Brevet FR2135286A1 — publié le 19721215

L'invention concerne un interrupteur à gaz comprimé avec une tige de contact et une électrode mobile présentant une surface d'allumage d'arc qui, lorsque l'interrupteur est fermé, sont liées entre elles pour conduire le courant, et pendant le phénomène de déclenchement sont éloignées l'une de l'autre par un 5 mouvement relatif agissant entre elles au moyen d'une commande afin d'étirer l'arc entre elles dans l'espacement résultant de leur séparation, sur quoi l'arc est soufflé par un courant, de gaz d'extinction. On connaît des interrupteurs à gaz comprimé dans lesquels l'arc à éteindre est étiré à l'intérieur d'une tuyère de soufflage. La tuyère est disposée entre 10 les électrodes acueillant le pied de l'arc à la distance d'extinction. A l'un des côtés de la tuyère, le gaz de soufflage est comprimé et à la libération de l'ouverture de la tuyère, il s'écoule au-delà de l'autre côté de la tuyère présentant une pression plus faible, en sorte que l'arc, amené à travers la tuyère, est soufflé. 15 D'autres interrupteurs connus, à gaz comprimé, ont un soufflage radial de l'arc. Le gaz d'extinction est amené radialement à l'arc, après quoi le courant s * écoule axialement. Dans ces dispositifs d'extinction, le courant du gaz d'extinction dans la tuyère de soufflage ou dans les embouchures des canaux de courant axiaux est en-20 travé par l'expansion thermique et par la dissociation du gaz d'extinction. On a, notamment dans le canal d'arçjirigé à travers la tuyère de soufflage et dans l'embouchure des canaux d'écoulement axiaux, un apport d'énergie pendant la durée d'allumage de l'arc, de sorte que l'arc et son environnement atteignent de très hautes températures. Il a été mesuré des températures de l'ordre de 10 000°C. La 25 chaleur rayonne dans la région entourant l'arc, de sorte que dans la section ré-trëcie de la tuyère de soufflage ou des canaux d'écoulement axiaux, le gaz d'extinction et les parois sont fortement échauffés. Par la dilatation thermique du gaz d'extinction, a lieu un accroissement de pression dans la tuyère de soufflage et dans les canaux d'écoulement axiaux. 30 La dilatation du plasma est, pour certains gaz d'extinction, particulière ment forte, car, à côté de la dilatation thermique du gaz d'extinction dans le domaine du plasma, se produit aussi une dissociation, de sorte qu'a lieu un nouvel accroissement de volume. Par exemple, pour l'hexafluorure de soufre comme gaz d'extinction, qui est constitué de sept atomes, par molécule, se produit un 35 accroissement de sept fois le volume, par la dissociation thermique ayant lieu à environ 2 500°C. C'est le problème de l'invention de trouver, pour les interrupteurs à gaz comprimé en courant alternatif, un système d'extinction, qui ne présente dans les interruptions de courant aucune élévation de pression dans le chemin d'ecoulement 40 du gaz d'extinction, et rende possible un rapide éloignement des gaz ionisés du 72 15887 2 2135286 parcours d'extinction, un fort refroidissement du domaine compris autour du pied de l'arc, un faible rayonnement de chaleur sur les parois situées dans la zone d'extinction et, une évacuation, pratiquement, de la totalité de l'énergie de l'arc par le courant de gaz d'extinction. 5 Le problème ainsi posé est résolu par le fait que la surface d'allumage de l'électrode est disposée dans l'êvasement du canal d'écoulement d'une tuyère type Laval, immédiatement après la partie la plus étroite de cette tuyère, en sorte que pendant le phénomène de déclenchement la pointe de contact parait se rétracter dans la direction du courant du gaz d'extinction dans le canal d'écoulement 10 de ladite tuyère Laval. La paroi du canal d'écoulement de la tuyère Laval est constituée avantageusement en une matière isolante. L'utilisation d'une tuyère Laval permet de faire écouler à une vitesse ultrasonique le gaz d'extinction dans une partie du canal d'écoulement de la tuyè-15 re. Le gaz d'extinction atteint la vitesse du son dans l'étranglement situé entre le canal d'entrée et le canal de sortie de la tuyère, d'où il s'écoule ensuite plus loin à la vitesse ultrasonique avec une contre-pression suffisamment faible dans le canal de sortie. L'extinction de l'arc a lieu partiellement dans le gaz d'extinction circulant à la vitesse ultrasonique. Devant la pointe de contact a 20 lieu en outre, avec choc de pression, le passage du flux gazeux à une vitesse subsonique. Avant le passage à zéro du courant électrique, les gaz ionisés chauds sont de cette manière, éliminés rapidement du chemin de coupure dans le courant ultrasonique. Autour du sommet de la pointe de contact, à l'endroit des plus grandes intensités de champ, on a de plus un courant subsonique, donc une densité 25 élevée de gaz. Les pointes du pied de l'arc sont de cette manière bien refroidies Dans l'étranglement de la tuyère Laval circule seulement un gaz d'extinction froid. L'écoulement ultérieur de ce gaz d'extinction n'est pas gêné par la dilatation thermique ni par dissociation. Le long du chemin de coupure, le gaz d'extinction froid ne se mélange pas avec les gaz déjà chauds et il ne résulte alors 30 aucun tourbillon dans le courant ultrasonique. Pratiquement la totalité de l'éner gie de l'arc est ainsi évacuée par le gaz d'extinction en circulation. Dans ce qui suit, il sera décrit un exemple de l'invention au moyen du dessin ci-joint. Ce dessin montre : La figure 1, une coupe longitudinale d'un interrupteur à gaz comprimé en 35 position "fermé". La figure 2, une partie de la commande. La figure 3, l'interrupteur à gaz comprimé de la figure 1, en position "ouvert". La figure 1 montre l'interrupteur à l'état fermé. La partie de la commande, 40 de l'interrupteur représenté à la figure 1, est dessinée à la figure 2. Le cou 72 15887 3 2135286 rant est amené à l'interrupteur par les bornes 1 et 2. Le courant de commande circule par le tube 3 recourbé en forme d'anneau, le tube 4, les contacts 5 et 6, le porte-contacts 7, le cylindre de prêcompression 8, les tiges 9 et les contacts roulants 10. 5 Le ressort de déclenchement 11 est comprimé à la figure 1 et est maintenu par le loquet 12 (figure 2). La libération de l'interrupteur a lieu par ouverture du loquet 12 ou à la main ou au moyen d'un électroaimant. Le ressort de déclenchement 11 actionne dès lors la tige isolante 13, les tiges 9 guidées par des presse-étoupes 15, hors de la cuve 14 de l'interrupteur, le cylindre de prê-10 compression 8 avec l'électrode 16 formant l'étranglement de la tuyère Laval, le porte-contacts 7, les contacts 5 ainsi que la paroi 17 en matière isolante du canal d'écoulement 18 de la tuyère Laval. Le gaz d'extinction est en outre comprimé dans les espaces 19 et 20, mais il ne peut guère s'échapper, puisque l'étranglement de la tuyère Laval dans l'électrode 3 6 est encore fermé en grande 15 partie par la pointe de contact 21. Les contacts 5 et 6 sont d'abord séparés. Ensuite, le courant s'écoule d'abord entre le ressort de contact 22 et la pointe de courant 21, ultérieurement entre la pointe de contact 21 et l'électrode 16. La prêcompression est terminée, lorsque l'espace 19a été comprimé jusqu'à être pratiquement nul (figure 3). Le gaz isolant comprimé se trouve dans l'espace 20 20 du petit cylindre 23 où la pression atteint de 2 à 12 fois la valeur de la pression initiale. A la fin de la précompression, le cylindre de prêcompression 8 a été repoussé vers le bas dans la cuve 34 de l'interrupteur jusqu'à ce que les billes d'arrêt 24 soient pressées au moyen du ressort 25 dans l'évidement 26 du cylindre de prêcompression 8, en sorte qu'alors l'arrêt du petit cylindre 23 par 25 le piston 27 est supprimé ; tandis que ledit petit cylindre 23 redevient solidaire du cylindre de prêcompression 8. A ce moment, la pointe de la tige de contact 21 a aussi quitté la partie la plus étroite de la tuyère Laval dans l'électrode 16 et a libéré ainsi le flux de gaz. On est maintenant dans la phase de coupure proprement dite. La liaison con-30 ductrice n'est plus constituée que par un arc entre la pointe de la tige de contact 21 et la surface d'allumage 28 de l'électrode 16. Le gaz s'échappe de la tuyère Laval et a déjà la vitesse ultrasonique sur la surface d'allumage 28 de l'électrode 16. Dans cette région, à courant ultrasonique dirigé, la libération de l'énergie de l'arc provoque en premier lieu une accélération du gaz arrivant 35 par suite de l'évasement du canal d'écoulement et, seulement en second lieu, un reflux sur la tuyère. Le flux gazeux accéléré parvient dans le tube 4 et ensuite le long des surfaces conductrices 29 en traversant la fente d'entrée 30 dans le tube 3, recourbé annulairement. Il tourne ici circulairement et forme, ainsi un anneau tourbil-40 lonnaire, dans lequel l'énergie cinétique du flux gazeux reste accumulée jusqu'à 72 15887 4 2135286 sa dissipation par amortissement dû aux forces de frottement. Les ondes de pression refoulées contre la tuyère et l'électrode 16 restent faibles, elles sont seulement causées par réflexions partielles sur les surfaces conductrices 28 et par suite des forces de frottement. 5 Lorsque le courant de l'arc arrive vers zéro, alors l'énergie de l'arc de vient petite. L'accélération ultérieure du courant gazeux par échauffement dans l'arc devient plus faible, le courant gazeux aussi est plus lent. Il se forme, de ce fait, une action de succion, qui aspire le gaz fortement ionisé hors du canal d'écoulement 18. Par conséquent, le canal d'écoulement 18 ne contient plus 10 que peu de gaz ionisé au moment du passage à zéro. Après que le reflux de l'arc ait rétrogradé très fortement avant le passage à zéro, il sort de la tuyère Laval au moment du passage à zéro un fort courant de gaz froid avec vitesse ultrasonique. Avec 1'éloignement croissant de l'électrode 16, ce courant est encore accéléré. On obtient ainsi une rapide évacuation du gaz ionisé, donc une rapide re-15 consolidation diélectrique le long du trajet de séparation des électrodes. Finalement, la tige de contact 21 se trouve dans la position relative finale représentée à la figure 3. Entre le tube 4 et la paroi 17 du canal d'écoulement 18, on obtient alors une distance d'isolation gazeuse 31. D'une part, on maintient ainsi une complète séparation des parties conduisant la tension sans aucune 20 portion de cheminement souillée par l'action de l'arc ; d'autre part le gaz, refoulé après amortissement tourbillonnaire dans le tube 3, recourbé annulairement, peut se mélanger avec le volume de gaz extérieur. On réduit ainsi la possibilité d'une diminution temporaire de la rigidité diélectrique du gaz dans l'intervalle de séparation, ouvert lors du refoulement 25 du gaz chaud du tube 4 et du tube 3 recourbé annulairement vers le canal d'écoulement 18. Par le ressort d'enclenchement 33 (figure 2), après libération du verrouillage 34, l'interrupteur peut être réenclenché et le ressort de déclenchement 11 réarmé. Après l'enclenchement, le verrouillage 35 est libéré, à la suite de quoi 30 le ressort d'enclenchement 33 se détend vers le bas et le verrouillage 34 se ferme brusquement. Un nouveau déclenchement de l'interrupteur peut alors avoir lieu. Le ressort d'enclenchement 33 est armé au moyen du levier 36 par une commande à moteur non représentée, puis le verrouillage 35 retourne au repos. L'interrupteur est fermé par les isolateurs creux 37, le tube 3 recourbé 35 annulairement et fixé par les brides d'attache 38, la cuve 14 de l'interrupteur et par la cage 39 mise à la terre, l'ensemble formant enveloppe étanche. 72 15887 5 2135286 REVENDICATIONS 1/ Interrupteur à gaz comprimé comportant une tige de contact et une électrode présentant une surface d'allumage d'arc, liées entre elles par conductibilité électrique lorsque l'interrupteur est fermé et éloignées l'une de l'autre pen-5 dant le phénomène de déclenchement, par vin mouvement relatif agissant entre elles au moyen d'une commande pour étirer en longueur l'arc naissant entre elles par leur séparation, après quoi l'arc est soufflé, par un courant de gaz d'extinction, caractérisé en ce que ladite surface d'allumage (28) de l'électrode (3 6) est disposée dans l'évasement du canal d'écoulement (18) d'une tuyère Laval immëdiate-10 ment après la portion la plus étroite, de cette tuyère, en sorte que pendant le phénomène de déclenchement, la tige de contact (21) parait se rétracter par rapport à l'électrode (16) dans la direction du courant de gaz d'extinction dans le canal d'écoulement (18) de la tuyère Laval. 2/ Interrupteur à gaz comprimé, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que 15 la paroi (17) du canal d'écoulement (38) de la tuyère Laval est constituée en matière isolante. 3/ Interrupteur à gaz comprimé, suivant la revendication 2, caractérisé en ce que dans la direction du courant après le canal d'écoulement (38) de la tuyère Laval, sont disposées des surfaces conductrices (29) pour détourner latéralement le cou-20 rant de gaz comprimé. 4/ Interrupteur à gaz comprimé, suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'en état "ouvert" de l'interrupteur, il existe un parcours d'isolation gazeuse (31) entre l'extrémité de la paroi (37), du canal d'écoulement de la tuyère Laval, constituée de matière isolante et les autres parties de l'interrupteur liées 25 par conductibilité électrique avec la tige de contact (21). 5/ Interrupteur à gaz comprimé, suivant la revendication 4, caractérisé en ce que, en parallèle avec l'électrode (3 6) et la tige de contact (21) sont disposés des contacts (5 et 6) qui conduisent le courant d'exploitation lorsque l'interrupteur est fermé et qui, à l'ouverture dudit interrupteur sont ouverts avant la rupture 30 du contact électrique entre ladite électrode (3 6) et ladite tige de contact. (23).