Brevet FR2485800A1 — publié le 19811231

La présente invention concerne un procédé d'extinction de l'arc de rupture dans des disjoncteurs à l'aide d'un champ magnétique qui allonge l'arc jusqu'à son interruption, ainsi qu'un dispositif à champ magnétique situé au voisinage de la cathode d'un disjoncteur pour la mise en oeuvre dudit procédé. L'ouverture d'un disjoncteur électrique soulève la difficulté suivante: un arc se forme entre les contacts qui s'écartent, retarde l'interruption du circuit et provoque la destruction des con- tacts. On s'efforce par suite, à l'aide de divers moyens, d'interdire la production d'un tel arc ou du tout moins d'assurer une interruption rapide de l'arc. Il est connu pour ce faire d'introduire des gaz d'extinction dans le bo5tier du disjoncteur, mais cette solution présente l'incon- vénient de rendre la constitution d'un tel disjoncteur très complexe, car son enceinte doit être fermée avec étanchéité au gaz par rapport à l'environnement. Une autre possibilité d'extinction de l'arc consiste à produire un champ magnétique au voisinage des contacts de commutation. L'arc se déplace normalement dans ce champ magnétique, sous l'influence des forces de Lorentz. Lorsque les contacts sont réalisés de façon que leur écartement augmente suivant le sens du mouvement de l'arc, sous l'influence des forces de Lorentz, ce qui est par exemple le cas de contacts courbés en sens inverse, l'arc déplacé augmente de longueur sous l'influence des forces magnétiques, jusqu'à son interruption. Ce phénomène est appelé extinction magnétique de l'arc. Ce phénomène fonctionne bien, mais un temps relativement long s'écoule jusqu'à ce que l'arc atteigne la longueur nécessaire pour son interruption, c'est-à-dire que l'extinction de l'arc n'est pas suffisamment rapide dans de nombreux cas. L'invention a pour objets un procédé et un dispositif d'extinc- tion de l'arc de rupture dans des disjoncteurs, permettant une interruption plus rapide de l'arc. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le point d'amorçage de l'arc sur la cathode est déplacé dans le sens inverse de la translation de Lorentz par le choix du champ magnétique B, de l'intensité i de l'arc et de la pression p au point d'amorçage sur la cathode, de façon a satisfaire à la relation X>Y (1) avec les définitions suivantes B X = a (2) PF +pK a (PF pK) (3) a et pK étant des constantes du matériau de la cathode, y une cons- tante de la géométrie du disjoncteur considéré et pF la pression du gaz au voisinage de la cathode. On sait que dans certaines conditions, un champ magnétique ne fait pas dévier le point d'amorçage d'un arc sur la cathode dans le sens de la force de Lorentz, mais dans le sens inverse. L'invention utilise cet effet pour accélérer l'extinction d'un arc. Il convient de respecter les conditions précitées pour obtenir ce mouvement inversé de l'arc au point d'amorçage sur la cathode, ce mouvement étant appelé mouvement rétrograde ci-après, Pour une géométrie donnée du disjoncteur et avec utilisation d'un matériau déterminé, il est possible d'ajuster ces conditions par le choix approprié du champ magnétique B, de l'intensité i de l'arc et de la pression au voisinage du point d'amor- çage sur la cathode. Moyennant un choix approprié de ces grandeurs, le point d'amorçage de l'arc sur la cathode est déplacé dans le sens inverse de la force de Lorentz, tandis que le reste de l'arc, et en particulier le point d'amorçage sur l'anode, est déplacé dans le sens de ladite force, sous l'influence du champ magnétique. En d'autres termes, les points d'amor- çage de l'arc sur l'anode et sur la cathode ne se déplacent pas dans le même sens, comme dans le cas d'une translation de Lorentz pure, mais en sens inverse. La longueur de l'arc augmente ainsi extrêmement vite et on obtient une interruption très rapide de l'arc et par suite son extinction très rapide. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, un champ magnétique extérieur est produit dans la zone de l'arc de rupture proche de la cathode. Afin de produire un mouvement rétrograde & l'instant de la coupure, et selon une autre caractéristique de l'invention, le champ magnéti- que extérieur est augmenté et/ou la pression pS est diminuée pendant l'ouverture. L'invention a également pour objet un dispositif a champ magné- tique permettant la mise en oeuvre avantageuse du procédé décrit pour l'extinction de l'arc. Selon une autre caractéristique de l'invention, les lignes de champ magnétique situées du côté de la cathode en regard de la contre- électrode sont disposées en arc sur une partie au. moins de la longueur de la cathode et forment un tunnel magnétique. Une telle disposition s'est révélée être particulièrement avanta- geuse, car le point d'amorçage sur la-cathode se déplace dans ce "tunnel magnétique" pendant le mouvement rétrograde, de sorte qu'une configuration appropriée du tunnel magnétique permet d'exercer une influence définie sur la course de translation dudit point d'amorçage sur la cathode. Il est avantageux de disposer la cathode dans la région du champ de fuite d'un aimant, formant le tunnel magnétique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exemples de réalisation et du dessin annexé sur lequel: la figure 1 est l'élévation latérale d'un disjoncteur selon l'inven- tion en position fermée; la figure 2 est l'élévation du disjoncteur selon figure 1, immédiate- ment après son ouverture; la figure 3 est une élévation identique a celle de la figure 1, avec un arc prolongé par le mouvement rétrograde; et la figure 4 est une élévation du disjoncteur selon figures 1 à 3, suivant le sens de la flèche A sur la figure 2. Le premier contact du disjoncteur représenté est une plaquette métallique plane, appelée cathode 1 ci-après. Le contact disposé en regard est une anode 2, cintrée suivant la direction longitudinale et mobile perpendiculairement à la cathode 1, d'une façon non représentée sur les figures. La cathode 1 et l'anode 2 sont insérées par des con- ducteurs 3 et 4 dans un circuit à commuter. La cathode 1 repose sur l'entrefer 5 d'un aimant permanent 6 qui lui est parallèle, la largeur de l'entrefer diminuant en direction de la cathode 1 (figure 4). Les lignes de champ magnétique 7 partant des pôles de l'aimant permanent 6 traversent la cathode 1 et produi- sent, par suite de leur forme en arc, un tunnel magnétique 8 disposé le long de la cathode 1 et au-dessus de sa surface. Dans l'état de fermeture, la cathode 1 et l'anode 2 sont appli- quées l'une sur l'autre, comme le montre la figure 1. Lors de l'ou- verture du disjoncteur, l'anode 2 s'éloigne de la cathode 1; entre les points d'application de ces deux contacts se forme alors un arc 9 (figure 2), dont le point d'application 10 sur l'anode est déplacé dans le sens de la flèche B, c'est-à-dire dans le sens de l'extrémité éloignée de l'anode 2, sous l'action du champ magnétique produit par l'arc lui-même ou d'un champ magnétique extérieur, perpendiculaire au plan du dessin. Cette translation est produite par la force de Lorentz, qui est perpendiculaire à la fois aux lignes de champ magnétique et au courant i de l'arc. Par suite du choix déterminé du champ magnétique produit par l'aimant 6, du courant i de l'arc et de la pression au voisinage du point d'amorçage 11 sur la cathode, ce point 11 se déplace dans le sens inverse, c'est-a-dire dans le sens de la flèche C sur la figure 2. Ce mouvement opposé au mouvement de Lorentz et appelé mouvement rétro- grade éloigne le point d'amorçage 11 sur la cathode dans le sens opposé, ce déplacement s'effectuant a l'intérieur du tunnel magnétique 8. L'arc subit ainsi un allongement extrêmement important, car le mouvement du point d'amorçage 10 sur l'anode et le mouvement du point d'amorçage Il sur la cathode s'effectuent en sens inverse. L'arc pré- sente par suite la configuration représentée sur la figure 3: il s'étend d'abord le long de la surface de la cathode, dans le tunnel magnétique 8, puis s'infléchit de l'extrémité de la cathode 1 vers le point d'amorçage 10 sur l'anode. Il est évident que le déplacement en sens inverse des deux points d'amorçage de l'arc produit un allongement accéléré de ce dernier et Ä4éSaoo par suite une interruption plus rapide. Afin d'obtenir le mouvement rétrograde souhaité du point d'amor- çage sur la cathode au lieu de la translation habituelle de l'arc par la force de Lorentz, le champ magnétique au point d'amorçage sur la cathode, la pression au voisinage de ce point d'amorçage et le cou- rant de l'arc doivent satisfaire à des conditions déterminées. Lorsque le champ magnétique B, l'intensité i de l'arc et la pression PF au voisinage du point d'amorçage sur la cathode satisfont à la relation B Y PF + pK a le point d'amorçage sur la cathode se déplace dans le sens opposé à celui de la force de Lorentz c'est-à-dire qu'un mouvement rétrograde est obtenu. Dans cette relation, a et pK sont des constantes du matériau de la cathode et la grandeur y est pour l'essentiel une constante de la géométrie du disjoncteur considéré et comprend notamment l'écartement des électrodes ainsi que la résistance à l'écoulement de l'arc dans le gaz. Les tableaux suivants présentent les valeurs des constantes a et p pour divers matériaux de cathode. Tableau 1 Pa m a [10 - ! T s Métal Hg 5,51 Zn 117 Pb 38,5 Al 706 Sn 181 Ni 416 Ti 415 Mo 445 248580d Tableau 2 pK [105 Pa] Métal Hg 0,041 Zn 2,03 Pb 0,445 Al 3,81 Sn - 1,10 Ni 1,95 Ti 2,34 Mo 1,61 Pour une disposition donnée du disjoncteur et un matériau déterminé de la cathode, il suffit donc de choisir un champ magnétique B suf- fisamment intense et/ou un courant d'arc i et/ou une pression PF suffisamment faibles pour obtenir le mouvement rétrograde. Il est particulièrement avantageux d'augmenter temporairement le champ magnétique ou de diminuer temporairement la pression dans la zone de la cathode, à l'instant de l'ouverture. Pour maintenir le courant i dans l'arc à une faible valeur, il est possible de diviser la cathode en une série de cathodes parallèles, c'est-à-dire de produire plusieurs arcs amorcés côte à côté, le courant de chaque arc étant ainsi réduit en conséquence. Une méthode extrêmement efficace d'accélération de l'extinction d'un arc est obtenue par le choix des grandeurs appropriées B, i, pFet par une conception extrêmement simple. Le procédé selon l'in- vention est également applicable dans des disjoncteurs de modèle classique, quand une course suffisante est disponible sur la cathode, à partir du point de contact, pour le mouvement rétrograde du point d'amorçage sur la cathode. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Procédé d'extinction de l'arc de rupture dans des disjoncteurs à l'aide d'un champ magnétique qui allonge l'arc jusqu'à son inter- ruption, ledit procédé étant caractérisé par le choix du champ magnétique B et/ou de l'intensité i de l'arc et/ou de la pression pF au point d'amorçage de l'arc sur la cathode, de façon que ledit point se déplace dans le sens inverse de celui de la force de Lorentz (mouvement rétrograde). 2. Procédé selon revendication 1, caractérisé par le choix du champ magnétique B, de l'intensité i de l'arc et de la pression PE au point d'amorçage de l'arc sur la cathode, de façon à satisfaire à la rela- tion X > Y (1) avec les définitions suivantes B X = a + (2) Y = i(PF +PK) 3) a a et PK étant des constantes du matériau de la cathode, y une constante de la géométrie du disjoncteur considéré et pF la pression du gaz au voisinage de la cathode. 3. Procédé selon une des revendications 1 et 2, caractérisé par la production d'un champ magnétique extérieur dans la zone de l'arc de rupture proche de la cathode. 4. Procédé selon revendication 3, caractérisé par l'accroissement du champ magnétique extérieur pendant la coupure. 5. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4, caracté- risé par une diminution de la pression pF pendant la coupure. 6. Dispositif à champ magnétique situé au voisinage de la cathode d'un disjoncteur pour la mise en oeuvre du procédé selon revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les lignes de champ magnétique (7) situées du côté de la cathode (1) en regard de la contre-électrode (2) sont disposées en arc sur une partie au moins de la longueur de la cathode et forment un tunnel magnétique (8). 7. Dispositif à champ magnétique selon revendication 6, caracté- risé en ce que la cathode (1) est disposée dans la région du champ de fuite d'un aimant (6).