FR2784244A1 - Commutateur a eclateur a etages multiples - Google Patents
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Abstract
Un commutateur à éclateur, comprenant une première électrode plane (30) comprenant une partie de décharge (32) et une partie de support (36). L'éclateur comprend également une seconde électrode plane (30) parallèle à la première électrode et espacée de celle-ci, et qui comprend une partie de décharge et une partie de support. Les parties de décharge sont mutuellement opposées, et les parties de support sont mutuellement décalées.
Description
La présente invention se rapporte aux commutateurs pour haute tension et,
plus particulièrement, à un commutateur à éclateur à étages multiples qui est plus
compact que ceux connus actuellement.
Un commutateur à éclateur est un commutateur de fermeture pour haute tension qui est utilisé dans des systèmes à énergie pulsée et pour la protection contre les transitoires. Un commutateur à éclateur de base est constitué de deux électrodes séparées par un milieu isolant qui peut être un vide ou bien un fluide (gaz ou liquide). Le commutateur est initialement ouvert. Il se ferme lors de la formation d'un canal de plasma conducteur (étincelle) dans le milieu isolant entre les électrodes lorsqu'une différence de tension suffisamment élevée est appliquée sur les électrodes. Le canal conducteur est formé par un mécanisme de claquage qui peut être provoqué suivant l'une de deux façons. La première façon (auto-claquage) implique l'application d'une différence de tension aux bornes des électrodes qui est plus élevée que le seuil de tension de claquage du commutateur, c'est-à-dire la tension à laquelle le champ électrique dans l'interstice entre les électrodes dépasse la rigidité diélectrique du fluide, ou bien induit une émission suffisante d'électrons à partir des surfaces des électrodes jusque dans le vide. La seconde façon consiste à induire un claquage à une différence de tension entre les bornes des électrodes qui est inférieure au seuil de tension de claquage. Ceci est réalisé en utilisant une troisième électrode d'amorçage pour élever brièvement le champ électrique dans l'interstice entre les électrodes, ou bien par des moyens tels qu'un rayonnement ou une modification de la pression de l'isolant qui induisent une dégradation de la rigidité diélectrique du milieu isolant. La structure simple et robuste des commutateurs à éclateur, et leur aptitude à se fermer automatiquement et à résister à des tensions élevées, en fait des composants populaires de dispositifs tels que des
générateurs de Marx.
La fréquence de répétition du fonctionnement d'un commutateur à éclateur est limitée par le temps nécessaire pour que le plasma se recombine et pour que la chaleur associée à la décharge soit dissipée de façon que
l'isolant revienne à sa rigidité diélectrique initiale.
De ce fait, des commutateurs à éclateur à fréquence de répétition élevée utilisent habituellement un isolant fluide (gaz ou liquide) qui circule à travers l'interstice de décharge inter-électrodes. Néanmoins, la fréquence de répétition de ces commutateurs à éclateur
n'est habituellement que de quelques dizaines de hertz.
En outre, les débits élevés exigés par certaines applications tendent à dégrader la reproductibilité de la commutation et à introduire des complications dans la
conception globale du système.
La figure lA représente un commutateur à éclateur à étages multiples, qui est essentiellement une série de commutateurs à éclateur à deux électrodes reliés dos à dos. Des électrodes 10 sont maintenues écartées par des entretoises isolantes 12 afin de définir des interstices de décharge 14. La tension totale du commutateur est divisée de façon capacitive entre les interstices de décharge 14, en permettant que les interstices de décharge 14 soient très petits. Ceci procure à la structure à étages multiples des temps de récupération rapides, permettant un fonctionnement à des fréquences de répétition dépassant plusieurs kilohertz. Si le milieu isolant est un gaz, la pression du gaz peut être atmosphérique, en simplifiant la complexité mécanique et fonctionnelle du commutateur. Le débit de fluide peut être très faible, ou bien une circulation de fluide peut ne pas être nécessaire du tout. Le petit interstice de décharge et la basse pression permettent au commutateur de fonctionner dans un mode de décharge moins violent, qui augmente considérablement la durée de vie des électrodes et, de ce fait, du commutateur dans son ensemble. Historiquement, le commutateur à éclateur à étages multiples, appelé alors "éclateur à étincelle amortie", a été utilisé pour la première fois dans les années 1920 dans des émetteurs à étincelles en raison de son temps de récupération rapide et de sa fréquence de répétition élevée. Les technologies d'émetteurs plus récentes ont rendu le commutateur à éclateur à étages multiples obsolète dans cette application, et il a trouvé peu d'applications depuis lors. Jusqu'à récemment, des applications à puissance pulsée à haute énergie, à haute tension ne nécessitaient qu'une fréquence de répétition basse, pour laquelle un commutateur à éclateur à un seul étage est adéquat. Les fréquences de répétition plus élevées des générateurs de puissance à impulsions à haute tension les plus récents exigent une technologie de commutation différente. En principe, le commutateur à éclateur à étages multiples de la figure 1A convient pour ces fréquences de répétition élevées. En pratique, cependant, la longueur d'un commutateur à éclateur à étages multiples caractéristique lui donne un temps de fermeture indésirablement long et une inductance
indésirablement importante dans la phase de conduction.
La longueur supplémentaire d'un commutateur à éclateur à étages multiples, comparé à un commutateur à éclateur à un seul étage équivalent, complique également la configuration d'un générateur comportant de nombreux tels commutateurs, et peut augmenter la taille du générateur, en dégradant ainsi ses performances dans certaines applications en raison du poids accru, de l'inductance plus grande et du temps de montée plus long associés à la
plus grande taille.
Il existe donc un besoin largement reconnu, et il serait hautement avantageux de disposer d'une conception de commutateur à éclateur à étages multiples qui soit
plus courte que celles connues actuellement.
Conformément à la présente invention, on réalise un commutateur à éclateur, comprenant: (a) une première électrode pratiquement plane comprenant une partie de décharge et une partie de support; et (b) une seconde électrode pratiquement plane parallèle à la première électrode et espacée de celle-ci et comprenant une partie de décharge et une partie de support, les parties de décharge étant mutuellement opposées, et les parties de
support étant mutuellement décalées.
Conformément à la présente invention, on réalise un commutateur à éclateur comprenant: (a) un premier empilement d'au moins deux électrodes pratiquement planes, mutuellement parallèles, chacune des électrodes comprenant: (i) une partie de décharge, et (ii) une partie de support; les parties de décharge des électrodes adjacentes étant espacées et mutuellement opposées, les parties de support des électrodes
adjacentes étant mutuellement décalées.
Conformément à la présente invention, on réalise un commutateur à éclateur comprenant: un premier empilement d'au moins deux électrodes pratiquement planes, mutuellement parallèles, chacune des électrodes comprenant une partie de décharge, les parties de décharge des électrodes adjacentes étant mutuellement
opposées et espacées d'au moins environ un millimètre.
Dans le commutateur à éclateur de la technique antérieure de la figure 1A, les entretoises 12 doivent présenter une certaine longueur minimum afin de garantir que l'étincelle soit confinée dans les interstices de décharge 14 et ne se propagent pas d'une première électrode 10 à la suivante le long de la surface externe d'une entretoise 12 intercalée. En pratique, cette longueur est égale à plusieurs (de façon caractéristique trois) fois la largeur d'un interstice de décharge 14 quelconque. Les électrodes 10 ne sont pas planes, de sorte que lorsque les électrodes 10 sont empilées comme représenté, des interstices périphériques 16 qui sont plus larges que les interstices de décharge 14 reçoivent les entretoises 12. La principale contribution, en matière de longueur, de ces commutateurs à éclateur de la technique antérieure est la largeur des interstices périphériques 16. La figure lB représente une autre conception de la technique antérieure, d'un commutateur à éclateur à étages multiples dans lequel des électrodes planes 10' sont séparées par des entretoises isolantes 12'. Dans cette conception, des volumes de décharge 14' ne sont pas
bien définis, et peuvent chevaucher les entretoises 12'.
De ce fait, le plasma qui est produit dans les volumes de décharge 14' attaque les entretoises 12'. Ceci conduit à des claquages en surface fréquents sur les entretoises 12', qui résultent en un fonctionnement irrégulier et une
courte durée de vie.
Comme on l'a noté ci-dessus, pour éliminer les claquages en surface le long des entretoises, le trajet de décharge en surface du potentiel le long des entretoises devrait être plusieurs fois plus long que la longueur de trajet de la décharge dans le volume. Dans la conception de la figure lB, ces longueurs de trajet sont égales. Une conception améliorée à ce point de vue, mais encore dépourvue de régions de décharge bien définies, est représentée sur la figure 1C. Des électrodes planes " sont séparées par des entretoises isolantes 12" qui présentent des surfaces externes ondulées. Les ondulations augmentent les longueurs de trajets de propagation d'étincelles le long des surfaces externes des entretoises 12", mais en pratique, dans une telle conception, la tension de seuil pour la décharge disruptive en surface ne peut pas dépasser la tension de seuil pour la décharge disruptive dans le volume. De ce fait, même dans la conception de la figure 1C, des décharges en surface indésirables se produisent
relativement souvent.
Un autre inconvénient des conceptions des figures lB et 1C est qu'il est impraticable de fabriquer des entretoises 12' pour des interstices d'environ 1 millimètre ou moins, ou bien des entretoises 12" pour des interstices de quelques millimètres ou moins, pour trois raisons. Premièrement, les entretoises 12' et 12" sont généralement faites de matériaux de céramique, qui sont trop fragiles pour résister aux chocs mécaniques
associés à une décharge de commutation répétée.
Deuxièmement, les ondulations des entretoises 12" sont moins efficaces pour empêcher une décharge disruptive en surface à une si petite échelle. Troisièmement, les petits isolateurs sont plus sensibles que des gros isolateurs à des imperfections locales telles que des
impuretés de la céramique.
La figure 2 est une vue en perspective partielle d'un commutateur à éclateur à étages multiples simple suivant la présente invention. Sur la figure 2 sont représentées trois électrodes planes 20a, 20b et 20c, représentatives d'un empilement d'électrodes planes parallèles 20. Chaque électrode 20 comporte une partie de décharge 24 et une partie de support 26. Les parties de décharge 24 sont positionnées à l'opposé l'une de l'autre afin de définir des interstices de décharge 28 entre celles-ci. Des entretoises 22, dont une seule est représentée sur la figure 2, sont placées entre les parties de support 26, comme dans les commutateurs à éclateur à étages multiples de la technique antérieure, afin de séparer les électrodes 20. Les parties de support 26 servent également à conduire la chaleur à l'écart des parties de décharge 24. Contrairement au commutateur à éclateur à étages multiples de la technique antérieure, les parties de support 26 sont échelonnées ou décalées, de sorte que les entretoises 22 séparent des électrodes 20 non adjacentes. Ainsi, par exemple, sur la figure 2, la partie de support 26b est décalée par rapport aux parties de support 26a et 26c. Il en résulte que la longueur du commutateur à éclateur à étages multiples de la figure 2 est déterminée uniquement par l'épaisseur des électrodes 20 et la largeur des interstices de décharge 28. A. Anvari et O. Steinvall, dans "Etude d'un éclateur à étages multiples de 40 kV mis en oeuvre dans l'air à la pression atmosphérique", Journal of Physics E, volume 6 (1973), pages 1113 à 1115, ont présenté un éclateur à étages multiples comportant des électrodes planes en
forme de disque séparées par des séparateurs annulaires.
Leur conception ressemble à la conception de la figure lB. Cependant, pour confiner les parties de décharge des électrodes au voisinage des centres des électrodes, et en particulier pour éviter une propagation d'étincelles le long des faces des entretoises, les électrodes ont été munies de petits trous centraux, et un agencement de
trigatron a été utilisé pour déclencher le commutateur.
Les électrodes étaient espacées de 4 mm. Cette conception ne convient pour des électrodes espacées d'environ un millimètre ou moins car les séparateurs seraient trop fragiles pour résister aux chocs associés à une décharge répétée. Un autre inconvénient de cette conception est son absence d'une possibilité de fermeture automatique appropriée, en raison des longueurs égales des trajets de décharge de potentiel en surface et dans le volume, qui résultent en des décharges en surface fréquentes le long
des surfaces des séparateurs.
Dans un commutateur à éclateur à étages multiples conforme à la présente invention, les électrodes planes 20 comportent des parties de décharge 24 bien définies, relativement grandes, et sont espacées relativement près l'une de l'autre, en comparaison des commutateurs à
éclateur à étages multiples de la technique antérieure.
Ceci procure au commutateur à éclateur à étages multiples de la présente invention davantage de compacité, une durée de vie plus longue et une meilleure reproductibilité que les commutateurs à éclateur à étages multiples de la technique antérieure, de même qu'une
possibilité de fermeture automatique.
Le mode de réalisation de la figure 2 n'est pas un mode de réalisation préféré de la présente invention. Il n'est présenté ici que pour illustrer le principe de la présente invention. Des modes de réalisation préférés de
la présente invention sont présentés ci-dessous.
L'invention est décrite ici, à titre d'exemple uniquement, en faisant référence aux dessins annexés, dans lesquels: Les figures 1A, lB et 1C sont des représentations simplifiées de commutateurs à éclateur à étages multiples
de la technique antérieure.
La figure 2 est une vue en perspective partielle
d'un mode de réalisation simple de la présente invention.
La figure 3 représente un mode de réalisation
préféré d'une électrode plane.
Les figures 4A et 4B représentent deux conceptions
pour les entretoises.
La figure 5A est une vue en perspective d'un
empilement des électrodes de la figure 3, en deux sous-
empilements entrelacés, séparés par les entretoises de la
figure 4A.
La figure 5B est une illustration en perspective simplifiée d'un empilement des électrodes de la figure 3
en trois sous-empilements entrelacés.
La figure 6 représente une coiffe d'extrémité.
La figure 7 représente une bride d'extrémité.
La figure 8 représente un manchon de céramique.
La figure 9 illustre trois principes d'amorçage différents. La présente invention est un commutateur à éclateur à étages multiples qui est plus compact que ceux connus
jusqu'à présent.
Les principes et le fonctionnement d'un commutateur à éclateur à étages multiples conforme à la présente invention peuvent être mieux compris en faisant référence
aux dessins et à la description associée.
En se référant à présent aux dessins, les figures 3A (vue de dessus) et 3B (vue latérale) représentent une électrode plane 30 préférée suivant la présente invention. L'électrode 30 comprend une partie de décharge centrale 32 à partir de laquelle font saillie trois lobes 36 qui constituent la partie de support de l'électrode 30. La partie de décharge 32 est annulaire, et comporte un trou central 34. Chaque lobe 36 comprend un trou 38
qui loge une entretoise.
Les figures 4A et 4B représentent deux conceptions et 42 pour les entretoises. L'entretoise 42 est dessinée en partie en coupe afin de montrer une douille
44 qui loge la pointe 46 d'une entretoise 42 précédente.
La figure 5A représente un empilement assemblé de vingt électrodes parallèles 30, séparées par des entretoises 40. On notera que les lobes 36 des électrodes successives
sont décalées, de sorte que l'on trouve deux sous-
empilements entrelacés de 10 électrodes 30 chacun, les électrodes 30 de chaque sous-empilement étant séparées par des entretoises 40. Les trous 34 définissent un canal 48 destiné à la circulation axiale d'un fluide. Le canal 48 renforce également le couplage entre les interstices de décharge par des mécanismes optiques, principalement
des photons de rayonnement ultraviolet (UV).
De préférence, les électrodes 30 sont faites d'aluminium, et les entretoises 40 ou 42 sont faites d'alumine. L'aluminium présente un coefficient de pulvérisation cathodique relativement faible, qui prolonge la durée de vie des électrodes 30, et une conductivité thermique relativement élevée, qui raccourcit le temps de récupération et prolonge également la durée de vie des électrodes 30. Si le milieu isolant est de l'air, le produit de pulvérisation cathodique principal est de l'alumine, le même matériau que les entretoises 40 ou 42. D'autres matériaux d'électrode, tels que du laiton, tendent à produire un revêtement
conducteur sur les entretoises 40 ou 42.
D'une façon générale, un empilement d'électrodes suivant la présente invention comprend N sous-empilements entrelacés indépendants, décalés les uns par rapport aux autres. Les électrodes d'un sous-empilement particulier
quelconque sont espacées par N interstices de décharge.
La figure 5A illustre le cas habituellement préféré o N=2. Le cas N > 2, avec les entretoises 40 ou 42 plus longues de façon correspondante, et des lobes 36 plus longs et plus étroits, est utile si les électrodes 30 sont particulièrement minces ou bien si les interstices entre les électrodes 30 sont grands. La figure 5B illustre le cas o N=3, avec trois sous-empilements entrelacés d'électrodes 30', chaque sous-empilement
comportant son propre ensemble d'entretoises 40'.
Soit g qui représente la largeur axiale d'interstice entre deux électrodes, et soit d qui représente l'épaisseur d'une électrode. En règle générale, la longueur axiale S=N(g+d)-d de la partie des entretoises
ou 42 qui sépare deux électrodes 30 d'un sous-
empilement particulier devrait être d'au moins trois fois la largeur axiale d'interstice cumulée correspondante G=Ng. Par exemple, si les électrodes 30 sont d'une épaisseur de 2 mm et si les interstices entre les électrodes 30 présentent une largeur de 0,5 mm, alors avec N=2 (largeur d'interstice cumulée de 1 mm), les entretoises présentent une longueur de 3 mm, et avec N=3 (largeur d'interstice cumulée de 1,5 mm), les entretoises présentent une longueur de 5,5 mm, de sorte que soit N=2, soit N=3 constitue une conception satisfaisante. Si les électrodes 30 présentent une épaisseur de 3 mm et si les interstices entre les électrodes 30 présentent une largeur de 1 mm, alors N=3 (largeur d'interstice cumulée de 3 mm) donne une longueur d'entretoise de 9 mm, ce qui est satisfaisant, mais N=2 (largeur d'interstice cumulée de 2 mm) donne une longueur d'entretoise de 5 mm, ce qui
n'est pas satisfaisant.
La règle empirique S > 3G donne la relation suivante pour le rapport R entre l'épaisseur d et la largeur d'interstice g des électrodes:
R > 2N/(N-1)
Ainsi, N=2 entraîne R 2 4, N=3 entraîne R > 3, et à mesure que N augmente, la valeur minimum de R se rapproche de 2. En utilisant des entretoises ondulées, comme dans la conception de la technique antérieure de la figure lC, la règle empirique peut être assouplie, et les électrodes 30 peuvent être rendues plus minces pour une largeur d'interstice g donnée, en produisant un
commutateur encore plus compact.
Le commutateur à éclateur à étages multiples complet de la présente invention comprend un conditionnement approprié pour l'empilement des électrodes. Les composants séparés de conditionnement de l'empilement d'électrodes de la figure 5A sont représentés sur les
figures 6, 7 et 8.
Les figures 6A (coupe axiale en perspective) et 6B (vue de dessus) représentent une coiffe d'extrémité 50, dont deux exemplaires sont montées sur les électrodes les plus externes 30 de l'empilement d'électrodes de la figure 5A. La coiffe d'extrémité 50 comprend trois broches 52 qui s'adaptent dans des trous 38 de l'électrode la plus externe adjacente 30, et trois douilles 54 qui reçoivent les entretoises 40 les plus externes. La coiffe d'extrémité 50 comprend également un
trou central 56 qui aide à définir le canal 48.
Les figures 7A (coupe axiale), 7B (coupe transversale) et 7C (coupe axiale en perspective) représentent une bride d'extrémité 60. L'empilement d'électrodes de la figure 5A est monté entre deux telles brides d'extrémité 60, les électrodes 30 les plus à l'extérieur étant pressées contre les coiffes d'extrémité et contre les brides d'extrémité 60 afin de former un contact ohmique. Un creux central à épaulements 62 dans une première face de la bride d'extrémité 60 loge une coiffe d'extrémité 50 dans un épaulement 70. Une douille de montage 64 dans l'autre face de la bride d'extrémité 70 est utilisée pour le montage du commutateur à éclateur à étages multiples. Des douilles 66 sont prévues pour les connexions haute tension nécessaires. Un canal 68 constitue une interface pour le fluide isolant: dans une première bride d'extrémité 60, le canal 68 est une entrée de fluide, dans l'autre bride d'extrémité 60, le canal 68 est une sortie de fluide. Le commutateur à éclateur à étages multiples est étanchéifié en utilisant un manchon de céramique cylindrique 80, représenté en coupe axiale sur la figure 8A et en perspective sur la figure 8B, ainsi que deux joints toriques (non représentés). Un
épaulement 74 du creux central 62 loge un joint torique.
L'empilement d'électrodes est positionné à l'intérieur du manchon 80 et les deux brides d'extrémité 60 sont pressées jusque sur les deux extrémités du manchon 80, de sorte que les deux extrémités du manchon 80 sont logées dans l'épaulement 72 du creux central 62 et que les joints toriques forment une étanchéité vis-à-vis du manchon 80. Des trous 76 admettent des tiges isolantes (non représentées) dont les extrémités sont filetées afin de recevoir des écrous (également non représentés), et ces tiges et écrous solidarisent le commutateur à
éclateur à étages multiples assemblé.
Dans une variante de la conception illustrée sur les figures 3 à 8, les électrodes 30 ne comportent pas de trous centraux 34 et les coiffes d'extrémité 50 ne comportent pas de trous centraux 56. Le fluide isolant circule à travers cette variante autour des périphéries
des électrodes 30.
Deux variantes différentes de ce commutateur à éclateur à étages multiples correspondent à trois conceptions d'amorçage différentes, illustrées sur la figure 9. Le principe de la totalité des trois conceptions consiste à induire une décharge disruptive de tension en élevant momentanément la tension dans les
interstices de décharge au-dessus de la tension d'auto-
claquage. Sur la figure 9, les commutateurs à éclateur à étages multiples sont représentés de façon simplifiée par des empilements d'électrodes 30 définissant un canal 48 et flanqués par des brides d'extrémité 60. Sur la figure 9 sont également représentées de façon simplifiée des
sources 84 et des puits 86 de fluide isolant.
Dans la première conception d'amorçage, illustrée sur la figure 9A, deux commutateurs à éclateur à étages multiples sont reliés dos à dos, et l'impulsion d'amorçage à haute tension (HT) est appliquée aux deux brides d'extrémité centrales 60. Le générateur d'amorçage est isolé de façon capacitive vis-à-vis des commutateurs
à éclateur.
Dans la seconde conception d'amorçage, illustrée sur la figure 9B, les deux brides d'extrémité centrales 60 sont combinées afin de former une unique bride centrale 61. Cette conception utilise un contact ohmique direct avec les électrodes centrales 30. La bride centrale 61 comporte des douilles analogues aux douilles 66 et deux creux centraux analogues au creux central 62. Au lieu d'un canal 68, la bride centrale 61 comporte un trou circulaire central (non représenté) qui aide à définir un canal de fluide 48. L'avantage mécanique de cette variante par rapport à un commutateur à étages multiples simple comportant le même nombre total d'étages est que, dans cette variante, les écarts par rapport à des critères de conception tels qu'un parallélisme strict des électrodes 30 et des largeurs uniformes d'interstices inter- électrodes ne se cumulent que sur une moitié des étages. La troisième conception d'amorçage, illustrée sur la figure 9C, utilise un amorçage capacitif. Un conducteur circonférentiel, tel qu'un ruban conducteur 82, entoure
le manchon de céramique 80 au milieu de l'empilement.
L'impulsion d'amorçage est appliquée au ruban 82, et la tension de l'impulsion est divisée de façon capacitive entre la capacité rubanempilement (élevée) et la capacité de la moitié de l'empilement (basse). Ainsi, la tension d'amorçage est transférée vers la région du milieu de l'empilement d'électrodes, et le processus se
poursuit comme dans la seconde conception d'amorçage.
L'avantage électrique de la troisième conception est l'isolement capacitif inhérent du générateur d'enclenchement et la basse consommation de
courant/énergie d'amorçage qui en résulte.
Comme on l'a noté ci-dessus, l'un des avantages des commutateurs à éclateur à étages multiples est d'une façon générale qu'ils peuvent être mis en oeuvre à la pression atmosphérique. Ceci est vrai, bien entendu, pour le commutateur de la présente invention. Néanmoins, en utilisant de l'air comme milieu isolant, on a trouvé avantageux de mettre en oeuvre le commutateur de la présente invention à des pressions allant de 0 à 8,28 x 104 Pa (0 à 12 livres par pouce carré) au-dessus de la pression atmosphérique, la plage préférée étant de 2,06 x 104 à 3,45 x 104 Pa (3 à 5 livres par pouce carré) au-dessus de la pression atmosphérique. Comme la tension de claquage augmente de façon monotone avec la pression du milieu isolant gazeux, l'utilisation de pression supérieure de plusieurs dizaines de kPa au-dessus de la pression atmosphérique augmente la plage dynamique du commutateur. Le fait de substituer des gaz inertes tels que de l'azote ou des gaz rares tels que de l'hélium ou du xénon, ou bien des mélanges de ceux- ci, à l'air en tant que milieu isolant, présente l'avantage d'augmenter la
durée de vie du commutateur.
Des paramètres structurels et fonctionnels préférés pour un commutateur à éclateur à étages multiples du type N=2 de la présente invention sont les suivants: interstice g=0,5 mm milieu isolant: de l'air à une pression de 2,06 x 1 0 à 3,45 x 104 Pa (3 psi et 5 psi) au-dessus de
la pression atmosphérique.
chute de tension par interstice: entre lkV et 2kV.
courant: de plusieurs centaines d'ampères à
plusieurs kilo-ampères. La tension d'inhibition totale est le produit de la chute de tension par
interstice et du nombre des interstices. Dans un commutateur à 39 étages caractéristique de la présente invention, cette tension
d'inhibition est d'environ 40 kV.
Bien que l'invention ait été décrite par rapport à un nombre limité de modes de réalisation, on se rendra compte que de nombreuses variantes, modifications et autres applications de l'invention peuvent être réalisées.
Claims (39)
1. Commutateur à éclateur, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une première électrode pratiquement plane (20a) comprenant une partie de décharge (24a) et une partie de support (26a); et (b) une seconde électrode pratiquement plane (20b) parallèle à ladite première électrode et espacée de celle-ci, et comprenant une partie de décharge (24b) et une partie de support (26b), lesdites parties de décharge (24a, 24b) étant mutuellement opposées, et lesdites parties de support (26a, 26b) étant
mutuellement décalées.
2. Commutateur à éclateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites parties de décharge sont
espacées l'une de l'autre d'au moins environ 1 mm.
3. Commutateur à éclateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: (c) une troisième électrode pratiquement plane (20c) parallèle à ladite seconde électrode (20b) et comprenant une partie de décharge (24c) et une partie de support (26c), ladite seconde électrode (20b) se trouvant entre ladite première électrode et ladite troisième électrode et étant espacée de ladite première électrode et de ladite troisième électrode, lesdites parties de décharge (24b, 24c) desdites seconde et troisième électrodes étant mutuellement opposées, lesdites parties de support (26b, 26c) desdites seconde et troisième électrodes
étant mutuellement décalées.
4. Commutateur à éclateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: (d) au moins une quatrième électrode pratiquement plane parallèle à ladite troisième électrode, chacune desdites au moins une quatrième électrode comprenant une partie de décharge et une partie de support, la totalité desdites au moins une quatrième électrode se trouvant entre ladite seconde électrode et ladite troisième électrode étant espacées les unes des autres et desdites seconde et troisième électrodes, lesdites parties de décharge desdites au moins une quatrième électrode adjacentes étant mutuellement opposées, ladite partie de décharge de ladite quatrième électrode qui est adjacente à ladite seconde électrode étant opposée à ladite partie de décharge de ladite seconde électrode, ladite partie de décharge de ladite quatrième électrode qui est adjacente à ladite troisième électrode étant opposée à ladite partie de décharge de ladite troisième électrode, toutes lesdites parties de support de ladite au moins une quatrième électrode étant mutuellement décalées et étant décalées relativement aux parties de support desdites seconde et
troisième électrodes.
5. Commutateur à éclateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: (d) une quatrième électrode pratiquement plane parallèle à ladite troisième électrode et comprenant une partie de décharge et une partie de support, ladite troisième électrode se trouvant entre ladite seconde électrode et ladite quatrième électrode et étant espacée de ladite seconde électrode et de ladite quatrième électrode, lesdites parties de décharge desdites troisième et quatrième électrodes étant mutuellement opposées, lesdites parties de support desdites troisième et quatrième électrodes étant
mutuellement décalées.
6. Commutateur à éclateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: (d) au moins une entretoise isolante (22) entre lesdites parties desdites première et troisième électrodes et
en contact avec celles-ci.
7. Commutateur à éclateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie de support de ladite première électrode comprend une pluralité de lobes (36) s'étendant vers l'extérieur à partir de ladite partie de
décharge de ladite première électrode.
8. Commutateur à éclateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites parties de décharge sont annulaires, lesdits anneaux définissant un canal de
circulation de fluide (48).
9. Commutateur à éclateur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: (c) un mécanisme destiné à amener un fluide à circuler à travers ledit canal de circulation de fluide (48).
10. Commutateur à éclateur selon la revendication 9,
caractérisé en ce que ledit fluide est de l'air.
11. Commutateur à éclateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit air est sensiblement à la
pression atmosphérique.
12. Commutateur à éclateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit air se trouve à une pression de jusqu'à environ 8,28 x 104 Pa (12 psi) au-dessus de la
pression atmosphérique.
13. Commutateur à éclateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit air se trouve à une pression entre environ 2,06 x 104 Pa (3 psi) au-dessus de la pression atmosphérique et environ 3,45 x 104 Pa (5 psi)
au-dessus de la pression atmosphérique.
14. Commutateur à éclateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit fluide comprend un gaz sélectionné parmi le groupe constitué de l'azote et des
gaz rares.
15. Commutateur à éclateur caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un premier empilement d'au moins deux électrodes pratiquement planes, mutuellement parallèles (30), chacune desdites électrodes comprenant: (i) une partie de décharge (32), et (ii) une partie de support (36); lesdites parties de décharge desdites électrodes adjacentes étant espacées et mutuellement opposées, lesdites parties de support desdites électrodes
adjacentes étant mutuellement décalées.
16. Commutateur à éclateur selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: (b) un mécanisme d'amorçage, destiné à appliquer une impulsion à tension élevée à une électrode
extérieure dudit premier empilement.
17. Commutateur à éclateur selon la revendication 16, caractérisé en ce que ledit mécanisme d'amorçage est
isolé de façon capacitive de ladite électrode extérieure.
18. Commutateur à éclateur selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: (c) un second empilement d'au moins deux électrodes pratiquement planes, mutuellement parallèles (30), chacune desdites électrodes dudit second empilement comprenant: (i) une partie de décharge (32), et (ii) une partie de support (36); lesdites parties de décharge desdites électrodes adjacentes dudit second empilement étant espacées et mutuellement opposées, lesdites parties de support desdites électrodes adjacentes étant mutuellement décalées, ledit mécanisme d'amorçage étant configuré de façon à appliquer ladite impulsion à tension élevée simultanément à ladite électrode extérieure dudit premier empilement et à une électrode extérieure dudit second empilement.
19. Commutateur à éclateur selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: (b) un mécanisme d'amorçage destiné à appliquer de façon capacitive une impulsion à tension élevée
audit premier empilement d'électrodes.
20. Commutateur à éclateur selon la revendication 19, caractérisé en ce que ledit mécanisme d'amorçage comprend un conducteur circonférentiel (82) entourant ledit
premier empilement et espacé de celui-ci.
21. Commutateur à éclateur selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdites parties de décharge sont annulaires, lesdits anneaux définissant un canal de circulation de fluide (48), l'éclateur comprenant en outre: (b) un mécanisme destiné à amener un fluide à circuler à travers ledit canal de circulation de
fluide.
22. Commutateur à éclateur selon la revendication 21,
caractérisé en ce que ledit fluide est de l'air.
23. Commutateur à éclateur selon la revendication 22, caractérisé en ce que ledit air se trouve pratiquement à
la pression atmosphérique.
24. Commutateur à éclateur selon la revendication 22, caractérisé en ce que ledit air se trouve à une pression de jusqu'à environ 8,28 x 104 Pa (12 psi) au-dessus de la
pression atmosphérique.
25. Commutateur à éclateur selon la revendication 24, caractérisé en ce que ledit air se trouve à une pression entre environ 2,06 x 104 Pa (3 psi) au-dessus de la pression atmosphérique et environ 3,45 x 104 Pa (5 psi)
au-dessus de la pression atmosphérique.
26. Commutateur à éclateur selon la revendication 21, caractérisé en ce que ledit fluide comprend un gaz sélectionné parmi le groupe constitué de l'azote et des
gaz rares.
27. Commutateur à éclateur caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un premier empilement d'au moins deux électrodes pratiquement planes, mutuellement parallèles (30), chacune desdites électrodes comprenant une partie de décharge (32), lesdites parties de décharge desdites électrodes adjacentes étant mutuellement opposées et espacées l'une de l'autre d'au moins
environ un millimètre.
28. Commutateur à éclateur selon la revendication 27, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: (b) au moins une entretoise isolante (40, 42), présentant une surface externe lisse, destinée à maintenir lesdites électrodes dans ladite relation espacée.
29. Commutateur à éclateur selon la revendication 27, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: (b) un mécanisme d'amorçage, destiné à appliquer une impulsion à tension élevée à une électrode externe
dudit premier empilement.
30. Commutateur à éclateur selon la revendication 29, caractérisé en ce que ledit mécanisme d'amorçage est isolé de façon capacitive par rapport à ladite électrode
externe.
31. Commutateur à éclateur selon la revendication 29, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: (c) un second empilement d'au moins deux électrodes pratiquement planes, mutuellement parallèles (30), chacune desdites électrodes dudit second empilement comprenant une partie de décharge (32), lesdites parties de décharge desdites électrodes adjacentes dudit second empilement étant mutuellement opposées et espacées l'une de l'autre d'au moins environ un millimètre, ledit mécanisme d'amorçage étant configuré de façon à appliquer ladite impulsion à tension élevée de façon simultanée à ladite électrode externe dudit premier empilement et à une
électrode externe dudit second empilement.
32. Commutateur à éclateur selon la revendication 27, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: (b) un mécanisme d'amorçage destiné à appliquer de façon capacitive une impulsion à tension élevée
audit premier empilement d'électrodes.
33. Commutateur à éclateur selon la revendication 32, caractérisé en ce que ledit mécanisme d'amorçage comprend un conducteur circonférentiel (82) entourant ledit
premier empilement et espacé de celui-ci.
34. Commutateur à éclateur selon la revendication 27, caractérisé en ce que lesdites parties de décharge sont annulaires, lesdits anneaux définissant un canal de circulation de fluide, l'éclateur comprenant en outre: (b) un mécanisme destiné à amener un fluide à circuler
à travers ledit canal de circulation de fluide.
35. Commutateur à éclateur selon la revendication 34,
caractérisé en ce que ledit fluide est de l'air.
36. Commutateur à éclateur selon la revendication 35, caractérisé en ce que ledit air se trouve pratiquement à
la pression atmosphérique.
37. Commutateur à éclateur selon la revendication 35, caractérisé en ce que ledit air se trouve à une pression de jusqu'à environ 8,28 x 104 Pa (12 psi) au-dessus de la
pression atmosphérique.
38. Commutateur à éclateur selon la revendication 37, caractérisé en ce que ledit air se trouve à une pression entre environ 2,06 x 104 Pa (3 psi) au-dessus de la pression atmosphérique et environ 3,45 x 104 Pa (5 psi)
au-dessus de la pression atmosphérique.
39. Commutateur à éclateur selon la revendication 34, caractérisé en ce que ledit fluide comprend un gaz sélectionné parmi le groupe constitué de l'azote et des
gaz rares.
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