Brevet FR2641409A1 — publié le 19900706

-1- Disjoncteur à haute et moyenne tension à gaz de soufflage La présente invention concerne un disjoncteur à haute tension du type à gaz diélectrique, tel que l'hexafluorure de soufre, sous une pression de quelques bars. L'invention vise plus particulièrement un disjoncteur du type précité dans lequel l'augmentation de pression due, au moment du déclenchement, à l'apparition d'un arc électrique entre les contacts d'arc, est mise à profit pour exercer un effort moteur sur l'équipage mobile; cette disposition, connue par exemple par le brevet français 85 00610 déposé le 16 janvier 1985 et publié le 18 juillet 1986 sous le n 2 576 142, permet d'assurer la coupure de l'arc sans nécessiter l'emploi d'un dispositif de manoeuvre de puissance trop importante. Dans ces disjoncteurs dits à faible énergie de manoeuvre, l'augmentation de pression qui nalt au voisinage de l'arc se propage jusqu'à un piston lié à l'équipage mobile. La facilité et la rapidité avec lesquelles se propage la pression dépendent d'une part des obstables mis au passage du gaz entre la zone d'arc et le piston, d'autre part à l'évolution du gradient de pression entre la zone d'arc et la face du piston. Dans les dispositifs connus, la gaz se propage dans des conduits annulaires dont la section étroite n'est pas favorable à un écoulement rapide; par ailleurs, le gradient de pression entre la zone d'arc et la face du piston diminue très vite, de sorte que l'action mécanique du gaz est très vite ralentie après l'apparition de l'arc. Un but de l'invention est de réaliser un disjoncteur dans lequel la pression est rapidement transmise au piston lié à l'organe de manoeuvre et dans lequel l'écoulement du gaz depuis la zone d'arc s'effectue rapidement et sans perturbation. L'invention a pour objet un disjoncteur à haute tension à gaz de soufflage, comprenant une enveloppe isolante cylindrique remplie de gaz diélectrique sous pression, un contact principal fixe, un contact d'arc fixe et un équipage mobile relié à un organe de manoeuvre comprenant un contact principal mobile, un -2- contact d'arc mobile et un cylindre de soufflage associé à une buse de soufflage et coopérant avec un premier piston, caractérisé ce qu'il comprend un second piston, de diamètre grand vis-à-vis du diamètre du cylindre du soufflage, solidaire de l'équipage mobile et coulissant dans un second cylindre fixe, ledit second piston étant associé à des moyens de mise en communication à faibles pertes de charge avec la zone d'arc, ledit second piston étant percé d'orifices calibrés pour limiter la pression sur la face dudit piston recevant les gaz chauffés par l'arc. Dans un mode préféré de réalisation le contact d'arc est constitué par une première extrémité d'un tube métallique coaxial au disjoncteur, la seconde extrémité dudit tube étant reliée audit organe de manoeuvre, ledit second piston est un piston annulaire extérieur audit tube et solidaire de celui-ci, lesdits moyens de mise en communication à faibles pertes de charge étant constitués par ledit tube percé de larges ouvertures à sa périphérie, l'intérieur dudit tube étant fermé sensiblement au droit dudit piston par une piece. L'invention est expliquée maintenant en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue partielle en demi-coupe axiale d'un disjoncteur selon l'invention, représenté en position fermé, - la figure 2 est une vue partielle en demi-coupe axiale du même disjoncteur, représenté en cours d'ouverture (déclenchement), - la figure 3 est une vue partielle en demi-coupe axiale du même disjoncteur, en cours de fermeture (enclenchement). Le disjoncteur représenté en vue partielle dans la figure 1, comporte une enveloppe 1, en matériau isolant tel que la céramique, de forme générale cylindrique d'axe XX et délimitant un volume intérieur Vo rempli de gaz diélectrique tel que l'hexafluorure de soufre, sous une pression de quelques bars. Le disjoncteur comprend un contact principal fixe 2 relié à une première prise de courant non représentée, et un contact d'arc fixe 3, ayant une extrémité 3A réalisé en alliage résistant aux effets de l'arc, tel qu'un alliage de tungstène. -3 L'équipage mobile du disjoncteur comprend un tube 4, dont une extrémité 4A, en alliage résistant à l'arc, constitue le contact d'arc mobile. Le tube 4 est relié, à son autre extrémité 4B, à un dispositif de manoeuvre non représenté. Le tube 4 est solidaire d'un tube 5 dont une extrémité 5A constitue le contact principal mobile du disjoncteur. A l'extrémité 5A est fixée une buse isolante 6 dont le col est obstrué par le contact d'arc 4 lorsque le disjoncteur est en position fermée. Des trous 7 sont pratiqués dans la couronne reliant les tubes 4 et 5 de telle sorte que ces tubes définissent un seul et même volume V1, fermé d'un côté par la buse 6. Le tube 5 est guidé par une première partie tubulaire 8A d'une pièce métallique fixe 8 ayant une seconde partie tubulaire 8B de diamètre bien supérieur à celui de la partie 8A. La pièce 8 est reliée à une seconde prise de courant non représentée. Le tube 5 porte un contact électrique glissant 5C coopérant avec le tube 8A. En position enclenchée du disjoncteur le courant circule par les pièces 2, 5, 8. Un joint 9 assure l'étanchéité entre tube 5 et tube 8A. La liaison entre les tubes 8A et 8B se fait par une portion massive de la pièce 8 dans laquelle sont pratiquées des ouvertures en forme de cheminées radiales 10. Ces cheminées sont normalement fermées par un coulisseau 11 dont une extrémité annulaire 11A coopère avec un joint circulaire 8C à la base des cheminées. L'extrémité 11A sert également à limiter la course du coulisseau en venant en butée sur la base des cheminées à l'opposé du joint 8C. Le coulisseau 11A a la forme générale d'un tube; il est solidaire d'une portion tubulaire 11B pouvant glisser sur le tube 4 qui lui sert de guide. Une étanchéité est assurée par un joint 12. Le coulisseau 11 est également guidé par la pièce fixe 8A qui présente un bossage 8D approprié. -4 - L'espace annulaire entre les tubes 11 et 11B peut être fermé par un clapet annulaire 13 dont la course est limitée par un ressaut 11C de la pièce 11B. Le tube 5, qui constitue le cylindre de soufflage du disjonc- teur, est solidaire d'un piston 14 placé à l'intérieur du tube 8B et pouvant coulisser dans ce tube de manière étanche grâce à un joint 14D. Le piston 15 délimite avec les tubes 8A et 8B un volume V2. Le piston possède des ouvertures 14A pouvant être fermées par un clapet annulaire 16, dont la course est limité par un ressaut 14B. Selon une caractéristique fondamentale de l'invention, le diamètre du piston est grand vis-à-vis du diamètre du cylindre de soufflage, par exemple le rapport des diamètres est au moins égal à 2. Le piston 14 possède également des ouvertures calibrées 14C dont le rôle sera expliqué plus loin. Le tube 4 est percé de très larges ouvertures 15 sur sa surface en communication par de vastes passages le volume V2 avec le volume V3 intérieur au tube 5. On note que le volume V3 est fermé, c8té organe de manoeuvre par un disque 17 solidaire du tube 4. Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant: 1) Coupure des courants de forte intensité (courts-circuits) A la détection du court-circuit, le dispositif de manoeuvre du disjoncteur entraîne l'équipage mobile (tubes 4 et 5, buse 6, piston 14) vers la droite de la figure. Les contacts principaux se séparent et le courant traverse alors les contacts d'arc 3 et 4. A la séparation des contacts d'arc, un arc 20 (fig.2) se forme; il échauffe fortement le gaz environnant et la pression croît fortement. Le volume V1 se ferme par application du clapet 13. Le gaz chaud s'échappe par le volume V3 entourant l'axe et passe par les ouvertures 15 dans le volume V2. La surface du piston étant très grande, la force exercée sur ce dernier, qui aide à la manoeuvre d'ouverture est importante. L'écoulement du gaz chaud provenant de la zone d'arc est facilité: a) par les grandes ouvertures 15 qui réduisent à néant les pertes de charge b) par les orifices calibrés 14C qui limitent la valeur de la pression dans le volume V2, assurant ainsi un gradient de pression entre la zone d'arc et la zone du piston 14. La pression régnant dans le volume V1 produit au premier passage par zéro du courant une détente de gaz à travers la buse 6, qui produit l'extinction de l'arc. 2) Coupure des courants de faible intensité (courant nominal, courants capacitifs ou faibles courants inductifs) A la séparation des contacts d'arc, l'augmentation de pression due à l'arc est insuffisante pour plaquer le clapet 16 sur son siège. Celui-ci reste ouvert, ce qui évite, dans le volume V2, toute dépression qui viendrait freiner l'équipage mobile. La pression dans le volume V1 est suffisante pour plaquer le clapet 13 contre son siège; la détente du volume VI au passage par zéro du courant suffit à couper l'arc. 3) Fermeture du disjoncteur (enclenchement) On se référera à la figure 3. L'organe de manoeuvre déplace l'équipage mobile vers la droite de la figure. Une légère surpression dans le volume V2 provoque d'une part la fermeture du clapet 16, et d'autre part, combinée à une légère dépression dans le volume VI, provoque un déplacement vers la gauche du coulisseau 1. Ce dernier dégage la base des cheminées 10, ce qui permet au gaz du volume V2 de s'échapper vers le volume Vo et d'éviter une perte d'énergie par compression de gaz. --6- Le clapet 13 s'ouvre, ce qui permet un remplissage du volume V1 sans nécessiter d'effet particulier en raison d'une dépression importante dans le volume Vl. Le disjoncteur qui vient d'être décrit présente une énergie de manoeuvre très réduite par rapport aux disjoncteurs de l'art antérieur L'invention s'applique aux disjoncteurs à haute et moyenne tension. -7- REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur à haute et moyenne tension à gaz de soufflage, comprenant une enveloppe isolante cylindrique remplie de gaz diélectrique sous pression, un contact principal fixe (2), un contact d'are fixe (3) et un équipage mobile relié à un organe de manoeuvre comprenant un contact principal mobile (5A), un contact d'arc mobile (4A) et un cylindre de soufflage (5) associé à une buse de soufflage (6) et coopérant avec un premier piston (13), caractérisé ce qu'il comprend un second piston (14), de diamètre grand vis-à-vis du diamètre du cylindre du soufflage, solidaire de l'équipage mobile et coulissant dans un second cylindre fixe (8B), ledit second piston étant associé à des moyens (15) de mise en communication à faibles pertes de charge avec la zone d'arc, ledit second piston étant percé d'orifices calibrés (14C) pour limiter la pression sur la face dudit piston recevant les gaz chauffés par l'arc. 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contact d'arc est constitué par une première extrémité (4A) d'un tube métallique (4) coaxial au disjoncteur, la seconde extrémité (4B) dudit tube étant reliée audit organe de manoeuvre, ledit second piston (14) est un piston annulaire extérieur audit tube et solidaire de celui-ci, lesdits moyens de mise en communication à faibles pertes de charge étant constitués par ledit tube (4) percé de larges ouvertures (15) à sa périphérie, l'intérieur dudit tube étant fermé sensiblement au droit dudit piston par une pièce (17). 3/ DisJoncteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit premier piston comprend un clapet (13) annulaire fermant un coulisseau cylindrique (11) coaxial et extérieur audit tube 4, ledit coulisseau pouvant prendre deux positions dans lesquelles il obstrue ou dégage des ouvertures (10) dudit second cylindre (8B) débouchant dans le volume contigu à ladite enveloppe (1). 4/ Disjoncteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites ouvertures sont des cheminées radiales (10). 5/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé -8- en ce que ledit second piston porte un clapet (16) assujetti à se fermer lorsque la pression sur la face dudit second piston (14) située du c8té de la zone d'arc est supérieure à la pression sur l'autre face.