Brevet FR2596578A1 — publié le 19871002

DISJONCTEUR ELECTRIQUE A AUTOEXPANSION ET A ARC TOURNANT L'invention est relative à un disjoncteur électrique à autoexpansion et à arc tournant, logé dans une enveloppe étanche remplie d'un gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment d'hexafluorure de soufre, et comprenant un dispositif d'extinction d'arc disposé dans une première chambre de coupure, susceptible de communiquer par des voies d'échappement avec une deuxième chambre adjacente d'expansion, ledit dispositif d'extinction d'arc de chaque pôle comportant: - un système de contacts séparables ayant une piece de contact d'arc mobile montée à coulissement dans la première chambre et susceptible de cooperer en position de fermeture avec une pièce de contact d'arc fixe ou semi-fixe, - une bobine de soufflage magnétique agencée dans la premiere chambre pour engendrer un champ magnétique dans la zone de coupure, engendrant la rotation de l'arc lors de la séparation des pièces de contacts d'arc, - des conduits de communication à l'intérieur des pièces de contact d'arc creuses pour constituer lesdites voies d'échappement du gaz comprimé de la première chambre vers la deuxième chambre d'expansion, - et une électrode de captation de l'arc électrique dans la zone de coupure. Dans un disjoncteur connu du genre mentionné, l'électrode de captation de l'arc est accolée à la face frontale antérieure de la bobine, et le contact d'arc fixe ou semi-fixe tubulaire se trouve en retrait de l'électrode à l'intérieur de la bobine. La commutation de l'arc sur l'électrode provoque l'excitation de la bobine de soufflage après la séparation des contacts. L'effet de centrage de l'arc par l'action du champ est accentué par le soufflage pneumatique pendant la phase d'échappement des gaz par les conduits de communication entre la chambre de coupure et la chambre d'expansion. Il en résulte une possibilité de réamorgaga de la racine d'arc ancree sur l'électrode vers le contact d'arc fixe, entraiînant un shuntage presque total de la bobine. La diminution du champ magnétique dans la zone d'arc provoque l'arrêt de la rotation des racines d'arc. L'extinction de l'arc est alors compromise. L'objet de l'invention consiste à réaliser un dispositif d'extinction d'arc fiable pour un disjoncteur à autoexpansion et à arc tournant, sans risque de desexcitation de la bobine de soufflage magnétique. Le disjoncteur selon l'invention est caractérisé en ce que la pièce de contact d'arc fixe ou semi-fixe est entoure coaxialement par la bobine en étant raccordée électriquement à l'une de ses extrémités en liaison avec la face frontale antérieure, et que l'électrode est isolée électriquement du contact d'arc fixe et de ladite face frontale antérieure par un intervalle en étant connectée d'autre part à l'extrémité opposée de la bobine par un circuit de dérivation, disposé dans la chambre de coupure, à l'ext6rieur de la bobine, ladite électrode étant agencée pour capter une fraction du courant d'arc, de manière a ce que le champ magnétique engendré par la bobine dans la zone de coupure reste sensiblement constant, lorsque la valeur de l'intensité du courant de court-circuit dépasse un seuil prédéterminé. L'électrode coiffe la face frontale antérieure de la bobine, avec interposition dudit intervalle d'isolement, et présente un rebord annulaire de captation de l'arc, autorisant le passage axial de la pièce de contact d'arc mobile vers la position de fermeture, la pièce de contact d'arc fixe se trouvant légèrement en retrait par rapport audit rebord de l'électrode. Lorsque le courant d'arc n'est pas très important, l'arc reste ancre entre les pièces de contact d'arc fixe et mobile, et se d6olace en rotation sous l'action du champ magnétique cree par l'excitation permanente de la bobine. L'arc ne migre pas sur l'électrode, entraînant l'absence de courant dans le circuit de dérivation. Un dépassement d'un seuil predéterminé, dans le cas d'un court-circuit important provoque une répartition automatique du courant dans la bobine et le circuit de dérivation. Le courant d'excitation de la bobine est limité à une certaine valeur permettant d'ajuster l'amplitude maxi.aum du champ magnetique dans la zone d'arc. L'excédent de courant-est sàunté par le circuit de dérivation. Le rebord annulaire de l'électrode est avantageusement équipé d'une extension métallique de révolution, notamment cylindrique ou incurvée, faisant saillie de la pièce de contact d'arc fixe en direction du premier tube support de la pièce de contact d'arc miobile. b'electrode peut également jouer le rôle d'un elément refroidisseur participant à la d-sionisation de l'arc dans la zone de coupure. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, donne à titre d'exemple non limitatif et représentd au dessin annexe dans lequel: - la figure 1 est une vue en élivation en coupe axiale d'une Partie d'un pôle de disjoncteur à autoexpansion seion l'invention, represente sur la demi-vue supérieure en position de fermeture, et sur la demii-vue inférieure en position d'ouverture; - la figure 2 est une vue partielle à ecnelle agrandie de la figure 1, montrant l'agencement du dispositif d'extinction d'arc; - la figure 3 est une variante de la figure 2. - la figure 4 est une autre variante ae la figure 2. Sur les figures 1 et 2, un pale d'un disjoncteur électrique comporte un dispositif d'extinction d'arc 10 à autosoufflaie par -expansion thermique et a arc tournant. Le pôie est lo-e dans une enveloppe 12 étanche et cylindrique, remplie de gaz iolant électronégatif à rigidité diélectrique élevëe, notamment d'hexafluorure de soufre SF 6, sous une pression approprié. L'enveloppe 12 en matériau isolant est subdivisée intérieurement en une première chambre de coupure 14 re:infermant le dispositif d'extinction d'arc 10, et au moins une deuxième chambre d'expansion 16 autorisant l'échappement des gaz de coupure en provenance de la première chambre 14. Le disjoncteur comprend une paire de contacts d'arc separables 18, 20, creux, agencés à l'interieur de la première chambre 14 en alignem.ent avec la direction axiale de l'enveloppe 12. Le systime de contacts principaux pour le passage du courant nominal en l'absence de défaut n'est pas représenté sur les figures. Le contact d'arc mobile 13 est porte par un premier tube support 22 en matériau conducteur traversant à coulissement axial une paroi 24 radiale cylindrique de la chambre de coupure 14. Le tube 22 est solidarisé nécaniguemrent à une tige de commande d'un mécanisme de manoeuvre (non reorésent6), et est doté d'un conduit 26 axial qui communique avec la deuxième chambre d'expansion 16 par des orifices 28. Le contact d'arc fixe 20 est formé par une piste annulaire conductrice ayant un diamètre int6rieur égal à celui du contact d'arc mobile 13 pour permettre un aboutement des contacts 13, 20, en position de fermeture. La piste du contact d'arc fixe 20 constitue une bague en court-circuit fixée par soudage à la face frontale 30 antérieure d'une bobine 32 électromagn6tique de mise en rotation de l'arc électrique tire lors de la séparation des contacts d'arc 18, 20. La bobine 32 cylindrique est fixe et se trouve dans la premiere chambre 14 en étant portée par un deuxième tube support 34 fixe en matériau conducteur, lequel traverse une paroi 36 de la chambre 14 à l'opposé de l'autre paroi 24. Un conduit 33 axial est ménagé dans le deuxième tube support 34, et commraunique avec la chambre d'expansion 16 par des orifices 40. Une cloison 42 cylindrique entoure les deux parois 24, 36, radiales pour délimiter la première chambre 14 de coupure du pôle. La cloison 42 peut avoir toute autre for:ne appropriée, par exemple sphérique ou ellipsoidale. Le contact d'arc fixe 20 est accolé d'autre part à une douille 44 interne creuse, en, matériau ferromagnétique, entoura coaxialement par la bobine 32 avec interposition d'un fourreau 46 isolant. L'une des extrémités de la bobine 32 est connectée électriquement à la queue de la piste du contact d'arc rixe 20, et l'extr6mité opposée est reliée à un rianchon 48 conducteur en liaison avec le deuxième tube 34 support. Des boulons 49 d'assemblage assurent la fixation mecanique de la bobine 32 au:aanchon 43. Une électrode 50 annulaire est connectée au mancnon 4d par un conducteur 52 de dérivation qui entoure extérieurement la bobine 32 à l'intérieur de la chambre 14. L'électrode 50 est formée par un anneau conducteur s'étendant radialement le long de la face frontale 30 antérieure de la bobine 32, et séparé de cette dernière par un intervalle 54 axial de faible épaisseur. Le diamètre intérieur de l'électrode 50 annulaire est supérieur au diamètre extérieur du contact d'arc 18 coulissant pour autoriser l'aboutement de ce dernier avec le contact d'arc fixe 20 en position de fermeture. Le contact d'arc fixe 20 se trouve en lTger retrait axial par rapport à l'extrémité libre de l'électrode 50. Le fonctionnement du dispositif d'extinction d'arc 10 du disjoncteur selon les figures 1 et 2 est le suivant: - après ouverture des contacts principaux (non représentés) lors de la phase de déclenchement du disjoncteur, le courant de défaut est coinmutë dans le circuit des contacts d'arc 18, 20, après passage dans la bobine 32. La séparation des contacts d'arc 18, , engendre un arc X dans la zone de coupure 56, située sensiblement aucentre de la première chambre 14. Le champ magnétique B, crée par la bobine 32 dans la zone de coupure 56, provoque la rotation rapide de l'arc X sur la piste annulaire du contact d'arc fixe 20. L'échauffement du gaz SF 6 par l'arc tournant engendre une augmentation de pression à l'intérieur de la première chambre 14, et un àcoulement axial en sens opposé du gaz comprimé à travers les conduits 26, 38, d'échappement en direction de la deuxième chambre 16 d'expansion. Le mouvement de rotation de l'arc X, combiné au double soufflage gazeux inversé assurent une extinction rapide de l'arc après une course déterminée du contact d'arc mobile 18 à l'intérieur de la chambre de coupure 14. Sur la figure 2, on remarque que la rotation de l'arc X dans la zone de coupure 56 est due à l'action de la composante radiale BR' du champ magnétique B (voir diagramme au point M). La composante axiale ja du champ magnétique t tend à maintenir l'arc X au voisinage du centre pour renforcer l'ancrage des racines d'arc sur les contacts d'arc fixe 20 et mobile 18. Cet effet de centrage de l'arc X est accentué par le soufflage gazeux centripète, lors de la phase d'autoexpansion, engendrant un double écoulement inversé des gaz à travers les conduits 26, 38, d'échappement. L'action combinée du champ magnétique B et du soufflage gazeux sur l'arc assure une excitation permanente de la bobine 32. Pour des courants de court-circuit très importants, une fraction Y de l'arc est captée par l'électrode 50, de manière à provoquer une répartition du courant d'arc à travers la bobine 32 et le circuit de dérivation 52 extérieur. L'excitation de la bobine 32 n'est pas interrompue durant la phase de coupure et résulte de la fraction X du courant d'arc se trouvant en parallèle sur la fraction Y. L'intensité du champ magnétique 3 dans la zone de coupure 56 est limitée de ce fait à un seuil prédéterminé, indépendamment de la valeur du courant de courtcircuit. Le seuil de migration de l'arc sur l'électrode 50 du circuit de dérivation 52 dépend de l'épaisseur de l'intervalle 54 axial, de la forane et de la position spatiale de l'électrode 50 dans la chanbre de coupure 14, ainsi que de la résistività dlectrique du mnatériau conducteur constituant le circuit de dérivation 52. La fraction supplémentaire Y du courant d'arc est écoulé dans le circuit de dérivation 52 pour snunter la bobine 32. L'arc partiel Y se déolace également en rotation sous l'action du chaimo L et disparaît dès que l'intensité du courant d'arc tombe en-dessous d'une valeur prédéterminee. En plus de sa fonction de modulateur du champ magnétique, la oresence de 1 '-lctrodue 50 mtallió[ue annulaire dans la chambre de coupure 14 permet de refroidir les racines d'arc pour favoriser son extinction'. Le r. matériau de l'électrode -0 est en cuivre, ou en alliage de cuivre. L'électrode 5J peut également jouer le rôle l'un anneau de ciéphasage entre le cihamp -agnetique d, entendre par la bobine 32 et le courant d'arc, de manière à améliorer le soufflage, nota;mlent au passage a zero du courant. Elle peut ainsi être sotee d'une fente radiale, si on ne desire pas de déphasage entre chnamps magnétique et courant. L'électrode 50 d'amorçage peut posséder différentes formes telles Que representées a la figure 3, nota.rmment une dcouille 50a cylindrique axiale (de:iti-vue inférieure) prolongeant l'anneau r-adial conducteur du circuit de derivation 52, ou une extension 50) b incurvée en matériau conducteur faisant saillie du contact d'arc fixe 20 (demi-vue supérieure). Selon une variante (non représentée), le contact d'arc mobile 18 en translation peut également coopérer avec un contact d'arc 20 semi-fixe soumis A l'action d'un ressort de rappel, ou avec un contact d'arc 20 fixe en forme de pinceo Un anneau 60 intercalaire, en matériau isolant, peut être inséré dans l'intervalle 54 axial menage entre l'électrode 50 et la face frontale antérieure 30 de la bojine 32. 253657a Selon une autre variante, reprsente iure, 1- iuiu:ee électrode 62 annulaire peut être associ5e à - i - 5 du circuit de dérivation 52. Un dGcalage axial, L r;:; S ar une entretoise 64, separe les deux electrcdes 50, Y, '' _les, et la deuxième électrode 62 presente un i.i&- iu:2rieur supérieur à celui de la pre..iere electrode _e REVENDICATIONS 1. Disjoncteur électrique à autoexpansion et a arc tournant, logé dans une enveloppe (12) étanche remplie d'un gaz isolant à rigidité dielectrique leve, notamment d'hexafluorure de soufre, et comprenant un dispositif d'extinction d'arc (10) disposé dans une première chambre de coupure (14), susceptible de communiquer par des voies d'echappement avec une deuxième chambre (16) adjacente d'expansion, ledit dispositif d'extinction d'arc (10) de chaque pôle comportant - un système de contacts (22, 18, 20, 48, 34) séparables ayant une piece ae contact d'arc (18) mobile montée à coulissement dans la première chambre (14), et susceptible de coopérer en position de fermeture avec une pièce de contact d'arc (20) fixe ou semi-fixe, - une bobine (32) de soufflage magn6tique agencée dans la première chambre (14) pour engenarer un cha:mpi magnétique dans la zone de coupure 56, engendrant la rotation de l'arc lors de la séparation des pi3ces ae contacts d'arc (18, 20), - des conduits (26, 38) de communication à l'int;rieur des pièces 'de contacts d'arc (18, 20) creuses pour constituer lesdites voies d'echappement du gaz comprimé de la première chambre (14) vers la deuxième chambre (16) d'expansion, - et une électrode (50, 50 a, 50 b) de captation de l'arc électrique dans la zone de coupure (56), caractérisé en ce que la pièce de contact d'arc (20) fixe ou semi-fixe est entourée coaxialement par la bobine 32 en étant raccordée électriquement à l'une de ses extrémités en liaison avec la face frontale antérieure (30), et que l'électrode (50, 50 a, 50 b) est isolée électriquement du contact d'arc fixe (20) et de ladite face frontale antérieure (30) par un intervalle (54) en étant connectée d'autre part à l'extrémité opposée de la bobine (32) par un circuit de dérivation (52) disposé dans la chambre de coupure (14) à l'extérieur de la bobine 32, ladite électrode (50 a, 50 b) étant agencée pour capter une fraction du courant d'arc de manière à ce que le chamîp miagnéticue engendré par la bobine 32 dans la zone de coupure 54 reste sensiblement constant lorsque la valeur de l'intensité du courant de court-circuit dépasse un seuil prédétermnine. 2. Disjoncteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode (50, 50 a, 50 b) coiffe la face frontale antérieure (30) de la bobine (32) avec interposition dudit intervalle (54) d'isolement, et présente un rebord annulaire de captation de l'arc, autorisant le passage axial de la pièce de contact d'arc mobile (18) vers la position de fermeture, la pièce de contact d'arc fixe (20) se trouvant légèrement en retrait par rapport audit rebord de l'électrode (50). 3. Disjoncteur électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rebord annulaire de l'électrode est équipé d'une extension (50 a, 50 b) métallique de révolution, notamment cylindrique ou incurvée, faisant saillie de la pièce de contact d'arc fixe (20) en direction du premier tube (22) support de la pièce de contact d'arc mobile (18). 4. Disjoncteur électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pièce de contact d'arc fixe (20) est solidarisée à la face frontale antérieure (30) de la bobine (32), et à une douille (44) interne tubulaire en matériau ferromagnétique sur laquelle est montée la bobine (32) avec interposition d'un fourreau (45) isolant. 5. Disjoncteur électrique selon la revendication 4, dans lequel l'ensemble bobine (52) et contact d'arc fixe (20) est porté par un deuxième tube (34) support en liaison avec une borne de raccordement du pôle, caractérisé en ce que le circuit de dérivation (52) est connecté à l'opposé de l'électrode (50) à un manchon (48) conducteur, lequel est intercalé entre l'extrémité opposée de la bobine (52) et le deuxième tube (34) support disposé en alignement axial avec le premier tube (22) support du 1! contact d'arc mobile (i'i. 0. Disjoncteur electricque selon l'une des revendications i 5 caractérise en ce qu'un disaue 60) isota- est idnercaal dans ledit intervalle (54) a'enaga re - iacod50 e face frontale artrie':. u -'sjoc_--.:- -37''_';_i ec- f:>ue i l G. d re edic tis ' & :.racterise _11:.1 1 5'C!e.roe e { u a, 50 b} prxsente un. rac ea! ue de r-volution n_.i.. 2 - - -Ir!e tac retoiution iLes rr::i'es 'ar u:' s a azc ue cou u- ' Disjonrvteur iecki seeon 1. L-eendica&ion ou 2L :ara ctaris/ m e:- e eiCtroie - es C.otèe d.&u:e ie-e radiale. U iisjonct-ûur -- IO-,iue se^on laou. a' j r - -:r'cui e t-eecn 2 etu-s'!-o.1 _2 'une elecb.._6 aa: