Brevet FR2647255A1 — publié le 19901123

26472S5 --1 -- Disjoncteur à haute tension à gaz diélectrique de soufflage La présente invention est relative à un disjoncteur à haute tension dans lequel un gaz à -bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexafluorure de soufre (SF6), assure l'isolation et, lors d'une manoeuvre de déclenchement, le soufflage de l'arc. Pour assurer le soufflage, le gaz est comprimé par un piston dont le mouvement relatif par rapport à un cylindre de soufflage est assuré par le mécanisme de commande du disjoncteur. Dans ce type de disjoncteur, il est fréquent de prévoir des moyens pour créer un arc secondaire qui a pour effet de chauffer le gaz d'une chambre ou volume déterminé. Cette élévation de température produit, dans le volume considéré, une augmentation de pression qui est mise à profit, soit pour produire un soufflage auxiliaire ou un second soufflage de l'arc, soit pour aider à la manoeuvre d'ouverture du disjoncteur, ce qui permet de diminuer la puissance de la commande du disjoncteur, soit pour obtenir simultanément ces deux résultats. Cette technique, si elle présente des avantages en permettant de réaliser les objectifs précités, n'en présente pas moins des inconvénients. Il est en effet toujours gênant de créer des arcs qui entraînent obligatoirement l'usure de certaines pièces qu'il faut remplacer périodiquement et qui, par ailleurs, engendrent des produits de décomposition du gaz d'isolement qui nuisent à ses qualités diélectriques. Un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur dans lequel un volume donné est soumis, au cours d'une manoeuvre de déclenchement, à un échauffement dont les effets sont utilisés pour améliorer les performances de l'appareil, sans avoir recours à la création d'un arc secondaire. 26472S5 -2 - L'invention a pour objet un disjoncteur à haute tension à gaz diélectrique comprenant des contacts principaux fixe et mobile, caractérisé en ce qu'il comprend un élément conducteur de résistance électrique élevée asujetti à être parcouru, à partir de la séparation des contacts principaux, par le courant à couper. L'invention est maintenant précisée par la description de divers modes de réalisation de l'invention, donnés à titre indicatif et nullement limitatif, en référence au dessin ci-annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue schématique en demicoupe axiale d'un disjoncteur selon un premier mode de réalisation de l'invention, représenté en position enclenchée, - la figure 2 est une vue du même disjoncteur au cours d'une manoeuvre de déclenchement, - la figure 3 est une vue schématique d'un disjoncteur selon un second mode de réalisation de l'invention, représenté en position enclenchée, - la figure 4 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'un disjoncteur selon un troisième mode de réalisation de l'invention, représenté en position enclenchée, - la figure 5 est une vue du même disjoncteur, au cours d'une manoeuvre de déclenchement, - la figure 6 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'un disjoncteur selon un- quatrième mode de réalisation de l'invention, représenté en position enclenchée, -3 - - la figure 7 est une vue du même disjoncteur, au cours d'une manoeuvre de déclenchement pour la coupure d'un courant de faible intensité, - la figure 8 est une vue du même disjoncteur, au cours d'une manoeuvre de déclenchement pour la coupure d'un courant d'intensité élevée. Dans la figure 1, la référence 1 désigne une enveloppe isolante cylindrique d'axe xx délimitant un volume 2 rempli d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexafluorure de soufre (SF6). A l'intérieur de cette enveloppe se trouve la chambre de coupure du disjoncteur qui comprend des éléments fixes et un équipage mobile. Parmi les éléments fixes, on distingue des doigts 3 disposés en tulipe et constituant le contact permanent fixe et un tube 4 d'axe xx, terminé par une extrémité 4A en matériau résistant aux effets de l'arc et constituant le contact d'arc fixe. Le contact permanent fixe est relié à une première prise de courant non représentée. La référence 5 désigne un capot pareeffluves entourant le contact permanent fixe. L'équipage mobile comprend une première pièce métallique 6 de forme sensiblement tubulaire et constituant le contact permanent mobile, et une seconde pièce tubulaire métallique 7, terminée par une pièce d'usure 7A et constituant le contact d'arc mobile. Les pièces 6 et 7 sont coaxiales d'axe xx. La pièce 6 porte une buse 8 en matériau isolant tel que le polytétrafluoroéthylène. Les pièces 6 et 7 sont réunies par une pièce annulaire isolante 9 percée de trous 10. Les pièces 6 et 7 délimitent un volume annulaire de soufflage VI fermé à son extrémité opposée à l'anneau 9 par un piston métallique fixe 11. Ce piston comprend des contacts électriques glissants 12 coopérant avec le tube 7, un joint d'étanchéité dynamique 13 au contact du tube 6 26472S55 -4 et des orifices 14 pouvant être obturés par un clapet annulaire 15. Le piston est maintenu en place par un tube 16 en matière isolante lui-même fixé à une pièce métallique 17 fixe reliée à une seconde prise de courant non représentée. Les tubes 7 et 16, et le piston 11 définissent un volume V2 fermé par une pièce annulaire 20 en matériau isolant solidaire des deux tubes précités; la pièce 20 est munie d'un orifice fermé par un clapet 21 n'autorisant le passage du gaz que de l'extérieur vers l'intérieur du volume V2. Le tube 7 est relié à une tringle de manoeuvre 23 en matériau isolant. La pièce 17 et le tube 6 sont reliés électriquement par des doigts 23 fixés par une extrémité à la pièce 17 et frottant par leur autre extrémité sur le tube 6. La pièce 17 et le piston 11 sont reliés électriquement par un élément métallique 25 de résistance électrique élevée; dans l'exemple de la figure 1, l'élément est un tube en acier au nickel-chrome, soudé à un redan 26 muni de perçages 27 de la pièce 17; en variante, l'élément est constitué par une pluralité de fils ou tiges résistants; le matériau de l'élément peut, plus généralement, être constitué par tout matériau permettant de donner à l'élément une résistance suffisante pour lui permettre de s'échauffer à une température de près d'un millier de degrés et de résister à cet échauffement. On peut citer notamment le tungstène et ses alliages ou des oxydes métalliques ou métalloidiques. Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant: - en régime normal, le courant traverse les doigts 3, le tube 6, les doigts 23 et la pièce 17. - - à l'ouverture du disjoncteur, la tringle de manoeuvre est actionnée et se déplace vers la droite de la figure 1. A la séparation des contacts principaux, le courant passe par le tube 4, le tube 7, les contacts 12, le piston 11, l'élément résistif 25 et la pièce 17. Lorsque les contacts d'arc 4 et 7 se séparent, un arc A -5- jaillit entre eux (figure 2). Si l'ouverture du disjoncteur a lieu sur défaut, l'intensité du courant traversant le disjoncteur est très élevée; il en résulte un fort échauffement de la pièce 25 qui communique au gaz qui l'environne une forte augmentation de température et, par suite, une forte augmentation de la pression dans le volume V2. Cette pression s'exerce sur la pièce 20, dont le clapet 21 est fermé, et vient aider à la manoeuvre d'ouverture du disjoncteur. Un disjoncteur réalisé selon l'invention présente plusieurs avantages par rapport aux disjoncteurs à arc secondaire: - la masse de l'équipage mobile est plus légère que celle des disjoncteurs à arc secondaire, ce qui permet de réduire l'énergie nécessaire à la manoeuvre et de diminuer ainsi le prix de revient des mécanismes de commande, - l'échauffement d'un élément résistif ne pollue pas le gaz d'isolement du disjoncteur, comme le fait un arc. Le disjoncteur conserve ainsi plus longtemps ses qualités diélectriques, ce qui permet, entre autres choses, de réduire la fréquence du remplacement des tamis moléculaires. - aucune pièce du disjoncteur n'est laissée à un potentiel flottant, comme c'est le cas dans les disjoncteurs à arc secondaire, ce qui oblige à prévoir des contacts supplémentaires qui grèvent le prix de l'appareil. Dans la variante de réalisation représentée dans la figure 3, les éléments communs à cette figure et à la figure 1 ont reçu les mêmes numéros de référence. L'élément résistif est cette fois une éponge métallique , réalisée au moyen de fils en métal de forte résistivité, à la manière d'une paille de fer ou au moyen d'un matériau poreux (métal ou oxyde fritté) ayant un important coefficient de vide. Un élément ainsi réalisé présente une importante surface d'échange avec le gaz environnant, ce qui facilite l'échauffementdu gaz. 264725S -6 - Dans la variante de réalisation représentée dans les figures 4 et 5, les éléments communs à ces figures et à la figure 1 ont reçu les mêmes numéros de référence. On retrouve les contacts fixes 3 et 4 et le capot 5, les contacts d'arc 6 et 7 réunis par la pièce 10, la tringle de manoeuvre 23, la buse de soufflage à l'extrémité du volume de soufflage Vl. Le contact permanent mobile 6 glisse à l'intérieur d'un tube fixe 31 muni d'un joint dynamique 32 et de doigts de contact électrique 33. Le 0 tube 31, qui est relié à la seconde prise du disjoncteur, présente une portion 31A de diamètre élargi permettant de contenir une éponge 35 à forte résistance électrique. Comme précédemment, l'éponge est réalisée, soit sous la forme d'une paille métallique, soit sous la forme d'un is volume poreux. Cette éponge est munie de contacts électriques glissants 36 coopérant avec le contact d'arc 7 et de contacts électriques fixes 37 assurant la liaison galvanique entre l'éponge 35 et le tube 31. Un fourreau isolant 38, disposé entre le tube 31 et l'éponge 35, oblige le courant venant des contacts 36 à traverser tout le volume de l'éponge avant d'atteindre les contacts 37. Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant: - en régime permanent, le courant traverse les doigts 3, le tube 6, les doigts 33 et le tube 31A. - à la séparation des contacts principaux, le courant passe dans les contacts d'arc 4 et 7, les contacts 36, l'éponge résistige 35, les contacts 37et le tube 31A. - à la séparation des contacts d'arc, un arc A jaillit entre eux et le courant passe alors par le contact 4, l'arc A, le tube 7, les contacts 36, l'éponge 35, les contacts 37 et le tube 31A. Lors de la coupure des courants de faible intensité (courant nominal par exemple), l'échauffement de l'éponge est négligeable et la coupure est assurée par un soufflage dû à la seule compression mécanique du volume réduit Vi, l'éponge métallique faisant simplement office de piston. -7 - Lors de la coupure des courants de forte intensité (courants de court-circuit par exemple), l'éponge s'échauffe fortement et échauffe le gaz qu'elle renferme; ce gaz monte en pression et s'échappe de l'éponge. A l'action mécanique de soufflage vient donc s'ajouter le volume de gaz expulsé de l'éponge par l'action thermique. Le disjoncteur réalisé selon les schémas des figures 4 et 5 présente une partie mobile très allégée, car on peut, par rapport aux réalisations des figures la précédentes, réduire le volume de soufflage donc le diamètre du cylindre 6 et, par suite, sa masse. Les figures 6 à 8 illustrent un mode de réalisation dans lequel la buse de soufflage est liée à la partie fixe du disjoncteur au lieu d'être solidaire de la partie mobile comme dans les réalisations des figures 1 à 5. On distingue, dans la figure 6, une enveloppe cylindrique 101 d'axe xx, en céramique, remplie de gaz d'isolement et à l'intérieur de laquelle sont placés les organes de coupure. On distingue, parmi les éléments fixes, une pièce sensiblement tubulaire 103 d'axe xx servant de contact permanent fixe et reliée à une première prise de courant non représentée, un tube 104 coaxial au tube 103, relié mécaniquement et électriquement au tube 103 et constituant un contact d'arc fixe. Au tube 103 est fixée une buse de soufflage 108 en matériau isolant. L'équipage mobile comprend des doigts de contact 106, constituant un contact mobile, fixés à une couronne 110 venue d'usinage avec un tube 107 constituant un contact d'arc mobile. Le tube 107 est prolongé par un tube métallique 107A électriquement relié à une seconde prise de courant 131 par des contacts glissants 132. Le tube 107A est mécaniquement relié à une tringle de manoeuvre 123 en matériau isolant. Une pièce 140, en matériau isolant, comprenant une partie cylindrique 140A formant cylindre et une partie annulaire 140B formant piston, est disposée à l'intérieur du tube 103 coaxialement à celui-ci. L'étanchéité entre le piston 26412 5 -8- B et le tube 103 est obtenue per un contact dynamique 141. La pièce 140 peut se déplacer à l'intérieur du tube 103 sous l'action d'un ressort 142 en butée sur une pièce 143 solidaire du tube 103. Le piston 140B comporte des ouvertures 144 fermées par un clapet unidirectionnel 145. A l'intérieur de la pièce 140 est disposée une éponge métallique 150, du type décrit précédemment; l'éponge présente une partie 150A, située à l'opposé du contact d'arc 104, en contact électrique avec le tube 103. Une gaine en matériau isolant 147 isole partiellement l'éponge 150 du tube 103, de manière à fournir au courant un trajet de longueur maximale lorsqu'il traverse l'éponge. L'éponge n'occupe pas toute la place à l'intérieur de la pièce 103 lorsque le disjoncteur est en position enclenchée (figure 6). Au contraire, elle ménage un volume V4 en communication avec la buse de soufflage par des canaux 151 pratiqués dans l'éponge. Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant: - lorsque le disjoncteur est en position enclenchée (figure 6), le ressort 142 est bandé et le volume V4 est maximum; le courant traverse le tube 103, les doigts 106, le couronne 110, le tube 107A, les contacts 132 et la prise 131. Coupure des faibles courants Il s'agit des courants d'intensité voisine de l'intensité nominale. On se référera à la figure 7. L'équipage mobile est déplacé vers la droite de la figure. A la séparation des contacts d'arc 104 et 107, un arc jaillit entre eux; ce dernier est aisément coupé par le gaz du volume V4, comprimé par le déplacement du piston 140B entrâiné par la détente du ressort 142. Coupure des forts courants Il s'agit des courants de court-circuit. On se référera à la figure 8. A la séparation des contacts d'arc, le courant traverse le tube 103,1'éponge 26 4725 ' -9- résistive 150, le contact d'arc 104, l'arc lui-même, le tube 107, le tube 107A, le contact 132 et la-prise 131. En traversant l'éponge, le courant, de très forte intensité échauffe celle-ci et expulse le gaz qu'elle contient; l'augmentation de pression a deux effets: d'une part, il empêche le déplacement du piston 140B malgré l'action du ressort; d'autre part, il produit un soufflage énergique de l'arc à travers la buse 108. Ce soufflage dû à une action purement thermique, est complété par l'action mécanique ultérieure produite par la détente du ressort. L'invention s'applique aux disjoncteurs à haute tension (supérieure à 45kV) et à moyenne tension (comprise entre 2 et 45 kV). L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés ci-dessus car son application est tout à fait générale. 26 47 *S 5 -10 - REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur à haute ou moyenne tension à gaz diélectrique comprenant des contacts principaux fixe et mobile, caractérisé par le fait qu'il comprend un élément conducteur de résistance électrique élevée (25, 30, 35, ) asujetti à être parcouru, à partir de la séparation des contacts principaux, par le courant à couper. 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément est réalisé selon un tube. 3/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément est réalisé au moyen d'une pluralité de tiges. 3/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu ledit élément est réalisé au moyen d'une pluralité de fils. 4/ Disjoncteur selon la revendication 3, caractérisé-en ce que les fils sont arrangés à la manière d'une paille de fer. / Disjoncteur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le matériau desdits fils est choisi. parmi les aciers au nickel-chrome, le tungstène et ses alliages, les oxydes métalliques et les oxydes métalloïdiques. 6/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément est réalisé sous la forme d'un volume poreux. 2&47255 -11 - 7/ Disjoncteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau dudit élément est un oxyde fritté. 8/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit élément (25, 30) est placé dans un volume (V2) dans lequel l'augmentation de pression due au passage du courant dans l'élément est utilisé pour apporter une énergie supplémentaire à- la manoeuvre de déclenchement. 9/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit élément (35, 150) est placé dans un volume (Vl, V4) dans lequel l'augmentation de température provoque une montée en pression du gaz contenu dans ledit élément et l'expulsion de ce gaz qui participe à l'opération de coupure.