Brevet FR2614730A1 — publié le 19881104

"Dispositif d'équilibrage thermique pour appareillage électrique polyphasé, notamment pour appareil de coupure" La présente invention concerne un dispositif d'équilibrage thermique pour appareillage électrique polyphasé. Cette invention se rapporte plus particulièrement, quoique non exclusivement, aux appareils de coupure tels que ceux destinés à la protection, du côté "basse tension", des transformateurs électriques polyphasés de distribution électrique, notamment ceux des réseaux ruraux. Dans un transformateur triphasé, la contrainte à prendre en considération pour l'exploitation du réseau est la température maximale atteinte par les bobinages. Par construction, il existe un couplage thermique entre les trois phases du transformateur. Si le transformateur est protégé par un disjoncteur classique, la coupure du circuit électrique est commandée dès que le courant électrique passant par une phase quelconque atteint une valeur limite. Il n'est pas tenu compte de la possibilité de surcharge sur une phase, alors que les autres phases restent sous une charge inférieure à la normale. Le transformateur se trouve ainsi "sur-protégé", le déclenchement du disjoncteur pouvant se produire dans des situations où il n'apparaît pas nécessaire. Pour éviter cet inconvénient, on a récemment mis au point des disjoncteurs pourvus de déclencheurs reproduisant une "image thermique" du transformateur - voir les brevets français 2 214 959 et 2 432 211 au nom de la Demanderesse. Ces disjoncteurs permettent de ternir compte des déséquilibres entre phases, en ne provoquant le déclenchement qu'à partir du moment où ia température maximale atteinte par les bobinages présente réellement un risque. Le transformateur peut donc accepter temporairement une surcharge sur une phase, lorsque les deux autres phases ont une charge inférieure à la normale. Les problèmes thermiques sont, dans ce cas, reportés sur les appareils de coupure qui sont soumis à des déséquilibres de courants entre phases avec échauffement supplémentaire de la phase la plus chargée et augmentation de la température du point le plus chaud de l'appareil de coupure. Les solutions ordinairement employées pour limiter l'échauffement des appareils de coupure sont les suivantes - Une première solution consiste à augmenter les sections des barres conductrices ; cette solution est coûteuse puisqu'elle implique une quantité plus importante de matériau conducteur tel que cuivre. - Il est aussi possible d'améliorer les contacts, par un revêtement approprié (utilisation de cuivre étamé ou argenté) ou en rapportant des pastilles adaptées aux coupures et aux échauffements. Cette deuxième solution concerne seulement des dispositions très localisées, donc limitées dans leurs effets. - Une troisième solution connue consiste à créer une circulation d'air à travers le disjoncteur, en prévoyant des ouvertures. L'aération du disjoncteur amène une accélération du processus de corrosion, si bien que le recours à cette dernière solution est déconseillé. La présente invention évite les inconvénients de toutes les solutions rappelées ci-dessus, en fournissant une nouvelle solution particulièrement économique et performante. A cet effet, I'invention a essentiellement pour objet un dispositif d'équilibrage thermique pour appareillage électrique polyphasé, notamment pour appareil de coupure, ce dispositif comprenant, entre les différentes phases, au moins un élément de couplage thermique, apte à assurer par conduction thermique, en cas de déséquilibre entre phases, un transfert de chaleur depuis la phase la plus chargée vers les autres phases, tout en conservant l'isolation électrique entre les phases. Ainsi, la solution proposée par la présente invention utilise la masse métallique des phases sous-chargées pour refroidir la phase la plus chargée, ceci au moyen d'un élément réalisant tin couplage thermique entre les phases. En cas de déséquilibre, la chaleur dégagée dans une phase surchargée est rapidement évacuée vers les autres phases, par conduction de cette chaleur dans l'élément de couplage thermique, toute la surface des conducteurs des phases étant finalement mise à profit pour refroidir, par convection, la phase la plus chargée. Le dispositif d'équilibrage thermique, objet de l'invention, évite ainsi l'apparition de points chauds qui seraient incompatibles avec la tenue thermique et mécanique des matériaux utilisés, et il supprime les problèmes habituellement rencontrés tels que : ramollissement des matériaux, augmentation de la résistance de contact, vieillissement prématuré de l'appareil de coupure. Le dispositif proposé n'ir,,ervier.t pas en cas c ncLinnenle,lt équilibré, mais il ne se pose, dans ce cas, aucun problème thermique. Par contre, en cas de déséquilibre, ce dispositif de par son principe est d'autant plus efficace que le déséquilibre est important ; en effet, le transfert de température depuis la phase la plus chaude vers la phase la plus froide est d'autant plus rapide que l'écart de température est grand entre cette phase et les autres phases. L'amélioration de l'équilibre thermique, obtenue par le dispositif objet de l'invention, permet d'élargir vers le haut les gammes de puissance des appareils de coupure existants, tels que disjoncteurs, sans modifier la conception ou les dimensions de ces appareils. Dans une forme de réalisation de l'invention, I'élément de couplage thermique est constitué par une barre métallique, disposée transversalement aux différentes phases et serrée contre toutes ces phases avec interposition d'un matériau isolant électriquement mais bon conducteur thermiquement. La barre métallique peut être enveloppée entièrement par le matériau isolant électriquement mais bon conducteur thermiquement, qui assure l'isolation électrique entre toutes les phases. Il est à noter que ce matériau assure une double isolation électrique entre deux quelconques des phases puisque sur le trajet passant d'une phase à une. autre phase on rencontre nécessairement deux épaisseurs dudit matériau. Le dispositif, réalisé comme il vient d'être indiqué, est d'une conception très simple et entièrement statique, et il ne nécessite aucun entretien, ce qui le rend particulièrement fiable et économique. De plus, ce dispositif nécessite pour sa mise en place un volume très réduit ce qui permet de l'ajouter dans de nombreux appareils existants, en le fixant à l'emplacement où le problème thermique est le plus critique, notamment à proximité de connexions ou de contacts soumis à l'action de ressorts ; le dispositif est alors particulièrement performant. Ainsi, dans le cas où l'invention est appliquée à un appareil de coupure polyphasé, tel que disjoncteur, I'élément de couplage thermique est avantageusement mis en place au niveau des contacts fixes et mobiles de cet appareil, qui réalisent la continuité du circuit électrique ou la coupure. Plus précisément, I'élément de couplage thermique peut être appliqué contre les contacts fixes de toutes les phases, y compris le neutre. Dans une forme de réalisation particulière, I'élément de couplage thermique, en forme de barre, est inséré dans des encoches de plots isolants servant à la fixation des contacts fixes, et il est maintenu serré contre ces -contacts fixes par le serrage de vis prévues pour la fixation desdits contacts. Cette construction est très simple puisqu'elle ne nécessite aucun organe supplémentaire, pour la fixation de l'élément de couplage thermique, tout en assurant un serrage énergique de cet élément contre les contacts fixes de toutes les phases. Bien entendu, on peut recourir aussi à d'autres moyens pour le maintien en place de l'élément de couplage thermique, pourvu que ces moyens ne compromettent pas l'isolation électrique entre les phases. De toute façon, I'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de ce dispositif d'équilibrage thermique pour appareillage électrique polyphasé, appliquée à un appareil de coupure Figure 1 est une vue de face d'un disjoncteur, supposé ouvert, équipé du dispositif objet de l'invention Figure 2 est une vue de côté du disjoncteur de figure I Figure 3 montre un détail de ce disjoncteur, en coupe et à échelle agrandie. Dans l'exemple représenté au dessin et décrit ci-après l'appareil de coupure est un disjoncteur pour réseau de distribution triphasé, associé à un transformateur non représenté, les organes de l'appareil étant contenus dans une cuve I fermée par un couvercle 2. Le circuit électrique traversant l'appareil se compose des trois phases proprement dites 1,11 et ilI et du neutre N (voir figure 1), désignés globalement par "les phases". Ce circuit électrique comprend des raccordements amont 3, auxquels sont raccordés des contacts supérieurs fixes 4 qui coopèrent avec des contacts mobiles 5 et auxquels sont associées des chambres de coupure 6. Les contacts fixes 4 et les contacts mobiles 5 portent des pastilles en argent 7 respectives, venant en appui les unes sur les autres dans la position de fermeture du circuit électrique. Les contacts mobiles 5 sont reliés à des raccordements aval 8 par l'intermédiaire de barres conductrices 9 et 10. Un bloc déclencheur 11, placé au niveau des barres conductrices 9, reproduit une "image thermique" du transformateur et commande le déclenchement du disjoncteur, c'est-à-dire la manoeuvre rapide de contacts mobiles 5 dans le sens de l'ouverture, lorsque la température du point le plus chaud du transformateur atteint une valeur limite prédéterminée, à ne pas dépasser pour preserser le transformateur.Le fonctionnement du bloc déclencheur 11 est tel qufil admet temporairement un fonctionnement déséquilibré, avec par exemple dans la phase Il un courant d'intensité double de celle des courants circulant dans les phases adjacentes I et III, auquel cas il circule aussi, dans le neutre N, un courant de niveau semblable à ceux des phases I et 111. Dans ce genre de situation, les conditions thermiques rencontrées sont les- plus difficiles lorsque les intensités des courants correspondent à des temps de déclenchement longs (I heure par exemple) : la phase la plus chargée, telle que la phase II en reprenant l'exemple précédent, s'échauffe alors de manière importante. Selon l'invention, cet échauffement de la phase la plus chargée est limité par un élément de couplage thermique, désigné dans son ensemble par 12, et constitué par une barre de cuivre 13 enveloppée d'un matériau polymérique 14. La barre de cuivre 13, bonne conductrice de la chaleur, est mise en place transversalement aux différentes phases, au niveau des contacts fixes 4. Cette barre 13 possède une section de forme générale rectangulaire, avec des angles arrondis ; elle est appliquée contre une face de tous les contacts fixes 4 par l'intermédiaire du matériau polymérique 14, isolant électriquement mais bon conducteur thermiquement. Comme le montre plus particulièrement la figure 3, I'élément de couplage thermique 12, constitué comme indiqué précédemment, est inséré dans des encoches 15 des plots isolants 16 de la cuve 1 servant de façon connue à la fixation des contacts fixes 4, et cet élément de couplage thermique 12 est maintenu serré contre les quatre contacts fixes 4 par les serrage des vis 17 habituellement prévues pour la fixation desdits contacts 4. L'élément de couplage thermique 12 réalise un transfert de chaleur depuis la phase la plus chargée, soit la phase II dans l'exemple considéré, vers les deux autres phases I et III ainsi que vers le neutre N. L'excédent de chaleur dégagé dans la phase Il est ainsi transféré vers les autres phases, et l'ensemble des conducteurs est finalement refroidi par la convection naturelle à l'intérieur de la cuve 1. II va de soi que l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de ce dispositif d'équilibrage thermique qui a été décrite ci-dessus, à titre d'exemple ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. Ainsi, I'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention en modifiant la forme ou la position de l'élément de couplage thermique, ou en utilisant d'autres matériaux appropriés pour la réalisation de cet élément. Le système proposé n'est nullement limité aux disjoncteurs triphasés, mais il peut concerner tous les appareils de coupure polyphasés pour réseaux électriques basse tension soumis à des régimes de courants déséquilibrés, qu'il s'agisse de disjoncteurs, d'interrupteurs, de contacteurs ou de sectionneurs, et ceci quel que soit le nombre des phases. L'invention s'applique aussi à tout appareillage électrique polyphasé autre que les appareils de coupure, mais soumis à des régimes de courants déséquilibrés et comprenant des connexions à réaliser dans un volume réduit, tel que : tableaux de distribution, armoires de branchement, enveloppes de branchement pour réseaux souterrains, etc. REVENDICATIONS I. Dispositif d'équilibrage thermique pour appareillage électrique polyphasé, notamment pour appareil de coupure, caractérisé en ce qu'il comprend, entre les différentes phases (I,II,III,N), au moins un élément de couplage thermique (12), apte à assurer par conduction thermique, en cas de déséquilibre entre phases, un transfert de chaleur depuis la phase la plus chargée vers les autres phases, tout en conservant l'isolation électrique entre phases. 2. Dispositif d'équilibrage thermique pour appareillage électrique polyphasé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de couplage thermique (12) est constitué par une barre métallique (13), disposée transversalement aux différentes phases (I,II,III,N) et serrée contre toutes ces phases avec interposition d'un matériau (14) isolant électriquement mais bon conducteur thermiquement. 3. Dispositif d'équilibrage thermique pour appareillage électrique polyphasé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la barre métallique (13) de l'élément de couplage thermique (12) est enveloppée entièrement par le matériau (14) isolant électriquement mais bon conducteur thermiquement. 4. Dispositif d'équilibrage thermique pour appareillage électrique polyphasé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la barre métallique (13) de l'élément de couplage thermique (12) est une barre de cuivre. 5. Dispositif d'équilibrage thermique pour appareillage électrique polyphasé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le matériau (14) isolant électriquement mais bon conducteur thermiquement, interposé entre la barre métallique (13) et les différentes phases (I,II,III,N), est un matériau polymérique. 6. Dispositif d'équilibrage thermique pour appareillage électrique polyphasé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, appliqué à un appareil de coupure polyphasé tel que disjoncteur, caractérisé en ce que l'élément de couplage thermique (12) est mis en place au niveau des contacts fixes et mobiles (4,5) de cet appareils, qui réalisent la continuité du circuit électrique ou la coupure. 7. Dispositif d'équilibrage thermique pour appareil de coupure polyphasé, selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément de couplage thermique (12) est appliqué contre les contacts fixes (4) de toutes les phases, y compris le neutre (1, II, 111, N). 8. Dispositif d'équilibrage thermique pour appareil de coupure polyphasé, selon l'ensemble des revendications 2 et 7, caractérisé en ce que l'élément de couplage thermique (12), en forme de barre, est inséré dans ces encoches (15) de plots isolants (16) servant à la fixation des contacts fixes (4), et est maintenu serré contre ces contacts fixes (4) par le serrage de vis (17) prévues pour la fixation desdits contacts (4).