Brevet FR2520927A1 — publié le 19830805

La présente invention concerne le domaine de la technique des commutations à haute puissance et haute tension, et a notamment pour objet une chambre d'extinction à vide. Le dispositif proposé trouve son application dans la production et la transmission de l'énergie électrique, en particulier pour la commutation des fours métallurgiques à arc puissants, pour la commutation des batteries de condensateurs et des réservoirs à induction. On contact des chambres d'extinction à vide, qui comportent une enceinte en matériau diélectrique étanche au vide délimitée à ses extrémités par des flasques, dans laquelle se situent plusieurs contacts branchés en série, mobiles les uns par rapport aux autres (voir, par exemple, le certificat d'auteur URSS NO 290341, classe HOIJI 33/66). Deux desdits contacts sont fixés sur les flasques, l'un d'eux est mobile et possède une sortie vers ltexterieur pour le raccorder à une commande, les autres contacts intermédiaires disposés successivement suivant la hauteur de l'enceinte peuvent se déplacer grâce à l'utilisation soit de ressorts du type capsule ondulée, soit des ressorts d'autres types, qui maintiennent tous les contacts intermédiaires à l'état ouvert au cours d'une coupure de courant effectuée par la chambre. Ces chambres sont calculées pour un faible courant de coupure (ne dépassant pas 10 kA), ce qui limite leur domaine d'application. Ceci s'explique du fait que l'effort d'ouverture des contacts est limité par l'élasticité des capsules ondulées ou des ressorts, et, en cas de fortes intensités, les contacts peuvent se souder entre eux avec une force dépassant la force d'élasticité des capsules ondulées ou des ressorts. De ce fait, au cours de la coupure, les contacts intermédiaires, ou une partie de ceux-ci, ne s'ouvrent pas, c'est-à-dire que la chambre ne peut pas fonctionner. On connatt des chambres d'extinction à vide (voir, par exemple, le certificat d'auteur URSS NO 705909, classe H 01 H 33/66), dans lesquelles au moins l'un des contacts est réalisé sous la forme d'une embase métallique, d'une spire de spirale disposée sur la périphérie de l'embase et coaxialement à elle, et d'une plaque électroconductrice fixée coaxialement à l'embase métallique. La plaque conductrice est reliée électriquement à ladite spire de spirale. La hauteur de la plaque conductrice est inférieure à la hauteur de la spire de spirale. Une chambre munie de tels contacts peut couper des courants de tordre de dizaines de kiloampères sous des tensions de l'ordre de dizaines de kilovolts.Pour accroître la tension, il faut introduire entre les contacts des cloisons portant des contacts intermédiaires. On connaît également des chambres d'extinction à vide (voir, par exemple, le brevet USA NO 3798484, classe 313-198) comportant une enceinte cylindrique en matériau diélectrique, étanche au vide, délimitée à ses extrémités par des flasques sur lesquels sont disposés, suivant l'axe de l'enceinte, des capsules ondulées, et divisée par une cloison parallèle aux flasques en deux cavités. A l'intérieur de cliacurie de ces cavités se trouve un contact mobile fixé sur une tige électroconductrice montée suivant l'axe de l'enceinte et traversant la capsule associée au flasque correspondant,et un contact immobile, fixé à la cloison au moyen d'une tige électroconductrice fixe.Les contacts des deux cavités de la chambre se présentent sous forme de disques plats dont le diamètre est supérieur au diamètre des tiges électroconductrices, ce qui fait apparaître une force électromagnétique agissant sur l'arc. Dans chaque cavité, autour des tiges électroconductrices et des contacts, se situent deux groupes d'électrodes en tige. Un premier de ces groupes est fixé sur le flasque, le second groupe est fixé à la cloison. Les électrodes en tige du premier et du second groupe alternent. Les deux groupes d'électrodes en tige sont entourés de trois écrans, dont l'un est isolé par rapport aux autres électrodes tandis que les autres sont raccordés respectivement au flasque et à la cloison. Le diamètre de l'écran isolé est inférieur au diamètre des deux autres écrans. Lorsqu'on tire les tiges électroconductrices mobiles, les contacts s'ouvrent dans les deux cavités et un arc s'amorce entre eux. Grace à l'action de la force électromagnétique, l'arc passe sur ces électrodes en tige et amorce des arcs de diffusion entre les électrodes enrage des deux groupes.De ce fait, le courant passant par la chambre est divisé entre les contacts et les électrodes en tige, de sorte que la chambre ainsi conçue possède un meilleur pouvoir de coupure du courant. Par ailleurs, vu que les deux cavités de la chambre sont couplées électriquement entre elles en série, cette construction permet d'augmenter la tension de travail. Cependant, la chambre d'extinction décrite possède une rigidité diélectrique insuffisante, un encombrement important et exige pour sa fabrication une trop grande quantité de matériaux.La faible rigidité diélectrique s'explique par la présence d'un grand nombre d'intervar;s de vide électriquement en parallèle, formés entre les contacts, les électrodes en tige, les flasques et la cloison. la somme K de ces intervalles dans une cavité est K = 6C + 1, où C est le nombre de paires d'électrodes en tige. Par exemple, pour quatre paires d'électrodes en tige, le nombre K d'intervalles parallèles atteint au total 25. D'ordinaire, dans les chambres de grande puissance, le nombre de paires d'électrodes en tige dépasse quatre, le nombre d'intervalles électriquement en parallèle augmente en conséquence, et la tension disruptive du système d'intervalles en parallèle diminue avec l'augmentation de leur nombre. Ainsi, pour un nombre d'intervalles atteignant 25, la tension disruptive à 50% subit une réduction de 2, où av est l'écart étalon de la fonction de répartition de la tension disruptive.Si, par exemple, la tension disruptive à 5046 d'un intervalle de vide est égale à 100 kV, et si l'écart étalon est égal à 15-20 kV (ce rapport étant celui que l'on rencontre le plus fréquemment entre la tension disruptive et l'écart étalon pour des intervalles de vide), la tension disruptive à 50X, pour un système comportant 25 intervalles de ce type, en cas de branchement de ceux-ci en parallèle, atteint 60-70 kV, c'est-à-dire qu'elle diminue de 30-4096 ou d'une quantité de kV correspondante. La rigidité diélectrique insuffisante de cette chambre s'explique également par la présence des électrodes en tige formant une surface développée dans la zone de hautes intensités du champ électrique.L'encombrement accru et la quantité accrue de matériaux nécessaires à la fabrication de la chambre sont dus à la présence de la grande quantité d'électrodes en tige se situant dans les cavités de la chambre. En outre, les particularités du comportement de l'arc dans le système d'électrodes en tige réduisent les possibilités de diminuer ledit encombrement et ladite quantité de matériaux. L'arc qui se crée entre les électrodes en tige est un arc à diffusion, caractérisé par le fait que sur les électrodes en tige se forment des taches cathodiques du premier genre, dont la vitesse de propagation sur les électrodes cathodiques atteint 10 à 40 m/s. La durée de l'arc dans la chambre atteint 10 ms et plus, et au cours de cet intervalle de temps les taches cathodiques parcourent 0,1 à 0,4 m. Par conséquent, les taches cathodiques qui apparaissent sur les électrodes en tige, se propagent sur les flasques en bout et la cloison et peuvent atteindre par l'intermédiaire de ceux-ci les écrans qui se trouvent à leur périphérie et protègent le corps contre l'empoussièrement. Toutefois, les écrans ne peuvent remplir leur fonction que s'il n'y a pas de taches cathodiques sur eux. L'apparition des taches cathodiques sur les écrans entraîne un défaut de fonctionnement de la chambre, qui perd sa rigidité diélectrique à cause de la métallisation du corps . Pour éviter ceci, il faut que le trajet des taches cathodiques se déplaçant par les électrodes en tige, la cloison et les flasques jusqu'aux écrans ne soit pas inférieur à 0,1 m et que les contacts immobiles soient fixés sur la cloison par une tige électroconductrice. L'invention vise donc une chambre à vide pour extinction d'arc dont la disposition et la conception des éléments permettraient d'améliorer la rigidité diélectrique, et qui serait de construction plus simple, de plus faible encombrement et exigerait pour sa fabrication une moindre quantité de matériaux. Ce but est atteint du fait que la chambre à vide pour extinction d'arc du type comportant une enceinte cylindrique en matériau diélectrique, étanche au vide, délimitée à ses extrémités par des flasques sur lesquels sont disposés, suivant l'axe de l'enceinte, des ressorts du type capsule ondulée, et divisée par une cloison parallèle aux flasques en deux cavités dans chacune desquelles se trouve un contact immobile solidaire de la cloison, un contact mobile fixé à une tige électroconductrice passant à travers la capsule ondulée du flasque correspondant, et un Jeu d'écrans dont l'un est relié électriquement à ladite cloison, est caractérisée, suivant l'invention, en ce que les contacts immobiles des deux cavités sont fixés directement sur la cloison, qui est faite en un matériau électroconducteur amagnétique, au moins l'un des contacts de chaque cavité étant constitué d'une embase métallique, d'une spire de spirale, disposée sur la périphérie de cette embase et coaxialement à elle, et d'une plaque électroconductrice fixée coaxialement à l'embase électroconductrice et reliée électriquement à ladite spire, la hauteur de ladite plaque étant inférieure à celle de la spire, le sens d'enroulement des spires de ces contacts étant le même, et le rapport entre, d'une part, la distance entre celles des surfaces des contacts immobiles qui sont orientées vers les contacts mobiles, et d'autre part, le diamètre extérieur du contact, étant compris dans une plage de 0,05 à 1, afin de créer un champ magnétique axial stabilisant l'arc entre les contacts. Il est avantageux, dans le but de réduire les valeurs des courants tourbillonnaires dans la cloison de la chambre à vide pour extinction d'arc, que le rapport entre la résistivité du matériau électroconducteur amagnétique de la cloison et la résistivité du cuivre soit compris dans la plage de 1,5 à 100. L'application de la présénte invention permet d'accroître la tension sur la chambre d'extinction à vide, de réduire la tension d'arc en diminuant ainsi le dégagement d'énergie dans la chambre au cours de la coupure du courant. Par ailleurs, l'invention réduit l'érosion des contacts et acôroit le durée de vie de la chambre à vide pour extinction d'arc Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus clairement de la description détaillée suivante d'un mode non limitatif de réalisation d'une chambre à vide pour extinction d'arc, conforme à l'inventionset de différentes variantes dudit mode de réalisation, décrites à titre d'exemples non limitatifs en se référant aux dessins annexés, qui représentent - la figure 1, une vue d'ensemble de la chambre à vide pour extinction d'arc (en coupe longitudinale), selon l'invention; - la figure 2, un contact mobile (vue en plan) selon l'invention; - la figure 3, un contact mobile (vue latérale, en coupe suivant II-II de la figure 2), selon l'invention;; - la figure 4, une variante de réalisation du système de contacts (coupe longitudinale dans la région des contacts), selon l'invention; - la figure 5, une autre variante de réalisation du jeu de contacts (coupe longitudinale dans la région des contacts), selon l'invention. La chambre d'extinction à vide pour extinction d'arc comporte une enceinte cylindrique 1 (figure 1) en matériau diélectrique et étanche au vide, délimitée à ses extrémités par des flasques 2 et 3. Sur les flasques 2 et 3, suivant l'axe 4 de l'enceinte 1, se trouvent des ressorts du type capsule ondulée 5, 6. L'enceinte 1 est divisée parallèlement aux flasques 2 et 3 par une cloison 7 en matériau électroconducteur amagnétique, à résistivité dépassant la résistivité du cuivre de 1,5 à 100 fois. De ce fait, la cloison 7 n'empêche pas l'addition des champs magnétiques se formant de part et d'autre d'elle. La cloison 7 permet d'obtenirdeux caviMs Set 9à l'flFrieur de chacune desquelles sont montés des contacts fixes 10, 11. Ces contacts se présentent sous forme de disques en matériau résistant aux arcs et sont soudés chacun sur un côté de la cloison 7. Il y a aussi des contacts mobiles 12, 13 fixés à des tiges électroconductrices 14, 15 passant à travers les capsules ondulées 5, 6. Dans le corps 1 se trouve aussi un jeu d'écrans, qui se compose d'écrans 16, 17 adjacents aux flasques, d'écrans isolés 18, 19, fixés sur une partie isolée du corps 1 , et d'écrans 20, 21 reliés électriquement à la cloison 7. Chacun des contacts mobiles 12, 13 se compose d'une embase conductrice 22, d'une spire de spirale 23, d'une plaque électroconductrice 24 , d'un anneau 25 et d'un élément de connexion 26, Chacun des contacts mobiles 12, 13 est solidaire par son embase 22 dela tige électroconductrice correspondante 14, 15. La spire de spirale 23 est disposée à la périphérie et coaxialement à l'embase électroconductrice 22. La plaque électroconductrice 24 est fixée coaxialement à l'embase métallique 22 et est raccordée électriquement à la spire de spirale 23 à travers un élément de connexion 26. La hauteur de la plaque électroconductrice 24 est inférieure à la hauteur de la spire de spirale 23, de sorte que la surface de contact des contacts mobiles 12, 13 avec les contacts fixes 10, Il coïncide avec la surface de la spire 23. L'anneau 25 est réalisé en un matériau résistant du point de vue mécanique et possédant une résistivité élevée, par exemple en acier inoxydable, et est disposé sur la partie périphérique de l'embase électroconductrice 22 et relié mécaniquement l'embase conductrice 22 à la spire de spirale 23. Les tiges électroconductrices 14, 15, l'embase électroconductrice 22, les spires 23, les plaques électroconductrices 24 et les éléments de connexion 26 des contacts mobiles 13, 12 sont réalisés en matériaux à haute conductibilité électrique, par exemple en cuivre ou en alliages de cuivre. Dans un interstice annulaire 27 (figure 2) formé entre la plaque électroconductrice 24 et la spire de spirale 23, se trouve l'élément de connexion 26. La spire de spirale 23 comporte un intervalle 28. L'une (29) des extrémités (figure 3) de la spire de spirale 23 est soudée à l'embase électroconductrice 22, tandis que l'autre extrémité 30 de la spire 23 n'est reliée à aucune des autres pièces. On peut concevoir une variante de réalisation de l'invention, selon laquelle, sur le cbté de la spire 23 qui est orienté vers le contact fixe 10, 11 est soudé un anneau 31 en matériau résistant aux arcs. La figure 4 représente une autre variante de réalisation du jeu de contacts fixes et mobiles 10, 11, 12, 13. Dans ce cas, les contacts fixes 10, Il comportent une embase électroconductrice 22, une spire de spirale 23, une plaque électroconductrice 24, un anneau 25 et un élément de connexion 26. Les contacts mobiles 12, 13 se présentent sous forme de disques en matériau résistant aux arcs, fixés sur les tiges électroconductrices correspondantes 14, 15. On peut concevoir encore une autre variante de réalisation du jeu de contacts fixes et mobiles 10, 11, 12, 13, selon laquelle tous les contacts 10, 11, 12, 13 possèdent chacun une embase électroconductrice 22, une spire-de spirale 23, une plaque électroconductrice 24, un anneau 25 et un élément de connexion 26. Dans chacune des variantes décrites de réalisation du jeu de contacts (figures 1, 4, 5), le sens d'enroulement des spires de spirale 23 des contacts 10, 11, 12, 13 dans les deux cavités 7, 8 est le même. Le rapport entre, d'une part, la distance séparant les surfaces des contacts fixes 10, Il orientées vers les contacts mobiles 12, 13, et d'autre part, le diamètre extérieur de n'importe lequel des contacts 10, Il, 12, 13 est compris dans une plage de 0,05 à 1, ce qui assure l'intensité requise du champ magnétique. La chambre d'extinction à vide fonctionne de la manière suivante. Lorsque les contacts 10, 12, 11 et 13 (figure 1) sont fermés, ils sont parcourus par le courant du circuit électrique dans lequel est insérée la chambre. Le trajet du courant dans la chambre passe par la tige électroconductrice 24, l'embase 22, la spire 23, le contact 12, le contact fixe 10, la cloison 7 et ensuite par le contact fixe 11, le contact mobile 13 et la tige électroconductrice 15. Vu que le courant passe par des spires 23 enroulées dans un même sens et disposées de part et d'autre de la cloison 7 à une distance, par rapport à celle-ci, ne dépassant pas le diamètre du contact, il apparaît un champ magnéqique à composante axiale d'induction d'une valeur d'environ 0,01 T/kA. La cloison 7 n'empêche pas l'addition des champs magnétiques créés par les spires 23 disposées de part et d'autre de la cloison. Lorsque les contacts 10 et 12, 11 et 13 s'ouvrent par déplacement des contacts mobiles 12, 13, entre ceux-ci s'amorce un arc électrique. Du fait que celle des surfaces de la spire 23 qui est orientée vers le contact fixe 10, Il fait saillie par rapport à la surface de la plaque électroconductrice 24, l'arc s'amorce de préférence entre ladite surface de la spire 23 et le contact fixe 10, 11. Le champ magnétique formé par les spires 23 se maintient lorsque les contacts 10, 12 et 11, 13 s'ouvrent et que les arcs électriques se forment entre eux, de sorte que les arcs électriques sont stabilisés par ce champ magnétique. Les arcs électriques étant ainsi stabilisés par le champ magnétique, la tension d'arc dans chacune des cavités 8, 9 ne dépasse par quelques dizaines de volts, pour une intensité du courant de coupure atteignant quelques dizaines de kiloampères. La réduction de la tension d'arc assure une diminution du dégagement d'énergie dans la chambre, ce qui réduit l'érosion des contacts 10, 11, 12, 13, accroît la tenue électrique de la chambre et permet de réduire son diamètre. D'autre part, la stabilisation de l'arc par le champ magnétique empêche son passage des contacts 10 et 11 à la cloison 7 et aux écrans 20 et 21. Les écrans 16, 17 adjacents aux flasques, les écrans 18, 19 et les écrans 20, 21 reliés électriquement à la cloison 7 servent à protéger le corps cylindrique 1 en matériau diélectrique étanche au vide contre l'action des produits d'ignition de l'arc, qui se manifeste lors de l'ouverture des contacts 10, 12 et 11, 13. Les écrans isolés 18, 19 uniformisent la répartition de la tension sur le corps 1. Les capsules ondulées 5, 6 assurent le maintien de l'étanchéité au vide du corps 1 au cours du déplacement des contacts mobiles 12 et 13. Une partie du courant d'arc passe par la plaque électroconductrice 24, ce qui favorise encore l'augmentation du courant de coupure. Cependant, afin que le courant passant par la plaque électroconductrice 24 ne dépasse pas un certain niveau pouvant entraîner sa destruction, la plaque conductrice 24 est reliée à la spire 23 par l'élément de connexion 26 qui se situe dans l'interstice annulaire 27. La partie du courant d'arc passant par la plaque électroconductrice 24 parallèlement à l'embase conductrice 22 crée une force électromagnétique qui déplace l'arc de la plaque électroconductrice 24 vers la spire 23, ce qui limite la partie du courant d'arc passant par la plaque 24. Lors de l'ouverture et de la fermeture des contacts 10, 12 et 11, 13 de la chambre et du passage, à travers ceux-ci, de courants atteignant des dizaines de kiloampères, ils sont soumis à des sollicitations atteignant plusieurs milliers de newtons. Pour qu'ils puissent résister à ces sollicitations, la spire de spirale 23 est reliée mécaniquement à l'embase conductrice 22 par l'anneau 25.Le fait que l'anneau 25 soit réalisé en acier inoxydable prévient toute fuite de courant importante de la spire 23 vers l'embase électroconductrice 22 en évitant ltextrémité de la spire de spirale 23 soudée à l'embase électroconductrice 22, tout en assurant une résistance mécanique suffisante des contacts 12, 13. La présence, dans chacune des deux cavités 8,9,d'une paire de contacts 10, 12 ou 11, 13 qui sont insérés en série dans le circuit électrique, permet de couper à l'aide de cette chambre des courants atteignant des dizaines de kiloampères pour des tensions dans le circuit électrique atteignant 100 kilovolts et plus. Les autres variantes de réalisation de la chambre d'extinction à vide représentée sur les figures 4, 5 fonctionnent d'une façon analogue à celle décrite plus haut. Cependant chacune de ces variantes possède un domaine d'application principal. Le mode de réalisation préféré est celui représenté sur la figure 1, car avec une telle réalisation des contacts fixes et mobiles 10, 11, 12, 13 la chambre permet d'atteindre un courant de coupure maximal. Si la chambre est destinée à être utilisée dans lessectionneurs de charge, on utilise de préférence la variante de réalisation représentée sur la figure 4, car lorsque les contacts fixes 10, 11 sont exécutés avec une spire 23, l'évacuation de la chaleur à partir des contacts 10, Il vers les parois de l'enceinte 1 s'améliore. Ceci permet d'obtenir un courant nominal maximum de la chambre d'extinction à vide. La variante de réalisation de la chambre d'extinction à vide représentée sur la figure 5 permet de développer une puissance de coupure maximale, car lorsque les contacts fixes et mobiles 10, 11, 12, 13 ont des spires de spirale 23, la chambre d'extinction à vide est susceptible de couper un courant maximal, et ce, avec une valeur maximale de la tension à la coupure du courant. L'utilisation, dans des disjoncteurs, des chambres d'extinction à vide selon l'invention permet de réduire environ de moitié le nombre de ces chambres. Une telle réduction permet d'économiser tant sur le coût des chambres, que sur le coût du disjoncteur lui-mbme grace à la simplification de sa construction. REVENDICATIONS 1.- Chambre à vide pour extinction d'arc, comportant une enceinte cylindrique (1) en matériau d- électrique étanche au vide, délimitée à ses extrémités par des flasques (2, 3) sur lesquels, suivant l'axe (4) de l'enceinte (1), sont disposés des ressorts du type capsule ondulée (5, 6) respectifs, ladite enceinte étant divisée par une cloison (7) parallèle auxdits flasques en deux cavités (8, 9) à l'intérieur de chacune desquelles sont disposés un contact immobile (10, 11) fixé à la cloison (7), un contact mobile (12, 13) fixé sur une tige électroconductrice (14, 15) passant à travers la capsule ondulée (5, 6) du flasque (2, 3) correspondant, et un jeu d'écrans (18, 19, 20, 21) dont l'un est relié électriquement à la cloison (7), caractérisa;;en ce que les contacts immobiles (10, 11) des deux cavités (8, 9) sont fixés directement sur la cloison (7), qui est fabriquée en matériau électroconducteur amagnétique, au moins l'un des contacts (10, 11, 12, 13) de chaque cavité étant constitué d'une embase électroconductrice (22), d'une spire de spirale (23) disposée sur la périphérie de l'embase électroconductrice (22) et coaxialement à elle, et d'une plaque électroconductrice (24) fixée coaxialement à l'embase métallique (22) et reliée électriquement à la spire de spirale (23) et dont la hauteur est inférieure à celle de la spire de spirale (23), le sens d'enroulement des spires de spirale (23) de ces contacts (10, 11, 12, 13) étant le même et le rapport entre, d'une part, la distance séparant celles des surfaces des contacts immobiles (10, 11) qui sont orientées vers les contacts mobiles (12, 13), et d'autre part, le diamètre extérieur du contact (îO, 11, 12, 13) étant compris dans une plage de 0,05 à 1 pour créer un champ magnétique axial stabilisant l'arc entre les contacts (10, 11, 12, 13). 2.- Chambre d'extinction à vide selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport de la résistivité du matériau électroconducteur amagnétique de la cloison (7) à la résistivité du cuivre est compris dans une plage de 1,5 à 100.