cover 26 is maintained, and it may be recommended to keep the covers 26 also for overmolding at ambient pressure, for example epoxy.
  • the dielectric cover 26 advantageously retains its mechanical role by being made of material flexible, for example EPDM loaded to absorb the different deformations between coating 22, cover 6 (and ceramic 4); possibly, orifices or games-type arrangements may be made to serve as compression spaces.
  • an overmoulding as performed according to the invention may also be implemented on any device in which the chamber under controlled atmosphere has a "fragile" junction between two materials.
  • the invention finds an application for fuse-type switchgear with a sealed envelope.

Landscapes

  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)
  • Manufacture Of Switches (AREA)
  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • L'invention concerne les interrupteurs et appareillages de coupure, en particulier les ampoules à vide, fonctionnant notamment à haute et moyenne tension. L'invention est relative à l'isolation de tels équipements par revêtement avec un matériau adéquat.
  • L'invention se rapporte à l'isolation d'un organe de coupure par injection d'un élastomère afin de surmouler ledit organe. Pour pallier une rupture de son enveloppe, voire les éventuelles infiltrations de l'élastomère dans la chambre du dispositif de coupure, les zones de jonction de l'enveloppe sont protégées par des renforts mécaniques, également déflecteurs diélectriques.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE
  • Une ampoule à vide est constituée par une chambre de coupure dans laquelle règne une basse pression et dans laquelle se trouve une paire de contacts pouvant prendre une position fermée permettant le passage du courant et une position ouverte dans laquelle les deux contacts sont séparés de manière à interrompre le courant. Usuellement, un contact est fixe, solidarisé à un fond de l'enveloppe ; l'autre contact est mobile avec un soufflet qui l'entoure et permet d'isoler mécaniquement l'intérieur de la chambre.
  • L'enveloppe de la chambre d'une ampoule à vide comprend un boîtier isolant, parfois également appelé ampoule, en céramique ou en verre, qui constitue première partie centrale généralement tubulaire ; le tube est obturé à ses extrémités par des couvercles, usuellement métalliques, aussi appelés bols ou coiffes, auxquels sont reliés les contacts.
  • Les ampoules à vide nécessitent un environnement diélectrique pour contrer les décharges lors de leur déclenchement par ouverture des contacts. Un espace libre autour de l'ampoule peut être suffisant ; cependant, notamment lorsque la tension de fonctionnement est élevée, une option est la localisation de l'ampoule dans une enceinte étanche comprenant un fluide diélectrique, vide ou SF6. Ces solutions génèrent un encombrement notable autour de l'ampoule, la dernière étant en outre lourde à mettre en oeuvre.
  • Pour des raisons de compacité, coût et fiabilité, des isolants solides ont été développés pour revêtir les ampoules à vide, avec notamment un surmoulage en époxy tel que par exemple présenté dans le document EP 0 866 481 . Ce type de surmoulage n'est cependant pas optimisé, malgré l'éventuelle interposition d'une couche souple ou élastique entre le revêtement et l'ampoule, en raison des différents coefficients de dilatation thermique du cylindre en céramique, des bols en métal et du revêtement en époxy, qui peuvent occasionner des fissurations, voire fractures, de l'isolant.
  • Certains élastomères thermodurcissables combinent certes une très bonne résistance diélectrique avec des propriétés mécaniques adaptées. Leur utilisation en tant que revêtement d'ampoule à vide a cependant été restreinte du fait des conditions de leur mise en forme : le surmoulage par un tel matériau, qui est réalisé sous une pression importante, risque d'endommager les composants recouverts, en particulier les éléments fragiles de type interrupteurs à vide ou fusibles qui comportent des soudures. Par exemple, surmouler directement une ampoule à vide par un élastomère du type EPDM ou silicone déforme ou détruit certaines pièces la constituant. De fait, tel que décrit dans le document US 5 864 942 , un élastomère thermodur n'est utilisé, pour un dispositif dont la chambre sous vide est délimitée par plusieurs composants, que comme complément à un premier revêtement, avec mise en place d'une couche protectrice rigide autour de l'ampoule avant surmoulage.
  • Finalement, le document WO 86/00464 A divulgue un dispositif selon le préambule de la revendication 1.
    • EXPOSE DE L'INVENTION
  • Parmi autres avantages, l'invention vise à pallier des inconvénients des isolations de dispositifs de coupure sous atmosphère contrôlée existants, et à permettre l'utilisation directe d'élastomères sur des enveloppes étanches multi-composants.
  • En particulier, sous un aspect, l'invention est relative à un procédé selon la revendication 11 pour isoler un dispositif de coupure dont la chambre, isolée en ce qui concerne les échanges fluidiques, est délimitée par une enveloppe à plusieurs composants, c'est-à-dire une enveloppe étanche présentant des zones de fragilité, et notamment comprenant des parties céramique et métalliques couplées par brasure, en particulier sur la tranche de la paroi d'un couvercle comprenant un fond prolongé par des parois latérales métalliques couplées sur la périphérie à la paroi latérale d'une pièce en céramique. L'isolation est réalisée par une étape de surmoulage par injection à pression élevée d'un élastomère qui est vulcanisé. Avant la mise en place dans le moule d'injection du dispositif de coupure, celui-ci est assemblé avec des capots de protection qui recouvrent les zones de fragilité. En particulier, pour un dispositif de type ampoule à vide dans lequel la partie centrale tubulaire est refermée par des couvercles conducteurs, les capots sont emboîtés sur les couvercles et dépassent la zone de jonction entre isolant et conducteur ; la forme des capots est par ailleurs optimisée pour un rôle de renforcement mécanique.
  • Dans un mode de réalisation préféré, les surfaces de l'enveloppe du dispositif de coupure qui seront en contact avec l'élastomère injecté, c'est-à-dire les capots de protection et/ou une grande partie du tube central, sont préparées, par exemple avec un agent d'adhérisation, pour faciliter l'adhérence de l'élastomère. L'élastomère peut notamment être de l'EPDM ou du silicone, et le procédé se poursuit de préférence par une étape de peinture ou de surmoulage dudit élastomère chargé de particules conductrices afin de blinder électrostatiquement le dispositif de coupure.
  • Sous un autre aspect, l'invention concerne un dispositif de coupure selon la revendication 1 réalisé par ce procédé.
  • Plus généralement, un dispositif de coupure selon l'invention, qui est de préférence axisymétrique, comprend une chambre étanche s'étendant le long d'un axe longitudinal. La chambre est délimitée par une enveloppe qui comprend une partie tubulaire isolante, de préférence en céramique, ouverte à ses extrémités, qui est associée à des couvercles conducteurs, avantageusement métalliques monobloc, refermant la partie tubulaire ; en particulier, la solidarisation entre les différents composants de l'enveloppe définit une zone de jonction, qui est avantageusement une brasure entre épaisseur de la partie tubulaire et épaisseur de la paroi des couvercles qui sont sous forme de cylindres refermés par un fond à une extrémité.
  • La chambre étanche comprend deux contacts mobiles relativement l'un à l'autre le long de son axe ; de préférence, l'un des deux contacts est fixe et l'autre mobile, chacun d'eux étant couplé à l'un des deux couvercles. Dans un mode de réalisation préféré, une basse pression règne dans la chambre, et le dispositif de coupure est une ampoule à vide.
  • Le dispositif de coupure selon l'invention comprend en outre deux capots recouvrant chacun des couvercles et protégeant leur zone de jonction avec la partie tubulaire ; en particulier, les capots se présentent sous une forme de bols, avec une paroi de fond sensiblement normale à l'axe du dispositif de coupure, et une paroi périphérique s'étendant le long de cet axe d'une distance suffisante pour recouvrir la paroi latérale du couvercle et aussi une partie d'extrémité du tube isolant. L'épaisseur du couvercle est déterminée par son rôle de renforcement mécanique, avec suppression des points de fragilité de type angles saillants. Des moyens, par exemple un contact direct, sont prévus pour éviter la création d'une différence de potentiel entre eux. Une entretoise conductrice peut écarter le fond du capot du fond du couvercle dans le sens longitudinal de façon à faciliter la connexion des moyens d'assemblage du dispositif de coupure.
  • Les capots sont suffisamment rigides pour servir de renforts mécaniques, et avantageusement ils sont dessinés pour servir de déflecteurs diélectriques ; notamment, ils ne présentent pas d'angles vifs sur leur surface externe, et peuvent présenter des renflements au niveau des points de jonction entre isolant et conducteur. Il est par ailleurs préféré qu'un joint soit présent entre partie tubulaire isolante et capot, de façon à protéger la zone de jonction entre couvercle et partie tubulaire en la localisant dans un espace propre ; le joint peut être en élastomère, et est avantageusement mis en place dans une gorge appropriée du capot. Ainsi, outre la protection mécanique contre une pression externe supérieure, la brasure est protégée contre une infiltration de fluide.
  • Le dispositif de coupure selon l'invention comprend enfin un enrobage élastomère, de préférence en EPDM, autour de l'enveloppe de la chambre et des capots de protection avec lesquels il est en contact direct : l'interface est « adhérisée », c'est-à-dire qu'elle est étanche, dénuée d'espaces vides. L'élastomère est avantageusement revêtu d'une couche conductrice de blindage électrostatique, par exemple le même élastomère chargé ; cet élastomère peut être utilisé pour le joint.
    • BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
  • D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre illustratif et nullement limitatifs, représentés dans les figures annexées.
    • La figure 1 représente une ampoule à vide selon un mode de réalisation préféré de l'invention.
    • La figure 2 illustre la protection mécanique avant surmoulage selon un mode de réalisation préféré de l'invention.
    DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERE
  • Une ampoule à vide 1 selon l'invention, illustrée en figure 1, est destinée une utilisation dans un interrupteur pour effectuer la coupure dans un circuit électrique. L'ampoule 1 selon l'invention est de préférence agencée pour fonctionner à haute ou moyenne tension, c'est-à-dire entre 1 et 75 kV ou 52 kV, bien qu'une utilisation en basse tension soit possible. L'ampoule 1 comprend une chambre, ou cartouche, étanche 2 dans laquelle règne de préférence une basse pression contrôlée d'air ou d'un autre fluide diélectrique, c'est-à-dire un « vide » ; la chambre 2 est définie par une enveloppe longitudinale s'étendant le long d'un axe AA, et qui est avantageusement axisymétrique (symétrique de révolution) pour des raisons de fabrication et de montage.
  • L'enveloppe de la chambre 2 comprend une première partie principale, centrale, isolante 4, avantageusement en céramique bien que le verre puisse être une option. La partie isolante 4 est tubulaire, de préférence cylindrique de révolution pour optimiser ses résistances mécanique et diélectrique, ainsi que pour faciliter sa fabrication ; dans le mode de réalisation préféré, chaque extrémité ouverte du tube 4 est délimitée par une section orthogonale de sa paroi, formant ainsi deux anneaux superposables. Les orifices du tube 4 sont partiellement fermés par des couvercles conducteurs 61, 62 ; dans le cadre illustré, les couvercles, ou coiffes, 6 sont métalliques et comprennent chacun un fond sensiblement plan normal à l'axe AA, prolongé sur sa périphérie par une paroi latérale orthogonale 7 de même forme que le tube 4 à ses extrémités ; la paroi latérale 71, 72 est plus ou moins longue selon l'usage, mais prolonge quoi qu'il en soit le fond pour optimiser la construction de l'ampoule 1. Pour optimiser leur résistance mécanique, les couvercles 6 sont avantageusement formés d'une seule pièce et d'épaisseur sensiblement constante entre les parois périphériques 7 et de fond.
  • Les couvercles conducteurs 6 sont solidarisés de façon étanche au tube isolant 4 selon une zone de jonction 8. Bien que toute technique connue puisse être utilisée, selon le mode de réalisation préféré, la zone de jonction 8 se limite à une ligne qui correspond à une brasure de la paroi périphérique 7 des couvercles 6 sur la paroi tubulaire isolante 4. Avantageusement, l'épaisseur du tube 4, homogène (par exemple de l'ordre de 6 mm pour une ampoule 1 de diamètre interne 65 mm fonctionnant à 17,5kV) est supérieure à l'épaisseur du couvercle 6 (par exemple de l'ordre de 1,5 à 2 mm), et les deux extrémités sont mises bord à bord, avec brasure sous vide de la coiffe 6 sensiblement au centre de la paroi du tube 4.
  • La chambre 2 délimitée par le tube en céramique 4 et les couvercles 6 comprend une paire de contacts d'arc 101, 102 mobiles l'un par rapport à l'autre le long de l'axe AA de l'ampoule 1. Chaque contact 10 comporte une pastille de contact 12 en matériau approprié, comme CuCr, fixée sur une électrode 14 longitudinale en cuivre. De préférence et tel qu'illustré, un premier contact 101 est fixe, solidaire de l'un des couvercles d'extrémité 61 auquel son électrode 14 est couplée pour le fermer, par exemple par soudage ou montage mécanique; le deuxième contact 102 est monté à coulissement axial à l'intérieur de la cartouche 2, avec son électrode 14 pouvant se déplacer à travers l'autre bol 62. Pour permettre le débattement du contact mobile 102 et conserver l'atmosphère contrôlée, un soufflet d'étanchéité 16 est interposé entre l'électrode mobile 14, à laquelle il peut par exemple être soudé à une extrémité, et le couvercle correspondant 62, isolant ainsi l'ouverture du couvercle 62 de la chambre 2. Un écran diélectrique 18 peut être mis en place autour du soufflet d'étanchéité 16, au niveau de son extrémité couplée à l'électrode 14 pour le protéger contre les projections occasionnées par une coupure.
  • La chambre étanche 2 comprend en outre de préférence un écran diélectrique 20 positionné au niveau des pastilles de contact 12 quelle que soit leur position afin de protéger la céramique 4 des projections éventuelles. Avantageusement, l'écran diélectrique interne 20 est solidarisé de façon fixe à l'un des couvercles 61 afin de simplifier le procédé de fabrication et limiter le nombre de brasures sur le tube céramique 4.
  • L'ampoule 1 selon l'invention est de préférence utilisée dans des espaces restreints, qui peuvent en outre être agressifs : pour que l'organe de coupure soit insensible à l'environnement (pollution, poussières, autres saletés) et réduire les dimensions, une isolation solide 22 est utilisée pour concentrer les contraintes diélectriques à l'intérieur de l'isolant 22 ; un blindage 24 peut lui être associé pour les y confiner en supprimant tout champ électrique de l'air ambiant. Par ailleurs, l'ampoule 1 selon l'invention est de préférence adaptée pour des conditions de stockage pouvant atteindre -40°C et pour tolérer d'importants écarts en température en fonctionnement, notamment une température ambiante de -25°C à 55°C, à laquelle s'ajoutent l'échauffement local dû au fonctionnement (de l'ordre de 45°C) : une amplitude de -40°C à +100°C pour l'ampoule à vide 1 dilate de préférence les éléments métalliques 6, 10, 16, 18, 20 de la cartouche 2.
  • Selon l'invention, le revêtement isolant diélectrique 22 de l'ampoule à vide 1 est choisi parmi les élastomères suffisamment souples pour compenser les dilatations différentes des composants de l'enveloppe de l'ampoule 1 auxquels il est solidarisé, par exemple de dureté Shore A entre 40 et 80. Les silicones, notamment le silicone injectable, caoutchoucs ou autres élastomères thermodurs peuvent être envisagés ; dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le revêtement diélectrique est réalisé en un terpolymère d'éthylène-propylène-diène ou EPDM (pour: «Ethylene-Propylene Diene Monomer rubber») suffisamment souple mais qui possède une tenue mécanique suffisante pour une protection de l'ampoule 1, par exemple de dureté Shore A 70. L'avantage de ce matériau, outre son coût, réside dans ses qualités diélectriques connues d'autres applications électriques.
  • Classiquement, pour un élastomère tel l'EPDM dont les propriétés sont adaptées à l'application selon l'invention, le matériau est injecté à une température de l'ordre de 60 à 80°C, c'est-à-dire dans un état visqueux voire liquide, dans un moule chauffé entre 140 et 170°C, sous une pression de 100 à 150 bars. Il importe de protéger en particulier la zone de jonction entre les composants 4, 6 de l'enveloppe, afin notamment d'éliminer toute défaillance de la brasure 8 : selon l'invention, un moyen adapté y est mis en place, avec un renfort de protection 26 sur l'enveloppe au niveau des couvercles 6. La présence d'un tel élément supplémentaire dont le rôle principal est mécanique peut par ailleurs être mise à profit pour réduire les champs électriques, et le renfort mécanique 26 utilisé selon l'invention est avantageusement conformé pour servir de déflecteur diélectrique.
  • Un mode de réalisation préféré d'un capot de renfort 26 comprend un fond prolongé à sa périphérie par une paroi latérale, définissant un évidement dans lequel le couvercle 6 de l'ampoule 1 peut se mettre en place ; la paroi périphérique se prolonge le long de l'axe AA d'une longueur suffisante pour recouvrir la zone de jonction 8. Pour éviter les effets de pointe et les zones de fragilité mécanique, si l'évidement interne peut comprendre des angles vifs, la surface externe du capot 26 est lisse, avec des angles émoussés, arrondis ; le capot 26 est avantageusement axisymétrique, et sa forme externe est déterminée en fonction des contraintes mécaniques et diélectriques. En particulier, la partie d'extrémité de la paroi périphérique, se mettant en place au niveau de la paroi céramique 4 et/ou de la brasure conductrice 8, c'est-à-dire dans une zone où les contraintes de champ sont les plus élevées, comprend un renflement annulaire 28. Par exemple, d'épaisseur générale de l'ordre de 4 mm, ou du moins suffisante pour les contraintes mécaniques qu'il subit, le capot diélectrique 26 peut comprendre une partie renflée d'extrémité 28 atteignant 8 mm d'épaisseur, dont la longueur de l'ordre de 16 mm le long de l'axe AA se répartit sensiblement de chaque côté de la brasure 8.
  • Le capot 26 peut être réalisé en matériau thermoplastique ou thermodurcissable conducteur ; avantageusement, le capot 26 est réalisé en une pièce monobloc métallique dont la tenue mécanique est avérée, par exemple l'acier. Sa forme générale est de préférence standardisée, avec, tel qu'illustré en figure 1, une adaptation de la taille de la partie cylindrique de sa paroi à celle du couvercle 6 ; par ailleurs le fond du renfort 26 comprend un orifice 30 permettant le passage de l'électrode 14 et des moyens 32 auxquels le contact 10, et plus généralement l'ampoule 1, sont couplés.
  • Dans un mode de réalisation illustré en figure 2, une entretoise 34 reprend les efforts mécaniques entre le couvercle 6 et le fond du capot 26. L'entretoise 34 peut être conductrice et assurer le même potentiel entre couvercle 6 et capot 26 ; elle permet l'assemblage avec les moyens de couplage 32 de l'ampoule 1. D'autres possibilités géométriques pour les capots 26 peuvent être dérivées des contraintes par l'homme du métier ; quelle que soit la solution, un contact est assuré entre les pièces 6, 26 sous tension pour éviter que l'espace résiduel ne soit traversé de lignes de champ.
  • Préalablement au surmoulage, l'ampoule à vide 1 est donc protégée à ses extrémités par mise en place de capots 26 sur ses couvercles d'extrémité 6 et traversés par les moyens de connexion 32. Les capots diélectriques 26 recouvrent par leur paroi périphérique, au niveau d'un renflement 28, les zones de jonction 8 et une partie du tube céramique 4. Avantageusement, l'aménagement interne de la paroi du capot 26 permet un positionnement adéquat au niveau de la brasure de jonction 8, avec un espace suffisant pour ne pas solliciter ce point faible lors de la mise en place du capot 26.
  • Au vu de la pression d'injection, afin d'éliminer l'infiltration d'élastomère susceptible de solliciter la brasure 8 et ainsi éviter la déformation du dispositif de coupure 1, il est préféré de positionner des moyens d'étanchéité entre le capot 26 et le tube en céramique 4. Tout moyen peut être envisagé, mais, par exemple, la surface interne de la paroi périphérique du capot 26 est munie d'une gorge annulaire 36 dans laquelle un joint 38 est mis en place. Le joint 38 est en matériau isolant ou conducteur ; il peut être de forme quelconque, par exemple torique, mais avantageusement, sa géométrie est complémentaire de celle de la gorge 36 du déflecteur 26 afin de repartir les efforts sur la céramique 4 lors de l'injection du matériau isolant ; le joint 38 peut aussi permettre de centrer le capot mécanique 26 sur l'organe de coupure 1.
  • Le joint 38 est réalisé en élastomère dont la compatibilité avec l'isolant 22 de surmoulage est bonne, avantageusement de même nature que le revêtement isolant 22 (ici de l'EPDM), afin de conserver les mêmes propriétés mécaniques, et sa dureté est compatible avec les tolérances de côtes de la céramique 4. Suivant les formes relatives de la gorge 36 et du joint 38, ce dernier peut être inséré, ou adhérisé sur la paroi périphérique du renflement 28.
  • Une fois l'ampoule 1 assemblée avec les capots 26 et le joint 38, elle est placée dans un moule de taille et forme adaptées, avec de préférence des moyens de centrage. L'EPDM est injecté dans l'espace résiduel, dont l'épaisseur de surmoulage est déterminée par le choc de foudre, et vulcanisé ; l'ampoule 1 est ensuite démoulée.
  • De préférence, la surface externe d'interface entre enveloppe de la chambre 2 et enrobage 22, en particulier celle du tube en céramique 4 et du capot diélectrique 26, est préparée afin d'optimiser l'accrochage de l'élastomère 22 et garantir une adhérence directe étanche, sans espaces résiduels susceptibles de contenir de l'air ; en particulier, un agent d'adhérisation peut être utilisé pour optimiser l'interface et contrer les décharges partielles.
  • De préférence, le surmoulage diélectrique 22 est lui-même recouvert d'une couche conductrice ou semi-conductrice 24 dite de blindage, en particulier un surmoulage en EPDM chargé pour être conducteur, qui pourra être mise à la terre. Ainsi, les lignes de champ sont maintenues à l'intérieur de l'enrobage 22, ce qui permet le positionnement d'autres appareillages électriques dans le voisinage de l'ampoule 1 selon l'invention et l'insensibilité de cette dernière à l'environnement.
  • Il est à noter que le rôle de protection mécanique du capot 26 est essentiel avec une importante différence de pression entre injection de l'élastomère 22 et intérieur de la chambre 2 ; cependant, même lorsque cette différence diminue, voire s'annule, l'action diélectrique du capot 26 est maintenue, et il peut être préconisé de conserver les capots 26 également pour un surmoulage à pression ambiante, par exemple en époxy. Dans ce dernier cas, pour pallier les problèmes de dilatations thermiques différentielles, le capot diélectrique 26 conserve avantageusement son rôle mécanique en étant réalisé en matériau souple, par exemple en EPDM chargé pour absorber les déformations différentes entre revêtement 22, couvercle 6 (et céramique 4) ; éventuellement, des aménagements de type orifices ou jeux peuvent y être réalisés pour servir d'espaces de compression.
  • Bien que l'invention ait été décrite en référence à une ampoule à vide, elle ne s'y limite pas: d'autres éléments peuvent être concernés par l'invention, qui est delimitée par la portée des revendications. En particulier, un surmoulage tel que réalisé selon l'invention peut également être mis en place sur tout dispositif dont l'enceinte sous atmosphère contrôlée présente une jonction « fragile » entre deux matériaux. Notamment, l'invention trouve une application pour les appareillages de coupure de type fusibles à enveloppe étanche.

Claims (13)

  1. Dispositif de coupure (1) comprenant une chambre étanche (2) s'étendant le long d'un axe longitudinal (AA) dans laquelle sont logés deux contacts (10) mobiles relativement l'un à l'autre le long de l'axe (AA), l'enveloppe de la chambre (2) comprenant une partie tubulaire (4) ouverte à ses extrémités, et deux couvercles conducteurs (6) solidarisés à la partie tubulaire (4) par une zone de jonction (8), ledit dispositif de coupure (1) comprenant en outre un enrobage isolant (22) en élastomère de ladite enveloppe de la chambre (2), caractérisé :
    - en ce que chacun des couvercles (6) comprend un fond prolongé sur sa périphérie par une paroi latérale ;
    - en ce que deux capots conducteurs (26) entourent les couvercles (6), chacun des capots (26) comprenant une paroi de fond et une paroi latérale périphérique s'étendant le long de l'axe (AA) de sorte que la zone de jonction (8) et une extrémité de la partie tubulaire (4) sont localisées dans le capot (26) ; et
    - en ce que l'interface entre enrobage (22) et partie tubulaire (4), respectivement capots (26), est étanche.
  2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la surface externe des capots (26) est dépourvue d'angles vifs.
  3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2 dans lequel la surface externe des capots (26) est conçue pour la déflexion diélectrique.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la partie tubulaire (4) est isolante en céramique, le couvercle (6) est en métal et brasé sur l'extrémité de la partie tubulaire (4), la zone de jonction (8) définissant une ligne sur la paroi de la partie tubulaire (4).
  5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 comprenant en outre au moins un joint (38) entre la partie tubulaire (4) et la paroi périphérique d'un capot (26), de sorte que la zone de jonction (8) est séparée de façon étanche de l'enrobage (22).
  6. Dispositif selon la revendication 5 dans lequel le joint (38) est fabriqué dans un élastomère de même nature que l'enrobage (22).
  7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 comprenant en outre un revêtement conducteur (24) autour de l'enrobage isolant (22) pour servir de blindage électrostatique.
  8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel l'enrobage isolant (22) est réalisé en EPDM ou en silicone.
  9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel l'axe longitudinal (AA) du dispositif (1) est un axe de symétrie.
  10. Ampoule à vide comprenant un dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel la chambre (2) est sous une pression inférieure à la pression atmosphérique, l'un des contacts (101) est fixe et solidarisé à un des couvercles (61) et l'autre contact (102) est mobile à travers l'autre couvercle (62) et son capot (26).
  11. Procédé d'isolation d'un dispositif de coupure selon la revendication 1 à atmosphère contrôlée (1) comprenant une chambre étanche (2) délimitée par une enveloppe dont la partie centrale tubulaire (4) est fermée par deux couvercles d'extrémité (6) conducteurs au niveau d'une zone de jonction (8), chaque couvercle d'extrémité (6) comprenant chacun un fond prolongé sur sa périphérie par une paroi latérale (7) comprenant la zone de jonction (8), ledit procédé comprenant :
    - la protection des couvercles (6) par des capots (26) qui se prolongent pour recouvrir également les zones de jonction (8) ;
    - le positionnement du dispositif de coupure (1) solidarisé aux capots (26) dans un moule ;
    - l'injection d'un élastomère dans le moule et sa vulcanisation.
  12. Procédé selon la revendication 11 comprenant en outre une étape de préparation des surfaces externes de la partie tubulaire (4) et/ou des capots (26) pour faciliter l'adhérence de l'élastomère (22).
  13. Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12 comprenant en outre une étape de revêtement de l'élastomère vulcanisé (22) par une couche conductrice (24).
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