Relations entre la microstructure des blocs agglomérés et les propriétés électriques des fusibles

= Relations between agglomerated block microstructure and electrical properties for fuses

• Auteur / Autrice : Grégoire Vivier
• Direction : Sandrine Maximilien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA ; 1975-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallisation

Arc électrique

Fusibles (électricité)

Résumé

Les éléments clés de la protection des circuits électriques contre les surintensités de courant sont constitués d'éléments fusibles (argent ou cuivre) noyés dans une matière de remplissage agglomérée. L'objet de ces travaux est d'étudier l'influence de la microstructure de la matière agglomérée (bloc de sable de silice lié par un silicate de sodium) sur le fonctionnement électrique du fusible au cours de la coupure. Un séquençage de l'arc électrique a été réalisé afin d'en étudier la progression au cours de la coupure, ce qui a permis d'avancer des hypothèses sur les propriétés physiques du bloc aggloméré intervenant au cours de ce phénomène. Ceci a été orienté vers d'une part l'étude de la compacité du bloc (empilement des grains de sable), et d'autre part, vers l'étude du vieillissement (effet de la cristallisation du silicate de sodium). Un fusible modèle a été conçu pour limiter les effets parasites dus à la présence simultanée de plusieurs arcs électriques. Ce fusible est en effet constitué d'uune seule lame d'argent contenant une seule rangée de sections réduites. Plusieurs paramètres ont alors été étudiés : la compacité du bloc de sable : soit en jouant sur la distribution granulométrique du sable, soit en insérant les défauts dans le sable, le vieillissement du liant : en appliquant des traitements thermiques supplémentaires aux fusibles. Concernant la compacité, aucune relation évidente n'a pu être observée entre cette propriété et le comportement électrique des fusibles. Cependant, l'analyse détaillée des oscillogrammes de coupure a permis d'imaginer ce que doit être le comportement idéal en coupure d'un fusible. Ceci a conduit à élaborer des fusibles à deux composants : le premier, dans lequel est noyée la lame, a une porosité plus faible (environ 20%) que celle du bloc aggloméré, ce qui permet de mieux confiner les vapeurs métalliques produites par l'arc électrique, le second étant le sable aggloméré (porosité d'environ 35%), dans lequel est noyé l'ensemble (lame + 1er composant). Ce type de fusibles a donné des performances électriques environ trois fois meilleures que celles obtenues avec les fusibles de référence, ce qui valide la modélisation de l'allumage, de la propagation et de l'extinction de l'arc électrique proposée. La caractérisation de la cristallisation du silicate de sodium a été effectuée par dissolution dans l'acide fluorhydrique. On a montré qu'un traitement thermique accélère la cinétique de cristallisation, mais que l'effet de cette cristallisation sur les performances électriques des fusibles est du second ordre. Ce travail a été réalisé en collaboration avec la Société FERRAZ SHAWMUT avec le soutien de la région Rhône-Alpes, dans le cadre du programme ''Poudres et multicomposants''.

Electrical circuits are protected from over currents with current-limiting-fuses, which are made of notched fuse-elements inserted in a filling-up sand block agglomerated with sodium silicate. The aim of this work is to study the influence of the agglomerated block microstructure on the electrical fuse properties. A cutting out of the electric arc has been done to study its evolution during current interruption. It gave hypothesis on agglomerated block physical properties role. This lead the work towards the agglomerated block compactness study, and the effect of the binder crystallization study. A model fuse was made to limit the parasitic effects; it is constitute with a single silver fuse-element with only one notches row. Several parameters were studied: - Compactness of the agglomerated block: by modification of granular distribution, or by insertion of defects. - Binder ageing: by subjecting fuses to additional heat treatments. No clearly relation has been brought out between compactness and the electric behaviour of the fuses:. The cut-off waveforms analysis allowed to imagine the ideal current interruption behaviour of the fuse. This brought us to elaborate a bi-component fuse : the first component, in which the fuse-element is drowned, ha a lower porosity than the agglomerated block and confines the metal vapor produced by the electrical arc ; the second one is the agglomerated sand itself, surrounding the first component. This new kind of fuse gave electrical properties three times less than those obtained with a reference fuse. This result validates the current interruption model that bas been proposed. The characterization of sodium silicate crystallization has been performed by dissolution with hydrofluoric acid. It was shown that beat treatment accelerates the crystallization kinetics, but this crystallization has no real influence on electrical behaviour of the fuses.