Brevet FR2480028A1 — publié le 19811009

INTERRUPTEUR A ARC TOURNANT PAR ACTION D'UN AIMANT PERMANENT. L'invention est relative à un interrupteur à arc tournant comprenant: une enveloppe étanche remplie d'un gaz à rigidité diéle- trique élevée, une paire de contacts logés dans ladite enveloppe et ayant des surfaces annulaires de contact, aboutées en position de fermeture, lesdits contacts étant séparables par un mouve- ment relatif dans une direction perpendiculaire aux surfaces annulaires de contact, - un logement cylindrique ménagé à l'intérieur de l'un des contacts, - une électrode annulaire coiffant le rebord du fond du logement cylindrique en regard de l'autre contact et ayant une face antérieure constituant la surface annulaire du con- tact associé, - un aimant permanent logé dans ledit logement pour engen- drer un champ magnétique dans la zone annulaire de sépara- tion des contacts et imposer une rotation de l'arc tiré en- tre les contacts séparés sur lesdites surfaces annulaires. On connait les avantages des interrupteurs à arc tournant, notamment la force réduite de commande et l'érosion limitée des contacts et des interrupteurs à bobine de soufflage de l'arc ont déjà été réalisés et donnent satisfaction. Ces interrupteurs connus comprennent des dispositifs de mise en circuit de la bobine lors de l'apparition de l'arc, géné- ralement à électrode de commutation ce qui complique l'agen- cement des contacts de l'appareil. La commutation s'effec- tue avec un certain retard et il subsiste toujours le risque d'une migration de l'arc mettant hors circuit la bo- bine et handicapant la coupure. L'emploi d'aimants permanents de soufflage de l'arc permet de remédier à ces inconvénients, mais l'intensité du champ magnétique de soufflage et par conséquence le pouvoir de coupure sont limités. Il n'est donc pas étonnant qu'aucun de ces interrupteurs ne se soit imposé malgré leur simpli- cité et leur faible coût. La présente invention a pour but de permettre la réalisation d'un interrupteur à aimant permanent assurant un soufflage énergique de l'arc sans risque de désaimantation de l'aimant. L'interrupteur selon l'invention est caractérisé par le fait que l'aimant permanent est accolé à la face postérieure de l'électrode annulaire et présente un évidement central con- jugué de l'orifice central de l'électrode annulaire, de ma- nière à empêcher l'accrochage de l'arc sur la partie cen- trale de l'aimant et à maintenir l'arc dans la zone annu- laire d'intensité maximale du champ magnétique de soufflage. En disposant-l'aimant à proximité immédiate de l'électrode annulaire formant la piste de migration de la racine d'arc et à l'intérieur du contact, l'aimant engendre un champ in- tense de soufflage dans la zone d'arc tout en étant à l'abri de tout champ démagnétisant engendré par les courants par- courant le contact qui entoure extérieurement l'aimant. L'évidement central de l'électrode annulaire et de l'aimant permanent évite tout accrochage de l'arc sur la partie cen- trale du contact dans la zoné de champ nul. Dans l'inter- valle de coupure délimité par les contacts il ne subsiste aucune pièce métallique susceptible d'attirer l'arc, et ce dernier est maintenu sur les pistes annulaires dans la zone de soufflage maximal sans faire usage de revêtements iso- lants soumis a l'action de l'arc. L'aimant permanent peut être conformé, selon l'un des modes de réalisation de l'invention, en cylindre plein à aimanta- tion axiale présentant un évidement central borgne, ou se- lon un autre mode de réalisation en tore à aimantation ra- diale. Une couche isolante sépare l'aimant permanent du contact qui l'entoure de façon à isoler électriquement et thermique- ment l'aimant. L'évidement central de l'aimant est recou- vert d'un écran métallique de protection de l'aimant, tan- dis que la face opposée arrière de l'aimant est en contact thermique avec une pièce métallique d'évacuation des calo- ries pour éviter tout échauffement excessif de l'aimant. Cette pièce métallique peut être agencée en culasse magné- tique de renforcement et d'orientation optimale des lignes de force du champ magnétique de soufflage. L'enveloppe est remplie d'un gaz électronégatif tel que l'hexafluorure de soufre et selon un développement impor- tant de l'invention, le soufflage magnétique de l'arc est combiné à un soufflage pneumatique obtenu par une subdivi- sion du volume de l'enveloppe en deux chambres, dont l'une contient les contacts séparables et dont l'autre constitue un volume d'échappement des gaz comprimés par l'action de l'arc, la communication entre les deux chambres étant agen- cée en buse de soufflage pneumatique de l'arc. Cette com- munication peut être constituée par le contact mobile tubu- laire traversant la cloison de séparation des deux cham- bres. L'espace interne du contact tubulaire communique avec les deux chambres respectivement par des orifices radiaux et par l'extrémité ouverte formant la surface de contact. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention res- sortiront plus clairement de la description qui va' suivre de deux modes de mise en oeuvre, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés au dessin annexé, dans le- quel la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un interrupteur selon l'invention, représenté en position ou- vert; la figure 2 est une vue partielle, analogue à celle de la figure 1, d'une variante de réalisation. Sur les figures, une enveloppe isolante 10 de forme cylin- drique est obturée à ses extrémités par des fonds 12, 14, l'enveloppe étant remplie d'un gaz électronégatif, tel que l'hexafluorure de soufre, avantageusement sous pression. A l'intérieur de l'enveloppe 10 sont disposés axialement un contact fixe-, désigné par le repère général 16, et un con- tact mobile 18, monté à coulissement axial et solidarisé à une tige de commande 20, qui traverse d'une manière étanche le fond 14. Une cloison interne 22 subdivise le volume in- terne de l'enveloppe 10 en deux chambres 24 et 26, le con- tact mobile 18 traversant la cloison 22. La chambre 24 con- stitue la chambre de coupure de l'interrupteur dans laquelle sont disposés les contacts 16, 18, tandis que la chambre 26 constitue un volume d'échappement des gaz comprimés par l'action de l'arc tiré dans la chambre 24. Le contact mobile tubulaire 18 constitue une communication entre les chambres 24, 26, le volume interne 28 du contact tubulaire communi- quant d'une part par des orifices radiaux 30 avec la chambre 26, et par l'extrémité ouverte 32 avec la chambre 24. Le bord annulaire 34 du contact mobile 18 constitue la surface annulaire de contact coopérant par aboutement en position de fermeture de l'interrupteur avec le contact fixe 16. Le bord 34 constitue une piste annulaire de migration de la racine d'arc tiré entre les contacts séparés 16, 18. Le contact fixe 16 en forme de cylindre creux d'un diamètre équivalent à celui du contact mobile 18 présente sur sa face plane en regard du contact mobile 18 une électrode ou surface annulaire 36-de contact coopérant en position de fermeture avec la surface annulaire conjuguée 34. A l'inté- rieur du cylindre creux formant le contact 16 est disposé un aimant permanent 38 en forme de cylindre dont le fond est accolé à la face postérieure de l'électrode annulaire 36. L'aimant permanent 38 à aimantation axiale présente dans sa partie centrale en regard de l'orifice de l'élec- trode annulaire 36 un évidement ou trou borgne 40. Un écran métallique 42 recouvre la paroi de l'évidement 40 et se raccorde aux bords circulaires de l'électrode 36. Il est facile de voir que la face de l'aimant 38 en regard du con- tact mobile 18 est recouverte sur son pourtour externe par l'électrode annulaire 36 et sur sa partie centrale par l'écran métallique 42. Le contact fixe 16 est accolé et fixé au fond 12 de l'enveloppe 10, lequel est traversé par une borne 44 d'amenée du courant. L'aimant permanent 38 est isolé électriquement et thermiquement du contact fixe 16 par une couche isolante 46 recouvrant d'une part la surface cylindrique de l'aimant 38 et d'autre part la face plane accolée à l'électrode 36. Il est clair que le courant par- courant le contact fixe 16 reste confiné dans la partie cy- lindrique externe du contact 16 et n'engendre aucun champ magnétique à l'intérieur du contact susceptible de démagné- tiser l'aimant permanent 18. La face postérieure de l'ai- mant permanent 38 est accolée à une carcasse magnétique 48 - qui facilite le refroidissement par conduction thermique de l'aimant 38. La présence de la carcasse 48 accro3t l'inten- sité du champ magnétique engendrée par l'aimant 38 et cette carcasse 48 se prolonge avantageusement par une couronne 50 externe du contact 16. En se référant plus particulièrement à la figure 1, sur laquelle sont représentées les lignes de - force 51 de l'aimant 38, on voit que la partie 50 de la carcasse 48 modifie l'orientation des lignes de force, de manière à orienter ces dernières sensiblement horizontale- ment sur la figure dans la zone de séparation des contacts 16, 18. Les contacts 16, 18 sont en un matériau amagnétique. L'interrupteur selon l'invention fonctionne de la manière suivante En position fermée de l'interrupteur, le courant passe du contact fixe 16 vers le contact mobile 18 par les surfaces annulaires de contact aboutées 34; 36 d'une manière bien connue des spécialistes. Le courant parcourant les contacts 16, 18 ne traverse pas l'aimant permanent 38 et n'engendre aucun champ magnétique susceptible de démagnétiser l'aimant logé à l'intérieur du contact fixe 16. L'aimant 38 engendre un champ magnétique présent en permanence. L'ouverture des contacts par coulissement vers le bas sur la figure du con- tact mobile 18 provoque une séparation des surfaces annu- laires de contact 34, 36 et l'arc tiré entre les surfaces annulaires 34, 36 s'étend sensiblement dans la direction axiale de l'interrupteur. Le champ magnétique de l'aimant 38, qui est présent dès l'apparition de l'arc, provoque la rotation de l'arc sur les pistes annulaires formées par les surfaces de contact 34, 36 et l'extinction rapide de l'arc d'une manière bien connue. Il convient dé noter que l'arc est maintenu sur les pistes annulaires 34, 36 du fait de l'absence de toute autre pièce métallique dans cette zone. L'écran 42 protège l'aimant 38 de l'action de l'arc, notam- ment des gaz ionisés chauds. Aucune pièce isolante n'est pré- sente dans la zone de coupure. L'extinction de l'arc est favorisée par l'écoulement gazeux s'échappant par le contact tubulaire 18 vers la chambre 26. Il est à noter que la pré- sence de l'évidement 40 permet une disposition de l'aimant permanent 38 à proximité immédiate de la zone de coupure, l'intensité du champ magnétique de soufflage étant de plus accrue par la carcasse 48, 50. Malgré cette disposition de l'aimant permanent à proximité de la zone de coupure cet ai- mant est parfaitement protégé d'une part par l'écran métal- lique 42 et d'autre part par la couche isolante 46 de sépa- ration du contact fixe 16. La carcasse 48 constitue un ra- diateur d'évacuation de calories évitant tout échauffement excessif de l'aimant 38 et ce dernier, logé à l'intérieur du contact 16, est à l'abri de tout champ de démagnétisa- tion. La combinaison des particularités selon l'invention permet la réalisation d'un interrupteur fiable susceptible d'être utilisé pour la coupure de courants importants de moyenne tension. La figure 2 illustre une variante de réalisation dans la- quelle les mêmes numéros de repère sont utilisés pour dé- signer des pièces identiques ou analogues à celles de la figure 1. Dans la variante selon la figure 2, l'aimant per- manent 52, logé à l'intérieur du contact fixe 16, est en forme de tore dont le diamètre de l'ouverture centrale 54 correspond sensiblement au diamètre du trou central de l'électrode annulaire 36. Le tore est aimanté radialement et il est facile de voir que les lignes de force 51, schéma- tiquement représentées sur la figure 2, présentent une con- figuration voisine que celle obtenue par l'aimant cylin- drique plein 38 dans la variante selon la figure 1. La car- casse 48 est supprimée et l'écran 42 est transformé en un écran en forme de virole 56 gainant intérieurement le tore 52. La forme tubulaire de l'aimant permanent 52 autorise un échappement des gaz à travers le contact fixe 16 et un double soufflage de l'arc. Il est inutile de décrire le fonctionne- ment de cette variante de réalisation, fonctionnement abso- lument identique à celui décrit ci-dessus. L'aimant permanent 38, 52 peut être un aimant en ferrite ou un aimant métallique ou tout autre type approprié et la couche isolante 46, intercalée entre l'aimant et le contact, peut être à base de polytétrafluoréthylène. L'ensemble est particulièrement simple et ne nécessite pas une force de commande importante. Aucune des pièces n'est soumise à des forces électrodynamiques de répulsion-qui posent des pro- blèmes sérieux dans les interrupteurs à arc tournant utili- sant les bobines de soufflage. L'invention n'est bien entendu nullement limitée aux modes de mise en oeuvre plus particulièrement décrits. Revendications 1. Interrupteur à arc tournant comprenant - une enveloppe étanche (10) remplie d'un gaz à rigidité di- électrique élevée, - une paire de contacts (16, 18) logés dans ladite enveloppe et ayant des surfaces annulaires (34, 36) de contact abou- tées en position de fermeture, lesdits contacts étant sépa- rables par un mouvement relatif dans une direction perpendi- culaire aux surfaces annulaires de contact, - un logement cylindrique ménagé à l'intérieur de l'un des contacts (16), - une électrode annulaire (36) coiffant le rebord du fond du logement cylindrique en regard de l'autre contact (18) et ayant une face antérieure constituant la surface annulaire du contact associé, - un aimant permanent (38) logé dans ledit logement pour en- gendrer un champ magnétique dans la zone annulaire de sépa- ration des contacts et imposer une rotation de l'arc tiré entre les contacts séparés sur lesdites surfaces annulaires (34, 36), caractérisé par le fait que l'aimant permanent (38) est ac- colé à la face postérieure de l'électrode annulaire (36) et présente un évidement central (40) conjugué de l'orifice central de l'électrode annulaire (36), de manière à empê- cher l'accrochage de l'arc sur la partie centrale de l'ai- mant et à maintenir l'arc dans la zone annulaire d'intensi- té maximale du champ magnétique de soufflage. 2. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit aimant permanent (38) en forme de cylindre plein présente sur sa face plane accolée à l'électrode annulaire (36) un trou borgne (40) central constituant ledit évide- ment et que les faces polaires dudit aimant sont consti- tuées par les faces planes d'extrémité du cylindre. 3. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit aimant permanent (38) est en forme de tore aiman- té radialement. 4. Interrupteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit trou borgne (40) est revêtu d'un écran conducteur (42) de protection de l'aimant permanent (38) de l'action de l'arc. 5. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par une couche isolante (46) de se- paration de l'aimant permanent (38) du contact (16) associé pour isoler thermiquement et électriquement ledit aimant permanent. 6. Interrupteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la face postérieure de l'aimant permanent est en bon contact thermique d'une carcasse (48) d'évacuation de calo- ries. 7. Interrupteur selon la revendication 1 ou À, caractérisé par une carcasse (48) disposée à l'arrière de l'aimant per- manent (38) pour renforcer le champ magnétique de soufflage, ladite carcasse (48) se prolongeant à l'extérieur du con- tact (16) pour donner un spectre optimal du champ dans la zone de séparation des contacts. 8. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par une cloison interne (22) de subdivision de ladite enveloppe en deux chambres (24, 26) et une buse de soufflage (28) faisant communiquer lesdites deux chambres pour permettre un échappement des gaz compri- més par l'action de l'arc tiré dans l'une des chambres (24) vers l'autre chambre (26). 9. Interrupteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la buse est constituée par le contact tubulaire (18) traversant ladite cloison (22) et coopérant par aboutement en position fermée avec ledit un contact (16) entourant l'aimant permanent. 10. Interrupteur selon les revendications 2 et 8, caractérisé en ce que l'aimant permanent (52) et le contact fixe (16) associé sont de forme tubulaire, et que le contact fixe (16) coopère avec un contact mobile tubulaire (18), l'ensemble étant agencé pour permettre un double soufflage pneumatique de l'arc tiré entre les contacts (16, 18).