Brevet FR2575596A1 — publié le 19860704

Disjoncteur à gaz comprimé à double coupure thermodynamique et une pluralité de directions de soufflage La présente invention concerne un disjoncteur à haute tension contenant un gaz diélectrique sous pression, dans lequel le soufflage de l'arc qui se développe à l'ouverture est obtenu par la détente du gaz ayant été comprimé pour une partie par l'action mécanique d'un piston dans un cylindre et pour une autre partie par échauffement sous l'action de l'arc lui-même. On sait que pour obtenir une bonne efficacité de ce type de disjoncteurs, plusieurs conditions doivent être réunies a) l'arc doit être autant que possible fractionné en plusieurs partie, b) le gaz doit resté confiné pendant le début de l'opération d'ouverture de manière à permettre sa compression mécanique et thermique, c) le nombre de voies d'échappement du gaz comprimé chaud doit être le plus grand possible de manière à souffler toutes les portions d'arc et à évacuer les calories le plus rapidement possible, d) l'énergie nécessaire à la manoeuvre d'ouverture doit être la plus faible possible. Un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur dans lequel les conditions ci-dessus sont remplies. En particulier, le disjoncteur de l'invention permet de fractionner l'arc en deux parties et d'offrir jusqu'à quatre voies d'échappement du gaz chaud en fin d'ouverture. L'invention a pour objet un disjoncteur à gaz comprimé comprenant des contacts principaux fixes et un contact d'arc fixé, un ensemble mobile comprenant un contact principale mobile, des contacts d'arc mobiles un cylindre dans lequel est placé un piston fixe, le contact principal mobile étant solidaire d'une buse isolante venant en contact avec le contact d'arc fixe lorsque le disjoncteur est en position fermée, la buse le contact principal mobile, le cylindre et les contacts d'arc mobiles et fixes définissant un volume dans lequel, à l'ouverture du disjoncteur, la pression s'élève sous l'action de l'élévation de température due à l'arc, caractérisé en ce que les contacts mobiles d'arc comprennent une première série de contacts solidaires de l'ensemble mobile, et une seconde série de contacts solidaires d'un équipage pouvant effectuer, par rapport à l'ensemble mobile, un mouvement de translation d'amplitude limitée, la première série de contacts d'are mobiles coopérant électriquement avec une partie dudit équipage, la seconde série de contacts d'arc mobiles coopérant électriquement avec le contact d'arc fixe, les dimensions respectives des contacts de la première série, des contacts de la seconde série et de ladite partie dudit équipage étant choisies pour que la première série de contacts d'arc mobiles quitte le contact d'arc fixe après que la seconde série de contacts d'arc mobiles ait quitté ledit équipage, ledit disjoncteur comprenant des moyens pour mettre en communication le volume de ladite chambre avec l'extérieur de ce volume lorsque le disjoncteur est en finde phase d'ouverture. L'invention sera bien comprise par la description ci-après d'un mode préféré de réalisation de l'invention en référence au dessin annexé dans lequel - Ia figure 1 est une vue partielle en demi-coupe axiale d'un disjoncteur selon l'invention en position fermée, - les figures 2 et 3 sont des vues partielles en demi-coupe axiale 'de même des joncteurs dans deux positions successives prises au cours de l'ouverture. Dans la figure 1, on a désigné par 10 l'enveloppe extérieure isolante du disjoncteur ; un gaz diélectrique tel que l'hexafluorure de soufre sous une pression de quelques bars à la température de 200C remplit le disjoncteur. La référence 11 désigne'l'espace adjacent à l'enveloppe. Le disjoncteur comprend un ensemble de contacts fixes et un ensemble mobile ayant une symétrie de révolution autour de l'axe 12. L'ensemble de contacts fixes comporte des contacts principaux 13 constitués de manière connue par des doigts élastiques disposés en tulipe. Il comporte également un contact d'arc constitué par un tube 14 terminé par une portion 14A en matériau résistant aux effets de l'arc, par exemple en tungstène. Le tube possède une série de trous 14B réparties sur sa surface latérale et dont le rôle sera expliqué plus loin. Un tube 15 en matière isolante est fixé à l'ensemble fixe par ressort 16. Lorsque le ressort est comprimé (position de la figure 1), le tube 15 obture les trous 143. Lorsque le ressort est détendu, des trous 15A pratiqués dans le tube 15 viennent au droit des trous 143 (figure 3) pour permettre, comme il sera expliqué plus loin, l'évacuation du gaz chaud. L'ensemble mobile comprend un contact principal mobile tubulaire 20 qui est prolongé par un cylindre annulaire 21 définissant une chambre de compression 22. La compression du gaz de la chambre 22 est sbtenue, lors du mouvement de l'ensemble mobile par un piston 23 relié à une tige fixe 24. La chambre 22 communique avec le volume 25 adjacent à l'axe du disjoncteur par des trous 21A. La longueur du piston et la position des trous 21A sont choisies de manière que les trous soient obturés par le piston au début de l'ouverture du disjoncteur (figure 2) puis dégagés en fin d'ouverture (figure 3) de manière à mettre en communication le volume 25 et le volume 25 entourant la tige 24.Un clapet 21B, ne s'ouvrant que si la pression dans le volume 22 est supérieure à la pression à l'extérieur de ce volume, est disposé à l'extrémité du cylindre 21. Le contact fixe 20 est prolongé par une buse 30 en matériau isolant. Cette buse se termine par une extrémité 30A venant en contact, lorsque le disjoncteur est fermé (figure 1) et pendant une grande partie de la course d'ouverture du disjoncteur (figure 2), avec le contact d'arc fixe 14. En outre ltextrefiité 30A, vient en contact avec le tube 15 (figures 1 et 2) jusqu'à ce que le ressort 16 soit complètement détendu (fig.3). On a désigné par 18 le volume délimité par le contact d'arc fixe 14, la buse 30, le contact fixe 20, le fond du cylindre 21, et les contacts d'arcs mobiles qui seront décrits plus loin. Le contact principal fixe porte des trous 20A dont le rôle sera précisé plus loin. De même, la buse 30 possède un prolongement annulaire 30B muni de trous 30C. Le prolongement 30B a un diamètre extérieur plus faible que le diamètre intérieur du contact 20, de telle sorte qu'un volume 27 existe entre ces deux éléments, permettant le passage du gaz entre le volume 18 et lue volume 11, bien que les trous 20A et 30C, pour une raison qui apparattra plus loin, ne soient pas dans un même plan perpendiculaire à l'axe 12. Les contacts d'arc mobiles comportent deux sériesde contact. La première série de contacts mobiles est constituée par des doigts 40 disposés en tulipe et fixés à un prolongement tubulaire 41 de l'qui page mobile. La seconde série de contacts mobiles est constitués de doigts 45 disposés en tulipe et solidaire d'un équipage semi-mobile 46. Par équipage semi-môbile, on entend un équipage ayant une possibilité limitée de déplacement en translation par rapport au reste de l'ensemble mobile. L'équipage semi-mobile comprend une pièce métallique complexe ayant deux parties tubulaires 47 et 48, reliés par un disque 49 à une partie tubulaire 50 pouvant coulisser à l'intérieur du prolongement cylindrique 30B de la buse 30. Le disque 49, dont le plan est perpendiculaire à l'axe 12, est pourvu de trous 49A, de grand diamètre, pour laisser libre le passage du gaz de part et d'autre du disque ; par ailleurs, des conduits ou cheminées 49B sont pratiqués dans l'épaisseur du disque, sans rencontrer les trous 49A, pour mettre en communication le volume 25 avec le volume 27 vers la fin de la phase d'ouverture. Les cheminées sont par exemple au nombre de trois, à 120 degrés l'une de l'autre. Le tube 50 est prolongé par une portion- tubulaire 51, en matériau isolant dont une extrémité 51A est fixée à une extrémité d'un ressort 52 dont l'autre extrémité est fixée à l'ensemble fixe. L'extrémité 51A constitue un piston pouvant coulisser dans le cylindre 20 ; le tube 50, et le tube 51 peuvent coulisser à l'intérieur du prolongement cylindrique 30B de la buse 30. Le volume compris entre le tube 51 et le contact 20 est référencé 53. Des trous 20B pratiqués dans la paroi du cylindre 20 permettent au gaz de s'échapper du volume 53 ou d'y rentrer lorsque l'équipage semi-mobile se déplace dans un sens ou dans l'autre. A la portion tubulaire 47 sont fixés la deuxième série des contacts mobiles d'arc. L'extrémité 45A des doigts 45 vient en contact avec le contact d'-arc fixe 14 lorsque le disjoncteur est fermé (figure 1). Un manchon 55 en matériau isolant vient en appui contre l'extrémité 14A du contact fixe d'arc. Les longueurs des divers tubes sont choisies pour que, lorsque le disjoncteur est fermé, le ressort 52 soit bandé et que l'équipage mobile exerce une force contre le contact fixe. L'extrémité 40A des doigts 40 vient en appui sur le tube 48 lorsque le disjoncteur est fermé (figure 1) et pendant une partie de la course d'ouverture (figure 2). L'extrémité 48A du tube 48 est réalisée en alliage à bonne résistance aux effets de l'arc. Lorsque le disjoncteur est fermé (figure 1) les cheminées 49 B sont fermées par la partie tubulaire 30B de la buse 30. Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant : En position de fermeture du disjoncteur (figure 1), le courant passe par les contacts fixes 13, et les tubes 20 et 21. On considère d'abord la coupure des courants de grande intensité (court-circuit). Au début de l'ouverture obtenue par déplacement vers la droite de l'ensemble mobile, les contacts principaux se séparent et le courant passe alors par les contacts mobiles 14, les doigts 45, le disque 49, le tube 48, les doigts 40, le tube 41 et le tube 21. Sous l'action du ressort 52, l'équipage semi-mobile est entrainé de sorte que les contacts 45 restent un moment en appui sur le tube 14. La vitesse de l'équipage semi-mobile est déterminée par les trous calibrés 20B que règlent la vitesse d'évacuation du gaz du volume 53. Au moment ou les contacts 45 et le tube 14 se séparent (figure 2), un arc A se développe entre ces pièces.Le tube isolant 15 reste pressé contre l'extrémité 30A de la buse sous la pression du ressort 16 ; les doigts 40 sont toujours en contact avec le tube 48. De la sorte, le volume 18 reste fermé et la pression qui y règne croit rapidement en raison de l'élévation de température due à l'arc. Le clapet 21B reste fermé. Après une course supplémentaire (figure 3) les contacts 40 quittent le tube 48 et un second arc B se développe. C'est à ce moment que, par construction, le courant de court-circuit passe par zéro. Les courses et dimensions des diverses pièces ont été choisies pour qu'alors 4 voies s'offrent au gaz du volume 18 pour s'échapper en soufflant les arcs au passage. - La première voie est, le chemin offert par les trous 14B et 15A, maintenant en vis-à-vis, mettent en communication le volume 25 avec le volume 11. - La seconde voie est l'orifice annulaire 60 qui sépare la buse 30 et le contact 14 et relie les volumes 25 et 11. - La troisième voie est celle offerte par les trous 21A, désormais dégagés qui mettent en communication les volumes 25 et 26. - La quatrième voie est celle offerte par les cheminées 49 dont les extrémités viennent au droit des trous 30C et qui par le volume 53 et les trous 20A, relient désormais les volumes 25 et 11. En fin de course, le clapet 21B s'ouvre et injecte du gaz frais comprimé dans le volume 18. Lorsque les courants à couper sont faibles, l'action thermique de coupure est faible et c'est le gaz comprimé du volume 22 qui assure l'extinction des arcs. Un clapet taré 23B dans le piston 23, permet, par son ouverture, de ne pas freiner le mouvement de l'ensemble mobile. REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur à gaz comprimé comprenant des contacts principaux fixes (13) et un contact d'arc fixe (14), un ensemble mobile comprenant un contact principal mobile (20), des contacts d'arc mobiles (40, 45) un cylindre (21) dans lequel est placé un piston fixe (23), le contact principal mobile (20) étant solidaire d'une buse isolante (30) venant en contact avec le contact d'arc fixe (14) lorsque le disjoncteur est en position fermée, la buse (30) le contact principal mobile (20), le cylindre (22) et les contacts d'arc mobiles (40, 45) et Pixe (111) définissant un volume (18) dans lequel, à l'ouverture du disjoncteur, la pression s'élève sous l'action de l'élévation de température due à l'arc, caractérisé en ce que les contacts mobiles d'arc comprennent une première série de contacts (40) solidaires de l'ensemble mobile, et une seconde série de contacts (45) solidaires d'un équipage (116) pouvant effectuer, par rapport à l'ensemble mobile, un mouvement de translation d'amplitude limitée, la première série de contacts (40) d'arc mobiles coopérant électriquement avec une partie (48) dudit équipage, la seconde série de contacts (45) d'arc mobiles coopérant électriquement avec le contact d'arc fixe (14), les dimensions respectives des contacts de la première série, des contacts de la seconde série et de ladite partie dudit équipage étant choisies pour que la première série de contacts (40) d'arc mobiles quitte le contact d'arc fixe après que la seconde série de contacts (45) d'arc mobiles ait quitté ledit équipage, ledit disjoncteur comprenant des moyens (15, 15A, 15B, 49, 30C, 27, 20A, 21A, 26) pour mettre en communication le volume de ladite chambre (18) avec l'extérieur de ce volume lorsque le disjoncteur est en fin de phase d'ouverture. 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit équipage comporte un moyen pour effectuer, en cours de l'ouverture, un mouvement en sens inverse du mouvement de l'ensemble mobile. 3/ Disjoncteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen comprend un ressort (52) reliant ledit équipage et l'ensemble mobile, ledit équipage comprenant un piston (51A) coulissant dans un cylindre (20) percé d'orifices (20B) pour contrôler ledit mouvement en sens inverse dudit équipage. 4/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens pour mettre en communication le volume de ladite chambre (18) avec lrextérieur de ce volume comprennent des cheminées axiales (49) pratiquées dans l'équipage mobile et dont l'axe vient, en fin d'ouverture du disJoncteur, dans l'alignement de trous (30C) pratiqués dans la buse et de trous (20A) de l'équipage mobile. 5/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'ensemble fixe comprend un tube semi-mobile (15) en contact avec la buse (30) pendant la plus grande partie de la phase d'ouverture du disjoncteur et s'écartant de la buse en fin d'ouverture. 6/ Disjoncteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le contact d'arc fixe (14 > est percé de trous (143) obturés par ledit tube semi-mobile (15) lorsque le disjoncteur est fermé et pendant la plus grande partie de la phase d'ouverture, lesdits trous venant en vis-à-vis de trous (15B) dudit tube semi-mobile en position d'ouverture du disjoncteur. 7/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le cylindre (21) possède un clapet (21B) calibré n'autorisant le passage du gaz que lorsque la pression en aval du clapet atteint descend au-dessous d'une valeur prédéterminée.