Brevet FR2658660A1 — publié le 19910823

DISJONCTEUR A FAIBLE SURTENSION A VARISTANCE La présente invention concerne un disjoncteur à haute tension à varistance. On connaît des disjoncteurs à haute tension équipés de varistances, notamment pour manoeuvrer les réactances shunt des réseaux électriques; le but de la présence des varistances, appelees aussi résistances non linéaires ou variables ou résistances dépendant de la tension, est de réduire les surtensions. On sait que plus le seuil de fonctionnement de la varistance est faible, plus la protection contre la surtension est efficace. Plus le seuil de fonctionnement est faible, moins il faut mettre d'éléments de varistance en série; par suite, l'énergie absorbée par la varistance sera plus grande. La limite de surtension est actuellement 1,6 p.u. Pour limiter la surtension au-dessous de 1,6 p.u., on a proposé de mettre en série avec la varistance un interrupteur qui sépare cette dernière du reseau après coupure. On pourra se réferer à cet egard à la demande de brevet français n" 89 14 433 au nom de la Demanderesse. Un but de la presente invention est de proposer une solution plus simple et plus économique, applicable aux disjoncteurs utilises pour manoeuvrer des réactances et des bancs de condensateurs. La présente invention a pour objet un disjoncteur à haute tension à faible surtension à varistance, comportant au moins une chambre de coupure par phase, et comprenant, en parallèle sur chacune des chambres de coupure, un varistance, ledit disjoncteur comprenant un ensemble de contacts fixes et un équipage mobile comprenant des contacts mobiles, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour court-circuiter, au moment de l'ouverture du disjoncteur, une partie de ladite varistance et pour reconnecter la totalité de ladite varistance après un temps déterminé. Avantageusement, les moyens comprennent une plaque métallique séparant la varistance en deux portions et pouvant venir en contact avec une première extrémité d'une tige métallique, une seconde extrémité de ladite tige étant électriquement reliée à une prise du disjoncteur, ladite tige étant mécaniquement assujettie à suivre avec retard le mouvement de l'équipage mobile du disjoncteur. Dans un exemple de réalisation du disjoncteur, dans lequel la varistance est disposée dans une colonne distincte de la colonne du disjoncteur, la tige est disposée à une première extrémité d'un flexible métallique disposé dans un tube souple reliant les deux colonnes. Une seconde extrémité dudit flexible est fixée, à l'intérieur de la colonne du disjoncteur, à un bras mobile en translation et muni de tiges isolantes pouvant venir en contact avec l'équipage mobile, ledit bras étant soumis à l'action d'un ressort tendant à pousser le bras en direction de l'équipage mobile. Ledit bras est solidaire d'une première pièce cylindrique coopérant avec une seconde pièce cylindrique fixe pour retarder le déplacement du bras sous l'action du ressort par effet pneumatique. Dans une variante de réalisation, un amplificateur de mouvement est inséré dans le trajet du flexible Dans un exemple de réalisation du disjoncteur, dans lequel la varistance est dans la même colonne que le disjoncteur, la tige est solidaire d'un plateau mobile en translation, ledit plateau étant solidaires de tiges isolantes pouvant venir en contact avec l'équipage mobile, ledit plateau étant soumis à l'action d'un ressort tendant à le repousser dans la direction de l'équipage mobile. Ledit plateau est solidaire d'une pièce cylindrique s'engageant à l'intérieur d'une cavité cylindrique fixe, l'ensemble cylindre-cavité constituant un dispositif retardateur pour le mouvement du plateau sous l'action du ressort. L'invention sera bien comprise à la lumière de la description ci-après, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue partielle en demi-coupe axiale d'un pôle de disjoncteur avec une varistance placée dans une colonne séparée, - la figure 2 est une vue partielle en demi-coupe axiale d'un pôle de disjoncteur avec varistance placée dans une colonne séparée, selon une variante comprenant un amplificateur de mouvement de l'organe de court-circuitage partiel de la varistance, - la figure 3 est une vue schématique partiellement coupée d'un amplificateur de mouvement, - la figure 4 est une vue partielle en coupe axiale d'un pôle de disjoncteur avec une varistance placée dans la même enveloppe que la chambre de coupure. La figure 1 représente, en position déclenchée, une phase d'un disjoncteur à haute tension muni d'une varistance disposée dans une colonne distincte du disjoncteur. Le disjoncteur de la figure 1 comprend une enveloppe isolante 1, de préférence en porcelaine, délimitant un volume intérieur 2 rempli d'un gaz à rigidite diélectrique élevée, tel que l'hexafluorure de soufre, sous une pression de quelques bars. Le disjoncteur comprend un contact principal fixe formé d'un tube 3 relié mécaniquement et électriquement par des bras 4 à une première prise de courant 5 du disjoncteur. Le contact 3 est solidaire d'un contact d'arc fixe 6 constitué également d'une pièce tubulaire; ce contact 6 est relié électriquement au contact 3. L'équipage mobile du disjoncteur comprend un contact principal mobile formé de doigts de contact 9, protégés par un capot pare-effluves 10 et coopérant avec le tube 3. I1 comprend également un contact d'arc formé de doigts 11, coopérant avec une buse de soufflage 12. Les moyens de soufflage, qui ne font pas partie de la présente invention, n'ont pas été représentés. Ils sont réalisés de manière bien connue de l'homme du métier. L'équipage mobile est relié à une tringle de manoeuvre non représentée. Les contacts électriques mobiles sont reliés à une seconde prise de courant 5A du disjoncteur. Le disjoncteur est associé à une varistance qui comprend une colonne isolante 80 étanche, fermée par des couvercles métalliques 81 et 82 constituant également des prises de courant; le volume intérieur de la colonne est rempli de gaz (air sec ou hexafluorure de soufre). A l'intérieur de la colonne 80 est placé un empilage d'éléments de varistance 84, comprenant des plaques métalliques d'extrémité 85 et 86 serrées par des tirants isolants 87. La pile est pressée par un ressort 88 qui s'appuie contre la prise 81; la liaison électrique entre la pile et la prise 81 est assurée par une tresse métallique 89. Selon une caractéristique de mise en oeuvre de l'invention, la pile d'éléments de varistance est partagée en deux parties par une plaque métallique 90 qui déborde sur un côte de la pile. La partie de la pile située au-dessus de la plaque 90 est désignée globalement par 91; celle qui est située au dessous est référencée 92. En revenant au disjoncteur proprement dit, on observe que le couvercle métallique 20 qui ferme l'enveloppe 1 porte un tube métallique 21 muni de deux fentes longitudinales opposées dans lesquelles est engagé un bras métallique 22 coulissant. Le bras 22 est solidaire de tiges isolantes 23 qui viennent en contact avec le capot 10, de sorte que lors de l'enclenchement du disjoncteur, le bras 22 est déplacé vers le haut de la figure. Un ressort de rappel 24 permet de repousser le bras 22 lors d'une ouverture du disjoncteur. A l'intérieur du tube 21 est placé un flexible métallique 25 qui se prolonge à l'extérieur de la colonne 1 à l'intérieur d'un tube souple 26; le tube souple est fixé de manière étanche sur les couvercles 20 et 81; le flexible 25 est terminé par une tige métallique 27 qui pénètre à l'intérieur de la colonne 80 par un trou du couvercle 81. Un contact glissant 28 assure la continuité électrique entre la tige 27 et le couvercle 81. La varistance est connectée en parallèle sur la chambre de coupure; en pratique, les prises 5 et 81 sont reliées par un conducteur 30 et la prise 5A et 82 par un conducteur 31. Lorsque le disjoncteur est en position déclenchée (cas de la figure 1), l'extrémité de la tige 27 est en M, à une distance A de la plaque 90. Cette distance A est egale à la course du contact mobile du disjoncteur. La hauteur B de la pile 91 est une fraction de la hauteur totale L des piles 91 et 92. Le bras 22 est associe à un dispositif de retardement de mouvement comprenant un cylindre 32 fixé au bras 22 et muni d'un anneau 33, et un cylindre 34 fixé au couvercle 20 et muni d'un anneau 35; les anneaux sont en regard de manière à délimiter un volume 36 fermé aux fuites près. L'anneau 33 porte un clapet 33A. Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant: - en position enclenchée, le bras 22 est en position haute, la tige 27 est au contact de la plaque 90, de sorte que la partie 91 de la varistance est court-circuitée, sa longueur étant L - B. - à l'ouverture du disjoncteur, l'équipage mobile du disjoncteur se déplace, mais le bras 22 reste pratiquement immobile en raison de la nécessité de chasser le gaz du volume 36 par les fuites des cylindres 32 et 34. C'est seulement lorsque l'équipage mobile du disjoncteur arrive en fin de course, c'est-à-dire environ 20 millisecondes après l'ouverture des contacts, que le bras se déplace sous l'action du ressort 24; la tige 27 quitte alors la plaque 90, ce qui décourt-circuite la portion 91 de varistance. Ainsi, pendant 20 millisecondes environ, la varistance associee au pôle du disjoncteur n'a eté qu'une fraction de la varistance totale, de sorte que le pôle a ete parfaitement protégé contre les surtensions. Au moment où la tige 22 quitte la plaque 90, la tension appliquee sur le disjoncteur et la varistance est égale à la tension simple (1 p.u. = 2/Ê3 Un en valeur crête). Le courant traversant la varistance avec une tension de 1 p.u. est faible, de l'ordre de quelques millièmes d'ampère, de sorte que la coupure du courant entre la tige 22 et la plaque 90 ne pose pas de difficulté, la tension entre ladite tige et ladite plaque étant égale à 1 p.u. x B/L. En fin d'ouverture du disjoncteur, les tiges 23 viennent en butée sur le capot 10. Un anneau pare-effluves 93 permet d'éviter les effluves sur la tige 27 lorsque son extrémité est en M. L'étanchéité entre le tube 26 et le couvercle 20 peut être assurée par une boîte à graisse 37. La figure 2 illustre une variante de réalisation; les éléments communs aux figures 1 et 2 ont reçu les mêmes numéros de référence. Dans cette variante, il est prévu de munir le flexible 25 d'un amplificateur de mouvement, de telle sorte qu'un déplacement A de l'équipage mobile engendre un déplacement C de la tige 27, avec C > A. On insère dans le circuit du flexible un amplificateur de mouvement 300. Comme il est montré dans la figure 3, un tel amplificateur peut être constitue d'une boîte 301 en materiau isolant ou non dans laquelle pénètre une extrémité 25A du flexible; cette extrémité est articulee à une extrémité P d'un levier 302 pivotant autour d'un axe O. L'autre extrémité 25 B du flexible est articulée à l'autre extrémité Q du levier. Si OQ est supérieur à OP, il y a amplification de mouvement. La figure 3 montre, en traits pleins la position du levier lorsque le disjoncteur est en position ouverte et en tiretés sa position lorsque le disjoncteur est en position fermée. Le déplacement important C, qui peut être le double ou le triple de A, permet d'envisager une utilisation comme disjoncteur de ligne; Dans ce cas, en position ouverte du disjoncteur, la varistance devra tenir l'opposition de phase à 2 Un f2/f3 pendant un certain temps. Dans ces conditions, la varistance fonctionne en position ouverte pour des surtensions supérieures ou égales à 2,2 p.u. par exemple et en position fermée et à l'ouverture, à 1,7 p.u. par exemple. La figure 4 est une vue partielle en coupe axiale d'un pôle de disjoncteur dans lequel la varistance est dans le prolongement de la chambre de coupure. Les éléments communs à cette figure et aux figures précédentes ont reçu les mêmes numéros de référence. Le disjoncteur est représenté en position fermée. La varistance est placée dans un capot métallique 50, surmontant la colonne 1 et électriquement relié à la prise 5. La varistance est constituée par un tube isolant 51 enfermant un empilage de disques 52 à base d'oxyde de zinc. La longueur totale de la pile est L. La pile est serrée entre une plaque supérieure métallique 53 et un bloc métallique inférieur 56. La plaque 53 est pressée contre la pile par un ressort 54; une tresse métallique 55 assure la liaison galvanique entre la pile et le capot 50. Au bloc métallique 56 est fixée une tige métallique 61 terminée par un écrou 62 auquel est fixée une tige 63 munie d'un doigt de contact 64 venant s'appuyer contre le cylindre métallique 65 qui est en liaison avec les contacts mobiles du disjoncteur et sa seconde prise de courant 5A. Cette disposition permet d'assurer la liaison électrique entre la varistance et la seconde prise de courant du disjoncteur. Le bloc 56 est conformé à sa partie inférieure selon une cavité cylindrique 56A dans laquelle s'engage un cylindre 58 solidaire d'un plateau 59 traversé par la tige 61 et coulissant le long de celle-ci. Le plateau 59 est maintenu par des tiges isolantes 66 venant en appui contre le capot pare-effluves 10 entourant le contact mobile principal 9. Un ressort 60, s'appuyant sur le bloc 56, entoure la tige 61 et vient repousser la plateau 59. Une des tiges isolantes 66 est prolongee , de l'autre côte du plateau 59, par une tige métallique 67 qui a une longueur telle que, lorsque le disjoncteur est fermé, elle vienne en contact avec une plaque métallique 57; cette plaque 57, analogue à la plaque 90 des figures précédentes, partage la pile d'éléments de varistances en deux parties, l'une 91, de longueur B et l'autre, 92, de longueur L - B. La tige 67, solidaire de la tige 66, est également solidaire du plateau 59; le contact électrique entre la tige 67 et le bloc 56 est assuré par un doigt de contact 78. Le fonctionnement de l'appareil est analogue à celui décrit en référence à la figure 1. Lorsque le disjoncteur est fermé, la portion B de la pile de varistance est court-circuitée par la tige 67. A l'ouverture du disjoncteur, les contacts mobiles du disjoncteur se déplacent, mais la tige 67 ne se déplace pas immédiatement en raison de la depression à l'intérieur du volume du cylindre 58 qui retarde le mouvement du plateau 59. Ce n'est qu'après la fin de course des contacts mobiles que la tige quitte la plaque 57 et décourt-circuite la partie B de la varistance. Grâce au dispositif de l'invention, dont plusieurs modes de mise en oeuvre viennent d'être décrits, on peut reduire les surtensions subies par le disjoncteur en fixant le seuil de fonctionnement de la varistance à 1,3 ou 1,4 p.u. au lieu de 1,6 p.u. dans l'état actuel de l'art. Si le disjoncteur comporte plusieurs chambres de coupure par phase, on placera des varistances aux bornes de chacune des chambres de coupure. L'invention s'applique aux disjoncteurs destines à inserer des inductances ou des bancs de condensateurs dans les réseaux; elle s'applique également, notamment dans sa version représentée dans la figure 2, aux disjoncteurs de ligne. REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur à haute tension à faible surtension à varistance, comportant au moins une chambre de coupure par phase, et comprenant, en parallèle aux bornes de chacune des chambres de coupure, une varistance, ledit disjoncteur comprenant un ensemble de contacts fixes et un équipage mobile comprenant des contacts mobiles, caractérise en ce qu'il comprend des moyens pour court-circuiter, au moment de l'ouverture du disjoncteur, une partie (91) de ladite varistance et pour reconnecter la totalité de ladite varistance après un temps détermine. 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens comprennent une plaque métallique (90, 57) séparant la varistance en deux portions et pouvant venir en contact avec une première extrémité d'une tige métallique (27, 67), une seconde extrémité de ladite tige étant électriquement reliée à une prise (5, 5A) du disjoncteur, ladite tige étant mécaniquement assujettie à suivre avec retard le mouvement de l'équipage mobile du disjoncteur. 3/ Disjoncteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que, la varistance étant disposée dans une colonne (80) distincte de la colonne (1) du disjoncteur, la tige est disposée à une première extrémité d'un flexible métallique (25) disposé dans un tube souple (26) reliant les deux colonnes. 4/ Disjoncteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une seconde extrémité dudit flexible (25) est fixée, à l'intérieur de la colonne (1) du disjoncteur, à un bras (22) mobile en translation et muni de tiges isolantes (23) pouvant venir en contact avec l'équipage mobile, ledit bras étant soumis à l'action d'un ressort (24) tendant à pousser le bras en direction de l'équipage mobile. 5/ Disjoncteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit bras est solidaire d'une première pièce cylindrique (32) coopérant avec une seconde pièce cylindrique (34) fixe pour retarder le déplacement du bras sous l'action du ressort (24) par effet pneumatique. 6/ Disjoncteur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'un amplificateur de mouvement (300) est inséré dans le trajet du flexible (25). 7/ Disjoncteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que, la varistance étant disposée dans la même colonne (1) que le disjoncteur, la tige est solidaire d'un plateau (59) mobile en translation, ledit plateau étant solidaires de tiges isolantes pouvant venir en contact avec l'équipage mobile, ledit plateau étant soumis à l'action d'un ressort (60) tendant à le repousser dans la direction de l'équipage mobile. 8/ Disjoncteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit plateau (59) est solidaire d'une pièce cylindrique (58) s'engageant à l'intérieur d'une cavite cylindrique fixe (56A), l'ensemble cylindre-cavité constituant un dispositif retardateur pour le mouvement du plateau (59) sous l'action du ressort (60).