Brevet FR2595866A1 — publié le 19870918

La présente invention concerne un interrupteur de circuit électrique et, plus particulièrement, un dispositif d'entraînement de contact à haute vitesse pour un dispositif d'interruption de circuit. L'arrivée sur le marché des interrupteurs à corps solide avec limitation du courant, tels que celui décrit dans la demande de brevet américain n" 610 947 déposée le 16 mai 1984, a été à l'origine d'une relation synergétique entre les contacts de l'interrupteur et leur mécanisme d'actionnement. En employant un commutateur à corps solide en parallèle avec les contacts1 on en éloigne le courant dès leur séparation de manière à sensiblement réduire l'énergie de l'arc et par conséquent éliminer essentiellement les effets néfastes de l'arc sur les contacts. Cela permet à son tour de réaliser les contacts avec des dimensions plus faibles et donc de réduire tant leur masse thermique que leur masse inertielle.La réduction de la masse inertielle permet à son de tour une séparation plus rapide des contacts et par conséquent une interruption du circuit pendant les tout premiers stades de la forme d'onde du courant. La réduction de la masse inertielle des contacts permet d'utiliser un contact de shuntage entre une paire de contacts fixes, comme cela est décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n" 674 810, déposée le 26 novembre 1984, et ayant pour titre "Current Limiting Circuit Breaker" (Disjoncteur de circuit avec limitation du courant). La présence de ce contact de shuntage apporte une nouvelle réduction de la masse des contacts telle qu'on peut obtenir une séparation encore plus rapide des contacts et que l'interruption du courant a lieu à l'avenant aux tout premiers stades de la forme d'onde du courant. On a incorporé ici, à titre de référence, les demandes de brevets citees ci-dessus et il y a lieu de les examiner pour obtenir une bonne description du fonctionnement d'un commutateur à corps solide pour l'interruption d'un circuit ainsi que de la forme d'un agencement comportant des électrodes de shuntage. La présente invention a pour objet un dispositif d'entraînement de contact à haute vitesse afin de séparer rapidement un contact de shuntage et une paire de contacts fixes, comme cela est décrit dans la demande de brevet citée ci-dessus en dernier. Le brevet des Etats-Unis nQ 3 215 796 décrit l'utilisation du courant du secteur pour induire un courant dans une boucle comportant des conducteurs parallèles, étroitement espacés, afin de les écarter et séparer les contacts mobiles et les contacts fixes associés. Le brevet des Etats-Unis nO 3 168 626 décrit un fusible utilisant les forces de répulsion développées par des courants de défaut circulant, dans des sens opposés, dans des liaisons fusibles parallèles, étroitement espacées, pour couper une ou plusieurs liaisons et donc interrompre le circuit défectueux. Le brevet des Etats-Unis nO 3 002 065 décrit l'utilisation de courants excessifs du secteur parcourant des colonnes conductrices dans des directions opposées pour repousser l'une des colonnes et créer ainsi un trajet de dérivation afin de protéger un appareil de mesure. Le brevet des Etats-Unis nO 1720 566 décrit un dispositif de commande de circuit qui utilise une force magnétique pour améliorer la séparation électro-magnétique d'un contact de shuntage et d'une paire de contacts fixes. Le brevet des Etats-Unis nO 4 039 983 décrit un interrupteur de circuit à haute vitesse qui comporte des contacts principaux ainsi que des contacts pare-étincelles. Les contacts principaux utilisent un contact de shuntage pour le fonctionnement et les contacts pare-étincelles font appel aux forces électrodynamiques pour maintenir les contacts pare-étincelles à l'état fermé pendant un court laps de temps après que le contact de shuntage se soit séparé des contacts principaux. La présente invention a pour objet un dispositif d'entraînement de contact à haute vitesse, dans lequel on emploie une impulsion de courant intense pour repousser électrodynamiquement une paire de conducteurs servant au support d'un contact de shuntage disposé entre une paire de contacts à l'intérieur d'un circuit protége pour obtenir sur ordre une interruption extrêmement rapide du circuit. La pressente invention prévoit un dispositif d'entraînement de contact à haute vitesse, dans lequel un contact de shuntage est monté élastiquement sur un ressort en porte-à-faux et est supporté par une paire de conducteurs électriques étroitement espacés. Le contact de shuntage est sollicité pour être placé en relation de contact électrique avec une paire de contacts fixes par un ressort. Une impulsion de courant appliquée aux conducteurs provoque une répulsion électrodynamique des conducteurs et l'élévation du contact de shuntage afin de l'éloigner des contacts fixes à l'encontre de la sollicitation exercée par le ressort. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1, une vue en plan, en partie en coupe, du dispositif d'entraînement de contact a' haute vitesse selon la présente invention figures 2A et 2B, des vues en plan, en partie en coupe, du dispositif d'entraînement de contact de la figure 1 avant et après mise sous tension figure 3, un graphique illustrant la force de séparation du contact de shuntage en fonction de la distance de séparation entre le contact de shuntage et les contacts fixes figure 4, une vue en plan, en partie en coupe, d'un autre mode de réalisation du dispositif d'entraînement de contact à haute vitesse représenté en figure 1 ; et figures 5A-5C, des vues de dessus, à grande échelle, des plaques magnétiques utilisées pour fournir le champ magnétique représenté en figures 2A et 2B. En figure 1, on a représenté un mode de réalisation, donné à titre d'illustration, d'un dispositif 10 d'entraînement de contact à haute vitesse, dans lequel une paire de conducteurs rigides 11, 12 supportant chacun un contact fixe 13, 14 est connectée par un contact de shuntage 15. Le contact de shuntage est supporté par une paire de conducteurs 20, 21 qui sont fixés à une extrémité de ce contact de sorte qu'il relie électriquement en série les deux conducteurs. Les extrémités opposées des deux conducteurs sont respectivement reliées en série à une paire de bornes 22, 23 par des vis 24, 25. La liaison électrique aux deux conducteurs s'effectue en branchant une source de courant aux vis des bornes. Un bloc de matériau isolant 16 ayant une masse prédéterminée M1 est fixé à une extrémité d'un ressort 18 en porte-a-faux au moyen d'une vis 19 et l'extrémité opposée du ressort est fixée à un support 17 par une autre vis. On choisit la masse M2 du contact de shuntage 15 de façon qu'elle soit très petite par rapport à la masse M1 du matériau isolant. Une extrémité d'un ressort 26 est fixée au contact de shuntage et son autre extrémité à un support 27. On ajuste la tension fournie par le ressort 26 de façon que le contact de shuntage réalise une bonne liaison électrique avec les contacts fixes à l'encontre de la force exercée par le ressort en porte-à-faux 18 sur le contact de shuntage via la tension à laquelle les conduc teurs 20, 21 sont soumis.Le ressort 18 compense les variations de longueur des conducteurs, et on peut l'éliminer, en le remplaçant par un élément de support rigide, lorsqu'on maîtrise avec soin la longueur des conducteurs. En outre, on peut éliminer le ressort 26 en faisant appel à la raideur des conducteurs mêmes pour fournir la force de maintien s'exerçant sur les contacts. Lorsqu'on utilise le dispositif d'entraînement de contact 10 dans un interrupteur de circuit, le courant I2 du circuit passe dans les conducteurs rigides 11, 12 dans la direction indiquée, par l'intermé- diaire du contact fixe 13, 14 et du contact de shuntage 15 de la manière décrite dans la demande de brevet américain citée ci-dessus, intitulée "Current Limiting Circuit Breaker" (Disjoncteur de circuit avec limitation du courant).On règle la longueur 11 des conducteurs 20, 21 et la distance de séparation dl de façon à avoir l'assurance qu'une une impulsion contrôlée de courant prédéterminée I1 ayant le sens indiqué dans la figure produira une répulsion électrodynamique suffisante entre les deux conducteurs pour surmonter la sollicitation fournie par le ressort de contact 26 et pour que le contact de shuntage se sépare rapidement des contacts fixes dans un incrément de temps de 10 à 100 microsecondes à partir de l'amorçage de l'impulsion I1. La boucle de courant formée entre le vis 24 de la borne, le conducteur 21, le contact de shuntage 15, le conducteur 20 et la vis 25 de la borne est illustrée en figure 2a, la boucle n'étant parcourue par aucun courant. On peut augmenter le champ magnétique, représenté par le rectangle 30, dû au passage du courant dans les conducteurs en utilisant un matériau magnétique tel que de l'acier à 3% de silicium, par exemple. L'addition à la structure magnétique d'un élément permanent ou d'un enroulement auxiliaire peut en outre créer une composante de champ magnétique qui est indépendante du courant traversant les conducteurs. On décrira ci-dessous, en liaison avec la figure 3, l'augmen tation importante des forces électrodynamiques de répulsion exercées sur les conducteurs par l'addition du champ magnétique. L'effet des forces électrodynamiques représentées par F1 et F'1 dans les sens indiqués est illustré en figure 2b pour comparaison avec la figure 2a. On remarquera que la distance de séparation d2 entre les deux conducteurs lors de la répulsion électrodynamique est sensiblement supérieure à la distance initiale de séparation dl et que le contact de shuntage 15 s'est séparé du contact fixe 13 suivant un incrément dll. La distance élevée de séparation d2 est l'effet de la force de répulsion F1, laquelle est proportionnelle au produit du courant I1 par l'intensité du champ magnétique 30. La force agissant sur le contact de shuntage est représentée par le vecteur de force F2 qui s'exerce dans la direction indiquée, avec une force F'2 d'intensité égale s'exerçant sur le bloc 16 dans la direction opposée.Comme la masse M2 du contact de shuntage 15 est beaucoup plus petite que la masse M1 du bloc 16, des forces F2 et F'2 de même valeur produiront une accélération du contact de shuntage 15 beaucoup plus grande que celle du bloc 16. Ainsi, dans un intervalle de temps de 100 microsecondes, le bloc 16 reste essentiellement fixe. La variation de la force F2 s'exerçant sur le contact de shuntage 15 en fonction de la distance de séparation entre le contact de shuntage et les contacts fixes 13, 14 dans le champ magnétique 30 est représentée par la courbe 28 en figure 3. On remarquera que la force F2 s'exerçant sur le contact de shuntage est très élevée à l'origine, étant de l'ordre de 50 kg, pour provoquer une accélération rapide lorsque l'impulsion de courant I1 est appliquée, et décroît rapidement lorsque le contact de shuntage 15 se sépare des contactrs fixes 13, 14 et que la distance de séparation passe de 0 à quelques centièmes de millimètre L'effet de l'augmentation du champ magnétique 30 est repré senté par la courbe 29 dans le but d'augmenter la force exercée sur le contact de shuntage à des distances de séparation des contacts plus grandes. L'augmentation du champ magnétique est apportée par une structure magnétique 36, représentée en figure 5A, qui comprend un empilage de fines tôles métalliques 37 en acier au silicium, dans lesquelles on a ménage une fente rectangulaire 38 pour permettre le passage des conducteurs 20, 21. Les lignes de force magnétiques 39 représentent le trajet du flux magnétique à l'intérieur des tôles. On remarquera que les lignes de force magnétiques sont concentrées prés du centre des fils et diminuent proportionnellement à leur distance au centre.Lorsqu'une impulsion intense de courant est appliquée aux conducteurs, le flux magnétique induit dans les tôles est de l'ordre de plusieurs milliers de gauss, de sorte qu'il faut des tales de grande largeur par rapport au petit diamètre des conducteurs pour assurer l'absence de saturation du métal par le flux magnétique. En utilisant une structure magnétique telle que celle indiquée en 40 de la figure 5B, celle-ci étant constituée d'un empi- lage de tôles 41 présentant des fentes 42 en forme de croix, constituée d'une fente rectangulaire plus grande 43 dans la zone des tales située entre les conducteurs et une fente plus étroite telle que 44 à l'extérieur du conducteur 21 et d'une fente plus étroite 45 à l'extérieur du conducteur 20, on réduit la quantité de métal dans les tôles. Les lignes de force magnétiques 46 présentent la même intensité que les lignes 39 à l'intérieur du moteur magnétique 36 de la figure 5A. Lorsqu'une impulsion de courant d'une durée extrêmement courte, par exemple inférieure à 1 milliseconde, est appliquée aux conducteurs, le flux magnétique induit dans les tôles change rapidement. Pour réduire le flux de pointe dans l'interstice séparant les conducteurs, on dispose une pièce rapportée métallique 50 dans la fente 49, comme cela est représenté dans le moteur magnétique 47 décrit en figure 5C. La tôle 48 a la même largeur que la fente 43 décrite antérieurement en liaison avec la figure 5B. L'élément métallique rapporté 50, en aluminium, cuivre ou autre métal amagnétique conducteur, produit des courants de Foucault en réponse à la variation rapide du flux magnétique. Les courants de Foucault, à leur tour, s'opposent à la variation du flux, ce qui abaisse effectivement le flux magnétique de pointe dans l'interstice entre conducteurs. En figure 4, on a représenté un autre mode de réalisation du dispositif 10 d'entraînement de contact à haute vitesse de la figure 1 et on utilisera dans la mesure du possible les mêmes numéros de référence. La boucle de courant est formée entre le conducteur 20, le contact de shuntage 15 et le conducteur 21. Une plate-forme 35 en matériau isolant, maintenue par une paire de montants de support 17, 31 également en matériau isolant, présente une ouverture 36 pour le passage des deux conducteurs et sert à soutenir un ressort en spirale 33 qui sollicite le contact de shuntage à l'encontre de la propre sollicitation du ressort de contact 26 d'une façon similaire au ressort en porte-à-faux 18 décrit antérieurement en liaison avec la figure 1. La plate-forme et les conducteurs rigides 11, 12 sont fixés aux montants 17, 31 par des vis 19, comme cela est illustré.Les conducteurs 20, 21 constituent la spire unique de l'enroulement secondaire d'un tore 32, l'enroulement primaire multi-spires 34 étant relié à un circuit extérieur par des bornes 22, 23 et des vis 24, 25. Le tore est fixé au bloc isolant 16 et vient augmenter la masse de ce bloc pour obtenir une relation avantageuse entre cette masse et la masse du contact de shuntage comme on l'a décrit précédemment. Une impulsion de courant appliquée aux bornes 22, 23 est amplifiée par l'effet de transformateur exercé par le tore et est induite dans les conducteurs 20, 21 afin de fournir le courant prédéterminé I1 circulant dans les conducteurs suivant les directions indiquées. On vient de décrire qu'on peut obtenir une séparation extrêmement rapide de contacts à l'encontre d'une force élevée de maintien de ces contacts, telle qu'elle est exercée par le ressort 26 sur une petite masse de contact telle que M1 par rapport à une force de séparation moins grande, telle que celle exercée par le ressort en porte-à-faux 18 sur une masse importante telle que M2. Lorsqu'on prévoit des forces électrodynamiques pour augmenter la force de séparation des contacts, la masse importante reste virtuellement fixe, donnant une accélération élevée pendant la séparation initiale des contacts, ce qui est hautement souhaitable pour limiter l'intensité du courant de commutation. On remarquera que des impulsions de courant plus élevées, telles que celles représentées par I1, peuvent être employées en même temps que des champs magnétiques plus intenses pour augmenter encore les forces de séparation et fournir une séparation des contacts toujours plus rapide. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'entraînement de contact à haute vitesse pour l'interruption d'un circuit électrique, caractérisé en ce qu'il comprend une paire de premier et second conducteurs électriques (20, 21) fixés à un support isolant (16) à l'une de leurs extrémités, montés électriquement en série, disposés côte à côte, et s'étendant à proximité l'un de l'autre un contact de shuntage (15) porté par les conducteurs électriques à leurs extrémités opposées et disposé pour réaliser une liaison électrique entre une paire de contacts fixes (11, 12); un moyen pour fournir une impulsion de courant prédéterminée aux conducteurs à leur première extrémité pour provoquer leur répulsion électrique et les éloigner l'un de l'autre pour que le contact de shuntage se sépare des contacts fixes sur ordre ; et un moyen magnétique (36) disposé entre les extrémités des conducteurs pour renforcer leur répulsion électromagnétique, ce moyen magnétique comprenant une multitude de plaques métalliques (37) définissant une fente (38), les premier et second conducteurs électriques passant dans la fente. 2. Dispositif d'entraînement de contact selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fente (38) a la forme d'un rectangle. 3. Dispositif d'entraînement de contact selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fente (44) a la forme d'une croix. 4. Dispositif d'entraînement de contact selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fente (44) est constituée d'une fente à largeur double, la valeur de la largeur de la fente entre les premier et second conducteurs étant supérieure à celle à l'extérieur des premier et second conducteurs. 5. Dispositif d'entraînement de contact selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un élément métallique rapporté (50) à l'intérieur de la fente (49) entre les premier et second conducteurs électriques. 6. Dispositif d'entraînement de contact selon la revendication 1, caractérisé en ce que ltélément métallique rapporté (50) est constitué d'un métal amagnétique.