Brevet FR2618018A1 — publié le 19890113

L'invention a pour objet un disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique comportant des contacts extérieurs pour les courants de service, comportant des contacts d'arc intérieurs, retardés à l'ouverture, un dispositif de soufflage de l'arc formé entre les contacts d'arc ainsi qu'un écran de protection de l'espace des contacts extérieurs. Dans les disjoncteurs de ce type, le soufflage de l'arc donne lieu lors de la coupure à un nuage de plasma ionisé. Lors de la coupure, d'importants courants de coupure se produisant à la suite de courts- circuits, ce nuage de plasma conducteur de l'électricité peut se propager de manière incontrôlée à l'intérieur du disjoncteur et être à l'origine de décharges entre les parties métalliques, ce qui peut endommager les surfaces fragiles, par exemple des contacts graissés. Ce problème est particulièrement grave lorsque ce sont les surfaces argentées des contacts extérieurs destinés aux courants de service qui sont attaquées. On connaît des solutions pour surmonter ces problèmes qui consistent à donner une forme particulière à 1a buse ou à prévoir des écrans. Or, une protection de ce type des contacts destinés aux courants de service est imparfaite et présente des inconvénients à différents égards. Par le EP-00 16 983, on connaît par exemple un disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique dans lequel un écran cylindrique en matière isolante est solidaire de la buse destinée au soufflage de l'arc, et coulisse de manière étanche au gaz dans un deuxième cylindre fixe -formant écran. On obtient ainsi un écran total entre les contacts d'arc et les contacts des courants de service, et le plasma d'arc est maintenu totalement à l'écart des zones menacées. L'inconvénient de cette solution réside avant tout dans le fait qu'en position ouverte des contacts, le parcours du gaz entre les pièces métalliques conductrices de l'électricité, est ponté par un corps isolant solide. La surface d'un tel corps isolant est endommagée par la chaleur consécutive aux coupures de courants de court- circuit. Ceci peut donner lieu à des courants de fuite ou même à des contournements. Les autres inconvénients de cette solution résident dans la fabrication complexe du corps de buse au matériau coûteux, dans l'importante masse à déplacer d'une telle buse ainsi que dans les forces transmises sur ses éléments de fixation, et dans les problèmes posés par le guidage étanche au gaz de la buse dans le cylindre formant écran. Il semble que des exigences contradictoires s'opposent à la solution de ces problèmes. D'une part, le parcours du gaz entre les contacts ouverts, conducteurs de l'électricité, doit être exempt de parties isolantes, d'autre part l'espace des contacts d'arc doit être séparé de manière aussi étanche que possible aux gaz de l'espace des contacts qui conduisent la tension de service, lors de la coupure des courants de court-circuit. L'invention a pour but de proposer un disjoncteur à gaz comprimé autopneumatique dans lequel le libre parcours du gaz du disjoncteur ouvert ne comporte pas d'éléments isolants, mais dans lequel les contacts des courants de service soient totalement protégés du nuage de plasma qui se forme lors de la coupure des courants de court-circuit. Ce but est atteint suivant l'invention en ce qu'un cylindre formant écran sépare totalement, lors de la coupure de courts-circuits, l'espace extérieur des contacts extérieurs de l'espace des contacts d'arc intérieurs, et en ce que le cylindre formant écran se situe à l'extérieur du parcours de coupure pour toutes les autres positions du disjoncteur et opérations de coupure. Grâce à la solution suivant l'invention, les avantages des disjoncteurs qui présentent un parcours du gaz sans élément isolant sont- combinés aux avantages du disjoncteur connu par l'état de la technique. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'invention est représentée à titre d'exemple non limitatif aux dessins annexés. La figure 1 est une vue en coupe de la chambre de coupure en position enclenchée du disjoncteur; La figure 2 est une vue en coupe de la chambre de coupure en position coupée du disjoncteur; La figure 3 est une vue en coupe de la chambre de coupure pendant la coupure d'un courant de court-. circuit; et La figure 3a montre un détail d'une variante du mécanisme du cylindre formant écran. La. figure 1 montre la coupe de la chambre de coupure d'un disjoncteur de puissance qui est entourée par un isolateur 20 céramique extérieur. Les disjoncteurs à isolateurs céramiques de ce type sont généralement utilisés à l'extérieur. Cette représen- tation est donnée à titre d'exemple; il est bien entendu que la configuration suivant l'invention du parcours de coupure du disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique comportant un écran mobile, peut aussi être utilisée pour d'autres solutions de construction, par exemple dans des dispositifs de coupure à blindage métallique dans lesquels le parcours de coupure est placé dans une enceinte métallique isolée, et qui sont généralement posés dans des locaux. De même, le montage horizontal du disjoncteur n'est donné qu'à titre d'exemple; un montage vertical ou oblique est tout aussi possible.- Dans la position enclenchée du disjoncteur, représenté à la figure 1, le courant s'écoule presque exclusivement par une voie extérieure qui est formée par les éléments suivants du disjoncteur: un support 1 fixe qui est relié électriquement par un ou plusieurs contact(s) coulissant(s) 2, à la paroi extérieure d'un cylindre de pompe 3 mobile. Cette paroi est assemblée de façon fixe à un contact 4 également mobile. A l'état fermé du disjoncteur, ce contact 4 mobile est en prise avec un contact 5 fixe qui est assemblé à un boîtier 6 fixe. Un parcours de courant intérieur est formé par les éléments suivants: la paroi intérieure du cylindre de pompe 3 mobile qui est solidaire d'un contact d'arc 12 mobile. A l'état fermé du disjoncteur, le contact d'arc 12 mobile est en prise avec un contact d'arc 13 fixe. Ce contact d'arc 13 fixe est porté par un support 14 qui est assemblé au boîtier 6 fixe. A l'état fermé du disjoncteur, la proportion de courant qui passe par le parcours intérieur est très réduite en raison de l'effet pelliculaire connu. Lors de la coupure de courants de service et de courants de court-circuit, un système d'entraînement non représenté agit sur une tringle 7 et déplace vers le bas le cylindre de pompe 3 mobile en même temps que le contact 4 mobile, une buse en matière isolante 11, le contact d'arc mobile 12 et une électrode d'arc , contre un piston 8 fixe. Au cours de ce mouvement de coupure, les contacts 4 et 5 extérieurs qui conduisent de loin la plus grande partie du courant, commencent par se séparer l'un après l'autre, ce qui fait que le courant est déplacé vers le parcours intérieur, et un peu plus tard les contacts d'arc 12 et 13 intérieurs se séparent. L'arc formé entre le contact d'arc 12 mobile en U et la pointe du contact d'arc 13 fixe, commute du fait du soufflage, après un court instant, sur l'électrode d'arc 15 disposée à l'intérieur du contact d'arc 12 mobile. Ce soufflage s'effectue au moyen du piston 8 fixe et du cylindre de pompe 3 se déplaçant vers le bas, ce qui fait que le gaz isolant est comprimé dans l'enceinte de la pompe 9 et envoyé à travers les canaux 10 de la buse en matière isolante 11. La vitesse élevée d'écoulement du gaz isolant centre et refroidit l'arc, de sorte qu'il s'éteint pour les petits courants, juste après la séparation des contacts et pour les grands courants, après avoir atteint la position finale. La figure 2 représente la chambre de coupure en position coupée. On voit qu'entre les contacts 4 et 5 séparés, sous tension, ainsi qu'entre les contacts d'arc 12 et 13, se situent des parcours de gaz isolant dans lesquels les parties de la buse de matière isolante 12 ne pénètrent que légèrement. La figure 3 montre une chambre de coupure lors de la coupure d'un courant important tel qu'il se produit en cas de court-circuit. Dans la position représentée du disjoncteur, les contacts 4 et 5 extérieurs sont déjà séparés l'un de l'autre, les contacts d'arc 12 et 13 ne sont plus non plus en prise et la commutation de l'arc 16 sur l'électrode d'arc 15 a eu lieu par suite du soufflage. Dans la représentation de la figure 3, le cylindre formant écran 21 se trouve dans sa position d'écran. Le cylindre formant écran 21 qui est réalisé dans une matière isolante résistant aux hautes températures, par exemple en Téflon, est guidé dans l'espace intérieur cylindrique du boîtier 6 au moyen d'une bague de guidage 22 qui est montée dans un épaulement, à l'extrémité inférieure du boîtier 6 cylindrique. Le cylindre formant écran 21 est assemblé de façon fixe à une bague en fer doux 23, à son extrémité éloignée de la buse de matière isolante 11. A cette bague en fer doux 23 mobile fait face axialement une bague en fer doux 26 fixe, solidaire du boîtier 6 les bagues en fer doux 23, 26 peuvent être réalisées en tôles stratifiées. Un ressort de rappel 25 est monté entre l'épaulement, à l'extrémité inférieure de l'espace intérieur cylindrique du boîtier 6 fixe, et la bague en fer doux 23 mobile. La bague en fer doux 23 avec le cylindre formant écran 21, peut prendre deux positions: La première position est prise par la bague en fer doux 23 et le cylindre formant écran 21 lorsqu'aucun courant important ne traverse le parcours de courant intérieur comportant les contacts d'arc 12 et 13. Tel est le cas lorsque le disjoncteur est fermé, lorsque par suite de l'effet pelliculaire cité seuls des courants faibles passent par le parcours intérieur (figure 1). En cas de coupure de courant en service normal, le courant commuté, à la suite de l'ouverture des contacts 4 et 5 extérieurs, sur le parcours de courant intérieur, ne suffit pas non plus pour produire un champ magnétique suffisamment fort pour qu'il y ait un effet de répulsion entre les deux bagues en fer doux 25 et 26, effet qui doit suffire à les séparer à l'encontre de la force du ressort 25. La deuxième position de la bague en fer doux 23 mobile et par conséquent du cylindre formant écran 21 est prise pendant la coupure de courants qui ont l'intensité des courants de court--circuit. Pendant une coupure de ce type, le courant commute totalement du parcours extérieur de courant au parcours intérieur, au moment de la séparation des contacts extérieurs 4 et 5. Le champ électromagnétique qui se forme autour de ce parcours de courant intérieur, provoque un flux magnétique de même sens dans les bagues en fer doux 23 et 26, ce qui a pour effet de les séparer à l'encontre de la force du ressort de rappel 25. La force de répulsion magnétique est maintenue même lorsque les contacts d'arc 12 et 13 se sont séparés, mais que le courant s'écoule par l'arc 16, de l'électrode d'arc 15 au contact d'arc 13 fixe. Cette configuration a pour avantage particulier de permettre, grâce à la configuration géométrique, d'adapter avec précision les matériaux et la force du ressort de rappel 25 à -l'intensité pour laquelle le cylindre formant écran 21 doit prendre sa position d'écran. En règle générale, il s'agira des courants dont les intensités se situent dans le domaine des courants de court-circuit puisque pour ces intensités seulement il est nécessaire d'avoir un écran entre la zone extérieure des contacts et l'enceinte intérieure. La force de répulsion entre les bagues en fer doux 23 et 26 en cas de court-circuit doit être réglée de façon telle que la bague en fer doux 23 mobile avec le cylindre formant écran soit accélérée suffisamment fort pour suivre la buse de matière isolante 11 qui s'éloigne, passer sur celle-ci et heurter un tampon 27 élastique qui est disposé sur un épaulement de la buse de matière isolante 11. 2 6 18 01 8 L'espace rempli de plasma d'arc est ainsi entouré par le cylindre formant écran 21 et séparé de l'espace 19 extérieur par le gaz froid, propre. Après extinction de l'arc 16, le champ électromagnétique disparaît et la bague en fer doux 23 mobile est repoussée en position de repos par le ressort de rappel 25. D'une manière avantageuse, ce mouvement de rappel est retardé par un dispositif de freinage. Ceci est justifié par la forte surpression des gaz chauds, contenant des impuretés, qui règne dans le parcours d'extinction de l'arc ainsi que dans l'enceinte 18. Le but recherché est d'empêcher que ces gaz ionisés ne se propagent dans tout le volume du disjoncteur après la coupure. Ce retard de rappel devrait d'une manière avantageuse prendre un temps suffisant pour permettre à la surpression de disparaître à la suite du refroidissement du gaz, ou par écoulement à travers l'enceinte 18 intérieure. Cette temporisation du mouvement de rappel peut s'obtenir au moyen d'un dispositif pneumatique de freinage. Les figures 1 à 3 représentent un tel dispositif. Le dispositif pneumatique de freinage enferme un espace 32 qui est formé par le boîtier 6 fixe avec l'épaulement contenant la bague de guidage 22 et délimitant l'espace 32, ainsi que le cylindre formant écran 21 avec la bague en fer doux 23 mobile servant de délimitation mobile à l'espace 32. La partie mobile est guidée coulissante de manière étanche au gaz dans la partie fixe. L'espace 32 compris entre celles-ci s'agrandit par suite du mouvement de rappel, de sorte qu'il s'établit une dépression par rapport à l'espace 19 extérieur. De petits perçages d'aération non représentés, pratiqués dans la partie inférieure de l'espace 32, mènent à l'espace 19 extérieur et ont des dimensions telles qu'il se produit la temporisation souhaitée dans le mouvement de rappel, du fait de la lente suppression de la dépression. Au cours du mouvement de rappel, la bague en fer doux 23 mobile passe sur une autre série de perçages 30. Il se produit une aération rapide qui s'accompagne d'une accélération du mouvement de rappel. Pour ne pas gêner le déplacement du cylindre formant écran 21 dans la position d'écran, il est prévu une série de perçages 28 radiaux avec clapets de non-retour 29, dans la partie inférieure de l'espace 32. Ceux-ci assurent une purge d'air en cas de surpression et sont fermés en cas de dépression. Les variantes particulières suivantes sont encore possibles: Pour les disjoncteurs montés verticalement et obliquement, le ressort de rappel 25 doit être diminué en fonction du poids propre du cylindre formant écran 21. Dans leur plus simple mode de réalisation, les bagues en fer doux 23 et 26 sont rectangulaires. Une force de répulsion diminuant lentement pendant le déplacement peut être obtenue en donnant aux bagues en fer - doux 23 et 26 une section transversale à peu près triangulaire, les hypothénuses de ces triangles étant superposées dans la position de repos du cylindre formant écran 21. La figure 3 représente cette configuration. La forme la plus avantageuse est celle de triangle allongé de manière que lorsque les bagues en fer doux 23 et 26 sont superposées, elles forment en coupe transversale un rectangle allongé dont les diagonales sont représentées par les hypothénuses. Sur le pourtour de la buse de matière isolante 11, il est avantageusement disposé un joint d'étanchéité 31 qui assure l'étanchéité au gaz entre la buse de matière isolante 11 et le cylindre formant écran 21 dans sa position d'écran. Compte-tenu du faible frottement, il est intéressant que le joint d'étanchéité 31 soit un joint à labyrinthe. A l'extrémité inférieure de l'espace 32, on peut disposer une autre butée d!extrémité 24 élastique, afin d'empêcher que la bague en fer doux 23 mobile ne vienne heurter durement l'épaulement de l'espace intérieur cylindrique du boîtier 6 fixe. Les clapets de non-retour 29 des orifices 28 radiaux peuvent être réalisés dans une simple bague élastique en matière plastique qui est d'un coût avantageux et efficace. Le gaz chaud contenant des impuretés, évacué de l'enceinte extérieure 18 peut passer à travers un filtre avant d'être envoyé à l'espace extérieur 19. REVENDICATIONS 1. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique comportant des contacts (4, 5) extérieurs pour les courants de service, comportant des contacts d'arc (12, 13) intérieurs, retardés à l'ouverture, un dispositif de soufflage de l'arc formé entre les contacts d'arc (12, 13) ainsi qu'un écran de protection de l'espace des contacts extérieurs (4, ), caractérisé en ce qu'un cylindre formant écran (21) sépare totalement, lors de la coupure de courts- circuits, l'espace (19) extérieur des contacts extérieurs (4,5) de l'espace des contacts d'airc (12, 13) intérieurs, et en ce que le cylindre formant écran (21) se situe à l'extérieur du parcours de coupure pour toutes les autres positions du disjoncteur et opérations de coupure. 2. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cylindre formant écran (21) est monté de manière à pouvoir se déplacer à l'extérieur du parcours de coupure, et en ce que pour couper les courants de court-circuit, le cylindre formant écran (21) est amené au moyen d'un mécanisme dans une position dans - laquelle il entoure de manière concentrique le parcours d'extinction de l'arc, le ferme de manière étanche au gaz au moyen d'une buse de matière isolante (11) et forme ainsi, avec un boîtier (6) fixe, une enceinte (18) intérieure à travers laquelle le gaz chaud, contenant des impuretés, est évacué. 3. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une bague en fer doux (26) fixe et une bague en 2 6I U 8 fer doux (23) assemblée de manière mobile au cylindre formant écran (21), sont disposées concentriquement autour du parcours intérieur du courant, relié aux contacts d'arc (12, 13), en ce que le courant induit un champ magnétique dans les bagues en fer doux (23, 26), du fait de la commutation sur le parcours intérieur de courant d'un courant de court- circuit supérieur au courant de service, à la suite de l'ouverture des contacts extérieurs (4, 5), ce champ magnétique déplaçant axialement la bague en fer doux (23) mobile à l'encontre de la force d'un ressort de rappel (25), à une vitesse supérieure à celle à laquelle le contact mobile (4), le contact d'arc mobile (12) et la buse d'isolement (11) sont déplacés axialement dans leur position de coupure par le mécanisme du disjoncteur. 4. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les bagues en fer doux (23, 26) ont une section transversale à peu près triangulaire, les hypothénuses de ces triangles formant les diagonales d'un rectangle allongé lorsque les bagues en fer doux (23, 26) sont superposées dans la position reculée du cylindre formant écran (21). 5. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lors de la coupure d'un courant de court- circuit, le cylindre formant écran (21) est poussé par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité (31) disposé sur le pourtour de la buse de matière isolante (11), et est ainsi appliqué contre un tampon (27) élastique. 6. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le joint d'étanchéité (31) disposé sur la buse de -2618018 matière isolante (11) est un joint d'étanchéité à labyrinthe. 7. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le mouvement de rappel du cylindre formant écran (21) dans sa position initiale après coupure du courant de court-circuit, s'effectue sous l'action d'un ressort de rappel (25) et en ce que ce mouvement de rappel est retardé par un dispositif freinant jusqu'à ce que la surpression due à la surchauffe du gaz isolant sous l'effet de l'arc, soit supprimée. 8. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif freinant le mouvement de rappel du cylindre formant écran (21) est un dispositif de freinage pneumatique. 9. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique comportant un dispositif de freinage pneumatique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le boîtier (6) fixe cylindrique comportant à son extrémité inférieure un épaulement contenant une bague de guidage (22), forme la partie fixe du dispositif de freinage et en ce.que le cylindre formant écran (21) avec la bague en fer doux (23) mobile solidaire de celui-ci, forme la partie mobile du dispositif de freinage, la partie mobile étant guidée de manière à coulisser de façon étanche aux gaz, dans la partie fixe, et l'espace (32) situé entre elles étant agrandi du fait du mouvement de rappel et présentant ainsi une dépression par rapport à l'espace (19) extérieur, en ce que des petits perçages d'aération conduisent à la partie inférieure de l'espace (32) et ont des dimensions telles qu'il se produit le retard souhaité dans le mouvement de rappel, en ce qu'une autre série de perçages (30) assure une aération rapide dans la partie médiane de l'espace (32) après passage de la bague en fer doux (23), et en ce que dans la partie inférieure de l'espace (32), sont pratiqués des perçages (28) radiaux avec clapets de non-retour (29) qui sont ouverts en cas de surpression dans l'espace (32), mais fermés en cas de dépression. 10. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique comportant un dispositif de freinage pneumatique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les clapets de non-retour (29) sont formés par une bague élastique en matière plastique. 11. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique comportant un dispositif de freinage pneumatique selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'une deuxième butée d'extrémité (24) élastique est placée à la limite inférieure de l'espace (32). 12. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le gaz ionisé, chaud, évacué de l'enceinte (18) intérieure passe à travers un dispositif de refroidissement avant d'être envoyé à l'espace (19) extérieur. 13. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le gaz chaud, contenant des impuretés, évacué de l'enceinte intérieure (18), passe à travers un filtre, avant d'être envoyé à l'espace extérieur (19). 14. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le cylindre formant écran (21) est réalisé dans une matière isolante résistant aux hautes températures. 15. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique selon la revendication 14, caractérisé en ce que le cylindre formant écran (21) est réalisé en Teflon. 16. Disjoncteur à gaz comprimé auto-pneumatique selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que les bagues en fer doux (23, 26) sont des tôles stratifiées.