Brevet FR2576142A1 — publié le 19860718

- Disjoncteur à haute tension, à gaz comprimé, à énergie de manoeuvre assistée par l'effet thermique de l'arc La présente invention concerne un disjoncteur à haute tension à gaz comprimé à énergie de manoeuvre assistée par l'effet thermique de l'arc. On connait de tels disjoncteurs qui comprennent un volume ther- mique dont la température, et par voie de conséquence, la pression aug- mente considérablement sous l'action de l'arc qui s'établit au moment de la séparation des contacts d'arc. Au premier passage par zéro du courant à couper, le gaz du volume thermique se détend et vient souffler l'arc. Au soufflage d'origine thermique est adjoint généralement un souf- flage mécanique par un piston dont le mouvement par rapport à un cylindre est obtenu grâce au déplacement des parties mobiles du disjoncteur. La pression engendrée par l'arc dans le volume thermique provoque une résistance au déplacement des pièces mobiles du disJoncteur. Autre- ment dit, si le soufflage de l'arc est énergique et efficace, il faut, en contrepartie, consentir une grande dépense d'énergie pour la manoeuvre d'ouverture du disjoncteur. Un but de l'invention est de réaliser un disjoncteur à soufflage thermique à énergie de manoeuvre aussi faible que possible. Selon une caractéristique de l'invention, le disjoncteur comporte des moyens pour que la pression existant dans le volume thermique puisse s'exercer sur une pièce solidaire ou faisant partie de l'ensemble mobile de manière à aider son mouvement. L'invention a pour objet un disjoncteur à haute tension à gaz comprimé à énergie de manoeuvre assistée par l'effet thermique de l'arc, comprenant des contacts principaux fixes et des contacts d'arc fixes, un ensemble mobile comprenant des contacts principaux mobiles et des contacts d'arc mobiles, une buse de soufflage et un volume thermique dans lequel la pression du gaz augmente sous l'action notamment de l'échauf- fement dû à l'arc qui s'établit à la séparation des contacts d'arcs, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour exercer sur l'ensemble mobile, par action de la pression existant dans ledit volume thermique, 2 - une force supérieure à la force de résistance rencontrée par l'ensemble mobile. L'invention sera bien compris par la description donnée ci-après de divers modes de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: - - la figure 1 est une vue partielle en coupe axiale d'un disJonc- teur, selon un premier mode de réalisation de l'invention, en position fermée. - la figure 2 est une vue partielle en coupe axiale du même dis- Joncteur, en cours d'ouverture. - la figure 3 est une vue partielle en coupe axiale d'un disJonc- teur selon une variante de réalisation de l'invention. - la figure 4 est une vue partielle en coupe axiale d'un disJonc- teur selon une autre variante de réalisation de l'invention. - la figure 5 est une vue partielle en coupe axiale d'un disJonc- teur selon une autre variante de réalisation. Dans la figure 1, la référence 1 désigne une enveloppe en matériau isolant qui enferme les parties actives d'un disjoncteur de révolution autour d'un axe XX. L'intérieur de l'enveloppe est remplie d'un gaz diélectrique à haut pouvoir de coupure, tel que l'hexafluorure de soufre, sous une pression de quelques bars. On désigne par la référence 2 le volume compris entre l'enveloppe 1 et les parties actives du disjoncteur et par la référence 3 le volume qui entoure l'axe XX. Le disjoncteur comporte un ensemble fixe 4 comprenant des doigts de contacts principaux fixes 5 et un contact d'arc fixe tubulaire 6. L'extrémité du tube 6 possède une partie 6A en matériau résistant aux effect de l'arc (tungstène par exemple). L'ensemble fixe comporte des alésages 6B et 7 pour mettre en communication le volume 3 avec le volume 2 afin d'évacuer et diffuser les gaz chauds après la coupure de l'arc. La référence 8 désigne le volume annulaire compris entre les contacts principaux fixes 5 et le contact d'arc fixe 6. L'ensemble mobile 9 du disjoncteur comprend un contact principal mobile tubulaire 10 et des doigts de contact d'arc 11. Ces contacts sont solidaires d'une structure de révolution comprenant plusieurs parties tubulaires concentriques 12, 13, 14 et 15. Le tube 15, à une extrémité duquel sont fixés les doigts 11, est relié par son autre extrémité à un dispositif de manoeuvre non repré- senté. Les tubes 13, 14 et 15 sont reliés et fermés par un fond 16, alors que les tubes 12, 13 sont reliés par un fond 17 laissant un passage annulaire du côté du tube 15. Une buse en matériau isolant, 18, est fixé au fond 16 et possède une portion 18A délimitant un col, et venant, lorsque le disjoncteur est fermé, en contact avec le contact d'arc fixe. Des conduits 20, pratiqués à l'intérieur de la buse et des alé- sages 21 dans le tube 13 permettent une communication, lorsque le tube 6 a quitté la buse, entre le volume 3 et un volume annulaire 22 entre les tubes 12 et 13. Le disjoncteur comprend enfin deux pistons annulaires fixes, 24 et 25, s'engageant respectivement dans les volumes 26 compris entre les tubes 13 et 14 et 27 compris entre les tubes 14 et 15. Le piston 24 est fixé à des tiges, telle que 28, tandis que le piston 26 est fixé à une tige tubulaire 29 passant dans le passage annu- laire entre le fond 17 et le tube 15. Les tiges 28 et 29 sont fixées à un bloc métallique commun 30 lui-même relié à une prise de courant non représentée. Un joint 29B assure l'étanchéité du volume 32 compris entre les pistons et le fond 17. Les volumes 22 et 32 communiquent par des alésages 13A du tube 13. Les tiges 28 sont percées de canaux 28A et d'orifices 28B, 28C pour mettre en communication le volume 26 et le volume 2. Des contacts électriques glissants 33 assurent le contact galva- nique entre le fond 17 et le tube 29. Le fond 17 est muni d'un clapet 34 dont le r8le sera expliqué plus loin. On désigne par S1 la section du volume annulaire 27 et par S2 la section du volune annulaire 32. De larges orifices 16A font communiquer le volume 27 avec le volume 35 compris entre la buse et les contacts d'are mobile. Le volume 3 est réduit par une pièce 15A en forme de disque, soli- -4 - daire du tube 15. Des trous 15B permettent une communication entre le volume 3 et le volume 2. Enfin, des trous 14A dans le tube 14 permettent l'équilibrage des pressions entre les volumes 26 et 27 lors de l'enclenchement du disjonc- teur. Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant: - en position fermée, figure 1, le courant traverse les contacts 5 et 10, les tubes 12 et 13, le fond 17, les contacts 33, le tube 29 et le bloc 30. - l'ouverture du disjoncteur se fait par déplacement, vers la droite, de l'ensemble mobile comprenant les contacts 10 et 11, la buse 18 et les tubes 12 à 15. Lorsque les contacts principaux sont séparés, mais avant que les contacts d'arcs 6 et 11 se séparent, le courant traverse les contacts 6 et 11, le fond 16, les tubes 12 et 13, le fond 17, les contacts 33, le tube 29 et le bloc 30. Le clapet taré 34 s'ouvre pour remplir le volume 32 sans freiner le mouvement - à la séparation des contacts d'arc 6 et 11, figure 2, un arc 40 jaillit entre ces contacts. Le gaz du volume 35 est comprimé d'une part par action mécanique du piston 25, d'autre part en raison de l'augmentation de température due à l'arc. La pression élevée qui s'établit ainsi dans le volume 35 se retrouve, en raison des conduits 20 et 22, dans le volume 32. Cette pression s'exerce sur la surface S2 du volume 32dont la grandeur est supérieure à la surface S1 de la section du volume 27. Le clapet 24 se ferme. En raison des conduits 28A et, des trous 28B et 28C, la pression du volume 26 reste constante et égale à celle du volume 2. Il en résulte que la force exercée sur le fond 17 par le gaz du volume 32 est supérieure à la résistance à l'avancement produite par le gaz du volume 27. Autrement dit, plus l'arc dégage d'énergie, plus grande est l'augmentation de pression et plus l'ensemble mobile regoit d'énergie de manoeuvre. Il en résulte une coupure de l'arc plus rapide puisque l'ensemble mobile n'est pas freiné mais au contraire accéléré. Après soufflage de l'arc, les gaz ehauds s'échappent par les trous 6B, 15B et par l'espace 41 qui s'ouvre entre la buse 18 et le contact 6. -5- Une portion amincie 29A du tube 29, venant au niveau des trous 15B en fin d'ouverture du disjoncteur, assure un volume d'écoulement accru et suffisant pour le gaz. La figure 3 représente une variante dans laquelle le volume 35 intérieur à la buse est relié au volume 22, non plus par un passage à travers la buse, mais par l'intermédiaire d'un clapet 50 en matériau isolant, pouvant doulisserdans une cavité annulaire 51 pratiquée dans la buse et rappelée par des ressorts tel que 52. Lorsque la pression dans le volume 35 atteint une certaine valeur, le clapet s'ouvre, autorisant la mise en pression du volume 32. Lorsque la pression décroit, après la coupure de l'arc, les ressorts referment le clapet. Le trou 51A au fond de la cavité sert à. décomprimer l'arrière du clapet. Dans la variante de la figure 4, le volume 22 est supprimé. La pression est amenée au volume 32 à partir du volume 3 par les trous 15B, le volume 60 compris entre les tubes 29 et 15 (l'intervalle entre ces tubes est maintenant agrandi) et des trous 29D pratiqués dans le tube 29, près du piston 25. On prévoit un élargissement 29C du tube pour limiter les pertes de pression du volume 60. Des trous de fuite 13B permettent de remettre le volume 32 à la pression interne du disjoncteur après coupure de l'arc. La figure 5 est une variante de réalisation dans laquelle le dis- Joncteur comprend un ensemble semi-mobile 100, poussé par un ressort 101 fixé à l'ensemble fixe référencé 70. L'ensemble fixe, relié à une prise non représentée, comprend un tube 71 fixé à une couronne 103 contre laquelle s'appuie le ressort 101. Le tube 71 porte à son extrémité, les doigts de contact d'arc 72. L'en- semble fixe comprend en outre des tubes concentriques 73, 74 et 75. Le tube 74 se prolonge par une portion 74A servant de contact principal fixe. Les tubes 74, 75 et 71 ont un fond commun 76 auquel est fixé une buse 78. Le tube 73 possède un fond 79. On désigne par 81, le volume compris entre les tubes 74 et 75, par 82 le volume compris entre les tubes 75 et 71 et par 83 le volume eompris entre la buse 78 et les contacts 72. - 6 - L'ensemble mobile comprend des doigts de contact 90 protégés par un tube 91 et un contact d'arc tubulaire 92 terminé par une portion 92A en matériau résistant aux effets de l'arc. Le tube 92 est relié à une prise du disjoncteur non représentée ainsi qu'à un organe de manoeuvre du disjoncteur, non représenté. Le tube 92, les doigts 90 et le tube 91 sont reliés par une portion annulaire 93 percés de larges orifices 93A pour mettre en communication le volume 94 compris entre les contacts mobiles 90 et 92 et le volume 2 extérieur à l'ensemble mobile. Un disque 92B relié au tube 92 et un disque 71B solidaire du tube 71 limitent l'étendue du volume 3 proche de l'axe du disjoncteur. L'ensemble semi-mobile comprend deux tubes 101 et 102 reliés par un fond 103. Le tube 101, terminé par une partie isolante 101A, coulisse autour du tube 73. Le tube 102 coulisse autour du tube 71 et porte un piston 105, ayant deux parties, de section différente, l'une coulissant entre les tubes 74 et 75, l'autre coulissant entre les tubes 75 et 71. Le volume compris entre le piston 105 et le fond 79 est désigné par 107; il communique, par le volume 80 entre les tubes 73 et 74, par les trous 74B et 74C et par au moins un conduit 78A pratiqué dans la buse avec la zone o se forme l'arc. Le piston est percé de canaux 105A qui par l'espace compris entre les tubes 102 et 71 et par des trous 71A du tube 71, mettent le volume 81 à la pression régnant à l'extérieur des pièces actives du disjoncteur. Un joint 79A assure l'étanchéité entre le tube 102 et le fond 79. Des trous 103A dans le fond 103 permettent le libre déplacement relatif de l'ensemble mobile et de l'ensemble semi-mobile. Le fond 79 possède un clapet 79B autorisé asuJetti à ne s'ouvrir que lorsque la pression dans le volume 107 devient inférieure à celle du volume 2. Le fonctionnement du disjoncteur est analogue à celui des autres variantes déjà décrites. En cas de coupure d'arc, l'augmentation de pression de la zone d'arc se transmet à la chambre 107, provoquant le déplacement de l'en- semble semi-mobile déjà sollicité par le ressort 101 et produisant ainsi un soufflage énergique du gaz du volume 82. Dans le cas de coupure de courant de faible intensité, l'énergie du ressort est suffisante pour déplacer l'ensemble semi-mobile. -7- REVENDICATIONS 1/ Disjoneteur à haute tension à gaz comprimé à énergie de manoeuvre assistée par l'effet thermique de l'arc, comprenant des contacts princi- paux fixes et des contacts d'arc fixes, un ensemble mobile comprenant des contacts principaux mobiles et des contacts d'arc mobiles, une buse de soufflage et un volume thermique dans lequel la pression du gaz augmenta sous l'action notamment de l'échauffement du à l'arc qui s'établit à la séparation des contacts d'arcs, caractérisé en ee qu'il comprend des moyens pour exercer sur l'ensemble mobile (9) par action de la pression existant dans ledit volume thermique (3, 35), une force supérieure à la force de résistance rencontrée par l'ensemble mobile. 2/ Disjoncteur selon la revendication 1? caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un volume (32) délimité par un premier (24) et un second (25) piston fixes, un premier (13, 14) et un second (14, 15) cylindres appartantna à l'ensemble mobile et un fond (17) commun aux deux cylindres, ledit volume (32) et le second (14, 15) cylindre étant en communication avec ledit volume thermique (35, 3) le premier eylindre étant maintenu à la pression régnant dans le reste du disjoncteur. 3/ Disjoncteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le- second (14, 15) cylindre débouche dans le volume thermique (35, 3). 4/ Disjoncteur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ledit volume (32) est mis en communication avec ledit volume ther- mique (3, 35) par au moins un volume (22) communiquant avec au-moins un conduit (20) pratiqué dans la buse (18) et débouchant au voisinage dudit volume thermique (3, 35). / Disjoncteur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ledit volume (32) est mis en communication avec ledit volume ther- mique par un conduit (22) fermé par un clapet (50) s'ouvrant lorsque la pression dans le volume thermique atteint une valeur donnée. 6/ Disjoncteur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que lesdits cylindres (12, 13; 13, 14) sont à section annulaire et coaxiaux, au moins une tige (28) d'un des pistons (24, 25) étant ereuse pour mettre l'intérieur dudit eylindre à la pression du disjoncteur, l'autre tige étant un tube (29) coulissant de manière étan- che dans une ouverture dudit fond (17). 7/ Disjoncteur selon la revendication 6, caraetérisé en ce que l'une des parois de l'un des cylindres est un tube (15) portant à une extrémité les contacts mobiles d'arcs et étant relié à l'autre extrémité à un organe de manoeuvre du disjoncteur. 8/ DisJoncteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit volume (32) est mis en communication avec ledit volume thermique par des trous pratiqués dans ledit tube (15) portant les contacts mobiles d'arc et par des trous (29D) pratiqués dans ladite tige (29) de piston consti- tuée par un tube. 9/ Disjoncteur à haute tension à gaz sous pression à soufflage thermique, comprenant un ensemble fixe avec des contacts principaux fixes et des contacts d'arc fixes, un ensemble mobile comprenant des contacts princi- paux et des contacts d'arc, une buse de soufflage et un volume thermique dans lequel la pression du gaz augmente sous l'action notamment de l'échauffement dû à l'arc qui s'établit à la séparation des contacts d'ares, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble semi-mobile (100) relié à l'ensemble fixe par un moyen élastique (101), ledit ensemble semimobile comportant un piston (105) définissant avec notamment un fond (79) solidaire de l'ensemble fixe, une chambre (107) associée à des moyens (73, 78A) de mise en communication avec la zone d'arc, ledit piston présentant sur son c8té opposé à la chambre (107) deux sections différentes, l'une soumise à une pression égale à celle régnant dans la chambre (107) l'autre à une pression inférieure, ledit piston dirigeant par son déplacement du gaz sur la zone d'arc.