Brevet FR2651065A1 — publié le 19910222

-I _ DISJONCTEUR A MOYENNE TENSION A AUTOSOUFFLAGE La présente invention concerne un disjoncteur à moyenne tension dans lequel l'isolation est assurée par un gaz à bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexafluorure de soufre (SF6), ce même gaz assurant par autosoufflage l'extinction de l'arc qui se forme à la séparation des contacts d'arc du disjoncteur. On trouve, dans ce type de disjoncteur, un volume appelé volume thermique ou volume de soufflage, qui contient les contacts d'arc et qui, au moment de la séparation de ces contacts, est échauffé par l'arc et subit de ce fait une augmentation de pression. Au premier passage par zéro du c6urant, le gaz se détend et vient souffler l'arc. On connaît les difficultés rencontrées pour réaliser un tel appareil: lors de la coupure des courants de faible intensité (par exemple de valeur inférieure ou égale à l'intensité nominale du courant dans le circuit dans lequel est inséré le disjoncteur), la montée en pression peut être insuffisante ou trop importante, selon la dimension du volume de soufflage. Si le volume de soufflage est important, la montée en pression est faible et le soufflage peut être insuffisant; si le volume de soufflage est faible, la montée en pression est importante, mais la durée de soufflage peut être insuffisante pour une bonne efficacité. - lors de la coupure des courants de grande intensité (courants de courtcircuit par exemple), la montée en pression ne doit pas être trop importante, ce qui pourrait entrainer des risques d'endommagement de la chambre de coupure. Pour résoudre ces problèmes, il a été proposé-, notamment par le document EP-A- 0315505, de prévoir une chambre de coupure, servant de volume de soufflage, à volume variable selon l'intensité du courant à couper. -2 - Ceci est obtenu en remplaçant le contact d'arc fixe qu'on trouve habituellement dans les disjoncteur par un contact semi-fixe lié à un piston repoussé par un ressort antagoniste. Selon l'intensité du courant à couper, le déplacement du piston est plus ou moins important et corrélativement, le volume de soufflage est plus ou moins grand. Plus précisément, pour les faibles courants, le volume de soufflage reste constant; lorsque le courant atteint un seuil donné, un volume additionnel est ajouté; pour les courants à couper de moyenne intensité, le volume de soufflage augmente par déplacement du piston contre l'action du ressort; la possibilité d'extension du volume de soufflage est limitée à un volume déterminé, de sorte que pour les courants de très fortes intensités, la chambre de coupure pourrait être endommagée. Pour éviter cet inconvénient, on est obligé de surdimensionner la chambre de coupure, ce qui est fait au détriment du bon fonctionnement pour la coupure des courants de faible intensité. La présente invention se propose d'apporter des améliorations aux disjoncteurs à moyenne tension du type précité. Un premier but est de réaliser un disjoncteur permettant, lorsqu'un seuil supérieur de courant à couper est atteint, de mettre en communication le volume de soufflage, immédiatement et automatiquement, avec un volume supplémentaire pour réduire la montée en pression à une valeur acceptable; un autre but de l'invention- est de réaliser un disjoncteur dans lequel le soufflage des gaz est effectué très près des racines de l'arc; un autre but de l'invention est de réaliser un disjoncteur dans lequel est assurée une circulation du gaz de soufflage pendant la coupure des courants de forte intensité, de manière à mieux régénérer les qualités diélectriques du gaz. L'invention a pour objet un disjoncteur à moyenne tension à autosoufflage comprenant une enveloppe étanche -3 2651065 remplie d'un gaz diélectrique à l'intérieur de laquelle sont placés un premier contact semi-fixe électriquement relié à une première prise de courant et un second contact mobile électriquement relié à une seconde prise de courant et mécaniquement relié. à un organe de manoeuvre, ledit contact semi-fixe étant associé à un piston se déplaçant dans un premier cylindre constituant un premier volume de soufflage et muni à une extrémité d'une buse de soufflage dans laquelle peut s'engager le contact mobile lorsque le 1 disjoncteur est en position enclenchée, ledit piston étant soumis à l'action d'un ressort tendant à déplacer le piston dans le sens o ledit premier volume diminue, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire communiquer automatiquement ledit premier volume avec un second volume lorsque le courant à couper, de forte intensité, atteint une valeur de seuil prédéterminée. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens comprennent une série d'ouvertures pratiquées dans ledit premier cylindre et débouchant dans 'ledit second volume de soufflage, ce dernier communiquant - par des canaux avec l'intérieur de la buse. Dans un autre mode de réalisation, lesdits moyens comprennent des clapets montés dans ledit premier cylindre et débouchant dans le second volume, lesdits clapets ne s'ouvrant que lorsque la pression dans le premier cylindre atteint une valeur de seuil donnée. Dans un autre mode de réalisation, lesdits moyens comprennent une-chemise séparant lesdits premier et second volumes, ladite chemise pouvant se déplacer contre l'action d'un ressort lorsque la pression dans ledit premier volume atteint ledit seuil. L'invention sera bien comprise par la description donnée ci-après de divers modes de réalisation de l'invention,en référence au dessin dans lequel: -4- - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un disjoncteur selon un premier mode de réalisation, -les figures 2 et 3 sont des schémas expliquant le fonctionnement du disjoncteur de la figure 1 lors de la coupure des courants de forte intensité, - la figure 4 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un disjoncteur selon un second mode de réalisation de l'invention, - la figure 5 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un disjoncteur selon un troisième mode de réalisation de l'invention, - la figure 6 est un schéma expliquant le fonctionnement du disjoncteur de la figure 5, - la figure 7 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un disjoncteur selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, la figure 8 est un schéma expliquant le fonctionnement du disjoncteur de la figure 7, - la figure 9 est une vue schématique en coupe axiale d'un disjoncteur selon un cinquième mode de réalisation de l'invention, et, la figure 10 est un schéma expliquant le fonctionnement du disjoncteur de la figure 9. Dans la figure 1, on distingue une enveloppe 1, en matériau isolant, à l'intérieur de laquelle se trouve un gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre SF6, sous une pression de quelques bars. Une première prise de courant 2, traversant l'enveloppe de manière étanche, est électriquement reliée, par l'intermédiaire d'une tresse 3, à un premier contact 4, appelé semi-fixe pour des raisons exposées plus loin. Le contact 4 est terminé par une pièce d'usure 4A en matériau résistant aux effets de l'arc électrique, par exemple un alliage à base de tungstène. -5 - Une seconde prise de courant 5, traversant l'enveloppe 1 de manière étanche, est électriquement reliée par des contacts glissants 6, à une tige 7 constituant un contact mobile du disjoncteur; la tige 7 traverse l'enveloppe de manière étanche et est reliée à un mécanisme de manoeuvre non représenté. La tige 7 possède une extrémité 7A en matériau résistant aux effets de l'arc électrique. Le contact semi-fixe 4 est fixé à un piston 8 coulissant dans un cylindre fixe 9 délimitant un premier volume Vl; la course du piston 8 est limitée vers le haut par une couronne 9A et vers le bas par un épaulement 9B du cylindre 9. Le contact 4 est poussé par un ressort 10 qui est comprimé lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, comme c'est le cas dans la figure 1. Le cylindre 9 est placé à l'intérieur d'un cylindre 12, de dimensions plus grande; on désigne par V2 le volume compris entre les cylindres 9 et 12. Les volumes VI et V2 communiquent par des ouvertures 13 pratiquées dans la parois du cylindre 9, à la partie haute de ce dernier. Les cylindres 9 et 12 se referment, à leur partie inférieure, pour définir des canaux axiaux 14 traversant une buse de soufflage 15 à travers laquelle coulisse la tige de contact 7. On a indiqué par a et b les limites de course de l'extrémité du contact semi-fixe 4, et par a et c les limites d'excursion du contact mobile 7. Des trous tels que 16, pratiqués dans la prise 2, assurent une parfaite circulation des gaz à l'intérieur de l'enceinte 1. Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant. Coupure des faibles courants. Il s'agit des courants dont l'intensité est inférieure ou égale à l'intensité nominale du circuit dans lequel est inséré le disjoncteur. -6 - Le contact mobile 7 est entraîné par le dispositif de manoeuvre; le contact 4, poussé par le -ressort 10,se déplace avec le contact 7 jusqu'à la cote b; pendant cette phase, le volume V1 est comprimé adiabatiquement; au début du mouvement, le piston 8 franchit les ouvertures 13, de sorte qu'il n'y a plus de communication entre les volumes Vl et V2; Lorsque l'extrémité du contact 4 atteint l.a cote b, les contacts 4 et 7 se séparent et un arc jaillit; dès que l'extrémité du contact 7 a dépassé le col de la buse 0 15 (cote c), le gaz du volume V1 se détend à travers la buse 15 et souffle l'arc. Dans cette opération, la surpression due à l'échauffement du gaz du volume Vl est faible, puisque le courant à couper est faible, et son action qui tend à repousser le piston 9 est contrebalancée par l'action du ressort 10. La faible énergie de soufflage nécessaire à la coupure d'un courant de faible intensité est fournie par la compression du gaz dans le volume Vl réduit au minimum; Coupure des courants d'intensité moyenne. Il s'agit des courants d'intensité comprise par exemple entre une fois l'intensité nominale du circuit et une valeur de seuil donnée, par exemple cinq fois l'intensité nominale. Le fonctionnement est analogue, mais, à la séparation des contacts, l'arc est d'une telle intensité que l'échauffement engendre une surpression qui repousse le piston 8 contre l'action du ressort 10; toutefois, comme le courant à couper n'est que d'intensité moyenne, cette surpression est insuffisante pour repousser le piston au-delà des ouvertures 13, de sorte que le volume Vl reste isolé. La surpression dans le volume Vl est cependant suffisante pour couper les courants de moyenne intensité. Coupure des courants de forte intensité. Il s'agit des courants dont l'intensité est supérieure à celle de la valeur de seuil précitée. -7 - A la séparation des contacts, l'arc qui jaillit engendre une telle surpression qu'elle repousse le piston 8 au-delà de la zone des ouvertures 13 et qu'une communication s'établit entre les volumes VI et V2. De la sorte, la surpression est limitée à valeur acceptable; au passage par zéro du courant,le gaz mis en pression dans le volume V2 souffle l'arc par les canaux 14 et par les ouvertures 13 et le volume Vl si le piston 8 est resté au-delà de la zone de ces ouvertures (figure 2) ou par le volume Vi et les canaux 14 si le piston 8 a repassé la zone des ouvertures 13 (figure 3). On note que grâce à la présence des canaux 14, le soufflage de l'arc, bien centré par la buse 15, est exercé très près de la racine de l'arc, ce qui est une garantie d'efficacité. Il peut être avantageux de prévoir une ouverture axiale 4B du contact 4, ce qui permet d'exercer un soufflage encore près de l'autre racine de l'arc et dans le sens opposé à celui des autres jets de gaz. La figure 4 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un disjoncteur selon un deuxième mode de réalisation. Les éléments communs à cette figure et à la figure 1 ont reçu les mêmes numéros de référence. Ce mode de réalisation diffère de celui des figures 1 à 3 en ce que les ouvertures 13 sont supprimées et remplacées par des clapets 19, qui ne peuvent s'ouvrir que dans le sens du volume Vi vers le volume V2. Ces clapets sont tarés pour ne s'ouvrir que lorsque la pression dans le volume VI atteint une valeur de seuil donnée, correspondant à un arc occasionné par la coupure d'un courant de forte intensité. Le fonctionnement est inchangé pour la coupure des courants de faible et moyenne intensité. Pour la coupure des courants de forte intensité, la montée en pression dans le volume V1 provoque l'ouverture des clapets 19 et la mise en communication des volumes Vi et V2. Il y a -8 - alors montée en pression dans, le volume V2 et soufflage de l'arc par les canaux de soufflage 14. La figure 5 est une vue partielle schématique en coupe axiale d'un disjoncteur selon une variante de réalisation. Les éléments communs à cette figure et à la figure 1 ont reçu les mêmes numéros de référence. Dans cette variante, la communication entre les volumes V1 et V2 est réalisée par les ouvertures 13, comme dans la figure 1, mais les canaux 14 sont supprimés et remplacés par un ou plusieurs clapets unidirectionnels 20 n'autorisant le passage du gaz que du volume V2 vers le volume Vi. Le fonctionnement pour la coupure des courants faibles ou moyens est le même que précédemment. Le fonctionnement lors de la coupure des courants de forte intensité est le suivant: - pendant la période o le courant est maximal, la montée en pression dans le volume VI entraîne la remontée vers le haut du contact 4 et du piston 8 qui franchit les ouvertures 13, ce qui met en communication les volumes Vi et V2. La pression dans le volume V1 est alors supérieure à celle du volume V2. Les clapets 20 sont donc fermés. - lorsque le courant décroît vers zéro, - la coupure s'effectue au passage par zéro du courant-, la pression dans le volume Vi décroît ce qui peut provoquer le déplacement vers le bas du piston 8 et l'isolement du volume V2 par rapport au volume Vi. Lorsque la pression dans le volume Vi devient inférieure à celle du volume V2, les clapets 20 s'ouvrent et le gaz du volume V2 passe dans le volume Vi et contribue ainsi au soufflage de l'arc (figure 6). Cette variante de réalisation présente l'avantage de permettre une circulation des gaz chauds dans le volume V2, puisqu'ils rentrent par les ouvertures 13 et sortent par les clapets 20; une meilleure régénération des -9 propriétés diélectriques du gaz de soufflage est ainsi obtenue. La figure 7 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un autre mode de réalisation de l'invention; là encore, les éléments communs à cette figure et à la figure 1 ont reçu les mêmes numéros de référence. Dans cette réalisation, l'enveloppe 1 est fermée à sa partie supérieure par un plateau métallique constituant la première prise de courant 50. Le contact semi-fixe 4 est prolongé à l'extérieur de l'enveloppe 1 et comprend une extrémité 4D apte à recevoir un ressort 52 s'appuyant par ailleurs sur une structure isolante 53 surmontant l'enveloppe 1. Le contact électrique entre la tige 4 et le plateau 50 est réalisé au moyen de contacts glissants 54. Le contact 4 comporte une collerette 4C contre laquelle vient buter le piston 56 qui, cette fois n'est plus solidaire du contact 4, mais peut coulisser le long du contact. Un ressort 57 s'appuie contre le plateau 50 et vient pousser le piston 56 contre la collerette 4C. Le piston 56 coulisse dans un cylindre 58, de volume Vl, comprenant à son intérieur un épaulement 58A pour limiter la course du piston 56. L'extrémité du cylindre opposée au piston est terminée par une portion conique 58B, en matériau isolant, munie d'un orifice pour le passage du contact mobile 7. Le cylindre 58 est muni à sa partie supérieure d'une pluralité d'ouvertures 58C mettant en communication lorsque le piston 56 est en position haute, le volume V1 avec un volume V2 défini par un cylindre 60 coaxial au cylindre 58 et fixé au plateau 50. Le cylindre est fermé à sa partie inférieure par une buse isolante 61 définissant, avec la partie conique 58B, un passage 62 s'ouvrant sur la zone d'arc. L'intérieur du tube 4 communique avec le volume V3 surmontant le piston 56 par des perçages 64; ce volume v3 communique avec le volume V4 extérieur au cylindre 60 par -10 - des perçages 65. Tous ces perçages favorisent la circulation du gaz à l'intérieur de l'enveloppe 1. Le fonctionnement du disjoncteur, représenté en position enclenchée dans la figure 6, est analogue à celui décrit en référence à la figure 1, mais il existe une petite différence: lors de la coupure des courants de forte intensité, le piston remonte sous l'effet de la surpression dans le volume Vl jusqu'au-delà de la zone des ouvertures 58C, ce qui met en communication les volumes Vl 0 et V2; mais, contrairement à ce qui se passait dans le dispositif de la figure 1, le contact 4, désolidarisé du piston, continue sa course sous l'action du ressort 52, de telle sorte que les gaz de soufflage agissent beaucoup plus près des racines de l'arc, comme le montre la figure 8. Le disjoncteur de la figure 9 diffère de celui de la figure 1 en ce que les volumes Vl et V2 sont séparés par une chemise 70 pouvant coulisser de manière étanche entre le piston 8 et le cylindre 12. La chemise est fermée par une partie conique 71 en matériau isolant qui définit avec la buse 15, un passage 72. Ce passage est fermé, lorsque le disjoncteur est en position enclenchée comme dans la figure 8, sous l'action d'un ressort 73 qui appuie la chemise contre un angle de la pièce 12. En cours de déclenchement, le passage 72 reste fermé pour la coupure des courants faibles et moyens. Lors de la coupure d'un courant de forte intensité, la surpression dans le volume Vl est si forte qu'elle provoque le décollement de la chemise 70, ce qui ajoute le volume V2 au volume de soufflage. Lors du passage par zéro du courant, le gaz de soufflage traverse le passage 72 (figure 10). L'invention, dont plusieurs modes de réalisation viennent d'être décrits, permet de mieux ajuster le volume de soufflage à l'intensité du courant à couper. Les jets de gaz sont dirigés sur les racines mêmes de l'arc, ce qui de gaz sont dirigés sur les racines mêmes de l'arc, ce qui -11 assure une parfaite efficacité. La disposition interne du disjoncteur (dans les réalisations des figures 1, 4, 5 et 7) permet une circulation du gaz de soufflage dont les propriétés diélectriques sont ainsi rapidement régénérées et assurent une meilleure extinction de l'arc. -12 - REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur à moyenne tension à autosoufflage comprenant une enveloppe étanche (1) remplie d'un gaz diélectrique à l'intérieur de laquelle sont placés un premier contact semi-fixe (4) électriquement relié à une première prise de courant (2) et un second contact mobile (7) électriquement relié à une seconde prise de courant (5) et mécaniquement relié à un organe de manoeuvre, ledit contact semi-fixe étant associé à un piston (8) se déplaçant dans un premier cylindre (9) constituant un premier volume de soufflage et muni à une extrémité d'une buse de soufflage (15) dans laquelle peut s'engager le contact mobile lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, ledit piston étant soumis à l'action d'un ressort (10) tendant à déplacer le piston dans le sens o ledit premier volume diminue, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (13) pour faire communiquer automatiquement ledit premier volume (Vl) avec un second volume (V2) lorsque le courant à couper, de forte intensité, atteint une valeur de seuil prédéterminée. 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent une série d'ouvertures (13) pratiquées dans ledit premier cylindre (9), débouchant dans ledit second volume de soufflage (V2) et permettant une circulation efficace du gaz de soufflage, ledit second volume (V2) communiquant par des canaux (14) avec l'intérieur de la buse (15). 3/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent des clapets (19) disposés dans le premier cylindre (9) et débouchant dans le second volume (V2), lesdits clapets ne s'ouvrant que dans le sens du premier cylindre (9) vers le second volume (V2) et étant tarés pour ne s'ouvrir que lorsque la pression dans le premier cylindre (9) atteint une valeur de seuil donnée correspondant à un arc occasionné par la coupure d'un courant de forte intensité, ledit second volume -13 communiquant par des canaux (14) avec l'intérieur de la buse de soufflage (15). 4/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent une chemise (70) séparant lesdits premier (Vl) et second (V2) volumes, ladite chemise pouvant se déplacer contre l'action d'un ressort (73) lorsque la pression dans ledit premier volume (Vl) atteint ledit seuil. / Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit contact semi-fixe (4) est l0 solidaire du piston de soufflage (8). 6/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le contact semi-fixe (4) est désolidarisé du piston (56). 7/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit second volume (V2) est associé à des moyens de communication (14, 20, 62, 72) avec la zone voisine de la buse de soufflage. 8/ Disjoncteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de communication comprennent des canaux (14) pratiqués dans la paroi dudit second volume et au sein de la buse. 9/ Disjoncteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de communication comprennent des clapets unidirectionnels (20) disposés entre le premier (Vi) et le second (V2) volumes au voisinage de la buse (15). / Disjoncteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de communication comprennent un passage (62, 72) délimité par la buse et une partie conique (58B, 71) séparant lesdits premier (Vl) et second (V2) volumes.