Brevet FR2373140A1 — publié le 19780630

La présente invention concerne, d'une manière générale, les disjoncteurs électriques et plus particulièrement les disjoncteurs à soufflage par gaz qui ont un rétablissement thermique et diélectrique rapide après la production de l'arc L'efficacité des disjoncteurs à soufflage par gaz dépend de la rapidité de coupure du courant de charge et de la pression de fonctionnement du gaz du disjoncteur. Une augmentation du taux de variation du courant de charge réduit l'efficacité du disjoncteur, (c'est-à-dire le taux de montée maximum admissible de la tension de rétablissement après l'annulation du courant de charge), tandis qu'une augmentation de la pression de fonctionnement du gaz augmente l'efficacité du disjoncteur. Dans le cas de disjoncteurs à soufflage parl1hexafluorure de soufre (SF6), les contraintes extérieures à - 400C qu'imposent les normes de fabrication du disjoncteur limitent la pression 2 de fonctionnement à 3,16 kg/cm au plus. On peut augmenter la pression de fonctionnement du gaz en chauffant le-disjoncteur, mais c'est une manière coûteuse et pas entièrement sûre d'augmenter I'efficacité du disjoncteur On a proposé d'ajouter de l'azote à l'hexafluorure de soufre (SF6) pour obtenir des pressions de fonctionnement plus importantes sans chauffer, mais cela n'améliore pas l'efficacité du disjoncteur car l'azote est un gaz à arc lent et ainsi ne peut pas améliorer le rétablissement thermique d'un disjoncteur à soufflage par gaz. On a récemment remarqué que le tétrafluorométhane (CF4) et I'hexafluoroéthane (C2F6) étaient des gaz à rétablissement rapide qui possédaient une relation de vitesse et de pression semblable à celle du SF6. Des recherches ont montré qu'un mélange de SF6 dilué en volume à 75 % avec du CF4 possède les mêmes caractéristiques avantageuses de rigidité diélectrique que le SF6. Ce mélange, ou bien un melange de C2F6 et de SF6 fournit les memes caractéristiques de rigidité diélectrique que le SF6, mais sous une pression de fonctionnement plus élevée sans qutil soit besoin de chauffer. Comme le CF4 (ainsi que le C2F6) est un gaz à arc rapide, il augmente à la fois la vitesse de rétablissement thermique et la vitesse de rétablissement diélectrique par rapport aux vitesses obtenues avec le SF6 seul.En outre, comme les phénomènes d'arc aboutissent, dans ce mélange gazeux, à une formation de CS, gaz stable, au lieu de carbone solide, ce mélange gazeux réduit de façon importante les difficultés dues à la charbonisation des surfaces internes du disjoncteur. Cela permet donc d'augmenter le taux de montée maximum de la tension de rétablissement que peut supporter le disjoncteur après l'annulation du courant de charge. Selon l'invention, on réalise un disjoncteur électrique qui possède des contacts mobiles l'un par rapport à l'autre à l'intérieur d'une chambre à arc que traverse un fluide extincteur d'arc lorsque les contacts se séparent sous des conditions de surcharge de courant. On obtient un disjoncteur perfectionné en choisissant, comme fluide d'extinçtion de l'arc, un mélange d'hexafluorure de soufre et de fluorocarbure gazeux. On recommande comme fluorocarbure gazeux les alcanes perfluorôs tels que CF4 et C2F6. La description qui va suivre se-réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1, une vue de côté en éLévation, partiellement en coupe, d'un disjoncteur du type à soufflage auquel peut s'appliquer la présente invention Figure 2, une vue agrandie d'une partie du disjoncteur décrit à la figure 1, représenté en position fermée Figure 3, une vue en coupe faite selon le plan de coupe 3-3 de la figure 2 Figure 4, une vue du disjoncteur de la figure 2, mais représenté en position complètement ouverte Figure 5, une vue en coupe d'une partie du disjoncteur représenté à la figure 1, dessiné dans une position intermédiaire pendant une opération d'ouverture Figure 6, une représentation graphique du taux de montée initial de la tension de rétablissement pour différentes proportions de SF6 et de CF4 dans un mélange de ces deux gaz et pour différentes proportions de SF6 et deC2F6 dans un mélange de ces deux gaz Figure 7, la courbe de la tension du disjoncteur en fonction du temps à partir de l'instant d'ouverture du disjoncteur, et Figure 8, une courbe qui représente la tension de rétablis sement en fonction du temps après l'annulation du courant pour divers gaz et mélanges de gaz. Les figures 1 à 5 représentent un disjoncteur à soufflage par gaz du type décrit et revendiqué dans le brevet des Etats Unis nO 3.739.125. Comme le montre la figure 1, le disjoncteur comprend un boitier cylindrique 12 en matière isolante et une paire de couvercles d'extrémité 14 et 16 joints de façon étanche aux extrémités opposées du boitier 12 et qui servent de bornes électriques opposées pour le disjoncteur. On fixe une électrode supérieure 21, supportée par une barre de contact conductrice 22 au couvercle d'extrémité supérieur 14. On fixe une électrode inférieure 20 à une barre de contact conductrice mobile 24 qui traverse le couvercle d'extrémité inférieur 16 et un dispositif de guidage 25, placé sur le couvercle d'extrémité inférieur 16 sert à guider cette barre mobile lors de ses déplacements verticaux alternatifs.Les éléments 20 et 24 sont, tous les deux, de construction tubulaire et l'ouverture axiale 46 qui les traverse permet la circulation, vers le bas, d'un gaz qui peut sortir de cette ouverture par des orifices 48 visibles sur la figure 2. Le boitier 12 contient le gaz d'extinction d'arc, selon 1a présente invention, sous une pression prédéterminée. A l'intôrieur d'un carter 30, en dessous du couvercle d'extrémité inférieur 16, un mécanisme agit sur la barre de contact 24 pour la déplacer dans un sens vertical. Une tresse souple conductrice 27 assure une liaison électrique entre la barre de contact 24 et le couvercle d'extrémité inférieur 16. Comme le montre la figure 2, le contact fixe 21 comporte un tube conducteur 40 qui entoure la barre de contact 22 tout en étant relié électriquement à cette barre. Le tube 40 est fendu longitudinalement a son extrémité inférieure pour former des doigts de contact 34, espacés circulairement, et qui glissent le long de la surface extérieure du contact mobile ou électrode 20 pendant le déplacement initial d'ouverture des contacts et pendant le déplacement final de fermeture des contacts. Un élément de contact tubulaire 45, placé à l'intérieur du tube conducteur 40 est fixé à son extrémité supérieure à la barre de contact fixe 22, et vient en butée, à son extrémité inférieure contre le contact mobile 20 lorsque le disjoncteur est fermé, comme le montre la figure 2.Un passage 42 traverse axialement les éléments tubulaires 45 et 22 et possède de grande des ouvertures d'éjection 44 à son extrémité supérieure comme le montre la figure 1. L'ouverture du disjoncteur s'effectue par déplacement de la barre de contact mobile 24 vers le bas à partir de sa position représentée à la figure 2 jusqu'a celle représentée à la figure 4, ce qui sépare le contact mobile 20 du contact fixe 21. Le disjoncteur se ferme par retour de la barre de contact mobile 24 vers le haut à partir'due sa position représentée à la figure 4 jusqu'à celle représentée à la figure 2. Autour des contacts 20 et 21 se trouve un manchon 50 en matériau électriquement isolant. Comme le montre la figure 5-, le manchon 50 comporte, entre ses extrémités, un -etranglement 52 où le passage pour le fluide 54 dans le manchon possède la section droite la plus faible. Une série de passages d'injection 56 par lesquels on peut injecter le gaz d'extinction d'arc au niveau de ltétranglament du manchon traversent radialement les parois de ce manchon 50 et aboutissent, du côté de leurs entre mités internes, dans L'étranglement 52. La figure 3, qui représente une coupe faite selon le plan de coupe 3-3 de la figure 2, montre ces passages. Un piston annulaire 60, qui peut glisser axialement à l'intérieur du cylindre 12 est solidaire de la partie extérieure du manchon 50. Un joint 62, plagié à la péripherie du piston 60, empêche le gaz sous pression de fuir au-delà du piston. La surface interne d'un élément annulaire 64, fixé au boîtier 12 et orienté radialement vers l'intérieur de ce boîtier, reçoit la surface périphérique extérieure du manchon 50 et assure le guidage de ce manchon pendant son déplacement. L'élément annulaire 64 porte un joint 66 qui empêche le gaz sous pression de fuir entre la périphérie du manchon et ltélément annulaire 64. Lorsque le manchon 50 se déplace vers le bas à partir de sa position représentée à la figure 2, le gaz qui remplit l'espace 67 compris entre le piston 60 et ltélément annulaire 64, se trouve comprimé et chassé-vers l'extérieur en passant par les passages d'injection 56 du manchon. Ce déplacement vers le bas du manchon 50 se produit pendant un fonctionnement à l'ouverture du disjoncteur lorsqu'une force se transmet de la barre de contact mobile 24 au manchon par l'intermédiaire d'un système de liaison 70, qui comprend deux leviers 72 fixés chacun de façon pivotante au boitier 12, comme le montre de façon schématique la figure 2. Chaque levier 72 comporte, à son extrémité extérieure, une fente longitudinale 74 qui reçoit, de façon coulissante, un axe 75 fixé à la barre 24.Des axes 78 et des dispositifs de liaison à fente 79 relient des barres de liaison 77 en matériau isolant, de façon pivotante, à un point intermédiaire de chaque dispositif de couplage 72 et chaque barre 77 est reliée à son extrémité supérieure au manchon 50. Chaque barre de liaison 77 traverse, à son extrémité inférieure, une ouverture 82a pratiquée dans une plaque fixe de guidage 82, en matériau isolant, qui guide la barre 77 dans un déplacement vertical rectiligne. Lorsque la barre de contact 24 se déplace vers le bas pendant une ouverture du disjoncteur, elle fait pivoter, par l'intermédiaire de l'axe 75, les leviers 72 de leur position représentée à la figure 2, à celle représentée à la figure 4, et entraine donc les barres de liaison 77 et le manchon 50 vers le bas pour les mettre dans les positions représentéex à la figure 4. Dans les positions représentées respectivement aux figures 2 et 4, les leviers 72 forment, avec un plan de référence horizontal 84, des angles sensiblement égaux et opposés, à savoir les angles 80 et 81, respectivement. Chaque barre de liaison 77 est actionnée par son levier de commande 72 en un point situé à peu près à mi-chemin des points de pivotement d'extrémité du levier 72 lorsque le disjoncteur est complètement fermé ou complètement ouvert.Par conséquent, la distance que parcourt le manchon 50 entre les positions représentées aux figures 2 et 4 vaut approximativement la moitié de celle que parcourt la barre de contact mobile 24 en se déplaçant de sa position complètement fermée à sa position complètement ouverte. La vitesse moyenne du manchon pendant un tel déplacement est donc, à peu près, égale à la moitié de celle du contact mobile, ce qui maintient ltétranglement 52 du manchon sensiblement à michemin entre les extrémités des électrodes 20 et 21 pendant la plus grande partie de chaque opération d'ouverture. Cela contribue à fournir des conditions d'écoulement à peu près symétriques dans le manchon. Lorsque la barre de contact mobile 24 se déplace vers le bas pour ouvrir le disjoncteur, elle sépare le contact mobile 20 du contact fixe 21 et retire le contact mobile 20 de sa position représentée à la figure 2 à l'intérieur de l'étranglement 52 du manchon, ce qui entraine la formation, entre les contacts, d'un arc 55 qui se prolonge à travers 1'étranglement comme le montre la figure 5. Le déplacement vers le bas de la barre de contact 24 entraine également, par l'intermédiaire du dispositif de liaison 70, le manchon 50 et le piston 60 vers le bas, ce qui chasse le gaz d'extinction d'arc de l'espace cylindrique 67 vers la région de l'arc à travers les passages d'injection 56. Lorsque le gaz d'extinction d'arc traverse les passages d'injection 56, il suit les trajets d'ôcoulement que représentent les flèches 83 sur la figure 5 ; c'est-à-dire qu'au moment où il pénètre dans la région de l'arc dans lsétranglement 52, une partie du gaz d'extinction d'arc circule a peu près selon une direction axiale par rapport à l'arc pour se diriger vers l'électrode mobile 20, et le restant circule à peu près selon une direction axiale par rapport à l'arc en direction de l'électrode fixe 21. Au début de l'ouverture, l'électrode 20, qui se trouve toujours à l'intérieur de l'étranglement 52 du manchon, arrete l'écoulement de gaz dans les passages d'injection 56 vers la région de l'étranglement. Ce blocage permet au déplacement du piston qui accompagne le déplåcement initial d'ouverture des contacts, de créer une certaine pression à l'intérieur de l'espace cylindrique 67. Ensuite, quand la manoeuvre d'ouverture est parvenue à un point où l'électrode 20 se retire pour débloquer les passages d'injection 56, il existe, dans l'espace cylindrique 67, une pression suffisante pour chasser le gaz d'extinction d'arc vers la région de l'arc, à travers les passages 56. Si l'intensité du courant instantané est faible, au moment de la séparation des contacts, le gaz circule vers la région de l'arc en passant par les passages d'injection 56. Mais si l'intensité du courant instantané est élevée, la pression que créé l'arc dans l'ôtranglement 52 est suffisamment importante pour empêcher la circulation de gaz vers l'étranglement, à travers les passages d'injection 56. En effet, sous ces conditions de courant fort, l'arc et les produits d'arc obstruent ou bloquent ltétranglement 52 et les passages d'injection 56. Par conséquent, le gaz qui remplit l'espace cylindrique 67 se trouve plus comprimé à mesure que le piston 60 se déplace vers le bas et il n'est pas injecté inutilement pendant la période où l'intensité du courant est d'abord élevée et où il ne peut pas éteindre l'arc.Mais quand le courant instantané tombe à une faible valeur juste avant le passage par zéro de l'intensité du courant, l'arc n'obture plus ltétranglement, et les pressions élevées créées pendant la période précédente où il y avait blocage, produisent une circulation efficace du gaz à travers les passages d'injection 56. Pendant cette période où le courant est faible, la circulation de gaz à travers les passages 56, refroidit l'arc et les produits d'arc, ce qui favorise l'obtention rapide de la rigidité diélectrique pour un courant nul. Le gaz qui traverse les passages creux, réalisés dans les électrodes, s'échappe par les orifices d'évacuation 44 et 48 dans les barres de contact respectives. Par conséquent, si on remplit le boitier 12 du disjoncteur représenté sur les figures I à 5 avec du SF6 dilué a 75 % en volume avec du CF4 sous des pressions de 9,45 kg/cm de CF4 et 2 de 3,16 kg/cm de SF6, le disjoncteur possède la grande rigidité diélectrique que donnerait le SF6 seul sous la même pression totale. Le mélange SF6 + CF4 est donc injecté dans la région de l'étranglement 52 à travers les passages d'injection 56, et il sort de la région 52 dans des sens opposés au delà des électrodes 20 et 21. L'utilisation du SF6 en même temps que du CF4 ou du C2F6, permet donc d'augmenter la pression de fonctionnement au dessus de la valeur limite de la pression de fonctionnement du SF6, à 2 savoir 3,16 kg/cm et cela de façon peu coûteuse, sans chauffer le disjoncteur. C'est-à-dire que la liquéfaction du mélange de gaz d'extinction d'arc se produit à une pression beaucoup plus élevée que pour le SF6 tout seul. Le CF4 a une température cri tique de - 450C et on peut l'utiliser sous n'importe quelle pression. En outre, les gaz fluorocarbonés (c'est--dire les alcanes perfluorés CF4 et C2F6) sont moins chers que le SF6. Il faut remarquer que l'addition de CF4 ou de C2F6 au SF6 donne une variation de la vitesse de rétablissement relative du disjoncteur qui varie, de façon inattendue, de façon sensiblement linéaire avec les proportions de gaz dans le mélange. La figure 6 montre cela, à l'aide de courbes en traits pleins qui représentent le taux initial relatif de montée de la tension de rétablissement (comparé au SF6 pur) en fonction de la quan tité relative de SF6 dans le mélange gazeux, sous une pression totale en amont de 21 kg/cm au-dessus de la pression atmosphé risque pour un taux de variation du courant de charge de 13 A/ps. Pour un taux de variation du courant de charge plus élevé (25 A/ps), la courbe en pointillés montre le résultat obtenu en mélangeant du CF4 au SF6, et cette courbe est encore plus proche d'une ligne droite. Ceci est favorable car l'addition de CFi ou de C2F6 au SF6 réduit le taux initial relatif de montée de la tension de rétablissement à une valeur raisonnable, et de faibles variations dans les proportions du mélange n'altèrent pas cette valeur de façon importante. La figure 7, qui représente la tension de rétablissement en fonction du temps à partir du courant nul, montre le résultat obtenu en ajoutant un alcane perfluoré au SF6. Au moment où un disjoncteur s'ouvre suite à un défaut de court-circuit, la tension transitoire de rétablissement du disjoncteur possède des pointes au moment de l'annulation du courant, comme le montre la figure 7. La valeur de crète de la première pointe qui peut se produire à 50 - 100 kV, est atteinte, d'une manière typique, en 5-10 Ps après le passage à zéro du courant pour une tension efficace de rétablissement de 200-300 kV.Bien que ces pointes (provoquées par les phénomènes de ligne de transmission) s1attô- nuent avec le temps, elles peuvent créer une possitilité de réamorçage de l'arc avant que la tension de rétablissement atteigne la tension totale du réseau (ce qui peut demander 200-300 pus). L'addition d'alcane perfluoré au SF6 permet de travailler avec une pression de gaz supérieure à la pression de liquéfaction du SF6 pur, de sorte que la vitesse de rétablissement diélectrique du mélange gazeux est plus rapide que le taux de montée de la première pointe de tension représentée à la figure 7. Toute probabilité de réamorçage prématuré de l'arc se trouve ainsi réduite. La figure 8 représente une courbe des valeurs particulières de la tension de rétablissement dans les microsecondes qui suivent le zéro de courant, et elle montre I'efficacité relative du SF6 seul, du CF4 seul, d'un mélange de 50 % de SF6 et de 50 % de CF4, et d'un mélange de 25 % de SF6 et de 75 % de CF4. On peut voir que I'efficacité des mélanges gazeux suit de près celle du SF6 seul, tandis que I'efficacité du CF4 seul est sensiblement différente de celle du SF6 et des mélanges gazeux et en est sensiblement inférieure. L'avantage de l'utilisation de mélanges gazeux dans les disjoncteurs à soufflage par gaz apparait donc clairement. On vient de décrire un disjoncteur à soufflage par gaz qui possède un rétablissement thermique et un rétablissement diélectrique rapides, ce qui permet une augmentation du taux maximum de montée de la tension de rétablissement admissible après l'annulation du courant de charge. Ce disjoncteur utilise un fluorocarbure gazeux de sorte que la carbonisation qui résulte du phénomène d'arc se trouve réduite par la formation d'un gaz stable qui comporte du carbone. REVENDICATIONS 1 - Disjoncteur électrique comportant des contacts relativement mobiles à l'intérieur d'une chambre à arc que peut traverser un fluide d'extinction d'arc quand les contacts se séparent sous des conditions de surcharge de courant électrique, caractérisé en ce que le fluide d'extinction d'arc est un mélange d'hexafluorure de soufre et d'un fluorocarbure gazeux. 2 - Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluorocarbure gazeux est constitué par un alcane perfluoré. 3 - Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluorocarbure gazeux est le tétrafluorométhane. 4 - Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluorocarbure gazeux est I'hexafluoroéthane.