Brevet FR2586858A1 — publié le 19870306

DISPOSITIF D'INTERRUPTION DE COURANT A FUSIBLE. La présente invention concerne un dispositif d'interruption de courant à cartouche fusible pour la protection des équipements électriques contre les surintensités et les courtscircuits. On connaît déjà, d'après la demande de brevet français No 85 00915 déposée le 23 Janvier 1985 au nom de la Demanderesse, pour : "Cartouche de coupe-circuit à fusible", une structure de cartouche fusible qui est capable d'éteindre l'arc électrique créé lors de l'apparition d'un courtcircuit en assurant un isolement total. Cette cartouche fusible comporte à l'intérieur d'une enveloppe deux pistons isolants propulsés en sens inverse l'un de l'autre par l'énergie même de l'arc électrique pour venir occuper une position où l'arc est cisaillé, les deux pistons établissant en fin de course une distance d'isolement suffisamment grande pour empêcher tout réamorçage d'un arc. Comme pour toute cartouche fusible, celle du genre mentionné ci-dessus est dimensionnée selon son calibre de manière à assurer un pouvoir de coupure donné. La présente invention a pour but de réaliser un dispositif permettant de couper un courant de court-circuit présumé de valeur supérieure au propre pouvoir de coupure d'une cartouche fusible donnée, quel que soit le calibre retenu pour cette dernière. A cet effet, l'idée mère de l'invention consiste, à partir d'une cartouche fusible dite principale, notamment du type décrit ci-dessus, et de pouvoir de coupure donné, à lui adjoindre en parallèle un circuit auxiliaire d'assistance à la coupure du courant de court-circuit, lequel est capable d'augmenter artificiellement le pouvoir de coupure de la cartouche fusible principale utilisée. Le circuit d'assistance à la coupure suivant l'invention comprend - un élément normalement isolant, mais susceptible de deve nir conducteur à partir d'une tension de seuil donnée appliquée à ses bornes de manière à dériver la totalité du courant de court-circuit après fonctionnement de la cartouche fusible principale ; et - des moyens aptes à interrompre le courant passant dans ledit élément. Selon un premier mode de réalisation, ledit élément est constitué par un éclateur, tandis que les moyens d'interruption du courant sont constitués par une cartouche fusible standard montée en série avec l'éclateur, de faible calibre comparativement à la cartouche fusible principale, et à pouvoir de coupure au moins égal au courant de court-circuit à couper. Dans une variante d'exécution, ledit élément et les moyens d'interruption du courant sont constitués par une seule et même varistance. I1 est important de noter que par rapport à une coupure de court-circuit qui serait réalisée au moyen d'une seule cartouche fusible de pouvoir de coupure approprié, l'ensemble cartouche fusible principale - circuit d'assistance à la coupure suivant l'invention assure une coupure nettement plus rapide et offre donc l'avantage d'une plus faible contrainte thermique. D'autre part, dans chacun de ses deux modes de réalisation décrits ci-dessus, le circuit d'assistance à la coupure est réalisé avantageusement avec des éléments simples, peu encombrants et peu coûteux ; dans le cas d'une cartouche fusible principale de fort calibre, le faible encombrement et le coût modéré du circuit adjoint sont particulièrement significatifs vis-à-vis de la réalisation d'une seule car touche fusible de fort calibre et à pouvoir de coupure approprié. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels Les figures 1 et 2 montrent une cartouche fusible à couteaux en coupe longitudinale avec son circuit d'assistance à la coupure selon un premier mode de réalisation, sous des conditions normales et respec tivement anormales de fonctionnement du circuit à protéger ; La figure 3 montre en fonction du temps les phénomènes se déroulant lors du fonctionnement du dispositif global de la figure 2 ; Les figures 4 et 5 sont des vues analogues aux figures 1 et 2 pour une variante du circuit d'assistance à la coupure ; et La figure 6 montre la caractéristique tension - cou rant de la varistance des figures 4 et 5. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments qui remplissent les memes fonctions en vue des mêmes résultats. En se reportant aux figures 1 et 2 ainsi qu'aux figures 4 et 5, un dispositif 10 d'interruption de courant pour la protection d'une installation électrique, conforme à l'invention, comporte une cartouche fusible 12, dite principale, de calibre et de pouvoir de coupure donnés, et un circuit auxiliaire d'assistance à la coupure, désigné par le repère général 15, monté en parallèle sur la cartouche 12. A titre illustratif mais non limitatif, la cartouche fusible 12 est conçue pour être de fort calibre, par exemple -lnu-lUv,- a-ve-c--un-bas pouvoir de coupure, de l'ordre de 15 kA pour le calibre choisi. La cartouche fusible principale 12 est du type à couteaux et comporte un corps isolant 17 de forme parallélépipédique, d'axe central XX', et creusé de deux cavités longitudinales cylindriques 19 et 20 parallèles à l'axe XX', ménagées de part et d'autre de cet axe en communiquant l'une avec l'autre au niveau de l'axe XX'. Les deux cavités 19 et 20 logent respectivement deux pistons cylindriques creux 23 et 24 réalisés en matière isolante et disposés de manière à se déplacer en translation en sens inverse l'un de l'autre sous l'effet d'une force de propulsion exercée sur chacun d'eux, selon les flèches A et B (figures 1 et 4). Les deux pistons 23 et 24 présentent chacun en face avant une ouverture centrale 25, respectivement 26, et sont percés respectivement de deux orifices latéraux 28 et 29, lesquels communiquent l'un avec l'autre au niveau de l'axe XX' lorsque les deux pistons sont en position de repos, comme illustré aux figures 1 et 4. Par ces deux orifices latéraux 28 et 29 mis en communication, figures 1 et 4, passe un élément fusible constitué par une lame conductrice 30, par exemple en cuivre argenté, agencée perpendiculairement à l'axe XX' et enserrée à chacune de ses deux extrémités entre deux barreaux conducteurs cylindriques fixes 32 et 33, respectivement 35 et 36, logés respectivement à l'intérieur des deux pistons 23 et 24. Chacun des deux barreaux 32 et 35 sort légèrement en face arrière de son piston correspondant et est fixé sur une plaque conductrice 38, respectivement 39, via une ouverture ménagée dans une pièce isolante formant embase 41, respectivement 42. Chacun des deux autres barreaux 33 et 36 est profilé de manière à délimiter, avec son piston correspondant en position de repos (figures 1 et 4), un espace interne 44, respectivement 45, de volume variable communiquant avec l'orifice du piston. La cartouche 12 comporte également deux couteaux 48 et 49 réalisés en matériau conducteur et fixés, par exemple par soudage, respectivement aux deux plaques 38 et 39, perpendiculairement à celles-ci au niveau de l'axe XX'. I1 est à noter qu'on peut également réaliser d'une seule pièce chaque plaque avec son couteau. Comme on l'a indiqué précédemment, la cartouche fusible 12 de calibre 1000 A - 1000 v telle que décrite ci-dessus est capable, seule, de couper un courant de court-circuit présumé de 15 kA crêtes. Ainsi, lors du développement d'un tel court-circuit, la lame fusible 30 de la cartouche se scinde en deux et l'énergie de l'arc électrique qui se crée est recueillie dans les deux espaces internes 44 et 45 et exerce alors sur chacun des deux pistons 23 et 24 une force qui provoque très rapidement leur déplacement axial en sens inverse l'un de l'autre, de manière à produire un cisaillement de l'arc. Les deux pistons 23 et 24 en fin de course, figures 2 et 5, viennent en butée sur des talons isolants (non figurés) portés par les embases 41 et 42, et leur mouvement est amorti sans rebondissement au moyen de plusieurs bagues annulaires en élastomère représentées en 52 sur les figures 1, 2, 4 et 5. Il est important de noter qu'en fin de course de chaque piston (figures 2 et 5), la distance entre les deux parties de la lame fusible est suffisamment grande pour éviter tout réamorçage d'un arc entre ces parties de la lame, leur assurant ainsi un isolement total. De plus, un ensemble de conduits (non figurés) sont prévus dans la cartouche pour assurer la détente des gaz propulsant les pistons. Dans le but de couper un courant de court-circuit de valeur supérieure au propre pouvoir de coupure de la cartouche fusible 12, conformément à l'invention, on adjoint en parallèle sur la cartouche 12 le circuit 15 d'assistance à la coupure que l'on va maintenant décrire. Selon un premier mode de réalisation préféré, illustré aux figures 1 et 2, le circuit 15 connecté entre les deux couteaux 48 et 49 de la cartouche fusible principale 12, comporte en série un éclateur 56, de structure classique, et une cartouche fusible standard rapide 57, dite auxiliaire, du type cylindrique ou à couteaux, avec un remplissage de sable. L'éclateur 56 constitue en soi un élément électrique normalement isolant qui est néanmoins susceptible de devenir conducteur à partir d'une tension de seuil donnée, dite d'amorçage, appliquée à ses bornes, que l'on définira plus loin, tandis que la cartouche fusible 57 est adaptée pour interrompre rapidement le courant traversant l'éclateur 56 lorsque celui-ci devient conducteur. En comparaison de la cartouche principale 12 définie plus haut, la cartouche auxiliaire 57 est choisie d'un faible calibre, c'est-à-dire de valeur de courant nominal nettement inférieure et de même valeur de tension nominale, par exemple 100 A - 1000 V dans le cas retenu d'une cartouche fusible principale apte à tenir 1000 ampères sous une tension maximale de 1000 volts, et assure un pouvoir de coupure élevé au moins égal au courant de court-circuit à couper ; à titre illustratif, dans le cas d'un courant de court-circuit présumé de 50 kA crêtes, la cartouche auxiliaire 57 utilisée a un pouvoir de coupure de 50 kA. En référence aux figures 1 à 3, le zonctionnement est le suivant. Tout d'abord, dans des conditions opératoires normales de la ligne, figure 1, le courant permanent parcourant la ligne dans le sens indiqué par la flèche passe intégralenent dans la cartouche fusible principale 12 qui ne fonctionne pas, l'éclateur 56 se compcsEtant coDrene un isolant parfait vis-è- vis de- la cartouche fusible auxiliaire 57 qui ne fonctionne donc pas. Lorsqu'il apparat un court-circuit d'intensité -élevée supérieure au propre pouvoir de coupure de la cartouche fusible principale 12, par exemple un courant de courtcircuit présumé de 50 kA crêtes pour un pouvoir de coupure de ladite cartouche de l'ordre de 15 kA, dans un premier temps la cartouche principale 12 fonctionne selon le principe exposé précédemment, ses deux pistons propulsés 23 et 24 (figure 2) établissant un isolement suffisant pour éviter tout réamorçage d'un arc. Sur la figure 3, on a illustré en traits pointillés la tension d'arc V qui se développe aux bornes de la cartouche principale 12 et qui croît très rapidement après la période dite d'entrée en action ta, et en traits pleins le courant I qui passe dans ladite cartouche et qui est limité rapidement par celle-ci après son entrée en action. En choisissant pour l'éclateur 56 une tension d'amorçage Vs (figure 3) inférieure à la tension d'arc maximale aux bornes de la cartouche fusible principale 12, presque dès l'entrée en action de cette dernière, la tension d'amorçage est appliquée aux bornes de l'éclateur 56 qui devient donc conducteur, de sorte que le courant de court-circuit passe en totalité dans le chemin dérivé que constituent l'éclateur 56 et la cartouche fusible auxiliaire 57 à pouvoir de coupure élevé ; le fusible auxiliaire 57 saute presque instantanément et coupe ainsi le court-circuit, comme illustré à la figure 2. Sur la figure 3, on a représenté en traits mixtes le courant I' qui passe dans l'éclateur 56 et la cartouche fusible 57 ce courant croît d'abord très rapidement après une période tb légèrement supérieure à tat puis décroît après l'entrée en action de la cartouche fusible 57, la coupure étant réalisée après une durée totale tc. La Demanderesse a mis en pratique cette réalisation à éclateur et cartouche fusible auxiliaire dans le cas d'un courant de court-circuit présumé de 50 kA crêtes, en utilisant, d'une part, une cartouche fusible principale (à pistons) de calibre 1000 A - 1000 V avec un pouvoir de coupure de 15 kA et, d'autre part, un éclateur classique (tension d'amorçage choisie à 250 V) et une cartouche fusible auxiliaire standard (à sable) de calibre 100 A - 1000 V avec un pouvoir de coupure de 50 kA : le temps de coupure relevé est de l'ordre de 6 millisecondes. Selon une variante d'exécution illustrée aux figures 4 et 5, le circuit 15 d'assistance à la coupure est simplement constitué par une varistance 59, de structure classique, en oxyde de zinc par exemple, qui est directement connectée entre les deux couteaux 48 et 49 de la cartouche fusible principale 12. La varistance 59 est conçue en fonction du courant de courtcircuit à couper et elle constitue en soi un élément électronique qui, monté en parallèle sur la cartouche fusible, remplit à lui seul la double fonction d'être normalement isolant, mais susceptible de devenir conducteur à partir d'une tension de seuil donnée appliquée à ses bornes, d'une part, et d'interrompre rapidement le courant de courtcircuit, d'autre part. Sur la figure 6, on a montré l'allure de la tension V appliquée aux bornes de la varistance 59 en fonction du courant I, ladite varistance étant de forte valeur tant que sa tension de seuil Vs' n'est pas atteinte. De manière à permettre l'interruption du courant passant dans la varistance, comme on le verra plus loin, la tension de seuil Vs' est déterminée à partir de la formule classique suivante VR - V = RI + L dl Ut soit (VR - RI) - V = L dI avec VR : tension du réseau V : tension d'arc I : courant R : résistance du circuit L : inductance du circuit D'après cette formule, on voit que pour une tension d'arc V (appliquée aux bornes de la varistance) supérieure à une tension de seuil Vs' égale à VR au terme RI près, le terme dl s Ut est négatif, de sorte que le courant I passant dans la varistance, comme le montre la figure 6, décroît puis s'annule. En référence aux figures 4 à 6, le fonctionnement est le suivant. Tout d'abord, dans des conditions normales de fonctionnement du circuit, figure 4, le courant permanent parcourant la ligne dans le sens indiqué par la flèche passe presque intégralement dans la cartouche fusible 12 qui ne fonctionne pas, la varistance 59 étant de forte valeur pour la très faible tension qui apparaît aux bornes de la cartouche. Lorsqu'il apparaît comme précédemment un court-circuit d'intensité élevée supérieure au propre pouvoir de coupure de la cartouche fusible 12, celle-ci fonctionne selon le principe que l'on a déjà exposé. Ainsi, au cours du fonctionnement de la cartouche 12, la tension d'arc V qui se développe à ses bornes, donc qui apparatt aux bornes de la varistance 59, croît très rapidement pour atteindre, par exemple au point P sur la figure 6, une valeur supérieure à la tension de seuil Vs', de sorte que le courant de courtcircuit I passe en totalité dans le chemin dérivé que constituela varistance 59 (figure 5). Dès lors, le terme dl dans la formule indiquée ci-dessus Ut devenant négatif, le courant I (figure 6) décroit puis s'annule rapidement ; la coupure du court-circuit est réalisée. On indiquera qu'à titre de sécurité vis-à-vis d'éventuels courants de fuite produits par la varistance, la cartouche fusible peut être équipée d'un organe appelé percuteur (non figuré) qui est adapté pour provoquer, dès le fonctionnement de la cartouche, l'ouverture d'un microcontact classique agencé en sortie de la varistance. On a donc réalisé suivant l'invention une cartouche fusible dont le propre pouvoir de coupure est artificiellement augmenté par adjonction d'un circuit d'assistance à la coupure, lequel est d'une structure particulièrement simple et peu coûteuse. On notera que la description ci-dessus a été faite en référence à une cartouche fusible principale réalisée selon une version à pistons t bien sûr, l'invention s'applique également à toute autre structure de cartouche fusible qui garantit un isolement total lors de son fonctionnement. Revendications 1. Dispositif d'interruption de courant pour la protection d'un circuit électrique contre un court-circuit, comportant une cartouche fusible (12) dite principale ayant un pouvoir de coupure donné inférieur au courant de courtcircuit à couper et renfermant des moyens (23, 24) aptes à établir une distance d'isolement suffisante pour empêcher tout réamorçage d'un arc électrique, caractérisé en ce qu'il comporte également, en parallèle sur la cartouche fusible principale, un circuit (15) d'assistance à la coupure du courant de court-circuit, lequel comprend - un élément (56 t 59) normalement isolant, mais susceptible de devenir conducteur à partir d'une tension de seuil donnée appliquée à ses bornes de manière à dériver la totalité du courant de court-circuit après fonctionnement de la cartouche fusible principale ; et - des moyens (57 ; 59) - aptes à interrompre le courant pas sant dans ledit élément. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément est constitué par un éclateur (56) conçu de manière à fonctionner à la tension de seuil, laquelle est choisie inférieure à la tension d'arc maximale apparaissant aux bornes de la cartouche fusible principale (12) lors de son fonctionnement, et en ce que les moyens d'interruption du courant sont constitués par une cartouche fusible standard (57) dite auxiliaire, montée en série avec l'éclateur, du type faible calibre comparativement à la cartouche fusible principale, c'est-à-dire de valeur de courant nominal nettement inférieure et de même valeur de tension nominale, et ayant un pouvoir de coupure au moins égal au courant de court-circuit à couper. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cartouche fusible auxiliaire (57) est du type cylindrique ou à couteaux, avec un remplissage de sable. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément et les moyens d'interruption du courant sont constitués par une seule et même varistance (59) conçue en fonction du courant de courtcircuit à couper, la tension de seuil appliquée à ses bornes étant choisie supérieure à la tension nominale de la cartouche fusible principale (12).