Brevet FR2283538A1 — publié le 19760326

La presente invention concerne les disjoncteurs électriques dans lesquels la chambre de coupure1 renfermant les contacts fixe et mobile qui établissent l'ouverture ou la fermeture du disjoncteur, est remplie d'un fluide diélectrique constitué par un gaz diélectrique liquéfiable maintenu en permanence à l'état liquide sous une pression appropriée sensiblement constante. Comme fluide diélectrique, on utilise en particulier dans ces disjoncteurs, l'hexafluorure de soufre (SF6), à l'état liquéfié. Parmi les disjoncteurs de ce genre, l'invention vise plus particulièrement ceux dans lesquels le contact mobile prend appui par pression, sous l'effet de moyens d'actionnement agissant en poussée, contre le contact fixe, dans la position fermée du disjoncteur, et dans lesquels le contact mobile est percé d'un canal axial formant une buse de soufflage de diélectrique liquide qui débouche au voisinage des contacts et entre ceux-ci. Dans ces disjoncteurs, le soufflage de l'arc, au moment de l'ouverture des contacts, est produit par une circulation intense, dans le sens centripète, de diélectrique liquide provenant de la chambre de coupure. Des disjoncteurs de ce type, qui seront désignés dans ce qui suit sous le terme de "disjoncteurs du type précite ont été décrits notamment dans les brevets français nO 1 430 333 (déposé le 21 janvier 1965), nO 1 537 673 (déposé le 15 avril 1966) et nO 71 35 197 (déposé le 30 septembre 1971). L'invention a pour but, dans les disjoncteurs du type précité, d'obtenir un soufflage amélioré de l'arc et, en particulier, un soufflage de durée prolongée pour la coupure des courants alternatifs. En effet, dans les brevets précités, le système de soufflage n'agissait que pendant la durée de l'écartement du contact mobile, durée qui est extremement brève dans ce type de disjoncteur (par exemple 1 à 3 millisecondes) du fait que l'écartement des contacts, en position ouverte, peut être très faible (par exemple de l'ordre de 10 mm pour une tension de 200 K/volts) grâce aux qualités diélectriques du SF6 à l'état liquéfié. Un tel système de soufflage convient bien pour les disjoncteurs.à courant continu. Dans le cas de la coupure des courants alternatifs, par exemple à fréquence industrielle ou à fréquence supérieure, l'arc ne peut etre éteint qu'à un passage à zéro, c'est-à-dire que le soufflage doit etre prolongé après que le contact mobile ait atteint sa position finale d'ouverture, pour obtenir à coup sur l'extinction de l'arc. L'invention permet de réaliser un disjoncteur à ouverture ultra-rapide, mais dans lequel le processus de soufflage se prolonge suffisamment longtemps pour éteindre l'arc en courant alternatif et également pour refroidir les contacts et dés ioniser complètement le fluide diélectrique. L'invention a pour objet un disjoncteur du type précité caractérisé en ce que le contact mobile est porté par un premier piston qui coopère avec un deuxième piston coaxial, ou piston de soufflage, les deux dits pistons coulissant l'un dans l'autre et l'ensemble constitué par lesdits pistons coaxiaux coulissant dans un alésage percé à travers le fond de la chambre de coupure; en ce que chacun des pistons a une face en contact avec le diélectrique sous pression contenu dans la chambre de coupure; et en ce que ledit ensemble est commandé par lesdits moyens d'actionnement. Suivant une forme préférée de réalisation de l'invention, le premier piston, portant le contact mobile, est un piston annulaire constitué par un cylindre creux coulissant dans l'alésage précité; le deuxième piston est un piston plein monté coulissant à l'inte- rieur du premier piston, ledit deuxième piston déterminant entre l'une de ses faces et la face en regard du contact mobile une chambre auxiliaire à volume variable, ou chambre de soufflagé, communiquant par le canal précité avec la chambre de coupure; et lesdits moyens d'actionnement agissant sur ledit deuxième piston. Gr ce à cette disposition, les moyens d'actionnement (par exemple la tige d'un vérin hydraulique de commande) sont désolidarisés du contact mobile pendant une partie de leur course, c'est-à- dire que, à l'ouverture du disjoncteur, après que le contact mobile ait atteint sa position d'écartement finale, le piston de soufflage peut se déplacer dans le cylindre de soufflage pour faire accroître le volume de la chambre auxiliaire et provoquer ainsi dans la buse de soufflage, pendant une durée suffisante, une circulation intense de diélectrique liquide en provenance de la chambre de coupure. Pendant la manoeuvre de fermeture des contacts, les moyens d'actionnement sont également désolidarisés du contact mobile, pendant une partie de leur course, comme on le verra plus loin. La présente invention s'applique aussi bien aux disjoncteurs dans lesquels la manoeuvre d'ouverture du contact mobile est produite positivement par les moyens d'actionnement précités, qu'à ceux dans lesquels des moyens élastiques de déclenchement,toujours disponibles (par exemple ressort pneumatique), tendent à écarter le contact mobile lorsque les moyens d'actionnement précités sont libérés, qu'à ceux dans lesquels ces moyens élastiques de déclenchement sont uniquement constitués par l'élasticité volumétrique du diélectrique SF6 à l'état liquide qui est contenu dans la chambre de coupure et qui tend à repousser le contact mobile (comme il a été décrit dans le troisième des brevets précités). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins joints, donnés dans un but non limitatif, et qui représentent un mode de réalisation de l'invention. Sur ces dessins la figure 1 est une vue en coupe d'un disjoncteur conforme à l'invention, en position enclenchée, c'est-à-dire contacts fermés; la figure 2 est une vue partielle en coupe du même disjoncteur en position déclenchée (contacts ouverts). Le disjoncteur représenté sur la figure 1 comprend un corps principal 2, de préférence métallique, à l'intérieur duquel est ménagée une chambre de coupure 4. La chambre de coupure renferme un contact fixe 6 et un contact mobile 8. Le contact fixe 6 est raccordé à l'une des bornes 10 du disjoncteur par une barre conductrice 12 entourée par des tubes isolants 14-14'. Le contact mobile 8 est raccordé électriquement à l'autre borne 16 du disjoncteur par un cylindre coulissant 18 et une tresse métallique 20, comme on le verra plus en détail dans la suite. La chambre de coupure 4 est remplie de SF6 liquéfié, maintenu en permanence à une pression notamment supérieure à la pression critique (36,8 atmosphèrespour le SF6), par exemple 2 à 10 fois supérieure à cette pression, par des moyens de maintien en pression qui ont été décrits dans les brevets précités et qui ne sont pas représentés. On décrira tout d'abord la variante préférée de réalisation de l'invention dans laquelle on utilise l'élasticité volumétrique du SF6 liquéfié pour provoquer le déclenchement du disjoncteur; c'est -dire que, dans ce cas, -la pression du diélectrique peut être de l'ordre de 200 à 400 bar. Le contact mobile 8 est percé d'un passage axial 22 et il est fixé au cylindre métallique creux 18 qui peut coulisser de façon étanche dans un alésage prévu dans le fond 24 du corps 2 du disjoncteur. A l'intérieur du cylindre 18 peut coulisser, également de façon étanche, un piston 26 qui est commandé par des moyens d'actionnement constitués, dans cet exemple, par la tige 28 d'un vérin hydraulique de commande 30. En position fermée du disjoncteur (figure 1) le contact mobile 8 prend appui par pression contre le contact fixe 6; la pression d'appui étant assurée par la pression hydraulique de commande régnant dans le vérin de commande 30, pression qui est transmise au contact mobile par l'intermédiaire de la tige d'actionnement 28, travaillant en poussée, -et du piston de soufflage 26 lequel prend appui, dans cette position, sur la face inférieure du contact mobile 8. Le contact mobile 8 est ainsi pressé contre le contact fixe 6, à l'encontre de l'élasticité volumétrique du SF6 liquide contenu dans la chambre de coupure 4, élasticité qui tend à repousser le contact mobile hors de la chambre de coupure. La face supérieure du piston de soufflage 26 détermine, avec la face inférieure du contact mobile 8 une chambre auxiliaire, ou chambre de soufflage 32, -qui communique avec le volume intérieur de la chambre de coupure 4 uniquement par le passage axial 22 ménagé dans le contact mobile. Avec le système de commande hydraulique 34 qui a été représenté à titre d'exemple sur les figures 1 et 2, le déclenchement du disjoncteur s'obtent par mise à la purge du vérin de commande 30, c'est-à-dire qu'on commande l'ouverture du clapet de purge 36 (qui est représenté en position ouverte sur la figure 2). Dès que le volume d'huile contenu-dans le vérin 30 est décomprimé, la pression d'appui sur le contact mobile disparatt, si bien que l'ensemble constitué par le contact mobile 8, le cylindre 18 et le piston 26 se déplace d'une seule pièce sous l'effet de la pression du SF6 liquide qui s exerce sur la surface annulaire du contact mobile et sur la face supérieure du piston de soufflage 26. Le contact mobile s'écarte donc du contact fixe jusqu'à sa position finale d'écartement qui est fixée par un système de butée quelconque, par exemple par venue en butée du bord inférieur 38 du cylindre 18 avec une surface d'appui 40 prévue à la partie inférieure du corps 2, comme il est représenté sur la figure 2. Pendant cette première partie de la manoeuvre d'ouverture, le SF6 liquéfié remplit, sous l'effet de son élasticité volumétrique, l'intervalle compris entre les deux contacts et centre l'arc sensiblement sur l'axe des contacts. La pression du SF6 continuant à s'exercer sur la face supérieure du piston 26, celui-ci continue d'être repoussé vers le bas, en repoussant, par l'intermédiaire de la tige 28, le piston du vérin de commande 30 qui continue à se purger, par le clapet ouvert 36, vers un réservoir basse pression 42. Pendant cette deuxième partie de la manoeuvre d'ouverture, le piston 26 est donc désolidarisé du contact mobile 8 et du cylindre de soufflage 18, si bien que le volume de la chambre de soufflage 32 croit et qu'il s'établit une circulation intense de diélectrique liquide (suivant les flèches 44, figure 2), dans le sens centripète, entre la chambre de coupure 4 et la chambre de soufflage 32. Les surfaces en regard des deux contacts forment, avec le canal axial 22, un passage en forme de buse dans lequel le liquide diélectrique est-guide pour soumettre l'arc à une forte turbulence et à un soufflage énergique. Le soufflage peut être ainsi prolongé pendant un temps suffisant après l'écartement final des contacts pour que l'arc s'éteigne au prochain passage à zéro. Les divers organes peuvent être agencés pour que la deuxième partie de la manoeuvre (soufflage) se prolonge pendant un temps correspondant par exemple à 3 ou 6 fois la durée de la première partie de la manoeuvre (écartement des contacts). Pour refermer le disjoncteur, on applique la pression hydraulique de commande sur le vérin 30, par des moyens connus non représentés, après fermeture du clapet de purge 36, pour faire remonter le piston de soufflage 26 contre la face inférieure du contact mobile et appliquer à nouveau celui-ci contre le contact fixe, cette manoeuvre de fermeture se faisant à l'encontre de l'élasticité volumétrique du SF6 liquide contenu dans la chambre de coupure 4. Dans le mode de fonctionnement qu'on vient de décrire, c'est seulement l'élasticité volumétrique du SF6 liquide qui sert de moyen élastique de déclenchement. Suivant une variante, qui a été représentée en traits interrompus sur la figure 1, on peut utiliser un accumulateur hydraulique 46, par exemple un accumulateur hydro-pneumatique, dont une partie 48, qui communique avec la chambre de coupure 4 par une canalisation de forte section 50, est remplie de SF6 à l'état liquide, tandis que l'autre partie 52 est remplie de gaz sous pression, par exemple d'azote ou d'hélium. Dans un disjoncteur suivant l'invention, la commande hydraulique peut être d'un type quelconque connu, à condition que ce soit une commande à réponse rapide. La commande 34 qu'on a représentée partiellement sur la figure 1 est du type qui a été décrit dans la demande de brevet français nO 74 10 294 déposée le 26 mars 1974. I1 suffit d'indiquer que cette commande comprend essentiellement une électro-valve rapide de purge de faible section 54 qui commande l'ouverture d'une succession de clapets de purge de section croissante dont le dernier est le clapet de purge 36 du vérin de commande 30. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation qui ont été plus particulièrement décrits et elle embrasse de nombreuses variantes. C'est ainsi que, au lieu de disposer le piston de soufflage à l'intérieur d'un cylindre creux (formant un piston annulaire) qui porte le contact mobile, on peut aussi bien constituer le piston de soufflage par un piston annulaire à l'intérieur duquel coulisse un piston coaxial portant le contact mobile, les moyens d'actionnement agissant sur l'en- semble de ces deux pistons. EVENDIcATIS 1.- Disjoncteur électrique pour courant alternatif : - dans lequel la chambre de coupure renfermant les contacts fixe et mobile est remplie d'un diélectrique liquide constitué par du gaz SF6 liquéfié sous pression; - dans lequel le contact mobile prend appui par pression contre le contact fixe, en position fermée du disjoncteur, sous l'effet de moyens d'actionnement agissant en poussée; - et dans lequel ledit contact mobile est percé d'un canal axial formant une buse de soufflage de diélectrique liquide qui dé bouche au voisinage des contacts et entre ceux-ci; ledit disjoncteur étant caractérisé en ce que le contact mobile est porté par un premier piston qui coopère avec un deuxième piston coaxial, ou piston de soufflage, les deux dits pistons coulissant l'un dans l'autre et l'ensemble constitué par lesdits pistons coaxiaux coulissant dans un alésage percé à travers le fond de la chambre de coupure; en ce que chacun des pistons a une face en contact avec le diélectrique sous pression contenu dans la chambre de coupure; et en ce que ledit ensemble est commandé par lesdits moyens d'actionnement. 2.- Disjoncteur électrique suivant la revendication 1, carac térisé en ce que le premier piston, portant le contact mobile, est un piston annulaire constitué par un cylindre creux coulissant dans l'alésage précité; en ce que le deuxième piston est un piston plein monté coulissant à l'intérieur du premier piston, ledit deuxième piston déterminant entre l'une de ses faces et la face en regard du contact mobile une chambre auxiliaire à volume variable, ou chambre de soufflage, communiquant par le canal précité avec la chambre de coupure; et en ce que lesdits moyens d'actionnement agissent sur ledit deuxième piston. 3.- Disjoncteur suivant l'une des revendications 1 ou 2t caractérisé en ce que le diélectrique liquide est maintenu à une pression supérieure à la pression critique du SF6 -au moyen d'un accumulateur hydro-pneumatique et en ce que les moyens d'actionnement précités maintiennent les contacts en position fermée à l'encontre essentiellement de l'élasticité du gaz contenu dans ledit accumulateur. 4.- Disjoncteur suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le diélectrique liquide est enfermé dans la chambre de coupure sous une pression plusieurs fois supérieure à la pression critique du SF6, et en ce que les moyens d'actionnement précités maintiennent les contacts en position fermée à l'encontre uniquement de l'élasticité volumétrique du diélectrique liquide.