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Dokumentenidentifikation EP1655749 10.01.2008
EP-Veröffentlichungsnummer 0001655749
Titel Kontaktpastille für einen beweglichen elektrischen Kontakt eines Schutzschalters, beweglicher elektrischer Kontakt mit einer solchen Pastille und Schutzschalter mit einem solchen Kontakt
Anmelder Schneider Electric Industries SAS, Rueil-Malmaison, FR
Erfinder Rival, Marc, 38050 Grenoble Cedex 09, FR;
Gastaldin, Guy, 38050 Grenoble Cedex 09, FR;
Favre-Tissot, Jean-Paul, 38050 Grenoble Cedex 09, FR;
Pizot, Franck, 38050 Grenoble Cedex 09, FR
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 602005003537
Vertragsstaaten DE, ES, GB, IT
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 11.10.2005
EP-Aktenzeichen 053540357
EP-Offenlegungsdatum 10.05.2006
EP date of grant 28.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.01.2008
IPC-Hauptklasse H01H 1/02(2006.01)A, F, I, 20060406, B, H, EP

Beschreibung[fr]
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

L'invention est relative à une pastille de contact destinée à être fixée sur un contact mobile de disjoncteur basse tension destiné à supporter des courants crêtes de court-circuit compris entre 200 et 600 ampères par millimètre carré de pastille. La pastille est constituée d'un alliage de matériau conducteur à base d'argent ou de cuivre, d'une fraction de particules réfractaires telles que du carbure de tungstène, du tungstène ou du nitrure de titane et d'une fraction de fibres de carbone

ETAT DE LA TECHNIQUE

La présence de défauts électriques à l'intérieur de dispositifs de coupure tel que des disjoncteurs électriques provoque une brusque ouverture de leurs contacts électriques. Cette ouverture rapide est généralement accompagnée d'arcs électriques donnant naissance à des contraintes importantes au niveau desdits contacts, plus particulièrement au niveau de leurs surfaces ou zones de contact.

Afin d'augmenter la longévité des contacts électriques utilisés dans de tels dispositifs, il est connu de modifier la structure de la surface ou zone de contact des contacts électriques. Des solutions consistent à ajouter au niveau de la surface ou zone de contact des matériaux composites sous la forme de pastilles de différentes épaisseurs et de différents matériaux.

Les pastilles sont généralement en alliage d'argent ou de cuivre. Elles sont réalisées de manière usuelle par frittage d'une poudre composée d'un alliage à base d'argent, notamment argent et tungstène ou argent et nickel. Ces matériaux de contact présentent une conductibilité électrique élevée, une résistance suffisante à l'oxydation et de bonnes propriétés en ce qui concerne la résistance de contact.

Cependant, les matériaux de contact connus à base d'argent montrent une tendance indésirable à la soudure. En outre, ils ont tendance à provoquer l'adhérence des surfaces de contact ou/et une migration de matière entre les éléments de contact. Enfin, leur utilisation est généralement associée à une usure trop important des contacts.

De nombreuses solutions consistent à ajouter à la poudre d'alliage un matériau conducteur tel que du graphite. De tels matériaux sont couramment utilisés pour réaliser les pastilles de contact des disjoncteurs. Le graphite présent dans la matrice métallique permet de réduire le risque de soudure des contacts. Toutefois, la présence du graphite entraîne une érosion mécanique accrue de la pastille.

Du carbone, sous forme de fibres peut être aussi apporté à la poudre d'alliage (document US4699763 ). La résistance à l'érosion est alors améliorée, mais cette amélioration est acquise au prix d'une altération du comportement du contact à la soudure. Les fibres de carbone sont mélangées à la poudre métallique avec un apport d'agent mouillant, lubrifiant et solvant par voie humide, puis on effectue un séchage, une compression et un frittage. L'inconvénient d'un tel procédé est qu'il implique des complications inhérentes à un processus conduit en voie humide.

Pour trouver un compromis acceptable entre le comportement du matériau à l'érosion et son comportement anti-soudure, il est proposé d'après le document DE4111683 de mélanger des particules de graphite à des fibres de carbone, ce mélange étant incorporé à la poudre métallique. Cet apport hybride de carbone dans la matrice métallique, permet d'obtenir des comportements du matériau à l'érosion et à la soudure intermédiaires entre ceux qu'il aurait montrés avec un apport de particules de graphite seules ou avec un apport de fibres de carbone seules. Mais il s'avère que, sous de fortes sollicitations et en particulier sous de forts courants de court-circuit, les particules de graphite, de part leur parfaite structure cristalline, montrent une tendance à être expulsées de la surface du matériau. Cette expulsion détériore la surface du matériau d'une manière telle que les fibres de carbone en sont également expulsées à leur tour. Il en résulte un enrichissement de la surface en argent et donc une altération des qualités initialement recherchées par l'apport de graphite.

Dans le document EP0171339 est décrit un procédé de fabrication de contacts électriques par imprégnation d'un substrat de fibres de carbone par un métal liquide sous pression, puis par filage à chaud du mélange ainsi obtenu. On constate que les contacts résultants montrent une trop forte propension au soudage.

Dans le document EP0729162 est décrit un procédé de fabrication de contacts électriques à base de poudre d'un métal bon conducteur électrique tel que l'argent et de fibres de carbone broyées de longueur moyenne inférieure à 20µm. Dans des applications courantes de coupure, on constate que la surface de contact garde, après coupure sous un courant de court-circuit, sa structure fine, homogène et isotrope de résidus de fibres de longueur variable et d'orientation quelconque dans la matrice d'argent. Les proportions pondérales de résidus de fibre de carbone broyées sont comprises entre 2 à 5% avec la poudre d'argent. Pour des disjoncteurs limiteurs utilisés pour des applications dans lesquelles l'arc stagne peu sur les contacts, le matériau ainsi obtenu montre une résistance de contact après coupure faible, de bonnes qualités d'anti-soudure et une résistance à l'érosion acceptable. Cependant, l'utilisation de ce matériau trouve ses limites dans des applications pour lesquelles on est présence de disjoncteurs sélectifs où le courant de défaut apparaissant sur les pastilles, a la valeur du courant présumé de court-circuit ; soit plusieurs dizaines de kilo ampères. La robustesse à l'érosion des pastilles de contact décrites ci-dessus n'est plus suffisante et des micro-soudures sont observées lors de passage de courant de plusieurs dizaines de kilo ampères pendant 1 seconde sans ouverture de l'appareil.

Par ailleurs, lorsque la taille de ce type de disjoncteur est miniaturisée et lorsque l'adjonction d'éléments filtrants réduit de manière drastique les manifestations extérieures, le choix optimum de matériau de contact est encore plus draconien. En effet, l'énergie de coupure similaire à celle dégagée dans les disjoncteurs classiques doit être absorbée dans un volume miniaturisé et quasiment clos. Il s'ensuit un dépôt important de polluants sur les contacts. Ce dépôt est constitué en particulier d'acier fondu issu de l'ablation des ailettes de la chambre d'extinction d'arc.

EXPOSE DE L'INVENTION

L'invention vise donc à remédier aux inconvénients de l'état de la technique, de manière à proposer une pastille de contact ayant une faible résistance de contact post coupure, une forte résistance à l'érosion et de bonnes propriétés anti-soudure.

Une pastille de contact selon l'invention comprend un pourcentage pondéral de fibres de carbone dans la pastille strictement inférieur à 2% de la masse totale de ladite pastille de contact

Le pourcentage pondéral de fibres de carbone dans la pastille de contact est compris entre 0,5% et 1.9% de la masse totale de ladite pastille de contact.

Avantageusement, les fibres de carbone sont des fibres broyées de longueur inférieure à 20 µm.

De préférence, les fibres de carbones sont constituées de fibres carbonisées contenant au moins 90% de carbone, moins de 10% d'azote, sensiblement 1 % d'oxygène et moins de 1 % d'hydrogène.

Selon un mode de développement de l'invention, la pastille de contact est composée de 79% de l'alliage d'argent, de 20% de carbure de tungstène (CW) et de 1 % de fibre de carbone.

Un contact mobile de disjoncteur selon un mode développement de l'invention, comprend un doigt de contact mobile relié à une pastille de contact telle que définie ci-dessus, la pastille étant reliée au doigt de contact mobile par l'intermédiaire d'une fine couche de matériau conducteur à base d'alliage d'argent.

Un disjoncteur selon un mode développement de l'invention comprend une chambre de coupure comportant des moyens de filtrage destinés à atténuer des manifestations extérieures des gaz présents dans la chambre de coupure au moment des ouvertures, et comprend un mécanisme d'ouverture agissant sur au moins un contact mobile tel que défini ci-dessus et placé en vis à vis d'un contact fixe, lesdits contacts étant placés dans la chambre de coupure.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté au dessin annexé sur lequel :

  • la figure 1 représente une vue en coupe d'un disjoncteur comportant un contact mobile possédant une pastille de contact selon un mode de réalisation de l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION

Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, la pastille de contact 3 est destinée à être fixée sur un contact mobile 2 de disjoncteur basse-tension 1 destiné à supporter des courants de court-circuit de plusieurs kilo ampères. En exprimant la densité de courant électrique en ampères par unité de surface de pastille, une pastille de contact 3 selon l'invention est destinée à supporter des courants crêtes de court-circuit compris entre 200 et 600 ampères par millimètre carré de pastille.

Les effets engendrés par le passage de ces forts courants de court-circuit se font encore plus ressentir lorsque l'énergie de coupure est absorbée dans une chambre de coupure 10 ayant un volume interne miniaturisé et quasiment clos ou étanche.

La pastille de contact 3 est composée d'un matériau conducteur tel que l'argent (Ag) ou le cuivre (Cu) dans lequel est insérée une fraction de fibres de carbone et une fraction de particules réfractaires telle que par exemple du carbure de tungstène (WC), du tungstène (W), du nitrure de titane (TiN). Ces particules réfractaires possèdent un diamètre moyen de 1 à 10 microns.

Les fibres de carbone sont constituées de fibres carbonisées contenant au moins 90% de carbone, moins de 10% d'azote, sensiblement 1% d'oxygène et moins de 1 % d'hydrogène.

Dans le mode de réalisation présenté, on choisit des fibres de carbone de longueur moyenne L1 comprise entre environ 100µm et 800µm et de diamètre compris entre 4 et 20µm. Ces fibres subissent un traitement mécanique à froid et à sec dans un broyeur mécanique. Les conditions d'intensité et de durée du broyage permettent d'obtenir des fibres dont la longueur est répartie statistiquement autour d'une valeur moyenne très inférieure à la valeur moyenne initiale. On obtient ainsi à partir des fibres initiales des résidus de fibres broyées ayant une longueur moyenne inférieure à 20µm. Les fibres broyées sont ensuite ajoutées au matériau conducteur contenant les fractions réfractaires. Le mélange de poudre de matériau conducteur aux fibres de carbone broyées s'effectue par voie sèche dans un mélangeur mécanique jusqu'à obtenir un mélange homogène. Ledit mélange subit ensuite une compression unitaire et un frittage de manière à obtenir une structure de matériau isotrope

Un tel procédé de fabrication est décrit en détail dans le document EP-B-0729162 , dont la description est sur ces points incorporée ici par référence.

Dans le but de résister aux contraintes spécifiques observées dans les disjoncteurs sélectifs capables de supporter des courants dans les conditions décrites ci-dessus, il est nécessaire d'augmenter la résistance à l'érosion de la pastille ainsi obtenue. Pour ce faire, le pourcentage pondéral de fibres de carbone dans la pastille est strictement inférieur à 2%. Il est compris de préférence entre 0,5% et 1,9% de la masse totale de la pastille.

Dans un exemple d'application de l'invention, un compromis idéal dans le choix des proportions des matériaux pour ce type d'application, consiste à utiliser une pastille comprenant 79% d'argent (Ag), 20% de carbure de tungstène (CW) et 1 % de fibres broyées de carbone.

Finalement, ce matériau ayant structure homogène appropriée, montre une résistance de contact post coupure faible et stable ainsi qu'une bonne résistance à l'érosion sous court-circuit de plusieurs dizaines de kilo ampères. En outre, ce matériau développe des caractéristiques anti-soudure vis à vis des billes en acier présentes dans l'environnement lors de la coupure notamment dans la colonne d'arc électrique. Un phénomène explosif du à la dégradation de la fibre de carbone explique les caractéristiques anti-adhésion de ce matériau vis à vis des billes d'acier en fusion.

Un contact mobile 2 de disjoncteur 1 comprenant un doigt de contact mobile se déplaçant par rapport à un contact fixe 4 du disjoncteur, possède une pastille de contact 3 tel que défini ci-dessus. Ladite pastille de contact est reliée au doigt de contact mobile par l'intermédiaire d'une fine couche de matériau conducteur à base d'argent ou d'un mélange de cuivre et d'argent. Cette couche intermédiaire permet de bloquer la propagation des fissures dans la zone d'interface entre la pastille de contact 3 et le doigt.

Un disjoncteur 1 comprenant un mécanisme d'ouverture 6 agissant sur au moins un contact mobile électrique 2 tel que défini ci-dessus. Ledit au moins un contact mobile 2 est placé en vis à vis d'un contact fixe 4. Ledit contact fixe est constitué d'un alliage, comportant généralement une matrice métallique d'argent où est insérée une fraction de particules de poudre de graphite. Ladite fraction de particules constitue 3 à 5 % de la masse de l'alliage. L'alliage peut également comprendre une certaine quantité d'éléments réfractaires (W ,WC, Ni) comprise entre 2 et 30% de la masse totale. Le disjoncteur 1 selon un mode particulier de réalisation, est destiné à accepter des courants nominaux de 1600 ampères et des courants de courte durée de 42000 ampères pendant une seconde. Les chambres de coupures 10 comportent, par pole, cinq contacts mobiles 2 associés à une plage de contacts fixes 4. Des moyens de filtrage 5 placés sur les parois des chambres de coupure 10 sont destinés à atténuer fortement des manifestations extérieures des gaz présents dans lesdites chambres au moment des ouvertures des contacts. A titre d'exemple non limitatif, les moyens de filtrage 5 comprennent des filtres possédant des caractéristiques techniques spécifiques telles que décrites dans les brevets de la demanderesse ( EP-A-1115132 , EP-A-1251533 ).


Anspruch[de]
Kontaktplättchen (3) zur Befestigung auf einem beweglichen Schaltstück (2) eines Niederspannungs-Leistungsschalters (1), das zur Führung von Kurzschlussströmen mit Scheitelwerten von 200 bis 600 Ampere pro Quadratmillimeter Plättchenfläche dient und aus einer elektrisch leitenden Silber- (Ag) oder Kupferlegierung (Cu), einem Anteil von hitzebeständigen Teilchen z.B. aus Wolframkarbid (WC), Wolfram (W) oder Titannitrid (TiN) sowie einem Anteil von Kohlenstofffasern besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsanteile der Kohlenstofffasern im Kontaktplättchen (3) in jedem Fall unter 2 % des Gesamtgewichts des genannten Kontaktplättchens liegen, wobei die Kohlenstofffasern als zerbrochene graphitierte Fasern mit einer mittleren Länge von unter 20 µm und mindestens 90 % Kohlenstoff, unter 20 % Stickstoff, annähernd 1 % Sauerstoff und unter 1 % Wasserstoff ausgebildet sind. Kontaktplättchen (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsanteile der Kohlenstofffasern im Kontaktplättchen (3) zwischen 0,5 und 1,9 Gew.-% des Gesamtgewichts des genannten Kontaktplättchens betragen. Kontaktplättchen (3) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es aus 79 % Silber, 20 % Wolframkarbid (CW) und 1 % Kohlenstofffasern besteht. Bewegliches Schaltstück (2) eines Leistungsschalters (1) mit einem beweglichen Kontaktfinger, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktplättchen (3) gemäß den vorhergehenden Ansprüchen über eine dünne Schicht aus einem Leiterwerkstoff auf Silber- oder Silber-Kupfer-Basis mit dem beweglichen Kontaktfinger verbunden ist. Leistungsschalter (1), der eine Lichtbogenlöschkammer (10) mit Filtermitteln (5), welche dazu dienen, die Außenwirkungen der bei der Abschaltung im Inneren der Löschkammer auftretenden Gase abzuschwächen, sowie einen auf mindestens ein bewegliches Schaltstück (2) wirkenden Ausschaltmechanismus (6) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte bewegliche Schaltstück (2) als Schaltstück gemäß dem Patentanspruch 6 ausgebildet ist und einem feststehenden Schaltstück (4) gegenüber liegt, wobei die genannten Schaltstücke in der Lichtbogenlöschkammer angeordnet sind.
Anspruch[en]
A contact pad (3) designed to be fixed onto a movable contact (2) of a low-voltage circuit breaker (1) designed to withstand peak short-circuit currents comprised between 200 and 600 amperes per square millimeter of pad, formed by an alloy of silver (Ag) or copper (Cu) based conducting material, a fraction of refractory particles such as tungsten carbide (CW), tungsten (W) or titanium nitride (TiN), and a fraction of carbon fibres, characterized in that the weight percentage of carbon fibres in the contact pad (3) is strictly less than 2% of the total weight of said contact pad, the carbon fibres being crushed fibres with a mean length of less than 20 µm and containing at least 90% of carbon, less than 10% of nitrogen, substantially 1% of oxygen and less than 1% of hydrogen. The contact pad (3) according to claim 1 characterized in that the weight percentage of carbon fibres in the contact pad (3) is comprised between 0.5% and 1.9% of the total weight of said contact pad. The contact pad (3) according to one of the foregoing claims characterized in that it is composed of 79% of silver, 20% of tungsten carbide (CW) and 1% of carbon fibre. A movable contact (2) of a circuit breaker (1) comprising a movable contact finger characterized in that a contact pad (3) according to the foregoing claims is connected to the movable contact finger by means of a thin layer of conducting material the base whereof is silver or a mixture of copper and silver. A circuit breaker (1) comprising an arc chute (10) comprising filtering means (5) designed to attenuate external manifestations of the gases present in the arc chute when openings take place, an opening mechanism (6) acting on at least one movable contact (2), characterized in that said movable contact (2) is a contact according to claim 6 placed facing a stationary contact (4), said contacts being placed in the arc chute.
Anspruch[fr]
Pastille de contact (3) destinée à être fixée sur un contact mobile (2) de disjoncteur (1) basse tension destiné à supporter des courants crêtes de court-circuit compris entre 200 et 600 ampères par millimètre carré de pastille, constituée d'un alliage de matériau conducteur à base d'argent (Ag) ou de cuivre (Cu), d'une fraction de particules réfractaires telles que du carbure de tungstène (CW), du tungstène (W) ou du nitrure de titane (TiN) et d'une fraction de fibres de carbone caractérisée en ce que le pourcentage pondéral de fibres de carbone dans la' pastille de contact (3) est strictement inférieur à 2% de la masse totale de ladite pastille de contact, les fibres de carbone étant des fibres carbonisées broyées de longueur moyenne inférieure à 20 µm et contenant au moins 90% de carbone, moins de 10% d'azote, sensiblement 1% d'oxygène et moins de 1% d'hydrogène. Pastille de contact (3) selon la revendication 1 caractérisée en ce que le pourcentage pondéral de fibres de carbone dans la pastille de contact (3) est compris entre 0,5% et 1.9% de la masse totale de ladite pastille de contact. Pastille de contact (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle est composée de 79% d'argent, de 20% de carbure de tungstène (CW) et de 1 % de fibre de carbone Contact mobile (2) de disjoncteur (1) comprenant un doigt de contact mobile caractérisé en ce qu'une pastille de contact (3) selon les revendications précédentes est reliée au doigt de contact mobile par l'intermédiaire d'une fine couche de matériau conducteur à base d'argent ou d'un mélange de cuivre et d'argent. Disjoncteur (1) comprenant une chambre de coupure (10) comportant des moyens de filtrage (5) destinés à atténuer des manifestations extérieures des gaz présents dans la chambre de coupure au moment des ouvertures, un mécanisme de d'ouverture (6) agissant sur au moins un contact mobile (2) caractérisé en ce ledit contact mobile (2) est un contact selon la revendication 6 placé en vis à vis d'un contact fixe (4), lesdits contacts étant placés dans la chambre de coupure.






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