Brevet FR2422243A1 — publié le 19791102

L'invention est relative à un disjoncteur à haute tension et plus particulièrement du type à atmosphère de gaz diélectrique. Le gaz actuellement utilisé dans le disjoncteur, en raison de ses remarquables qualités diélectriques et de ses aptitudes à la coupure, est généralement de l'hexafluorure de soufre. Cependant, l'utilisation d'un tel gaz nécessite, pour un soufflage énergique de l'arc, sa compression préalable, ce qui conduit à des énergies importantes pour la manoeuvre des mécanismes de commande du disjoncteur. D'autre part, ce soufflage, qui est indispensable pour la coupure de courants de court-circuit de forte intensité, peut créer des surtensions élevées lors de la coupure de faibles courants inductifs. C'est ainsi qu'on a cherché à s'affranchir de ces difficultés en opérant la coupure dans une chambre où l'arc de coupure, apparaissant entre les contacts principaux, est soumis à l'action électrodynamique d'une bobine qui lui communique un déplacement en spirale entre la tige du contact d'arc mobile et un guide d'arc cylindrique coaxial l'entourant. Un tel disjoncteur a été ainsi décrit dans le brevet japonais nO 41.914/68. Mais aussi bien cet appareil que d'autres réalisations présentent un certain nombre d'inconvénients. C'est ainsi que la présence de guides d'arc pour le développement en spirale de l'arc conduit à un encombrement notable. En outre, la plupart des dispositifs connus utilisent une bobine unique et cherchent à créer l'arc par commutation d'un arc initial qui est ensuite étiré longitudinalement suivant une direction parallèle à celle de la tige mobile de l'appareil de coupure. Cependant d'autres dispositifs donnent naissance à un arc tournant à une extrémité de la bobine pour pénétrer ensuite à son intérieur suivant le même déplacement que la tige mobile afin d'y bénéficier d'un flux maximum, mais cela à l'encontre de l'effet de boucle, ce qui ne facilite pas l'allongement de l'arc et rend difficile une coupure sous tension de rétablissement élevée.De plus, l'arc n'est pas toujours placé dans les meilleurs conditions par rapport au champ de la bobine et tous ces dispositifs ne se prêtent guère à une mise en série de plusieurs intervalles de coupure pour la réalisation d'appareils à tension de rétablissement plus élevée. L'invention a pour but un disjoncteur à haute tension du type à arc tournant présentant des dispositions d'encombrement réduit susceptibles de réaliser aisément une mise en série d'intervalle de coupure. L'invention a pour objet un disjoncteur à haute tension sous une enceinte de gaz comportant de l'hexafluorure de soufre comprenant, un circuit principal, ayant un contact principal fixe coopérant avec un contact principal mobile, et un circuit auxiliaire de coupure, caractérisé en ce que le circuit auxiliaire de coupure comporte en dérivation aux bornes des contacts principaux une première bobine de soufflage électro-dynamique reliée d'une part au contact principal fixe et d'autre part à un premier collecteur de courant disposé coaxialement à l'intérieur de ladite bobine et coopérant avec une première bague mobile reliée au contact principal mobile, ledit circuit auxiliaire de coupure présentant entre ledit collecteur et ladite bague un intervalle de coupure auxiliaire, donnant naissance à un arc auxiliaire soumis au champ électro-magnétique de ladite bobine, après ouverture des contacts principaux et extinction de l'arc principal apparu entre ces contacts. Selon certaines caractéristiques, l'intervalle de coupure est disposé dans la partie médiane de la bobine au droit de la zone de flux magnétique maximal. Un anneau magnétique ouvert peut être disposé intérieurement à ladite bague et le collecteur de courant peut être constitué par une pièce amagnétique formant une boucle ouverte. Selon une caractéristique, cette bague comporte une plage centrale cylindrique de révolution raccordée par un retreint conique incliné d'un angle de 40 à 45 degrés vers une deuxième plage cylindrique de révolution de diamètre inférieur et disposé du côté où s'exerce le déplacement électrodynamique de l'axe auxiliaire sous l'action de la bobine. Selon d'autres caractéristiques, ladite première bague du circuit auxiliaire de coupure est reliée en série à au moins une autre bobine de soufflage électrodynamique reliée à un autre collecteur disposé concentriquement à cette autre bobine et coopérant avec une autre bague, la dernière bague étant seule reliée directement au contact mobile principal. Une résistance de shuntage de l'intervalle de coupure auxiliaire compris entre deux bobines de soufflage peut être disposée en série entre les deux bobines aux bornes d'un intervalle de coupure. A la place de résistance, on peut également utiliser des condensateurs de valeurs différentes pour la répartition des tensions entre les différents intervalles de coupure. Lors de la fermeture du disjoncteur les contacts principaux peuvent être fermés avant les intervalles de coupure auxiliaires. Les caractéristiques et avantages du dispositif apparaitront dans la description donnée ci-après en regard des modes de réalisation donnés à titre d'exemple dans les-dessins annexés. La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un disjoncteur à hautetension selon l'invention en position de fermeture. La figure 2 est une vue en coupe du disjoncteur selon la figure 1 en position d'ouverture. La figure 3 représente un oscillogramme de répartition des courants avec le disjoncteur selon la figure 2. La figure 4 est une vue en coupe d'une variante de mode de réalisation du disjoncteur en position de fermeture. La figure 5 est une vue en coupe du disjoncteur selon la figure 4 en position d'ouverture. Dans les figures 1 et 2, on a désigné par 19 l'enveloppe métallique de la chambre d'un disjoncteur à haute tension contenant un gaz, tel que de l'hexafluorure de soufre. A sa partie supérieure, l'enveloppe 19 est fermée par un couvercle 2 supportant en son centre une borne munie d'une couronne de doigts de contact 5 constituant le contact principal fixe 1. A sa partie inférieure l'enveloppe 19 est fixée sur un isolateur cylindrique 22 fermé par une plaque support 24 munie d'une couronne de doigts de contact 23 et reliée à une borne 25. Le contact principal mobile est constitué par un élément tubulaire 14 dont l'extrémité supérieure est terminée par un pare-étincelle 4 à haut point de fusion qui coopère avec les doigts de contact 5 tandis qu'à la partie inférieure l-'élément tubulaire 14 est disposé dans l'axe de l'isolateur 22 et opère avec les doigts de contact 23 ; il est en outre relié à un mécanisme d'entrainement classique et non représenté. Un tube isolant fixe 15 est suspendu par une jupe tubulaire 3 à la périphérie du couvercle 2. Ce tube supporte une première bobine 8 reliée d'une part à son amont à la jupe 3 et à son aval à travers une résistance de shuntage 16 à l'amont d'une deuxième bobine 8'. Ces bobines qui sont concentriques à l'élément tubulaire 14 sont reliées chacune à leur aval à des collecteurs d'arc 9 et 9' qui sont des pièces coniques de révolution. Les collecteurs 9 et 9' sont des pièces conductrices réalisés en matériau amagnétique de faible épaisseur, tel que du laiton ou du bronze, formant une boucle ouverte, par exemple à l'aide d'éléments sectoraux. Les collecteurs 9 et 9' ont ainsi une borne disposée contre l'aval des bobines 8 et 8' et une extrémité libre convergeant vers la partie médiane des-bobines et comportant des plots de contact 11 et 11'. Un tube isolant mobile 18 est disposé concentriquement au premier tube isolant 15 autour de l'élément tubulaire 14. Sur la paroi extérieure du tube isolant 18 sont fixées en regard de chacune des bobines 8et 8' des bagues 12 et 12'. Ces pièces conductrices sont réalisées en matériau amagnétique formant une boucle ouverte. Les bagues 12 et 12' qui sont de révolution comportent de part et d'autre d'une plage centrale cylindrique 40 et 40' deux surfaces coniques supérieures 41 et 41' retreintes vers une plage supérieure constituée par une douille 42 et 42' manchonnée sur le tube 18, et deux surfaces coniques inférieures 43 et 43' rétreintes vers une plage inférieure constituée par une douille 44 et 44' manchonnée sur le tube 18.Les surfaces coniques supérieures 41 et 41' forment par rapport aux plages centrales 40 et 40' un angle d'inclinaison de 30 à 45 degrés. La douille inférieure 44' est reliée électriquement à l'élément tubulaire 14 sur lequel elle est fixée par un raccordement 45. Des anneaux magnétiques ouverts 10 et 10' sont disposés entre les plages centrales 40 et 40' et le tube 18. Des doigts 17 fixes établissent un contact électrique entre la douille inférieure 44 de la première bague 12 et l'amont de la deuxième bobine 8'.Des cloisons isolantes fixes 13 et 13' sont disposées entre l'aval de chacune des bobines 8 et 8' et les douilles inférieures 44 et 44' de manière à former en-coopération avec les collecteurs 9 et 9' et les surfaces coniques 43 et 43' des compartiments à volume variable 46 et 46'. Lorsque le disjoncteur est fermé les plages centrales 40 et 40' sont disposées dans la partie médiane des bobines 8 et 8' où elles sont au contact des doigts 11 et 11'. En position de fermeture, représentée dans la figure 1, le courant transite principalement depuis la borne 1 jusqu'à la borne 25 en passant par les doigts 5, ltélément tubulaire 14, les doigts 23 et la plaque 24. Mais une partie du courant est cependant dérivée à travers le couvercle 2, la jupe 3, la bobine 8, le collecteur 9, les plots 11, la bague 12, les doigts 17, la bobine 8', le collecteur 9', les plots 11', la bague 12' et le raccordement 45. Un mécanisme classique et non représenté fait déplacer l'élément tubulaire 14 vers le bas dans le sçns de la flèche F pour l'amener dans la position d'ouverture correspondant à la figure 2. Au cours de cette manoeuvre, un arc primaire se forme entre les doigts de contact 5 et le contact pare-étincelle 4 de l'élément tubulaire 14. Au fur et à mesure de l'avancement de l'élément tubulaire 14, la tension d'arc primaire est telle qu'une partie de plus en plus importante du courant passe dans le circuit dérivé indiqué précédemment. Dans l'oscillogramme de la figure 3, la courbe 31 représente schématiquement au début de la coupure l'allure du courant aux bornes du disjoncteur, tandis que les courbes 32 et 33 représentent les courants dans le circuit principal et dans le circuit dérivé, t représentant l'instant de séparation des contacts principaux. Il en résulte un accroissement rapide du courant dérivé, ce qui conduit à l'extinction de l'arc primaire avant ou au passage naturel à zéro du courant principal. La tension à tenir entre les contacts 4 et 5 après l'extinction de l'arc principal est égale à la chute de tension selfique dans les deux bobines en série 8 et 8'. Le courant croissant dans le circuit dérivé crée un champ magnétique élevé dont les lignes de champ sont concentrées par les circuits magnétiques 10 et 10' qui, présentant un entrefer, ne forment pas une spire en court-circuit. Après une course donnée de l'élément tubulaire 14, les plages centrales 40 et 40' des bagues 12 et 12' se séparent des doigts 11 et 11' créant simultanément deux intervalles de coupure qui donnent naissance à deux arcs auxiliaires en série et disposés perpendiculairement au champ magnétique des bobines 8 et 8'. Les arcs auxiliaires font partie d'une boucle constituée par une partie conique supérieure 41 et 41', les plots de contacts 11 et 11' disposés à l'extrémité du collecteur d'arc 9 et 9'. Sous l'effet de la boucle associé à l'effet du champ magnétique intense et concentré au voisinage de l'arc, ils tournent à très grande vitesse. Les surfaces coniques inclinées 41 et 41' permettent l'allongement de l'arc tournant en le maintenant sensiblement dans le plan perpendiculaire à l'élément tubulaire 14 au niveau des plots de contacts 11 et 11'. Ces arcs auxiliaires s'éteignent alors à un passage par zéro avant que l'élément tubulaire 14 termine sa course d'ouverture. Lorsque les courants sont très importants, le circuit magnétique se sature, ce qui est sans importance lors de la coupure de courants élevés, mais par contre il demeure très efficace pour des petits et moyens courants. De plus, par le déplacement des bagues 12 et 12' dans les compartiments 46 et 46' fermés par les cloisons isolantes 13 et 13', une faible compression de gaz peut être créée ce qui favorise la coupure par l'apport du gaz dans la zone d'arc. Une forme arrondie des contacts permet de tenir des tensions plus élevées avec de l'hexafluorure de soufre sous pression de 3 à 4 bars par exemple. En présence de courants très élevés la résistance 16 placée entre les deux bobines, shunte l'intervalle de la coupure auxiliaire supérieur en ayant une résistance à une valeur inférieure ou égale à la résistance critique du circuit à couper. Au moment de l'extinction de l'arc tournant par les bobines 8 et 8', la tension transitoire de rétalibssement sera appliquée inégalement sur les deux intervalles de coupure en série pendant un très court instant jusqu'à l'amorçage dans l'intervalle de coupure associé à la bobine 8' ; il n'y a presque pas de tension sur l'intervalle de coupure associé à la bobine 8 shunté par la résistance 16. Ce court instant est suffisant pour la régénération diélectrique de l'intervalle de coupure associé à la bobine 8 et permet l'interruption du courant de court-circuit.L'intervalle de coupure associé à la bobine 8' est alors traversé par un courant réduit par la résistance 16 et en phase avec la tension. Au passage par zéro du courant et de la tension, un quart de période plus tard, la tension transitoire de rétablissement a une vitesse lente, correspondant à celle de la fréquence industrielle, ce qui facilite l'extinction du deuxième intervalle associé à la bobine 8' de coupure. Cette disposition permet un pouvoir de coupure plus grand sous une tension rétablie plus faible. A la fermeture de l'appareil, l'arc s'établit d'abord sur le circuit dérivé entre les surfaces coniques 41 et 41', les doigts de contacts 11 et 11' des collecteurs d'arc 9 et 9'. Si la fermeture se produit à un instant tel qu'il y ait une pleine asymétrie de courant et, comme la course l'élément tubulaire 14 est faible, il entre en contact avec les doigts 5 très rapidement, évitant ainsi aux bobines 8 et 8' d'être traversées par la grande onde de courants asymétrique. Les parties conductrices servant de racines à l'arc, sont en matériau ne donnant pas de pointes ou des perles, par exemple le laiton ou le tungstène. Les figures 4 et 5 représentent une variante de réalisation d'un disjoncteur à chambre unique sous enveloppe isolante 27, monté par l'intermédiaire de la plaque 24 sur un support isolant 22 reposant sur un socle 28. Les mêmes références y correspondent aux mêmes désignations que dans les figures 1 et 2. Dans cette variante, le disjoncteur comporte en série dans une même chambre trois bobines de soufflage 8, 8' et 8", trois collecteurs 9, 9', 9" et trois bagues 12, 12', et 12" et des doigts de contact 17 et 17'. On réduit la course de l'équipage mobile, et donc son encombrement et sa durée d'ouverture, en utilisant un système de contact en bout 7 maintenu par le ressort 6 pour l'intervalle de coupure principal. La course de l'élément tubulaire 14 peut être réduite en désolidarisant le tube isolant 18 de la tige de contact 14 à l'ouverture et à la fermeture, de façon qu'à l'ouverture et à la fermeture le tube isolant 18 portant les bagues 12, 12', 12" se déplacent avec retard par rapport à l'élément tubulaire 14. Ceci peut être obtenu par un mécanisme de type connu et non représenté, logé dans le carter 30 et agissant sur le tube 18 par l'intermédiaire d'un prolongement 29. En outre les rampes inclinées supérieures sont directement en contact avec les collecteurs semi-mobiles. Dans cette disposition, les collecteurs d'arc tels que 9, 9' et 9" et les bagues 12, 12' et 12" sont disposés parallèlement et comme les courants les traversant au moment de la séparation des contacts sont de sens inverse, l'effet de soufflage électrodynamique sur les arcs auxiliaires soumis à l'action de boucle se trouve renforcé. En position "disJoncteur fermé" (figure h) la pression de contact sur les intervalles de coupure auxiliaire est assurée, par exemple, par le système à ressort du mécanisme et peut être obtenue aussi par un montage glissant des collecteurs 9, 9' et 9" et leur maintien par ressort. L'enveloppe isolante 22 entoure complètement la partie active du dis joncteur, ce qui le rend plus compact. Pour assurer une bonne répartition de tension entre les intervalles de coupure auxiliaire, au lieu d'utiliser des résistances de shuntage on peut brancher des condensateurs 26, 26l et 26" entre les bobines 8 et 8', 8' et 8", ainsi que entre le collecteur 9" et la bague 12", shuntant les trois intervalles de coupure auxiliaire. On peut aussi obtenir une dissymétrie de tension entre les intervalles de coupure auxiliaire en utilisant des condensateurs 26, 26' et 26" de valeurs différentes ; l'intervalle ayant la plus grande capacité à ses bornes coupera en premier, tandis que le ou les intervalles de coupure ayant des capacités de valeurs plus faibles, auront seulement à couper un très faible courant capacitif une demi-période plus tard. La mise en série de plusieurs bobines de soufflage avec plusieurs intervalles de coupure permet ainsi d'augmenter la tension de rétablissement par chambre de coupure et d'obtenir, par exemple, pour une même chambre de coupure des tensions de l'ordre de 70 à 100 KV. En plaçant en série plusieurs chambres telles que représentées sur les figures, on obtiendra des disjoncteurs à très haute tensions nominales et comme il n'est plus nécessaires de comprimer beaucoup de gaz, l'énergie de manoeuvre de ces disjoncteurs sera faible. Ces chambres peuvent être disposées soit horizontalement soit en V, soit en chandelle. Il est évident que l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit et représenté et qui n'a été donné qu'à titre d'exemple ; en particulier, on peut, sans sortir du cadre de l'inven tion, modifier certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents, ou encore remplacer certains éléments par d'autres suscep tibles d'assurer la même fonction technique ou une fonction technique équi valente. REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur à haute tension comprenant sous une enceinte de gaz comportant de l'hexafluorure de soufre un circuit principal, ayant un contact principal fixe coopérant avec un contact principal mobile, et un circuit auxiliaire de coupure1 caractérisé en ce que le circuit auxiliaire de coupure comporte en dérivation aux bornes des contacts principaux une première bobine de soufflage électro-dynamique (8) reliée d'une part au contact principal fixe et d'autre part à un premier collecteur de courant (9) disposé coaxialement à l'intérieur de ladite bobine et coopérant avec une première bague mobile (12) disposée autour du contact principal mobile et reliée à celui-ci pour former entre l'extrémité libre (11) du collecteur et la bague disposée en regard un intervalle de coupure auxiliaire donnant naissance, après ouverture des contacts principaux et extinction de l'arc principal apparu entre ces contacts, à un arc auxiliaire soumis normalement au champ électromagnétique de ladite bobine, ledit arc auxiliaire tournant et étant maintenu localisé -sur cette extrémité normalement audit champ électromagnétique. 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intervalle de coupure auxiliaire est disposé dans la partie médiane de la bobine (8) au droit de la zone de flux magnétique maximal. 3/ Disjoncteur selon l'une des revendicationss 1 à 2, caractérisé en ce qu'un anneau magnétique ouvert (10) est disposé intérieurement à la bague. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le collecteur de courant (9) est une pièce conductrice amagnétique circulaire formant une boucle ouverte et convergeant vers son extrémité librement du côté où s'exerce le déplacement électrodynamique de l'arc auxiliaire sous l'action de la bobine. 5/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la bague (12) est une pièce conductrice amagnétique circulaire formant une boucle ouverte et comportant une plage centrale (40) cylindrique de révolution raccordée par un rétreint conique (41) incliné d'un angle de 30 à 45 degrés vers une deuxième plage cylindrique de révolution (42) de diamètre inférieur et disposé du côt où s'exerce le déplacement électrodynamique de l'arc auxiliaire sous l'action de la bobine (8). 6/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la première bague (12) du circuit auxiliaire de coupure est reliée en série à au moins une autre bobine de soufflage électrodynamique (8') reliée à un autre collecteur (9') disposé concentriquement à cette autre bobine et coopérant avec une autre bague (12'), la dernière bague étant seule reliée directement au contact mobile principal. 7/ Disjoncteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que une résistance de shuntage (16) de l'intervalle de coupure auxiliaire compris entre deux bobines de soufflage est disposé en série entre lesdites deux bobines. 8/ Disjoncteur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un condensateur de répartition (26) est disposé en série entre des bobines consécutives. 9/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le contact principal mobile est relié aux bagues mobiles (12) par une liaison rigide. 10/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lors de la fermeture du disjoncteur un mécanisme (29) commande la fermeture des contacts principaux avant celle des intervalles de coupure auxiliaires.