Brevet FR2460537A1 — publié le 19810123

INTERRUPTEUR A SOUFFLAGE PNEUMATIQUE DE L'ARC PAR EXPANSION THERMIQUE DES GAZ DE SOUFFLAGE. L'invention est relative à un interrupteur à soufflage magnétique et pneumatique d'un arc comprenant une enceinte étanche remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée, notamment de SF6, une cloison de subdivision de l'enceinte en deux chambres, une chambre de coupure et une chambre d'expansion, un contact mobile tubulaire traversant ladite cloison et présentant un orifice pour faire communiquer l'espace interne du contact tubulaire avec la chambre d'expansion, ledit espace interne communiquant d'autre part par l'extrémité ouverte du contact tubulaire avec la chambre de coupure, un contact fixe disposé dans la chambre de coupure et coopérant avec le contact mobile et un moyen magnétique pour engendrer un champ magnétique de soufflage dans la zone d'extension de l'arc tiré entre lesdits contacts séparés. Un interrupteur connu du genre mentionné utilisant l'expan- sion thermique des gaz soumis à l'action de l'arc pour engendrer u-n soufflage pneumatique de l'arc par échappement des gaz vers une chambre d'expansion, présente l'avantage d'un autosoufflage ne nécessitant qu'une faible énergie de commande de l'interrupteur, mais est incapable de couper des courants faibles, par exemple inférieurs à quelques centaines d'ampères. On comprend que l'effet de soufflage dépendant de l'échauffement des gaz dans la chambre de coupure est directement lié à l'intensité du courant parcourant l'arc et que lors de faibles courants cet échauffement est insuffisant à un soufflage efficace de l'arc. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient d'une manière particulièrement simple et sans augmentation notable de l'énergie de commande de l'interrupteur. L'interrupteur selon l'invention est caractérisé par le fait que ledit contact tubulaire présente une jupe retrous sée vers l'extérieur, la paroi cylindrique interne de la jupe confinant avec la paroi cylindrique externe du contact tubulaire une chambre annulaire de compression susceptible de coopérer avec un piston pour comprimer le gaz de soufflage et que des orifices d'échappement du gaz comprimé dans la chambre annulaire sont ménagés à l'extrémité du contact tubulaire pour souffler l'arc ancré sur ce dernier contact. Le volume pistonnable est intégré au contact mobile et les orifices d'échappement du gaz comprimé lors du déplacement du contact mobile-sont situés à l'extrémité du contact mobile au pied même de la racine d'arc à l'endroit où celleci a tendance a se placer en l'absence de soufflage. Ce dispositif de soufflage indépendant de l'intensité du courant à couper est particulièrement efficace et ne nécessite qu'un faible volume de gaz pistonné, c'est-à-dire une faible énergie de commande de déplacement du contact mobile. Le soufflage par gaz pistonné-est insuffisant à l'interruption d'un arc parcouru par un courant fort, par exemple supérieur à quelques centaines d'ampères, et l'arc persiste en échauffant le gaz contenu dans la chambre de coupure, de façon à engendrer une surpression et un échappement du gaz à travers le contact mobile vers la chambre d'expansion. Le soufflage par expansion thermique exerce sur l'arc un effort' centripète qui est avantageusement contré par une force électrodynamique de répulsion centrifuge de l'arc grâce à un effet de boucle dû à la configuration particulière du contact mobile. L'arc soumis à-ces efforts contraires est en un état d'équilibre instable maintenant les racines en mouvement continu favorable à un refroidissement et à une extinction rapide de l'arc.L'effet électrodynamique de répulsion de la racine d'arc est obtenu en alimentant le contact mobile équipé de sa Jupe retroussée par la queue traversant la cloison intermédiaire de subdivision de l'enceinte de l'interrupteur. L'effet combiné de soufflage par gaz pistonnés et par gaz expansés thermiquement est avantageusement amélioré selon un développement de l'invention par un soufflage magnétique en rotation de l'arc engendré par une bobine de soufflage mise en circuit dès la formation de l'arc. La bobine de soufflage engendre un champ magnétique radial dans la zone d'extension de l'arc de façon à soumettre ce dernier à un mouvement de rotation évitant toute érosion des contacts. La rotation de l'arc favorise l'échauffement et de ce fait l'expansion thermique du gaz contenu dans la chambre de coupure. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif et représenté au dessin annexé, dans lequel la figure unique est une vue schématique en coupe axiale d'un pole d'un interrupteur selon l'invention, représenté sur la demi que gauche en position fermé, et sur la demi que droite en position ouvert. Sur la figure, une enceinte d'un pôle d'un interrupteur est délimitée par une enveloppe cylindrique 10 en matériau iso- lant obturée aux extrémités par un fond 12 en matériau conducteur et un fond opposé 14 en matériau isolant. L'enceinte est subdivisée en deux chambres 16, 18 par une cloison intermédiaire 20 en matériau conducteur traversant l'enve- loppe 10 et conformée en borne de raccordement 22. Le fond 12 porte la borne opposée 24 de raccordement. L'enceinte étanche est remplie d'un gaz électronégatif, notamment d'hexafluorure de soufre, sous une pression appropriée.Un contact tubulaire mobile 26 est monté à coulissement axial dans l'enceinte en traversant la cloison intermédiaire 20 et en étant prolongé par une tige de commande 28, qui traverse d'une manière étanche avec interposition d'un joint torique 30 le fond 14. La paroi du contact tubulaire 26 comporte des orifices 32 mettant en communication l'intérieur 34 du contact mobile avec la chambre 18, dénomme par la suite chambre d'expansion. L'extrémité ouverte du contact mobile 26 communique avec la chambre 16, qui constitue la chambre de coupure. On comprend que l'espace interne 34 du contact mobile 26 constitue par l'intermédiaire des orifices 32 une communication d'échappement de gaz entre la chambre de coupure 16 ét la chambre d'expansion 18.Le contact mobile tubulaire 26 est replié dans la chambre de coupure 16 en épingle à cheveux pour former une jupe retroussée 36 cylindrique entourant coaxialement le contact tubulaire 26 en confinant un volume annulaire 38. a cloison intermédiaire 22.porte un fourreau tubulaire 40 gainant le contact mobile 26 et guidant ce dernier dans son déplacement, le fourreau portant à son extrémité un piston annulaire 42 engagé dans le volume 38. L'extrémité du contact mobile 26 coopère en position de fermeture de l'interrupteur, représentée sur la demi-vue de gauche, avec une tulipe de contact 44 portée par le fond 24.Le bord frontal du contact mobile 26 constitué par le pLi46 de raccordement de la jupe 36 au contact mobile 26, présente une série d'orifices 48 orientés axialement et faisant communiquer le volume annulaire 38 avec la chambre de coupure 16. En position de fermeture de l'interrupteur,. le volume annulaire 38 est maximal, ce volume diminuant lors d'un coulissement vers la position d'ouverture du contact mobile 26, le contact 26 et la jupe retroussée 36 coulissant d'une manière étanche sur le piston fixe 42. Le gaz comprimé dans le volume 38 s'échappe par les orifices 48. En position d'ouverture, le piston 42 est pratiquement au fond du volume pistonnable 38. La cloison intermédiaire 20 porte un contact d'amenée de courant 50 coopérant avec le contact tubulaire 26. Une bobine de soufflage 52 portée par le fond 12 entoure coaxialement le contact fixe 44 et l'extrémité du contact tubulaire mobile 26 en position de fermeture. La bobine de soufflage 52 est connectée électriquement par un conducteur 54 au fond 12 et par un conducteur 56 à une électrode annulaire 58 coiffant le bord frontal de la bobine 52. L'interrupteur selon l'invention fonctionne de la manière .suivante : En position de fermeture, représentée sur la demi-vue gauche, le courant entrant à un instant donné par la borne 24 p-arcourt le fond 12, le contact fixe en tulipe 44, le contact mobile 26, le contact glissant 50, la cloison intermédiaire 20, pour sortir par la borne opposée 22. La bobine 52 est hors circuit. L'ouverture de l'interrupteur est commandée par un déplacement vers le bas par un mécanisme quelconque ne faisant pas partie de la présente invention, de la tige de commande 28. Le contact mobile 26 se sépare du contact fixe 44 et l'arc tiré entre ces contacts commute rapidement sur l'électrode annulaire 58 mettant en circuit la bobine de soufflage 52.La bobine engendre dans la zone d'extension de l'arc un champ magnétique radial imposant une rotation de l'arc sur l'électrode 58 et sur l'extrémité annulaire 46 du contact mobile 26. Cette rotation évite toute érosion des surfaces de contact. Le déplacement vers le bas sur la figure du contact mobile 26 provoque une diminution du volume annulaire 38 et un échappement du gaz pistonné par les orifices 48. Le trajet en boucle parcouru par le courant dans le contact mobile 26 et l'arc engendre une force électrodynamique centrifuge tendant à déplacer l'arc vers l'enveloppe 10. Cet effort centrifuge est contrecarré par un effort antagoniste de soufflage pneumatique engendré par l'expansion thermique du gaz de la chambre de coupure 16, qui s'échappe à travers l'espace interne 34 du contact mobile 26 vers la chambre d'expansion 18.La racine d'arc ancrée sur l'extrémité 46 du contact mobile 26 est en équilibre instable et le mouvement oscillant qui en résulte favorise l'extinction de l'arc. L'arc tiré entre les contacts séparés est soumis à l'effet combiné d'un soufflage magnétique en rotation engendré par la bobine 52,d'un soufflage pneumatique par le gaz pistonné s'échappant par les orifices 48, d'un soufflage pneumatique par les gaz expansés thermiquement dans la chambre de cou pure 16 et s'échappant à travers le contact mobile 26 et d'un soufflage électrodynamique tendant- à allonger l'arc. Ces effets combinés permettent la réalisation d'un interrupteur à performances accrues capable de couper une large gamme de courants sans nécessiter une énergie de manoeuvre importante. I1 est facile de comprendre que selon l'importance, c'est-à-dire l'intensité des courants à couper, certains des effets précités sont prépondérants d'autres étant accessoires ou secondaires. Le soufflage par expansion thermique est faible ou négligeable lors de la coupure de faibles courants, par exemple inférieurs à quelques centaines d'ampères, l'extinction de l'arc résultant essentiellement du soufflage par gaz pistonné.Lors de l'interruption de courants forts, le soufflage par expansion thermique est prépondérant, la rotation de l'arc et le mouvement oscillant du pied de l'arc limitant essentiellement l'échauffement et l'ionisation des surfaces de contact, de façon à contribuer à l'extinction de l'are. La structure de l'interrupteur est particulièrement simple et ne nécessite aucune augmentation de l'encombrement. La jupe retroussée 36 peut être pourvue de fentes de limitation des courants induits auquel cas un fourreau d'étanchéité gaine avantageusement la jupe pour éviter les fuites du gaz comprimé à travers les fentes. La surface interne de la jupe retroussée 36 et la surface externe du contact mobile 26 au contact du piston 42 peuvent être revêtues d'une- couche isolante imposant une trajectoire en boucle du courant. Le même effet peut être obtenu en utilisant un piston 42 en matériau isolant. Dans l'exemple de mise en oeuvre préférentiel, représenté sur la figure, les effets précités sont utilisés en combinaison, mais on comprend que le contact mobile 26 à jupe retroussée 36 permettant un soufflage au pied de l'arc peut être utilisé séparément ou en combinaison avec l'un ou plusieurs des effets précités C'est ainsi qu'un interrupteur du type décrit ci-dessus, mais dépourvu d'une bobine 52 de soufflage en rotation de l'arc, possède déjà des performances de coupure remarquables. La forme repliée du contact mobile tubulaire 26 permet d'une part la constitution d'un ensemble piston 42, volume pistonnable 38, et d'autre part une amenée de courant en boucle engendrant un soufflage magnétique par répulsion électrodynamique de l'arc. Le volume pistonnable 38 et les orifices d'échappement 48 du gaz pistonné sont au voisinage direct de la racine de l'arc permettant un soufflage efficace malgré le débit limité. L'effet du soufflage magnétique peut être accru par des culasses magnétiques disposées judicieusement d'une manière bien connue des spécialistes. L'amenée du courant peut bien entendu être réalisée d'une manière différente, notamment directement par la tige de commande 28 ou par un système de tresse ou tout autre syste opérant. L'invention n est bien entendu nullement limitée au mode de mise en oeuvre, plus particulièrement décrit et repue senté d dessin annexé. Revendications 1. Interrupteur à soufflage magnétique et pneumatique d'un arc comprenant une enceinte étanche (10) remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée; notamment de SF6, une cloison (20) de subdivision de l'enceinte en deux chambres, une chambre (16) de coupure et une chambre (18) d'expansion= un contact mobile (26) tubulaire traversant ladite cloison (20) et présentant un orifice (32) pour faire communiquer l'espace interne (34) du contact tubulaire (26) avec la chambre d'expansion (18), ledit espace interne (34) communiquant d'autre part par l'extrémité ouverte du contact tubulaire (26) avec la chambre de coupure (16), un contact fixe (44) disposé dans la chambre de coupure (16) et coopérant avec le contact mobile (26) et un moyen magnétique (26, 36; 52) pour engendrer un champ magnétique de soufflage dans la zone d'extension de l'arc tiré entre lesdits contacts (26, 44) séparés, caractérisé en ce que ledit contact tubulaire (26) présente une jupe (36) retroussée vers l'extérieur, la paroi cylindrique interne de la jupe- (36) confinant avec la paroi cylindrique externe du contact tubulaire (26) une chambre annulaire (38) de compression susceptible de coopérer avec un piston (42) pour comprimer le gaz de soufflage et que des orifices (48) d'échappement du gaz comprimé dans la chambre annulaire (38) sont ménagés à l'extrérité du contact tubulaire (26) pour souffler l'arc ancre sur ce dernier contact. 2. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit piston (42) est porté par un support tubulaire (40) solidaire de la cloison (20) de subdivision et guidant le contact tubulaire (26) dans son déplacement. 3. Interrupteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en-ce queue série d'orifices (48) d'échappement sont circonférentiellement répartis sur l'extrémité annulaire (46) du'contact tubulaire (26) à la base du pli de raccordement à la jupe (36). x 4. Interrupteur selon la revendication 1, 2, ou 3, caractérisé par le fait qu'il comporte une bobiné de soufflage (52) et un moyen (58) de mise en circuit de la bobine lors d'une extension d'un arc tiré entre lesdits contacts (26, 44) sépares pour engendrer un champ magnétique de soufflage en rotation de l'arc. 5. Interrupteur selon la revendication 1, 2, 3, ou 4, caractérisé par le fait qu'un contact (50) d'amenée de-courant coopère avec la queue du contact mobile tubulaire (26) de façon à exercer une force électrodynamique centrifuge de soufflage de la racine d'arc ancrée sur l'extrémité (46) du contact mobile tubulaire (26). 6. Interrupteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le contact (50) d'amenée de courant est porté par la cloison (20) de subdivision et coopère par frottement avec la queue du contact mobile (26) traversant un orifice ménagé dans la cloison. 7. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite paroi cylindrique externe du contact tubulaire (26) et ladite paroi cylindrique interne de la jupe (36) sont gainées par une couche isolante au contact coulissant étanche dudit piston (42). 8. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite jupe (36) en un matériau conducteur présente des entailles de limitation des courants induits et un fourreau isolant d'étanchéité.