Brevet FR2662540A1 — publié le 19911129

Disjoncteur à moyenne tension La présente invention concerne un disjoncteur à moyenne tension dans lequel l'isolation électrique est assurée par un gaz à bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexafluorure de soufre, (SF 6). On connaît des disjoncteurs à moyenne tension dans lequel on trouve un volume d'expansion thermique (en abrégé: volume thermique) dont le gaz, échauffé par l'arc qui se développe à la séparation des contacts d'arc, se détend au passage par zéro du courant 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 la valeur de l'intensité nominale du courant dans la ligne ou l'installation o est inséré le disjoncteur), la montée en pression peut être insuffisante ou trop importante, selon les dimensions du volume thermique Si le volume thermique est important, la montée en pression est faible et le soufflage peut être insuffisant Si le volume thermique 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 forte intensité (courants de courtcircuit par exemple), la montée en pression et l'échauffement du gaz ne doivent pas être trop importants, ce qui pourrait entraîner un échec de la coupure. Pour résoudre ce problème, il a été proposé, notamment par le document EPA-0315505, de prévoir une chambre de coupure, servant de volume thermique, à volume variable selon l'intensité du courant à couper. Ceci est obtenu en remplaçant le contact d'arc fixe qu'on trouve habituellement dans les disjoncteurs, 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, de sorte que le volume thermique est plus ou moins grand. Un tel appareil présente un inconvénient. -2- Lors de la coupure des courants de forte intensité, la remontée complète et rapide du contact semi-fixe que le ressort est incapable de limiter, produit un allongement exagéré de l'arc, ce qui a pour effet de provoquer un échauffement trop important du gaz avec risque d'échec de la coupure et pollution importante du gaz d'isolement pouvant entraîner l'échec des coupures ultérieures. Un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur à moyenne tension ne présentant pas cet inconvénient. Un autre but de l'invention est de réaliser un disjoncteur dans lequel, pour la coupure des courants de grande intensité, un double soufflage est effectué, c'est-à-dire un soufflage sur chacune des racines de l'arc. Un autre but de l'invention est de réaliser un disjoncteur dans lequel l'expansion thermique du gaz est limitée, de manière à diminuer les risques d'échec de coupure. Tous ces buts sont atteints par le disjoncteur à moyenne tension de l'invention, qui comprend une enveloppe isolante étanche remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques, un contact d'arc semi-fixe connecté électriquement à une première prise de courant et un contact mobile relié à un mécanisme de manoeuvre et connecté électriquement à une seconde prise de courant, caractérisé en ce que le contact d'arc semi-fixe est lié à un piston pouvant se déplacer dans un volume de soufflage délimité notamment par la paroi intérieure d'un cylindre isolant intérieur à ladite enveloppe et une première face d'une buse de soufflage, ledit piston étant poussé par un ressort maintenu bandé lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, ledit disjoncteur comprenant un volume d'expansion thermique délimité notamment par la paroi intérieure dudit cylindre une seconde face de la buse et une cloison transversale à travers laquelle coulisse le contact mobile, des moyens étant prévu pour que lors d'une coupure de courant de forte intensité, le piston ne puisse, après avoir effectuer sa course dans le sens de la compression du volume de soufflage, se déplacer dans l'autre sens. Dans un mode particulier de réalisation, les moyens pour que le piston ne puisse se déplacer dans l'autre sens, sont constitués par -3- une section de passage (se) entre le col de la buse et le volume de soufflage inférieure à la section totale des autres passages offerts au gaz s'échappant du volume d'expansion thermique. Dans un premier mode de réalisation, le contact semi-mobile est un contact tubulaire mettant en communication le volume de soufflage et le volume situé à l'arrière du piston. En variante, le contact semi-mobile est une tige pleine. Dans un mode particulier de réalisation, le contact mobile est un contact tubulaire. Avantageusement, le contact mobile possède au moins un perçage placé de manière à permettre la communication entre l'extrémité de ce contact c 8 té buse et l'intérieur du volume d'expansion thermique, pendant une partie de la course de ce contact lors d'une manoeuvre de déclenchement du disjoncteur. Le cylindre isolant comprend des trous pour permettre une communication entre le volume situé à l'arrière du piston et le volume compris entre ledit cylindre et ladite enveloppe. L'invention sera bien comprise par la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé, dans lequel la figure 1 est une vue partielle schématique en coupe axiale d'un disjoncteur selon l'invention, représenté en position enclenchée, la figure 2 est une vue partielle schématique en coupe axiale du même disjoncteur, représenté en position déclenchée, la figure 3 illustre une variante de réalisation du contact semi-mobile, les figures 4 et 5 représentent partiellement en coupe axiale le disjoncteur, dans lequel le contact mobile est muni de trous, respectivement au début de la séparation des contacts et à un instant ultérieur. Dans les figures, la référence 1 désigne une enveloppe étanche en matériau isolant, remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre, sous une pression de 1 à quelques bars absolus. L'enveloppe est fermée à sa partie supérieure par une plaque -4métallique 2 prolongée pour constituer une première prise de courant du disjoncteur. Cette prise est électriquement reliée par une tresse métallique souple 18 à un piston métallique 4 portant un contact tubulaire métallique 3, dont l'extrémité 3 A est réalisée en un alliage résistant aux effets de l'arc électrique, par exemple à base de tungstène Ce contact 3 est désigné dans la suite par contact semi-mobile Le piston peut coulisser dans un volume cylindrique délimité par un cylindre isolant 8 s'étendant, à l'intérieur de l'enveloppe, coaxialement à celle-ci, et constituant une paroi de la chambre de coupure Le piston est déplacé sous l'action d'un puissant ressort 9 qui s'appuie sur la plaque 2 Le piston est muni d'une valve unidirectionnelle 5 qui ne laisse passer le gaz que dans le sens allant du volume V 3, c 8 té ressort, au volume de soufflage Vl qui va être défini plus loin Cette valve s'ouvre lors de la refermeture du disjoncteur et permet d'éviter la compression du gaz du volume V 3. Le volume de soufflage Vl est délimité par le piston 4, la paroi intérieure du cylindre 8 et une face 7 A d'une buse isolante 7 ayant un col 7 C. Le contact mobile du disjoncteur est constitué d'un tube métal- lique 10 terminé à une première extrémité par un embout en matériau résistant aux effets de l'arc et relié par une seconde extrémité à une tringle de manoeuvre 13 en matériau isolant. Cette tringle est relié classiquement à un mécanisme de manoeuvre. Le contact tubulaire 10 traverse à frottement doux le col de la buse lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, comme le montre la figure 1. Un volume d'expansion thermique V 2 est constitué par la paroi intérieure du cylindre 8, la seconde face 7 B de la buse 7 et une cloisons transversale métallique 11, prolongée à l'extérieur de l'enveloppe 1 pour constituer la seconde prise de courant du -disjoncteur Un contact électrique glissant 12 permet d'assurer la liaison électrique entre le tube 10 et la prise 11. Le tube 10 est de préférence guidé par une cloison métallique ou -5isolante transversale 15 munie de larges ouvertures 16 pour le passage du gaz Une pièce isolante 7 D permet un meilleur guidage des filets de gaz; elle peut être rapportée et fixée à la cloison 16 ou faire partie intégrante de la buse. Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant en position enclenchée (Fig 1), le ressort 9 est bandé, les tubes 3 et 10 sont en contact, le volume Vl est maximal et le courant passe par la prise 2, la tresse 18, le piston 4, les tubes 3 et 10, les contacts 12 et la prise 11. au déclenchement, la tringle 13 est entraînée par le mécanisme de manoeuvre vers le bas de la figure Le ressort 9 pousse le piston 4 qui comprime le piston 4 qui comprime le gaz du volume Vl, ce volume étant clos car le tube 10 obstrue le col de la buse Lorsque le ressort a terminé sa détente (ou, en variante non représentée, lorsque le piston 4 atteint une butée), les contacts 3 et 10 se séparent, le contact 3 s'arrêtant avec le piston 4 et le contact 10 poursuivant sa course Un arc 25 jaillit alors entre les embouts 3 A et 10 A Il faut distinguer alors selon l'intensité du courant à couper. Coupure des courants de faible intensité Il s'agit des courants d'intensité inférieure ou égale à l'intensité nominale. La coupure se fait par soufflage autopneumatique de l'arc près du contact semi-mobile 3 par détente du gaz du volume de soufflage Vl. La montée en pression dans le volume V 2 est négligeable. Coupure des courants de forte intensité Il s'agit des courants de court-circuit. A la séparation des contacts, l'arc 25, dont l'énergie est importante, transmet une partie de cette énergie au gaz du volume d'expansion thermique V 2 Cette transmission est facilitée par la dimension importante de la section S 2 d'accès au volume V 2 Il en résulte une surpression dans le volume V 2 Au passage par zéro du courant, cette surpression s'évacue par les orifices 16 (section S 2) -et par l'intérieur des tubes 10 (section S 3) et 3 (section S 4), provoquant le soufflage de l'arc. Comme la section se du passage entre l'extrémité du tube 3 et la buse 7 (accès au volume Vl) est très inférieure à la section S 2, la 6 - pression dans le volume Vi résulte surtout de la compression du piston 4 et pour une part très faible de l'échauffement du gaz par l'arc Il en résulte que l'effort du ressort 9 reste toujours supérieur à l'effort antagoniste dû à la surpression; par suite, le piston 4 ne remonte pas pendant le déclenchement. Grâce aux dispositions constructives qui viennent d'être décrites, un double soufflage, c'est-à-dire un soufflage sur chacune des racines de l'arc, est exercé lors de la coupure des courants de forte intensité Ceci est une garantie d'une bonne extinction- de l'arc. Pendant le déclenchement, l'alimentation en gaz du volume V 3, situé derrière le piston, est assuré grâce aux ouvertures 20 et également grâce au fait que le contact semi-mobile est un tube On évite ainsi une dépression derrière le piston qui entraînerait une consommation d'énergie de manoeuvre supplémentaire. Au cours de la refermeture du disjoncteur, du gaz frais passe du volume V 3 au volume Vl, ce qui permet une régénération rapide des qualités diélectriques du gaz du volume de soufflage Vl. La figure 3 montre une variante dans laquelle le contact semi-mobile est une tige pleine 30 Cette disposition permet une construction plus simple tout en conférant au disjoncteur pratiquement les mêmes qualités de coupure. Les figures 4 et 5 illustrent une variante de réalisation dans laquelle des trous 40 sont pratiqués dans le contact mobile tubulaire 10. Immédiatement après la séparation des contacts (Fig 4), le gaz échauffé par l'arc traverse le tube et, passant par les trous 40, commence à préchauffer le gaz du volume d'expansion thermique V 2. Ultérieurement, et après un certain déplacement du tube, les trous se trouvent obturés par un manchon 41, permettant une expansion ultérieure du gaz par les seuls trous 16. Cette disposition permet d'accroître encore l'efficacité de l'expansion du gaz du volume V 2. L'invention s'applique à la construction de disjoncteurs à moyenne tension, par exemple jusqu'à 45 k V. -7- REVENDICATIONS l/ Disjoncteur à moyenne tension comprenant une enveloppe isolante étanche ( 1) remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques, un contact d'arc semi-fixe ( 3) connecté électriquement à une première prise de courant ( 2) et un contact mobile ( 10) relié à un mécanisme de manoeuvre et connecté électriquement à une seconde prise de courant ( 11), caractérisé en ce que le contact d'arc semi-fixe ( 3) est lié à un piston ( 4) pouvant se déplacer dans un volume de soufflage (Vl) délimité notamment par la paroi intérieure d'un cylindre isolant ( 8) intérieur à ladite enveloppe ( 1) et une première face ( 7 A) d'une buse de soufflage ( 7), ledit piston étant poussé par un ressort ( 9) maintenu bandé lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, ledit disjoncteur comprenant un volume d'expansion thermique (V 2) délimité notamment par la paroi intérieure dudit cylindre ( 8), une seconde face ( 7 B) de la buse et une cloison transversale ( 11) à travers laquelle coulisse le contact mobile ( 10), des moyens étant prévu pour que lors d'une coupure de courant de forte intensité, le piston ( 4) ne puisse, après avoir effectué sa course dans le sens de la compression du volume de soufflage (Vl), se déplacer dans l'autre sens. 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour que le piston ( 4) ne puisse se déplacer dans l'autre sens, sont constitués par une section de passage (se), entre le col ( 7 c) de la buse ( 7) et le volume de soufflage (Vl), inférieure à la section totale (s 2 + S 3 + S 4) des autres passages offerts au gaz s'échappant du volume d'expansion thermique. 3/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le contact semi-mobile ( 3) est un contact tubulaire mettant en communication le volume de soufflage (Vl) et le volume (V 3) situé à l'arrière du piston. 4/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le contact semi-mobile est une tige pleine ( 3 A). / Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le contact mobile ( 10) est un contact tubulaire. 6/ Disjoncteur selon la revendication 5, caractérisé ne ce que le contact mobile ( 10) possède au moins un perçage que le contact mobile -8- ( 10) possède au moins un perçage ( 40) placé de manière à permettre la communication entre l'extrémité de ce contact côté buse ( 7) et l'intérieur du volume d'expansion thermique (V 2), pendant une partie de la course de ce contact lors d'une manoeuvre de déclenchement du disjoncteur. 7/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le cylindre isolant ( 8) comprend des trous ( 20) pour permettre une communication entre le volume (V 3) situé à l'arrière du piston ( 4) et le volume compris entre ledit cylindre ( 8) et ladite enveloppe ( 1).