Brevet FR2652198A1 — publié le 19910322

L'invention se rapporte à un dispositif interrupteur limiteur de courant comprenant dans un boîtier isolant: - une chambre reliée à l'extérieur et apte à recevoir une pièce fixe et une pièce d'interrupteur mobile dans un plan, ces pièces étant respectivement équipées de pastil- les de contacts pour établir et interrompre un circuit électrique passant par deux bornes lorsque l'on déplace un organe de commande agissant sur la pièce mobile; - un déflecteur conducteur qui est électriquement relié à la pièce de contact fixe et qui s'étend dans la chambre de façon telle qu'un des pieds d'arc apparaissant à l'ouver- ture puisse s'y déplacer. Des dispositifs répondant à la constitution mentionnée ci- dessus sont utilisés notamment dans des appareils tels que les disjoncteurs destinés à la protection des lignes d'ins- tallations industrielles, ou domestiques. Ils peuvent, le cas échéant, être employés dans des appa- reils plus complexes o se trouvent combinés des moyens de disjonction et des moyens d'établissement du courant comman- dés à distance tels que les conctacteurs. - 2 - On sait que les appareils de protection du type disjoncteur visent l'interruption aussi rapide que possible du courant lorsque celui-ci subit une croissance correspondant à celle que prendraient des courants de court-circuit francs. Un objectif déterminant de ces appareils est d'obtenir, non seulement une limitation très importante de l'intensité des courants de court-circuit, mais encore de rendre aussi court que possible l'intervalle de temps pendant lequel ces courants vont circuler dans le circuit à protéger. On rappellera que, la vitesse de croissance des courants de défaut étant maîtrisée par la tension développée dans l'arc qui apparaît entre les contacts lors d'une ouverture, cette tension doit atteindre des niveaux aussi élevés que possi- ble, compte tenu de la tension d'alimentation du réseau auquel on s'intéresse. On a déjà proposé différentes manières d'augmenter la tension de l'arc, notamment en agissant sur sa longueur, sa température et sa section. Parmi les moyens qui sont couram- ment employés pour augmenter la longueur de l'arc figurent naturellement ceux qui prévoient de communiquer aux contacts un écartement aussi important que possible dans un temps extrêmement court; ces moyens requièrent la mise en oeuvre d'une énergie non négligeable. On a également proposé de munir les chambres de coupure dans lesquelles sont disposés les interrupteurs, d'une multipli- cité d'ailettes métalliques, ou bonnes conductrices de la chaleur, pour qu'un arc sur lesquelles il s'épanouit soit l'objet d'un refroidissement important; une mise en euvre de cette technique, toujours largement utilisée, requiert la fabrication, l'assemblage et le montage d'ailettes dont le coût technique est relativement important, et ceci, d'autant plus que l'appareil est de petite taille; par ailleurs, le volume nécessaire à la mise en place de ces ailettes impli- que que l'on soit relativement libre dans le choix des - 3 - dimensions, situation qui se présente de moins en moins fréquemment, notamment lorsque des normes dimensionnelles régissent l'encombrement de ces appareils. Parmi les solutions également proposées pour augmenter la tension de l'arc, figurent aussi celle qui met en oeuvre une interaction d'une induction magnétique avec le courant afin de favoriser son développement naturel, et celle qui utilise un écran isolant pour allonger l'arc et/ou en réduire forte- ment la section par étranglement contre une paroi isolante. La présente invention se propose de fournir un dispositif interrupteur limiteur de courant sans ailette dont la constitution répond à celle mentionnée ci-dessus et dont l'encombrement et le coût technique sont moindres que ceux des dispositifs interrupteurs à ailettes ayant des caracté- ristiques de limitation sensiblement équivalentes. Selon l'invention, le but visé est atteint grâce au fait que cette chambre présente une fente allongée et étroite qui communique avec l'extérieur et qui est placée sensiblement dans le plan de mouvement du contact mobile, de façon telle qu'une portion importante de la longueur de l'arc s'y trouve chassée lors de son développement et subisse localement un rétrécissement de sa section. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip- tion ci-dessous et à l'examen des figures annexées qui l'accompagnent en illustrant: A la figure 1, une vue en élévation et en coupe par un plan longitudinal moyen TT' d'un dispositif interrup- teur à double coupure; A la figure 2, une vue en coupe et en vue de dessus du dispositif précédent, par un plan brisé TU; - 4 - A la figure 3, une vue en perspective d'une double boucle de soufflage pouvant être associée au disposi- tif interrupteur de la figure 1; A la figure 4, une vue en plan d'une pièce découpée à partir de laquelle on peut, par déformation, obtenir la pièce de soufflage; A la figure 5, une vue en élévation partielle et en coupe par le plan TT' d'une portion d'interrupteur montrant le développement que subit l'arc au cours d'une ouverture; A la figure 6, une vue de côté en coupe du dispositif de la figure 1 par un plan VV' qui montre en outre une variante de réalisation susceptible de permettre un choix de la tension; A la figure 7, une vue de côté en coupe d'un disposi- tif comparable à celui de la figure 1 mais dans lequel la fente de laminage de l'arc affecte un parcours sinueux; A la figure 8, une vue en coupe schématique par un plan moyen d'un appareil interrupteur dans lequel la fente de laminage de l'arc a été disposée d'une maniè- re différente; et A la figure 9, un système de courbes montrant l'évolu- tion de la tension d'arc et celle du courant au cours d'une ouverture sur court-circuit. Un dispositif interrupteur 1 en boîtier isolant 2, visible à la figure 1, comporte dans un plan de symétrie PP' d'une cavité 10 qui est celui de la figure, une paire de pastilles de contacts fixes 3, 4 qui sont respectivement reliées à deux bornes 5, 6 à l'aide de conducteurs tels que 7, 8 qui -5- les portent, et une paire de pastilles de contacts mobiles 13, 14 portées par un pont de contact conducteur 11. Dans le mode de réalisation non limitatif représenté sur cette figure, un ressort de rappel 12 s'appuie sur une paroi de la chambre et communique au pont de contact 11 une force mesurée pour appliquer à l'état de fermeture de l'interrupteur les pastilles mobiles de ce dernier contre les pastilles fixes. Un poussoir mobile isolant 16, qui est avantageusement guidé dans le boîtier et qui participe au maintien transversal du pont de contact, permet de communiquer à celui-ci un mouve- ment dans le plan de la figure, lorsqu'une extrémité 17, accessible de l'extérieur, subit des déplacements de sens F ou G communiqués par un poussoir 18. Ce dernier constitue l'organe de commande terminal d'un appareil électrique tel qu'un disjoncteur ou un contacteur protégé contre les courants excessifs. Afin de faciliter le développement et le déplacement des arcs apparaissant entre les pastilles lors d'ouvertures sur court-circuit, deux pièces métalliques 21, 22 reliées aux contacts fixes sont, d'une part, disposées dans la chambre symétriquement par rapport à l'axe de déplacement XX' du pont mobile, tandis que, d'autre part, une troisième pièce 23 non reliée électriquement et circulant symétriquement d'une chambre 24 jusqu'à une chambre symétrique 25, s'étend sensiblement en regard des deux précédentes en passant sous le ressort de rappel 12. Ces pièces métalliques appelées également déflecteurs, sont généralement en acier ou en cuivre et sont destinées à servir de chemin conducteur pour les pieds supérieurs et inférieurs des arcs qu'elles refroi- dissent en même temps. Ainsi qu'on le voit sur la figure 1, des extrémités libres telles que 26, 27 de ces déflecteurs prennent des chemins divergents qui les conduisent dans, ou jusqu'à la proximité -- 6 -- immédiate d'une ouverture en forme de fente étroite 30, 31 qui communique avec l'extérieur, voir aussi la figure 2. Les conducteurs tels que 7 ou 8, qui circulent à l'extérieur des chambres, effectuent des trajets en forme de boucle, visibles en pointillés sur la figure 1, qui les amènent chacun sensiblement en regard d'une des fentes étroites par leurs portions rectilignes descendantes 32, 33 parallèles aux directions longitudinales de celles-ci. Selon un mode de réalisation préféré, voir figures 3 et 2, deux boucles 7a, 7b' de même forme, sont associées à une paire de contacts tels que 3, 13 et circulent respectivement sur deux faces externes opposées 34, 35 du boîtier 2 en reliant la portion 36, respectivement 37, qui supporte respectivement une pastille fixe et la borne associée 5, respectivement 6, voir la figure 2, tandis que le déflecteur 21 vient d'une seule pièce avec la portion 36, de sorte que les différentes portions 26, 21, 36, 7a' 7b, 32a, 32b, 37 peuvent être fabriquées par découpage et cambrage à partir d'un même feuillard de cuivre, voir aussi figure 4. Afin d'améliorer l'efficacité de ces boucles, qui dévelop- pent de façon connue une induction dans la chambre afin de communiquer à l'arc des forces de Laplace favorisant son gonflement naturel, on peut avantageusement disposer sous un déflecteur tel que 21, une pièce découpée magnétisable 37 de faible épaisseur et de même profil. Ainsi que cela apparaît mieux à la figure 2, la largeur d'une chambre telle que 24 va en diminuant, depuis la région 38 o se trouvent les pastilles de contacts jusqu'à l'entrée 39 de la fente 30 qui peut être prolongée par un couloir 41, grâce à deux parois convergentes 42, 43; comme mentionné ci-dessus, cette fente et ce couloir débouchent vers l'exté- rieur en sens H, de sorte que des gaz, dont la pression s'élève dans la chambre lors de l'apparition de l'arc, peuvent être évacués par cette voie. -7- La présence de cette fente est par ailleurs destinée à provoquer, sur une longueur importante, un rétrécissement de la section de l'arc qui s'y trouve chassé. En effet, voir figure 5, lorsque, à l'ouverture des contacts, un arc 50 qui a pris naissance entre les pastilles se développe rapidement grâce à l'assistance magnétique procurée par la présence des boucles parcourues par le courant, ses pieds se déplacent rapidement le long des déflecteurs en s'éloignant des contacts fixes et mobiles, et sa longueur augmente sensible- ment en raison de la divergence de ceux-ci; on remarquera que les deux arcs qui apparaissent simultanément dans les chambres 24, 25 se trouvent électriquement en série grace à la circulation de leurs courants dans le déflecteur supé- rieur commun 23 qui circule lui-même entre des extrémités de fentes opposées 73, 74. Le gonflement assisté de l'arc 50, voir figure 5, conduit par suite la quasi totalité de sa portion 51 jusque dans la fente en raison du fait que les effets dynamiques de la ou des boucles se font sentir jusqu'à la région proche de leurs portions telles que 32a, respectivement 32b. Comme les dimensions de cette fente sont choisies pour être inférieures au diamètre que prendrait sans cela la colonne d'arc, celle-ci est obligée de subir un rétrécissement de section qui a pour effet d'augmenter la tension d'arc et donc de réduire considérablement la vitesse de croissance des courants de court-circuit. Bien que rien ne s'oppose en pratique à la fourniture d'un boîtier 2 présentant localement une fente venant de moulage, celle-ci sera avantageusement formée par l'intervalle - i - séparant localement des cloisons 45, 46 sensiblement paral- lèles de deux demi-bottiers 2a, 2b au voisinage d'un côté 47 éloigné de l'axe XX' (voir figure 2). Le boîtier 2 prendra avantageusement la forme d'un solide parallélépipédique autonome pouvant se loger dans un alvéole 48 d'un appareil 49 o des moyens de fixation lui donneront une position bien - 8 - déterminée par rapport à un poussoir de commande tel que 18 et à des évents 52 venant en regard de la fente 30, 41. Comme l'équation régissant le taux de croissance des courants de courtcircuit fait intervenir la différence entre la tension du réseau et celle qui apparaît aux extré- mités de l'arc, on peut souhaiter une adaptation optimale de celle-ci par rapport à la première. Une telle faculté est offerte de façon tout à fait aisée dans le dispositif inter- rupteur qui vient d'être décrit en agissant sur la longueur et/ou la largeur de la fente. La possibilité de choix d'une largeur particulière de la fente peut être aisément obtenue, soit grâce à la fabrica- tion de demi-bottiers portant chacun une demi-fente ayant des dimensions locales différentes, soit encore grâce à la fourniture de demi-boîtiers équipés de moyens d'écartement réglable. Ces moyens seront avantageusement disposés au voisinage de la fente pour développer des forces transversales suscepti- bles de communiquer aux demi-boîtiers des déformations élastiques relatives. Ces moyens devront, en outre, être en mesure d'empêcher un écartement intempestif des demi-bottiers sous l'effet des pressions développées au moment de l'apparition d'un arc afin de conserver à cette fente la largeur qui lui a été assignée. A titre d'illustration, un exemple de réalisation de ces moyens est représenté à la figure 6 o deux vis telles que 54 sont disposées chacune au voisinage d'une des extrémités 56, 57 de la fente 30 pour communiquer un écartement élasti- que aux parois opposées 55, 58 auxquelles elles sont axiale- ment assujetties, d'une part, grâce au filetage 59 et, d'autre part, grâce à la tête 61 de la vis et à une rondelle de butée axiale 62. - 9 - Afin que le bottier conserve son étanchéité dans les régions périphériques o s'opèrent les jonctions des demi-boîtiers, celles-ci seront avantageusement équipées de parois paral- lèles coopérant pour former des chicanes 66, voir figure 6. Selon une variante de réalisation visible à la figure 7 qui se propose d'augmenter la tension d'arc en augmentant sa longueur, la fente 60 n'est pas rectiligne comme le cas en a été exposé ci-dessus, mais elle effectue un parcours sinueux 65 ou en dents de scie 68. Le dispositif interrupteur 1 en boîtier isolant 2 forme, après montage, un tout autonome qui est susceptible d'être installé de façon amovible ou non dans tout appareil tel que 49, voir figure 1. Grace à la faible épaisseur - d -, voir figure 2, que l'on peut obtenir lorsque l'on se dispense d'utiliser des ailettes de fractionnement et de refroidisse- ment de l'arc, le module interrupteur qui vient d'être décrit est particulièrement adapté à une incorporation dans des boîtiers modulaires fixés par exemple sur un rail norma- lisé. La faible épaisseur qu'il présente autorise également le montage peu encombrant de plusieurs modules parallèles dans des logements appropriés d'appareils polyphasés tels que des disjoncteurs ou des contacteurs avec protection. Le dispositif interrupteur 1 qui vient d'être décrit, fait appel, en vue de limiter aussi efficacement que possible les courants de court-circuit, à un pont de contact à double coupure présentant l'avantage d'additionner les deux tensions des arcs apparaissant entre les paires de contacts 3, 13; 4, 14. Une telle disposition, qui permet d'obtenir plus aisément une tension d'arc déterminée avec une course réduite des pièces mobiles, n'est toutefois pas la seule susceptible de bénéficier des avantages procurés par un étranglement de l'arc dans une fente longue et étroite. On peut également, moyennant une adaptation évidente de la forme de la chambre de coupure, non seulement utiliser un - 10 - interrupteur à simple coupure faisant usage d'un levier de contact mobile, mais encore utiliser deux leviers conduc- teurs dont chacune des deux extrémités est équipée d'un contact mobile placé respectivement dans chacune de deux chambres particulières, présentant chacune une fente d'étranglement telle que mentionnée ci-dessus. Ces disposi- tions pourront naturellement bénéficier, comme ci-dessus, de moyens d'assistance au développement de l'arc dont les actions seront efficaces jusqu'aux zones des chambres o se trouvent disposées les fentes d'étranglement. Des pièces magnétisables plates telles que 71, 72 qui pourraient être associées aux boucles de courant pour augmenter l'efficacité de leurs effets magnétiques, seraient disposées extérieure- ment au boîtier dans des plans tels que WW' ou QQ', voir figure 2. Selon une variante 80, visible à la figure 8, une conforma- tion particulière des pièces déflectrices d'arc permet de placer la fente 81 dans une région du bottier 82 distincte de celles représentées ci-dessus. Alors que, comme dans les cas précédents, le déflecteur présente d'abord une portion rectiligne 83 qui s'éloigne de la pastille de contact fixe 84 dans une direction sensible- ment parallèle à celle que prend la traverse 85 du pont de contact mobile 86, un prolongement recourbé 87 conduit l'extrémité 88 du déflecteur complet 89 jusqu'à l'entrée d'une fente 81 qui est ici pratiquée dans une région supé- rieure 91 du bottier 82. Cette région supérieure peut être définie comme celle vers laquelle se dirige le pont de contact 86 lorsque s'opère en sens F une ouverture de l'interrupteur par déplacement de celui-ci le long de l'axe de symétrie XX'. Compte tenu des nouvelles orientations que prendra un arc 92 lors de son gonflement naturel ou assisté en déplaçant ses pieds le long du déflecteur 89 et sur corne 93 portée par - il - chaque extrémité 94 voisine de la pastille mobile 95, le déflecteur supérieur commun 96 adoptera une conformation recourbée 97 sensiblement parallèle au prolongement 87, 88 pour s'étendre jusqu'à la fente 81. Lorsqu'une telle disposition est choisie, par exemple pour que l'échappement des gaz développés en sens F lors d'une coupure soit dirigée vers une zone arrière 18 o leur déten- te ne risque pas d'affecter des appareils voisins, des chicanes appropriées pourront avantageusement être dispo- sées entre l'appareil et un châssis métallique de support pour prévenir d'éventuelles refermetures d'arc sur celui- ci. Comme dans les modes de réalisation précédents, une ou deux boucles de courant 99 pourront avantageusement être asso- ciées extérieurement au boîtier pour favoriser le gonflement de l'arc, en s'attachant, d'une part, à une région conduc- trice 100 voisine de la pastille de contact fixe et, d'autre part, à une borne de raccordement 101. Représentés généralement sous la forme de dispositifs inter- rupteurs à double coupure par pont de contact, des disposi- tifs dérivés pourront aisément être développés par l'homme du métier pour les appliquer à des interrupteurs à simple coupure o, par exemple, un levier de contact serait relié à l'une des deux bornes par un conducteur déformable tel qu'une tresse de cuivre. On notera enfin que si l'utilisation des boucles de courant représentées se justifie lorsque les intensités nominales de l'appareil sont relativement faibles (par exemple jusqu'à A), leur mise en ouvre peut ne pas être indispensable pour des calibres d'intensité supérieurs. Le cas échéant, des structures magnétisables extérieures au boîtier, telles que des pièces en U peuvent être combinées à des spires de soufflage ou à tout autre moyen d'assistance au développe- ment des arcs. - 12 - Revendications 1. Dispositif interrupteur limiteur de courant comprenant dans un boîtier isolant: - une chambre reliée à l'extérieur et apte à recevoir une pièce fixe et une pièce d'interrupteur mobile dans un plan, ces pièces étant respectivement équipées de pastil- les de contacts pour établir et interrompre un circuit électrique passant par deux bornes lorsque l'on déplace un organe de commande agissant sur la pièce mobile, - un déflecteur conducteur qui est électriquement relié à la pièce de contact fixe et qui s'étend dans la chambre de façon telle qu'un des pieds d'arc apparaissant à l'ouver- ture puisse s'y déplacer, caractérisé en ce que cette chambre (24) présente une fente allongée et étroite (30) qui communique avec l'extérieur (52) et qui est placée sensiblement dans le plan de mouve- ment du contact mobile de façon telle qu'une portion impor- tante (51) de la longueur de l'arc (50) s'y trouve chassée lors de son développement et subisse localement un rétrécis- sement de sa section. 2. Dispositif interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une extrémité (26, 27) du déflecteur (21, 23) se trouvant éloignée de la pastille de contact fixe (3) arrive au voisinage d'une extrémité longitudinale (56, 57) de la fente (30) ou dans celle-ci. 3. Dispositif interrupteur selon l'une des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que deux parois opposées (42,-43) de la chambre d'arc (24) qui s'étendent entre une région (38) recevant les pastilles de contacts (3, 13) et la fente (30) convergent vers cette dernière. - 13 - 4. Dispositif interrupteur selon l'une des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que la fente (30, 31) s'étend parallèle- ment au mouvement du contact mobile (11) dans une région du bottier (2) o les moyens (7, 8; 32a, 32b) développant l'interaction électromagnétique, cessent d'exercer leur influence. 5. Dispositif interrupteur selon l'une des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que ces moyens d'assistance sont consti- tués par au moins une boucle conductrice (7a' 7b) qui est placée extérieurement au bottier (2), qui s'étend dans un plan (Q1) respectivement (Q2) sensiblement parallèle au plan de déplacement (P) de la pièce mobile (11) et qui relie électriquement la pièce de contact fixe (3) et une borne (5) du circuit. 6. Dispositif interrupteur selon l'une des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce qu'à ces moyens d'assistance est associée au moins une structure magnétisable (71, 72) de faible épaisseur, qui est placée extérieurement au bottier (2). 7. Dispositif interrupteur selon l'une des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que deux chambres de coupure (24, 25) équipées chacune d'une section d'interrupteur (3, 13; 4, 14) et d'une fente (30) respectivement (31) sont disposées symétriquement par rapport à un axe de déplacement (XX') d'un pont de contact mobile (11). 8. Dispositif interrupteur selon l'une des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le bottier comporte une unique chambre de coupure recevant une pièce de contact mobile basculante - 14 - et une pièce de contact fixe, un organe de maneuvre de la pièce de contact mobile étant disposé dans une région éloi- gnée de la fente. 9. Dispositif interrupteur selon l'une des revendica- tions 7 ou 8, caractérisé en ce qu'un ressort de rappel (12) s'appuyant dans la chambre (10) hors de la région parcourue par l'arc entre les pastilles de contacts et la fente, communique à la pièce de contact mobile une force qui tend à rapprocher ces pastilles. 10. Dispositif interrupteur selon l'une des revendi- cations 2 à 9, caractérisé en ce que la ou les chambres de coupure (24) respectivement (25) reçoivent une seconde pièce conductrice de déflexion (23) circulant entre des extrémités de fentes (57, 73) opposées, distinctes des extrémités (26, 74) recevant les premiers déflecteurs (21, 22). 11. Dispositif interrupteur selon l'une des revendi- cations 1 à 9, caractérisé en ce que le bottier (2) du dispositif est présenté sous la forme d'un sous-ensemble autonome de faible épaisseur (d -), qui est muni de bornes de raccordement (5, 6) et qui vient s'insérer seul ou parallèlement à d'autres bottiers identiques dans un logement approprié appartenant à une enveloppe d'appareil de protection (49) équipé d'un organe de commande de la pièce mobile de contact. 12. Dispositif interrupteur selon l'une des revendi- cations 1 à 3 ou 5 à 11, caractérisé en ce que la fente (81) s'étend perpendiculaire- ment au mouvement (XX') du contact mobile (85) dans une région o les moyens (99) développant l'interaction électro- magnétique cessent d'exercer leur influence.