Brevet FR2663456A1 — publié le 19911220

- DISJONCTEUR A VARISTANCE INCORPOREE La présente invention est relative à un disjoncteur à haute tension équipé de varistances pour limiter les surtensions à la coupure. On sait que plus le seuil de fonctionnement de la varistance est faible, plus la protection contre la surtension est efficace Pour obtenir un seuil de fonctionnement de varistance faible, il faut associer en série un nombre faible d'éléments de varistance; l'inconvénient est que l'énergie absorbée par chaque élément de varistance est alors élevée. La valeur limite de la surtension dont on peut se protéger par varistance est actuellement de 1,6 p u. ( 1 p u = f 12/{ Un en valeur crête, Un étant la tension nominale de phase). Pour limiter la surtension au-dessous de 1,6 p u, tout en conservant une dissipation d'énergie acceptable dans la varistance, on a proposé, notamment dans la demande de brevet français no 90 02416, d'insérer la varistance au moyen d'un système retardateur et d'un flexible. Dans la demande de brevet français N O 89 14433, on a proposé d'utiliser un système à ressort de compression et de traction. Ces systèmes donnent satisfaction, mais sont relativement complexes et onéreux. On connaît, par le brevet français no 79 08039, concernant un disjoncteur à air comprimé, un système d'insertion de résistance pendant l'ouverture, dans lequel l'électrode d'insertion se trouve sur le chemin de l'arc. On a envisagé d'adopter cette technique pour l'insertion de varistances, mais le fait de placer des électrodes d'insertion sur le chemin de l'arc conduit à une usure rapide et par suite, grève les coûts de maintenance. Un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur muni d'un dispositif d'insertion de varistance 2 - pendant la phase d'ouverture du disjoncteur, qui soit simple, fiable et peu onéreux et qui, en particulier, ne comporte ni système retardateur, ni pièce mobile complexe, ni électrode d'insertion placée sur le chemin de l'arc. L'invention est maintenant expliquée en détail par l'examen de plusieurs modes de réalisation, en référence au dessin annexé dans lequel: la figure est une vue partielle en coupe axiale d'un disjoncteur selon un premier mode de réalisation de l'invention, représenté en position enclenchée, la figure 2 est une vue du même disjoncteur en position déclenchée, la figure 3 est une vue partielle en coupe axiale d'un disjoncteur selon une variante de réalisation dans laquelle la varistance est séparée du gaz diélectrique, la figure 4 est une vue partielle en coupe d'un disjoncteur blindé muni du dispositif d'insertion de varistance réalisé selon un autre mode, la figure 5 est une vue partielle en coupe axiale d'un disjoncteur selon un second mode de réalisation, représenté en position enclenchée, la figure 6 est une vue partielle du même disjoncteur, représenté en cours d'ouverture, la figure 7 est une vue partielle du même disjoncteur, en position déclenchée. Dans les figures 1 et 2, la référence 1 désigne une enveloppe isolante cylindrique, de préférence en porcelaine, délimitant un volume intérieur 2, constituant la chambre de coupure du disjoncteur, rempli d'un gaz à rigidité 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 3 - disjoncteur Le contact 3 est solidaire d'un contact d'arc fixe 6, constitué également d'une pièce tubulaire; ce contact 6 est électriquement relié 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 Il comprend également un contact d'arc formé de doigts 11, coopérant avec le tube 6, et une buse de soufflage 12 Le capot pare-effluves 10 est fixé à ou fait partie intégrante d'une pièce cylindrique métallique 10 A fixée à une tringle de manoeuvre non représentée et en liaison électrique par des contacts appropriés à une seconde prise de courant non représentée Le disjoncteur est complété par des moyens de soufflage comprenant notamment un piston de soufflage fixe 13 visible dans la figure 2 Les moyens de soufflage, qui ne font pas partie de l'invention, n'ont pas été représentés plus en détail. Ils sont réalisés de manière bien connue de l'homme du métier. Le disjoncteur comprend une varistance 20 placée à l'intérieur de la chambre de coupure; cette varistance est formée de préférence par un empilage de pastilles à oxydes métalliques à base d'oxyde de zinc (Zn O) Les pastilles forment une colonne cylindrique coaxiale à l'enveloppe 1. Des pastilles résistives 20 A, représentées symboliquement dans le dessin avec une épaisseur différente de celle des pastilles 20, peuvent être placées en série avec ces dernières et prolongent l'empilage précité Leur rôle, comme on le verra plus loin, est de limiter la puissance dans les éléments de varistances. L'empilage est pressé, à la partie supérieure de la chambre, par un ressort 21 s'appuyant par ailleurs contre un capot métallique 22 fermant la chambre et électriquement relié à la prise de courant 5 Une tresse métallique 19 assure la continuité électrique entre l'empilage résistance-varistance et le capot 22. 4 - Les pastilles sont maintenues par un tube isolant 23 fermé à sa partie inférieure par une pièce d'extrémité métallique 24, en contact électrique avec la dernière pastille de l'empilage. Le mécanisme d'insertion de la varistance (et de la résistance lorsque celle-ci est présente) est décrit maintenant. Il comprend une électrode 100 comprenant un anneau métallique 101, en cuivre par exemple, ayant un doigt de contact 102 L'anneau 101 est maintenu par deux bras 103 fixés à la pièce d'extrémité 24 Le doigt de contact 102 frotte sur une électrode tubulaire métallique 105 solidaire de l'équipage mobile et électriquement reliée aux contacts mobiles Dans le mode représenté, cette électrode est solidarisée au capot 10 et au cylindre 10 A. Selon une caractéristique de l'invention, la distance dl séparant l'anneau 102 et l'électrode 105 lorsque le disjoncteur est en position ouverte, (voir figure 2), est à peu près égale à la moitié de la distance d 2 séparant alors les contacts d'arc 6 et 11. Le fonctionnement du disjoncteur est expliqué maintenant, après avoir rappelé que sous la tension permanente ( 1 p u), la varistance se comporte comme une capacité Dans les applications en haute tension qui nécessitent un nombre assez important de pastilles de varistance en série, la capacité de la varistance en régime permanent est de l'ordre d'une trentaine de picofarads Le courant capacitif est donc extrêmement faible. A l'ouverture du disjoncteur, après la séparation des contacts principaux, un arc électrique s'établit entre les contacts d'arc 6 et 11 On suppose que l'arc s'éteint avant l'arrivée en fin de course de l'équipage mobile, c'est-à-dire pour une durée d'arc moyenne de 12 millisecondes (à 60 Hz) ou 15 ms (à 50 Hz). Pendant cette durée, il y a contact entre les pièces 101 et 105, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un arc de courte longueur lorsque les pièces 101 et 105 se sont séparées Ce contact a pour effet d'insérer la varistance dans le circuit à couper; si une surtension suffisante intervient, la varistance fonctionnera, en insérant sa valeur ohmique dans le circuit, limitant ainsi la surtension. On notera qu'à la durée d'arc mentionnée plus haut correspond une durée d'insertion de la varistance de l'ordre de 15 ms Cette durée est suffisante pour assurer la limitation effective des surtensions en particulier lors de la désinsertion des réactances de ligne, de la coupure des lignes à vide et de la coupure sur défaut triphasé pour ce qui concerne le premier pôle du disjoncteur qui coupe. En fin de course de l'équipage mobile, il n'y a plus aucun contact entre les pièces 101 et 105, la coupure de l'arc étant définitive. A cet instant, une grande partie de la tension rétablie est appliquée à l'espace interélectrode dl, entre 80 et 85 %, selon la capacité de la varistance et celle existant entre les pièces 101 et 105; ces deux capacités sont en série. En position ouverte, seulement une faible partie de la tension sera appliquée à la varistance La totalité de la tension est appliquée par contre à l'espace interélectrodes dl. La faible tension appliquée à la varistance lorsque le disjoncteur est en position ouverte évite à la varistance tout risque d'emballement thermique, de décharges partielles, etc, comme le faisait l'interrupteur série de l'art antérieur décrit plus haut. Lors de la fermeture du disjoncteur, on insère d'abord la varistance dans le circuit par le contact des pièces 101 et 105; le contact postérieur des contacts d'arc 6 et il court-circuite alors la varistance. 6 - Sous tension simple, il n'y aura pas de fonctionnement de la varistance. En opposition de phase à 2 p u par exemple, il y aura fonctionnement de la varistance à la fermeture. Pour réduire l'énergie dans la varistance, on peut prévoir, comme déjà mentionné plus haut, d'associer à la varistance une résistance de faible valeur ohmique montée en série. L'énergie de la varistance est déterminée pour un cycle de fermeture-ouverture en opposition de phases. Dans le mode de réalisation de l'invention des figures 1 et 2, la varistance est placée au sein du gaz diélectrique, car le tube 23 n'est pas étanche. Dans la variante de réalisation de la figure 3, la varistance est séparée du gaz de la chambre de coupure par un cône isolant 110, étanche La varistance est alors placée dans de l'air sec à la pression atmosphérique. Cette disposition présente l'avantage de permettre le remplacement de la varistance sans vider la chambre de coupure de l'hexafluorure de soufre sous pression qu'elle contient. La figure 4 illustre une variante de réalisation utilisable pour les disjoncteurs de type blindé dans lesquels il existe une distance importante entre les contacts et l'enveloppe extérieure de la chambre de coupure, qui est dans ce cas métallique et référencée l A. Les électrodes annulaires et coaxiales sont remplacées par des électrodes non annulaires et non coaxiales, par exemple par une électrode l OA en forme de tige, reliée à la pièce 24, coopérant par pénétration avec une électrode tubulaire 105 A reliée au tube l OA Un anneau pare-effluves 112 est placé au droit de l'extrémité de l'électrode 1 OA. Les figures 5 à 7 illustrent une variante de réalisation utilisable notamment lorsque le disjoncteur a une distance d 2 relativement faible, ne permettant pas 7 - d'obtenir un temps d'insertion suffisant avec les modes de réalisation précédents. Les éléments communs aux figures 5 à 7 et aux figures précédentes ont reçu les mêmes numéros de référence. L'électrode tubulaire 105 décrite précédemment est maintenant remplacée par une électrode tubulaire 205, coulissant à frottement doux autour des tubes 10 et 1 OA; le tube 205 porte à une première extrémité une protubérance 205 A pour le contact électrique avec l'anneau 102, et à sa deuxième extrémité un bourrelet 205 B, servant d'appui à une première extrémité d'un ressort 203 Le ressort est contenu par une pièce tubulaire métallique 204 fixée par une extrémité au tube 10 et portant, à son autre extrémité, un bourrelet 206 La seconde extrémité du ressort 203 s'appuie contre le bourrelet 206 La pièce 204 est en contact électrique avec le bourrelet 205 B de la pièce 205; la pièce 204 porte, vers son extrémité côté bourrelet, des trous 204 A dont le rôle apparaîtra plus loin Le tube 10 porte également des trous l OB au voisinage du pied de fixation de la pièce tubulaire 204. Lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, (figure 5), le ressort 203 est détendu et l'électrode 205 est en position basse L'électrode 102 est en contact avec le tube 204, le piston de soufflage 13 est en position basse. A l'ouverture du disjoncteur, (figure 6), le tube se déplace vers le bas de la figure; le gaz dans le volume de soufflage VI est comprimé et exerce, par les trous l OB, une pression sur le bourrelet 205 A, de sorte que l'électrode 205 se déplace en sens inverse, contre l'action du ressort 203 qui est comprimé Le déplacement de l'électrode 205 est aidé aussi par l'accélération à l'ouverture du contact mobile Les trous 204 A servent à l'évacuation du gaz du volume compris entre les tubes 204 et 205, ce qui permet de ne pas trop augmenter l'énergie de manoeuvre Grâce à ce mouvement de l'électrode 205, en sens inverse du mouvement de l'équipage mobile, la varistance est insérée pendant une durée suffisante, l'électrode 102 étant d'abord en contact électrique avec le tube 204, puis avec la protubérance 205 A. Après l'ouverture complète du disjoncteur, (figure 7), le piston 13 a dépassé les trous l OB; la surpression sur le bourrelet 205 B disparaît, le ressort 203 se détend, ramenant l'électrode 205 à sa position initiale et permettant ainsi de garder une distance d'isolement suffisante. A la fermeture, l'électrode 205 est plaquée contre le bourrelet 206 à cause de l'accélération du contact mobile et de la dépression du volume Vl. Dans certains cas, il est avantageux de réaliser l'électrode 205 sous la forme d'une tige métallique coulissant à l'intérieur d'un tube de faible diamètre accolé au tube 10 Cette disposition permet d'avoir un volume de gaz comprimé faible sous l'électrode 205. Les dispositions des figures 5 à 7 permettent de mettre en oeuvre l'invention par une modification minime des disjoncteurs existant, même si la distance entre les contacts, en position ouverte du disjoncteur, est faible. L'invention s'applique aux disjoncteurs à haute tension, conventionnels et blindés. -9 - REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur à haute tension à isolement par gaz à bonnes propriétés diélectriques, comprenant au moins une chambre de coupure par phase, chaque chambre comprenant un contact principal fixe relié à une première prise de courant et un contact principal mobile en liaison électrique avec une seconde prise de courant et faisant partie d'un équipage mobile relié à un mécanisme de manoeuvre, chaque chambre comprenant en outre une 1 O varistance disposée dans le prolongement des contacts principaux, caractérisé en ce que la varistance ( 20) est insérée à l'ouverture et à la fermeture du disjoncteur au moyen de deux électrodes ( 100; 105, 105 A, 205) disposées à l'extérieur et autour des contacts principaux ( 3, 9), une première électrode ( 100) étant reliée électriquement et mécaniquement à ladite varistance, la seconde électrode étant reliée à l'équipage mobile et en liaison électrique avec le contact principal mobile. 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première électrode ( 100) comprend un anneau ( 101), la seconde électrode ( 105) étant un tube à la surface extérieure duquel frotte ledit anneau. 3/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisée en ce que la seconde électrode comprend au moins un tube ( 105 A), la première électrode comportant au moins un bras ( 1 00 A), chacun desdits bras coulissant dans l'un des tubes. 4/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la seconde électrode ( 105,105 A)) est solidaire de l'équipage mobile, la distance dl entre les électrodes ( 100; 105, 105 A) lorsque le disjoncteur est en position déclenchée étant sensiblement égale à la moitié de la distance d 2 séparant les contacts d'arc ( 6, 11). / Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde électrode ( 205) est semi-mobile par rapport à l'équipage mobile et déplaçable, lors de - l'ouverture du disjoncteur, dans le sens opposé à celui de l'équipage mobile. 6/ Disjoncteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le mouvement de ladite seconde électrode ( 205) est assuré par la compression du gaz de soufflage du disjoncteur, ladite seconde électrode étant rappelé dans sa position initiale, dès la fin de la manoeuvre d'ouverture du disjoncteur, par un ressort ( 203). 7/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, lorsque le disjoncteur est en position déclenchée, la varistance supporte une tension ne dépassant pas 30 % de la tension appliquée sur la chambre de coupure. 8/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la varistance ( 20) est enfermée dans une enceinte remplie de gaz à bonnes propriétés diélectriques, sous pression. 9/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la varistance ( 20) est enfermée dans une enceinte remplie d'air sec sous pression atmosphérique. / Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la varistance ( 20) est en série avec une résistance ( 20 A) de faible valeur ohmique.