Brevet FR2638564A1 — publié le 19900504

Disjoncteur à haute tension à gaz diélectrique sous pression La présente invention est relative à un disjoncteur à haute tension dans lequel la chambre de coupure est remplie de gaz diélectrique, tel que l'héxafluorure de soufre, et dans lequel l'énergie de l'arc est utilisée, grâce à l'augmentation de pression qu'elle confère au gaz, pour réduire l'énergie nécessaire à la coupure. L'invention concerne plus particulièrement un disjoncteur possédant un cylindre de soufflage et une seconde chambre dans laquelle une paire de contacts supplémentaire est capable de générer, lors de l'ouverture du disjoncteur, un arc secondaire utilisé pour contribuer à apporter de l'énergie pour la manoeuvre d'ouverture. Un tel disjoncteur est connu par exemple par le brevet français n 8701545. Un problème à résoudre dans ce type de disjoncteur est que la pression reste faible dans le cylindre de soufflage pour la coupure des petits courants (faible énergie de manoeuvre) et que la pression soit élevée pour la coupure des courants importants sans augmenter pour autant l'énergie de manoeuvre. Un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur dans lequel l'énergie de manoeuvre reste faible même pour la coupure des courants de faible intensité. Un autre but de l'invention est de réaliser un disjoncteur dans lequel aucun arc ne s'amorce à l'enclenchement dans le volume thermique. Un autre but de l'invention est que l'arc moteur du volume thermique puisse s'allonger, donc dégager davantage d'énergie, si le courant devient très important. L'invention a pour objet un disjoncteur à haute tension à gaz diélectrique sous pression, du type comprenant au moins une chambre de coupure comportant une enveloppe isolante remplie dudit gaz à l'intérieur de laquelle sont placés un ensemble fixe comportant un contact principal fixe et un contact d'arc fixe, un ensemble mobile comportant notamment un contact principal mobile et un contact d'arc mobile, la chambre de coupure comportant en outre un cylindre de soufflage débouchant dans une buse de soufflage et une paire de contacts secondaires, caractérisé en ce que ledit cylindre de soufflage est - 2 - délimité par un premier cylindre constituant le contact d'arc mobile, un second cylindre constituant le contact principal mobile et un premier piston semi-mobile portant l'un des contacts secondaires, l'autre contact étant porté par un tube fixe délimitant avec ledit premier piston, un prolongement tubulaire isolant dudit premier cylindre et un second piston solidaire dudit cylindre et coulissant le long dudit tube fixe, un second volume fermé, ledit piston semi-mobile pouvant effectuer un mouvement, par rapport à l'ensemble fixe, tendant à réduire le volume dudit cylindre de soufflage. L'invention sera bien comprise par la description donnée ci-après d'un mode préféré de réalisation d'un disjoncteur selon l'invention dans lequel: - la figure 1 est une vue partielle en demicoupe axiale de la chambre de coupure d'un disjoncteur selon l'invention, en position enclenchée, - la figure 2 est une vue similaire au cours d'une ouverture sur coupure de courant de faible intensité, - la figure 3 est une vue similaire illustrant l'ouverture sur courant de forte intensité, la figure 4 est une vue similaire montrant la fin de la manoeuvre d'ouverture. La figure 1 montre une chambre de coupure comprenant une enveloppe 1, en matériau isolant tel que le céramique, remplie d'un gaz diélectrique tel que l'héxafluorure de soufre sous une pression de quelques bars. A l'intérieur de l'enveloppe, on trouve un ensemble comprenant un contact principal fixe formé de doigts de contacts 2 protégés par un capot pareeffluves 3 et un contact d'arc formé d'un cylindre ou tube métallique 4 terminé par une extrémité 4A en alliage résistant aux effets de l'arc. L'équipage mobile comprend un cylindre ou tube 5, métallique, servant de contact d'arc mobile, terminé par un embout 5A en alliage résistant aux effets de l'arc. Le tube 5 est entraîné par un tube métallique 6, par exemple en aluminium, fixé à une tige de manoeuvre non représentée. Les tubes 5 et 6 ne sont pas fixés l'un à l'autre; au contraire, un certain -3 - débattement entre 'eux est possible; l'entrainement se fait grâce à un redan 6B du tube 6 et à un redan 42A d'un piston 42 qui sera décrit plus loin. Le débattement est limité par une butée 6C. Un tube métallique 7, concentrique au tube 5, sert de contact principal mobile. Il porte une buse de soufflage 8 en matériau isolant. Il est en contact électrique avec un bloc métallique 9, en aluminium par exemple, solidaire de l'équipage fixe, par des doigts de contact 10. Le tube 5 et le tube 7 sont solidarisés par une couronne isolante 12, percée de trous 12A. Le volume 20 délimité par les tubes 5 et 7 est fermé par un piston fixe 14, en matériau isolant tel que le polytétrafluoroéthylène, ou autre matière maintenu en place par un tube métallique 15 fixé au bloc 9. On désigne par 20 le volume délimité par les tubes 5 et 7, la couronne 12 et le piston 14. Ce volume constitue le cylindre de soufflage du disjoncteur. Le piston 14 est percé d'orifices 16 et comprend un clapet 17 n'autorisant le passage du gaz que de l'intérieur vers l'extérieur du volume 20. Le piston 14 comprend un joint d'étanchéité 18. Le piston 14 est autorisé à excursionner par rapport à la pièce fixe 15. A cet effet, il est fixé à un tube 21 coulissant contre le tube 7 et possédant une butée à bille 22 et ressort 23 ou autre système coopérant avec une encoche 24 pratiquée dans le tube 15. Un ressort 25 travaillant à la compression est disposé entre une couronne A d'extrémité de la pièce 15 et une couronne 21A à l'extrémité du tube 21. Le piston 14 ne coulisse pas directement sur le tube 5 mais par l'intermédiaire d'un bloc 28 muni de contact électrique 29 et terminé par un cylindre 30 constituant l'un des contacts secondaires. L'autre contact secondaire 31 est solidaire du tube 15. Une électrode 32 est portée par un bloc métallique 33 dans le prolongement du tube 5 et séparé de celui-ci par une portion tubulaire 5B en matériau isolant. Le volume 35, délimité par le tube 15, le piston 14, le bloc 28 et les contacts 30 et 31, est fermé par un piston isolant 42, -4 - fixé au tube 5 et possédant un segment de guidage 43 et un clapet 44 n'autorisant le passage du gaz que de l'extérieur vers l'intérieur du volume 35. Le bloc 33 porte à son extrémité des trous 46. De même le tube 6 possède des trous 47. Le r8le de ces trous sera expliqué plus loin. La pièce 9 porte un contact 48 coopérant avec une extrémité 49 du tube 5 pour placer le bloc 33 au même potentiel que le reste de l'équipage mobile en fin de course d'ouverture. Une électrode 49A portée par la pièce fixe 15 permet, en fin de manoeuvre d'ouverture, de mettre le bloc 28 au potentiel de la pièce 15. Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant. Lorsque le disjoncteur est fermé (position de la figure 1), le courant passe par les doigts 2, le tube 7, les doigts 10 et la pièce 9. Coupure des faibles courants Il s'agit des courants inférieurs ou égaux au courant nominal de l'installation. A l'ouverture du disjoncteur (figure 2) , l'équipage mobile est entraîné par le tube 6. A la séparation des contacts, un arc 50 jaillit entre les contacts d'arc 4A et 5A. A peu près simultanément, un arc 60 s'établit entre les contacts secondaires 30 et 32, puis commute sur le contact 31. Le courant passe alors par le contact 4, l'arc 50, le tube 5, le bloc 28, le contact 30, l'arc 60, le contact 31, le tube 15 et le bloc 9. L'arc est de faible énergie et l'augmentation de pression dans le volume 35 est insuffisante pour déplacer le piston 14 par rapport au tube 15. La pression dans le volume 20 augmente peu en raison de l'ouverture du clapet 17. Le soufflage est néanmoins suffisant pour éteindre l'arc 50 au premier passage par zéro du courant. L'énergie de manoeuvre est faible. Coupure des courants de grande intensité Il s'agit des courants de court-circuit. La figure 3 montre le disjoncteur en cours d'ouverture par - 5 - déplacement du tube 6 vers la droite de la figure. L'arc 60, de très forte intensité, provoque un échauffement rapide du volume 35 et corrélativement une augmentation très importante de la pression du gaz de ce volume. Cette augmentation de pression a trois effets: - le premier effet est de fermer le clapet 17, - le second effet est de déplacer le piston 14 par rapport au tube fixe 15. La bille 22 quitte l'encoche 24 et le ressort 25 est comprimé. Le déplacement du piston, qui résulte de la superposition de deux mouvements, l'un par rapport au tube 15, l'autre par rapport à l'ensemble mobile, produit une compression très rapide du gaz du volume et un soufflage très énergique. L'allongement de l'arc, dû à la distance supplémentaire qui intervient entre les contacts 30 et 31, permet de mieux chauffer le gaz du volume 35, - le troisième effet de l'augmentation de pression du gaz du volume 35 est d'exercer une pression importante sur le piston 42 solidaire de l'équipage mobile, ce qui apporte une énergie supplémentaire pour la manoeuvre d'ouverture du disjoncteur. En fin de phase d'ouverture, le ressort 25 ramène le piston 14 jusqu'à ce que la bille 22 tombe dans l'encoche 24. En fin de mouvement d'ouverture (figure 4), le cylindre de soufflage pousse le piston 14 et fait échapper la bille 22 de son encoche 24; le piston 14, sous l'action du ressort 25 peut avancer jusqu'en butée 15A; ce faisant l'électrode 30, solidaire du piston 14, se déplace également. La distance L2 entre l'électrode 32 et le contact auxiliaire 30 est alors inférieure à la distance L1 entre les contacts d'arc 4A et 5A. De la sorte, lors de l'enclenchement, aucun amorçage ne se produira dans le volume clos 35. Fermeture du disjoncteur Le tube 6 est actionné vers la gauche de la figure. La butée 6C entraîne le tube 5. La légère surpression dans le volume 35 -6- s'évacue, par les trous 46 et 47 qui viennent en coïncidence, vers le volume 70 intérieur au tube 5. En fin de manoeuvre de fermeture on retrouve la configu- ration de la figure 1. " Toute résistance due à une éventuelle dépression dans la chambre 20 est évitée par l'ouverture du clapet 17. - 7 - REVENDICATIONS: 1/ Disjoncteur à haute tension à gaz diélectrique sous pression, du type comprenant au moins une chambre de coupure comportant une enveloppe isolante remplie dudit gaz à l'intérieur de laquelle sont placés un en- semble fixe comportant un contact principal fixe et un contact d'arc fixe, un ensemble mobile comportant notamment un contact principal mobile et un contact d'arc mobile, la chambre de coupure comportant en outre un cylindre de soufflage débouchant dans une buse de soufflage et une paire de contacts secondaires, caractérisé en ce que ledit cylindre de soufflage est délimité par un premier cylindre (5) constituant le contact d'arc mobile, un second cylindre (7) constituant le contact principal mobile et un premier piston (14) semi-mobile portant l'un (30) des contacts secondaires, l'autre contact (31) étant porté par un tube fixe (15) délimitant avec ledit premier piston, un prolongement tubulaire isolant (5B) dudit premier cylindre (5) et un second piston solidaire dudit cylindre (5) et coulissant le long dudit tube fixe, un second volume fermé (35). 2/ Disjoncteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit piston semi-mobile (14) est relié audit tube (15) par un encliquetage à bille (22, 23) ou moyen analogue coopérant avec une encoche (24) dudit tube, ledit piston étant soumis à l'action d'un ressort (25) tendant à ramener ladite bille dans ladite encoche. 3/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que ledit piston semi-mobile (14) comprend un clapet n'autorisant le passage du gaz que de l'intérieur vers l'extérieur du cylindre de soufflage. 4/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend une électrode (31) solidaire de l'ensemble fixe et relié électriquement aux contacts fixes, disposée à l'intérieur dudit second volume (35). / Disjoncteur selon la revendication 4 caractérisé en ce que les contacts secondaires (30,31) sont disposés de sorte que lorsque le disjoncteur est ouvert, ledit piston semi-mobile venant en butée contre le tube (15), la distance (L2) entre les extrémités desdits contacts secondaires soit inférieure à la distance entre 'Ys extrémités des -8 - contacts d'arc (4A, 5A). 6/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'ensemble fixe porte un contact (48) venant au contact du tube (5) constituant le contact d'arc mobile lorsque le disjoncteur est ouvert. 7/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ledit piston annulaire d'extrémité (42) comprend un clapet (44) n'autorisant le passage du gaz que de l'extérieur vers l'intérieur du volume (35) contenant les contacts secondaires (30, 31). 8/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce lO que le tube (5) constituant le contact d'arc mobile est lié à un tube d'entraînement (6) avec un certain débattement de manière à mettre men coincidence, à la refermeture du disjoncteur, des trous (46) pratiqués dans la pièce (33) prolongeant le contact d'arc mobile et des trous (47) pratiqués dans ledit tube (6) d'entraînement pour évacuer la surpression du volume (35) contenant les contacts secondaires (30, 31).