FR3017486A1 - Deflecteur pour ampoule a vide surmoulee - Google Patents

Abstract

Afin d'améliorer la qualité du surmoulage en époxy d'une ampoule à vide (1), les parois fines des couvercles (61, 62) du tube céramique (4), comprenant une paroi latérale (71, 72) s'étendant le long de l'axe (AA) de l'ampoule (1) et une paroi de fond, sont associés à des capots (261, 262) qui les entourent. L'inertie thermique des moyens de fermeture métallique du tube céramique (4) est ainsi augmentée.

Description

DEFLECTEUR POUR AMPOULE A VIDE SURMOULEE 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, et se rapporte à la mise en place d'un capot autour des couvercles de l'ampoule permettant d'optimiser la fiabilité du surmoulage par un matériau isolant.

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 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. 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.

Pour éviter des décharges partielles, les points triples peuvent être renforcés par du matériau conducteur (WO 2007/116661, GB 2 160 710), parfois associés à des déflecteurs (EP 1 680 792). Par ailleurs, afin de pallier les fissurations de l'isolant pouvant survenir en raison des différences de coefficient de dilatation thermique du cylindre en céramique, des bols en métal et du revêtement en époxy, des solutions variées d'interposition de couches souples ou élastiques entre le revêtement et l'ampoule, sur tout ou partie de l'interface, ont été proposées : voir par exemple JP 2004306528, WO 2013/113499. 11 apparaît cependant que des fissurations et/ou un défaut de compacité de la résine de type fougère et/ou un décollement au niveau de l'interface avec le couvercle peuvent, malgré les solutions précédentes, apparaître au sein du surmoulage en époxy et générer des décharges partielles. EXPOSE DE L'INVENTION Parmi autres avantages, l'invention vise à pallier des inconvénients des ampoules existantes et à minimiser les risques d'apparition de fissures et de manque de compacité au sein du revêtement epoxy au niveau des capots métalliques d'une ampoule céramique.

En particulier, l'invention est relative à un dispositif de coupure, notamment une ampoule à vide, comprenant une chambre étanche s'étendant le long d'un axe longitudinal, de préférence un axe de symétrie. La chambre étanche loge deux contacts mobiles relativement l'un à l'autre le long de l'axe, et solidaires d'électrodes qui se prolongent hors de la chambre. La chambre de coupure est revêtue par un enrobage isolant en résine thermodurcissable, de préférence une résine époxyde, ou époxy, avantageusement lui- même revêtu par un revêtement conducteur servant de blindage électrostatique. La chambre de coupure comprend une partie tubulaire, avantageusement en céramique, ouverte à ses extrémités, et obturée par des moyens de fermeture qui lui sont solidarisés. A une extrémité au moins, les moyens de fermeture comprennent un couvercle conducteur, notamment métallique, avec un fond sensiblement plat et orthogonal à l'axe longitudinal dans lequel une électrode de contact peut passer, et une paroi latérale qui est couplée à la partie tubulaire, avantageusement par brasage, au niveau d'une zone de jonction, qui peut définir une ligne sur la paroi tubulaire. Les moyens de fermeture à chaque extrémité peuvent être similaires, la longueur des parois latérales des couvercles pouvant quant à elle différer ; alternativement une des extrémités peut être fermée par d'autres moyens.

Chaque couvercle de fermeture de la partie tubulaire est quant à lui logé sans jeu au sein d'un capot conducteur, de préférence en cuivre grillagé, comprenant une paroi de fond contre laquelle est adossé son fond et une paroi latérale périphérique s'étendant sur la longueur de la paroi latérale du couvercle. La paroi latérale périphérique peut être prolongée par une partie d'extrémité qui loge alors la zone de jonction et une extrémité de la partie tubulaire ; la partie d'extrémité peut être d'épaisseur supérieure à celle du reste du capot, et peut être écartée de la partie tubulaire par un espace, dans lequel peut être mis en place un joint. La surface externe du capot est de préférence dépourvue d'angles vifs.

L'invention concerne également une ampoule à vide comprenant le dispositif de coupure précédent, dans lequel la chambre est sous une pression inférieure à la pression atmosphérique, l'un des contacts étant fixe et solidarisé au couvercle. 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 de l'invention. Les figures 2A et 2B illustrent plus particulièrement le couvercle et le capot dans 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 à 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, 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 6i, 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 7i, 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 latérale 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 66 mm fonctionnant à 17,5 kV) est supérieure à l'épaisseur du couvercle 6 (par exemple de l'ordre de 1, à 2,5 mm), et les deux extrémités sont mises bord à bord, avec brasure sous vide de la coiffe 6 sur 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 10i, 102 mobiles l'un par rapport à l'autre le long de l'axe AA de l'ampoule 1. Chaque contact 10i, 102 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 6i 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. 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.

L'isolation solide est classiquement réalisé par surmoulage d'une résine thermodurcissable 22, notamment de la résine époxyde, communément appelée epoxy, éventuellement sous forme composite avec tissu en fibres de verre. De par sa nature même, la mise en place de l'isolation solide 22 implique le positionnement de l'enveloppe 2 de la chambre au sein d'un moule chauffé afin d'y injecter la résine. Malgré toutes les précautions, il peut arriver que des fissurations, décollements ou défauts de type fougères, apparaissent au niveau des couvercles 6 de la chambre à vide 2, ce qui cause l'apparition de décharges partielles lors de la mise en service d'un disjoncteur 1 la contenant. Afin de permettre un surmoulage époxy sans fougères, selon l'invention, des capots 26f, 262 sont associés aux couvercles 6i, 62, et en épousent les formes. En particulier, tel qu'illustré également en figures 2, un capot 26 comprend un fond 28 qui se met en place perpendiculairement à l'axe longitudinal AA contre le couvercle 6, ledit fond 28 étant prolongé à sa périphérie par une paroi latérale périphérique 30, définissant un évidement dans lequel le couvercle 6 de l'ampoule 1 peut se mettre en place. Le fond 28 du capot 26 comprend un orifice 32 permettant le passage de l'électrode 14. La paroi périphérique 30 du déflecteur 26 se prolonge le long de l'axe AA sur toute la longueur de la paroi 7 du couvercle 6 pour atteindre la zone de jonction 8.

Le capot 26 réalisé en métal est en contact étroit avec le couvercle 6 : la présence du capot 26 conduit ainsi à accroître la masse d'un ensemble formant coiffe 6, 26, ce qui augmente son inertie thermique. Grâce à ce système, l'ensemble capot 26 + couvercle 6 peut avoir un coefficient de refroidissement sensiblement égal à celui de la tige d'électrode 14, formée en cuivre plein, et de la céramique 4. Grâce à l'homogénéité du coefficient de refroidissement ainsi obtenue, lors de la mise en place de la chambre 2 dans le moule de surmoulage, et lors du surmoulage par l'epoxy 22, l'enveloppe de la chambre 2 se comporte de façon uniforme, entraînant moins de contraintes au sein de l'epoxy 22, et diminuant de façon notable le manque de compacité, le décollement à l'interface et la présence de fissurations.

De fait, dans l'art antérieur, malgré un préchauffage de l'ampoule dans une étuve préalablement à la mise en place dans un moule chaud pour injection d'epoxy, lors du déplacement de l'enveloppe de la chambre 2 de l'étuve vers le moule, comme le couvercle 6 présente une surface importante et une épaisseur de cuivre relativement faible, il refroidit très vite : la température est donc plus faible dans cette zone dite « froide », avec un écart important entre les températures de la résine epoxy et de la zone froide. De plus, cet écart est très supérieur à l'écart entre la température de la résine epoxy 22 et celle de l'électrode 14 (réalisée en cuivre monobloc épais, qui refroidit lentement) ou celle de la céramique (réfractaire par nature). La zone froide peut occasionner lors du surmoulage des défauts de type fissuration, fougères ou décollements. L'épaisseur du nouvel écran métallique 26 s'ajoute à l'épaisseur de cuivre dans la zone froide et améliore ainsi la gestion thermique des moyens de fermeture 6 de la chambre 2.

Avantageusement, le capot 26 est en cuivre, de préférence ajouré afin de permettre la pénétration d'epoxy, et notamment en grillage cuivré, par exemple du laiton, ce qui empêche la structure en sandwich lors de la mise en place du couvercle 6 dans le capot 26, très néfaste pour la tenue aux décharges partielles en présence d'un champ électrique élevé.

Bien qu'un contact soit nécessaire entre le capot 26 et le couvercle 6 pour assurer la continuité thermique, l'utilisation de grillage permet de limiter également les problèmes d'ajustements : le capot 26 forme ainsi de préférence une coupelle de forme complémentaire à celle du couvercle 6 qui peut s'y insérer avec quelques points de contact, obtenus par exemple par compression lors de l'insertion. Notamment, il est possible de prévoir éventuellement un léger écartement, par exemple inférieure à 0,5 mm, entre capot 26 et couvercle 6. De préférence, le capot 26 recouvre également la zone de jonction 8, et la paroi latérale 30 est prolongée par une partie d'extrémité 34 de façon à ce que la longueur du capot 26 dépasse celle 7 du couvercle 6. La partie d'extrémité 34 peut être de diamètre interne supérieur à la paroi latérale 30 dans laquelle se loge le couvercle 6 pour prendre en compte le décalage formé par l'épaisseur du tube céramique 4, formant ainsi un rebord. Par ailleurs, comme le rebord d'extrémité 34 se met 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, il peut être d'épaisseur supérieure à celle de la partie du capot 26 dans laquelle repose le couvercle 6. Par exemple, d'épaisseur générale de l'ordre de 0,5 mm, le capot diélectrique 26 peut comprendre une partie renflée d'extrémité 34 atteignant 2 mm d'épaisseur, sur une longueur de l'ordre de 18 mm au delà de la brasure 8.

De fait, le rebord 34 a une fonction différente du reste de la paroi latérale 30, et de la paroi de fond 28, du capot 26, qui sont associées à des parties de cuivre 6 d'épaisseur classiquement inférieure à 4 mm pour en augmenter l'inertie thermique : il s'agit ici plus particulièrement de servir de déflecteur. Le rebord 34 peut ainsi être plus éloigné de l'enveloppe 2, avec un espace entre la céramique 4 et le cuivre 34. Selon le mode de réalisation illustré, il est possible d'écarter volontairement le rebord 34 du capot 26 du tube en céramique 4, pour que l'époxy puisse s'insérer entre le grillage du capot 34 et la céramique 4 ; il peut alors être avantageux de mettre en place un joint 36 au niveau de la brasure 8, notamment pour couvrir les points saillants aux bornes des points triples de l'ampoule à vide 1. 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 déflecteur 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. Grâce à cette solution de mise en place de capots 26 déflecteurs grillagés, les résultats suivants sont obtenus : les champs électriques au point triple de l'ampoule à vide sont gérés de façon similaire à celle des déflecteurs standards qui correspondent au rebord 34 du capot 26 ; le problème de fougère, initié par un écart thermique entre le couvercle 6, de faible épaisseur de cuivre, et la résine epoxy 22 est résolu ; la tenue au cycle thermique et donc la tenue dans le temps du pôle surmoulé 1 est améliorée ; l'adhérence de l'époxy au niveau de l'ensemble capot 26/couvercle 6 est optimisée ; le capot 26 et le couvercle 6 créent une cage de Faraday, étant donné que le rebord 34 et la paroi latérale 30 sont au même potentiel diélectrique que le couvercle 6, ce qui augmente encore la fiabilité en cas de présence résiduelle de défaut dans l'époxy, la cage de Faraday confinant les décharges partielles entre capot 26 et couvercle 6.

Ainsi de plus, dans un mode de réalisation préféré selon l'invention, il est possible de ne pas sabler la génératrice des couvercles d'ampoule à vide dans la zone protégée par la cage de Faraday constituée entre capot 26 et couvercle 6, ce qui permet de réaliser le sablage de la partie isolante 4 avant mise en place des éléments internes. Par exemple, un masque peut être utilisé, mais de fait, cette possibilité diminue les contraintes de rugosité sur le sablage, et notamment les vérifications à cet endroit, y compris quand le sablage est réalisé pour la totalité de l'enveloppe de la chambre à vide 2.

La réalisation de l'ampoule peut ainsi comprendre les étapes suivantes : sablage de l'ampoule à vide 1 munie de ses deux couvercles 61, 62 ; assemblage de deux capots 26i, 262 dont la forme épouse la forme des couvercles 61, 62, en grillage métallique sur la chambre 2, avantageusment avec logement de joints 36 en matière synthétique à l'intérieur des extrémités déflectrices 34 pour couvrir les points saillants aux bornes des points triples de l'ampoule à vide 1 et éviter toute amorce à la rupture ; nettoyage dans un bain à ultrasons pour éliminer toute trace de salissure, séchage ; préchauffage de l'assemblage à une température supérieure à la température du moule pendant une durée suffisante pour que l'assemblage ait une température proche de celle du moule afin d'optimiser la qualité du surmoulage - par exemple, l'assemblage est préchauffé à 170°C pendant plus d'une heure pour un moule chauffé à 150°C ; surmoulage de l'enveloppe 2 d'ampoule à vide 1 par la résine epoxy 22, par exemple par gélification automatique sous pression APG (« Automatic Pressure Gelation ») maîtrisant le retrait de la résine et améliorant la compacité de l'époxy ; sablage du pôle et métallisation 24. 11 est ainsi possible de fabriquer un tableau compact avec un disjoncteur à vide dont les pôles sont issus d'une technologie d'isolation solide blindée. Malgré les contraintes diélectriques alors très élevées étant donné l'application de la tension sur une faible épaisseur d'isolation solide (en générale inférieure à 20 mm pour un pôle blindé de 17,5 kV), la tenue aux décharges partielles est assurée, et a minima conforme aux exigences y relatives.

Bien que l'invention ait été décrite en référence à une ampoule à vide dans laquelle les deux couvercles 61, 62 métalliques s'étendent longitudinalement pour prolonger l'espace tubulaire de la céramique, elle ne s'y limite pas : d'autres éléments peuvent être concernés par l'invention. En particulier, le tube céramique 4 pourrait n'être fermé que par un couvercle 6 ayant une paroi latérale 7, l'autre extrémité du tube 4 étant fermée par des moyens adaptés, auquel cas la présence d'un capot 26 à cette extrémité peut être superflue.

Bien entendu, l'invention peut être appliquée à une enceinte longitudinale ne contenant pas de contacts mobiles relativement et servant par exemple de fusible.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. 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), lesdits contacts (10) étant solidaires d'électrodes (14) se prolongeant le long de l'axe (AA) hors de la chambre étanche (2), dans lequel : l'enveloppe de la chambre (2) comprend une partie tubulaire (4) ouverte à ses extrémités, un premier couvercle conducteur (61) solidarisé à une première extrémité de la partie tubulaire (4) par une première zone de jonction (8), et des moyens de fermeture de la deuxième extrémité de la partie tubulaire (4) ; le premier couvercle (61) comprend un fond sensiblement orthogonal à l'axe longitudinal (AA) au sein duquel passe une première électrode (14) de contact, prolongé sur sa périphérie par une paroi latérale (71) jusqu'à la zone de jonction (8) ; le premier couvercle (61) est logé sans jeu au sein d'un premier capot conducteur (26) comprenant une paroi de fond (28) contre laquelle est adossé le fond dudit premier couvercle (61), et une paroi latérale périphérique (30) s'étendant parallèlement à la paroi latérale (71) dudit premier couvercle (61) et sur la même longueur ; la chambre (2) est revêtue d'un enrobage isolant en résine thermodurcissable (22).
2. 2. Dispositif de coupure selon la revendication 1 dans lequel le premier capot (26) comprend une partie d'extrémité (34) prolongeant la paroi latérale (30) et dans laquelle sont localisées la zone de jonction (8) et une extrémité de la partie tubulaire (4).
3. 3. Dispositif de coupure selon la revendication 2 dans lequel l'épaisseur de la partie d'extrémité (34) est supérieure à l'épaisseur de la paroi latérale (30) et de la paroi de fond (28) du premier capot (26).
4. 4. Dispositif de coupure selon la revendication 3 comprenant un joint (36) entre la partie d'extrémité (34) du premier capot (26) et la zone de jonction (8).
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel la surface externe du premier capot (26) est dépourvue d'angles vifs.
6. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le premier capot (26) est formé par un grillage métallique, notamment du cuivre.
7. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel la partie tubulaire (4) est isolante en céramique, le premier couvercle (61) 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).
8. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel les moyens de fermeture de la deuxième extrémité de la partie tubulaire (4) comprennent un deuxième couvercle (62) comprenant un fond sensiblement orthogonal à l'axe longitudinal (AA) au sein duquel passe la deuxième électrode (14) de contact, prolongé sur sa périphérie par une paroi latérale (72) jusqu'à la zone de jonction (8), ledit deuxième couvercle (62) étant logé sans jeu au sein d'un deuxième capot conducteur (26) similaire au premier capot et comprenant notamment une paroi de fond (28) contre laquelle est adossé le fond dudit deuxième couvercle (62), et une paroi latérale périphérique (30) s'étendant parallèlement à la paroi latérale (72) dudit deuxième couvercle (62) et sur la même longueur.
9. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 comprenant en outre un revêtement conducteur (24) autour de l'enrobage isolant (22) pour servir de blindage électrostatique, l'enrobage isolant (22) étant de préférence réalisé en résine époxyde.
10. 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 pressionatmosphérique, l'un des contacts (10i) est fixe et solidarisé au premier couvercle (6i) et l'autre contact (102) est mobile.