Brevet FR2599187A1 — publié le 19871127

DISJONCTEUR ELECTRIQUE A ISOLEMENT GAZEUX ET A BOBINE DE SOUFFLAGE ELECTROMAGNETIQUE POUR LA ROTATION DE L'ARC L'invention est relative à un disjoncteur électrique ayant un dispositif d'extinction d'arc à soufflage magnétique logé dans une enveloppe étanche remplie d'un gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment de l'hexafluorure de soufre, et comprenant - une paire de contacts séparables, dont l'élément de contact mobile est monté à coulissement dans la direction axiale de l'enveloppe, - une bobine électromagnétique de soufflage entourantcoaxialement au moins un des contacts, en étant parcourue par le courant à interrompre, de manière à engendrer un champ magnétique dans la zone de formation et d'extension de l'arc, et imposer une rotation de l'arc tiré entre lesdits contacts lors de la séparation de ces derniers, - et des moyens de déphasage coopérant avec la bobine pour conserver un champ magnétique suffisant au passage à zéro du courant alternatif. Un disjoncteur connu du genre mentionné est décrit dans le brevet français NO 2 441 261 de la demanderesse. Le principe de soufflage magnétique d'un tel disjoncteur à arc tournant est représenté schématiquement sur la figure 1. Le dispositif d'extinction 10 d'arc est logé dans une enveloppe (non représentée) étanche remplie de gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment du SF 6, et comporte une paire de contacts 12, 14, séparables montés en alignement axial à l'intérieur de l'enveloppe. Le contact fixe 12 est entouré coaxialement par une bobine 16 électromagnétique de forme tubulaire, susceptible d'engendrer un champ magnétique B dans la zone 18 de formation et d'extension de l'arc 20 tiré entre les contacts 12, 14, lors de leur séparation.En position de fermeture, le contact mobile 14 coulissant se trouve en aboutement avec le contact fixe 12, à l'intérieur de la bobine 16, logée dans une carcasse 22 métallique ferromagnétique. L'extrémité postérieure de la bobine 16 est reliée électriquement au contact fixe 12 par l'intermédiaire de la carcasse 22, tandis que l'extrémité opposée antérieure est soudée à une électrode 24 annulaire faisant saillie du bord interne de la face frontale 26 annulaire de la bobine 16. L'électrode 24 comporte un orifice axial de passage du contact mobile 14 coulissant, et est réalisée en un matériau bon conducteur résistant à l'action de l'arc 20. L'électrode 24 est couplée étroitement à la bobine 16 de soufflage, et constitue à la fois un anneau en court-circuit de déphasage permettant une conservation du champ magnétique au passage du courant alternatif par zéro, et une piste de migration de l'arc tournant. Le fonctionnement du dispositif d'extinction 10 d'arc est le suivant - l'ouverture du disjoncteur s'opère par coulissement vers la gauche du contact mobile 1 4 (voir flèche F, figure 1), accouplé mécaniquement à un dispositif de commande (non représenté). L'arc initial tiré entre les deux contacts 12, 14, commute rapidement sur l'électrode 24 en mettant en circuit la bobine 16. Le champ magnétique engendré par le passage du courant d'excitation dans la bobine 1 6 provoque la rotation de l'arc dans la zone 18. L'électrode 24 constitue une piste de migration de faible largeur de la racine d'arc, et positionne la zone 18 de formation d'arc au centre de l'enveloppe. Le courant d'excitation de la bobine. 16 correspond au courant à interrompre, et il est indispensable que l'induction magnétique B ne soit pas nulle à l'instant du passage par zéro du courant qui est favorable à l'extinction de l'arc. A cet effet, l'électrode 24 accolée à la bobine 16 constitue une spire en court-circuit qui est le siège d'un courant induit déphasé par rapport au courant dans la bobine 16, et procurant ainsi un champ magnétique auxiliaire déphasé non nul lors du zéro de courant.On remarque sur le tracé de la figure 3, que les lignes du champ magnétique B se centrent sur llélectrode 24 au passage à zéro du courant, alors qu'elles se trouvent centrées sur la bobine 16 (figure 2), lorsque le courant est au voisinage de la valeur crete. La présence de l'électrode 24 sur le bord interne de la face frontale de la bobine 16 permet de conserver un champ magnétique de soufflage de l'arc à un moment favorable à l'extinction de l'arc, en ltoccurrence au passage à zéro du courant, mais dans la zone d'arc 18, ce champ varie par déformation temporelle et spatiale des lignes de champ. Cette variation du champ influence le mouvement de rotation de l'arc, et peut perturber le phénomene d'extinction de l'arc. Les performances de coupure d'un tel disjoncteur à arc tournant sont limitées. L'objet de l'invention consiste à réaliser un disjoncteur à arc tournant et à bobine de soufflage, susceptible d'engendrer un champ magnétique sensiblement uniforme dans la zone dlarc, indépendemment de l'instant de la phase du courant alternatif à interrompre. Le disjoncteur selon l'invention est caractérisé en ce que les moyens de déphasage du dispositif d'extinction d'arc comportent au moins un anneau en court-circuit réalisé en un matériau ayant une bonne conductivité électrique, ledit anneau étant positionné le long de la direction axiale de l'enveloppe, entre le contact fixe et la face frontale postérieure de la bobine, de manière à éviter toute déformation spatiale du champ magnétique dans la zone d'arc, durant la phase d'extinction. Le contact fixe est solidarisé avantageusement au bord interne d'une bague accolée à la face frontale antérieure de la bobine. La bague métallique est soit fendue, soit réalisée en un matériau ayant une résistivité électrique supérieure à celle de l'anneau en court-circuit. Ce dernier procure une fonction de déphasage entre le champ et le courant, alors que la bague sert de piste de migration d'arc. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la bobine est encadrée axialement par une paire d'anneaux conformée en entretoises ayant sensiblement le même diamètre que les spires conductrices de la bobine, l'une des entretoises étant intercalée entre le contact fixe et la face frontale antérieure de la bobine. Selon un deuxième mode de réalisation, l'anneau en court-circuit est disposé dans la partie médiane de la bobine, de manière à assurer le centrage permanent du champ magnétique sur ladite partie médiane, et une direction constante des lignes de force dans la zone d'arc. Selon un troisième mode de réalisation, les moyens de déphasage comportent une succession d'anneaux en court-circuit imbriqués dans les spires élémentaires de la bobine. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de différents modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un disjoncteur de l'art antérieur, utilisant un soufflage magnétique par rotation de l'arc - les figures 2 et 3 montrent les tracés du champ magnétique engendré par la bobine du disjoncteur selon la figure 1, respectivement pour une valeur crête et au passage à zéro du courant alternatif ; - la figure 4 représente une vue en coupe axiale du dispositif d'extinction d'arc selon l'invention, le dis,j oncteur étant illustré en position de fermeture sur la demi-vue supérieure, et en position de coupure sur la demi-vue inférieure ; ; - les figures 5 et 6 sont des vues identiques à celles des figures 2 et 3, pour le disjoncteur de la figure 4 - les figures 7 et 8 montrent des vues identiques à la figure 4 de deux variantes de réalisation. Sur la figure 4, 'les mêmes numéros de repères seront utilisés pour désigner des pièces identiques ou similaires à celles du disjoncteur selon la figure 1. Le dispositif d'extinction 30 d'arc est logé dans un compartiment 32 de coupure d'un disjoncteur à autoexpansion isolé au gaz SF 6. Le compartiment 32 de coupure est délimité par des parois 34, 36, 38, isolantes et communique avec un compartiment d'expansion (non représenté) par l'intermédiaire des contacts 12, 14, creux constituant des voies d'échappement du gaz comprimé dans le compartiment 32 de coupure par l'échauffement de l'arc. Le contact fixe 12 annulaire est fixé par soudage sur le bord interne d'une bague 40 métallique frontale, et est en liaison électrique avec un tube support 42 fixe par l'intermédiaire de la bobine 16 et d'un organe de connexion 44 en matériau conducteur.La bobine 16 tubulaire est formée par un empilage de spires conductrices, du type décrit dans le brevet français nO 2 464 550, et est agencée coaxialement autour d'un fourreAu 46 ferromagnétique avec interposition d'une douille 48 isolante. Le fourreau 46 est destiné à renforcer le champ magnétique engendré par les courants de faibles intensités, et s'étend entre le contact fixe 12 et l'organe de connexion 44. Selon l'invention, la bobine 16 de soufflage est encadrée axialement par une paire d'entretoises 50, 52, en matériau de bonne conductivité électrique, par exemple en cuivre ou alliage de cuivre constituant des spires en court-circuit de déphasage ayant le même diamètre que la bobine 16. La première entretoise 50 est intercalée entre la bague 40 frontale et l'une des faces de la bobine16, tandis que la deuxième entretoise est insérée entre la face opposée de la bobine 16 et l'organe de connexion 44. Des moyens de serrage 54 assurent l'assemblage axial des différents éléments (40, 50, 16, 52, 44), de manière à former un sous ensemble fixe porté par le tube support 42.La bague 40 frontale est réalisée en un matériau métallique ayant une résistivité électrique supérieure à celle des entretoises 50, 52, de manière à éviter la formation de courants induits dans la bague 40. La bague 40 frontale peut également être constituée par une rondelle métallique fendue. Le tracé des lignes du champ magnétique engendré dans le disjoncteur de la figure 4, montre que le champ reste centré sur la bobine 16, lorsque le courant se trouve à la valeur crête (figure 5), et est légèrement décalé axialement vers les entretoises 50, 52, (figure 6) au passage à zéro du courant. Dans la zone d'arc 18, les lignes du champ ne sont pratiquement pas déformées spatialement. La présence des deux entretoises 50, 52, de part et d'autre de la bobine 16 permet ainsi de conserver l'uniformité du champ dans la zone 18' durant la phase d'extinction de l'arc. La figure 7 montre une variante de réalisation, avec une seulc spire de déphasage formée par une entretoise 56 disposée au centre delta bobine 1 6. Le champ reste touj ours centré sur la zone médiane de la bobine 16 et sur l'entretoise 56, quel que soit l'instant de la phase du courant. Il en résulte une uniformité de la répartition du champ magnétique dans la zone d'arc 18, grâce à la direction constanté des lignes de force. Selon l'autre variante de la fiqgure 8, une pluralité d'anneaux 58 en court-circuit de déphasage sont imbriqués alternativement avec les spires 60 élémentaires conductrices de la bobine 16. La bague frontale 40 métallique de chaque dispositif des figures 4, 7 et 8 sert de piste de migration de l'arc, mais ne procure aucune fonction de déphasage entre le champ magnétique et le courant à interrompre. Les entretoises 50, 52, 56, 58, constituant les anneaux de déphasage peuvent avoir des diamètres différents de celui des spires de la bobine 16 de soufflage. La bobine 16 est excitée en permanence des la séparation des contacts 12, 14, jusqu'à la fin de la phase de coupure. Le dispositif d'extinction d'arc 30 des figures 4, 7 et 8 peut être utilsié dans les interrupteurs ou disjoncteur à arc tournant avec ou sans autoexpansion de gaz isolant. La pièce de contact fixe 12, au lieu d'être solidaire de la bague 40, pourrait être assujettie à un organe semi-fixe traversant coaxialement la bobine 16. REVENDICATIONS 1. Disjoncteur électrique ayant un dispositif d'extinction d'arc (10, 30) à soufflage magnétique, logé dans une enveloppe étanche remplie d'un gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment de l'hexafluorure de soufre, et comprenant - une paire de contacts (12, 14) séparables, dont l'élément de contact mobile (14) est monté à coulissement dans la direction axiale de l'enveloppe, - une bobine (16) électromagnétique de soufflage entourant coaxialement au moins un des contacts (12, 14) en étant parcourue par le courant à interrompre, de manière à engendrer un champ magnétique dans la zone (18) de formation et d'extension de l'arc, et imposer une rotation de l'arc tiré entre lesdits contacts, lors de la séparation de ces derniers, - et des moyens de déphasage coopérant avec la bobine 116) pour conserver un champ magnétique suffisant à un moment favorable à l'extinction de l'arc, en l'occurrence au passage à zéro du courant alternatif, caractérisé en ce que les moyens de déphasage du dispositif d'extinction d'arc (30) comportent au moins un anneau (50, 52, 56, 58) en court-circuit réalisé en un matériau ayant une bonne conductivité électrique, ledit anneau étant positionné le long de la direction axiale de l'enveloppe entre le contact fixe (12) et la face frontale postérieure de la bobine (16), de manière à eviter toute déformation spatiale du champ magnétique dans la zone d'arc (18) durant la phase d'extinction. 2. Disjoncteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contact fixe (12) est solidarisé au bord interne d'une bague 40 accolée à la face-frontale antérieure de la bobine 1 6, et que ladite bague (40) et le contact fixe (12) sont réalisés en un matériau métallique ayant une résistivité électrique supérieureàcelledel'anneau (50, 52, 56, 58) encourt-circuit. 3. Disjoncteur électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la bobine (16) est encadrée axialement par une paire d'anneaux (50, 52) conformés en entretoises ayant sensiblement le même diamètre que les spires conductrices de la bobine 16, l'une (50) des entretoises étant intercalée entre le contact fixe (12) et la face frontale antérieure de la bobine (16). 4. Disjoncteur électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'anneau (56) en court-circuit est disposé dans la partie médiane de la bobine (16), de manière à assurer le centrage permanent du champ magnétique sur ladite partie médiane, et une direction constante des lignes de force dans la zone d'arc (18). 5. Disjoncteur électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de déphasage comportent une succession d'anneaux (58) en court-circuit imbriqués dans les spires élémentaires de la bobine (16). 6. Disjoncteur électrique selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la bague (40) métallique, disposée sur la face frontale antérieure de la bobine (16) comprend une fente destinée à éviter toute formation de courants induits par l'action du champ magnétique produit par la bobine (16). 7. Disjoncteur électrique selon l'une des revendications 2 à 6, la bobine (16) comprenant un empilage de spires élémentaires isolées les unes par rapport aux autres et connectées électriquement en série, caractérisé en ce que des moyens de serrage (54) traversent la bobine (16) dans la direction axiale pour assurer l'assemblage mécanique et le raccordement électrique de la bague (40) frontale et des anneaux (50, 52, 56, 58) en court-circuit avec les spires élémentaires de la bobine (16). 8. Disjoncteur électrique à autoexpansion selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif d'extinction d'arc (30) à bobine de soufflage (16) est agencé dans un compartiment de coupure (32), susceptible de communiquer avec un compartiment d'expansion par l'intermédiaire d'au moins un contact (12, 14) creux. 9. Disjoncteur électrique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la bobine (16) est traversée par un fourreau (46) en matériau ferromagnétique destiné à renforcer le champ magnétique dans la zone d'arc (18).