Brevet FR2681724A1 — publié le 19930326

Disjoncteur haute tension à arande tension d'arc. La présente invention se rapporte à une chambre de coupure pour haute tension à gaz diélectrique en particulier du SF6 ou de l'azote, comprenant un contact permanent fixe, un contact d'arc fixe et un équipage mobile comprenant un contact permanent et un contact d'arc et associé à des moyens de soufflage comprenant une buse isolante. Elle concerne également un disjoncteur haute tension à coupure multiple, plusieurs chambres de coupure étant montées en série, par phase, équipé d'au moins une telle chambre Dans le réseau à haute tension à compensation série à plusieurs lignes en parallèle, lors de certains types de défaut près des bancs de condensateurs, le courant de défaut peut avoir une très forte composante continue. Ceci peut entraîner des non-passages à zéro de courant de défaut pendant plusieurs cycles. Dans un article IEEE (Transactions on Power Apparatus and Systems, Nov-Décembre 1976, volume PAS-95, numéro 6, "Compressed Air, the solution for generator breakers problems"), la Déposante a signalé l'utilisation de l'air comprimé, qui permet de créer une tension d'arc élevée de quelques milliers de volts, pour la coupure des courants de défaut n'ayant pas de passage par zéro. Cependant, l'utilisation d'une chambre à air comprimé nécessite une source d'air comprimé et complique les tâches d'entretien dans le cas de disjoncteurs hybrides air/SF6. L'utilisation d'huile permet également d'obtenir des tensions d'arc élevées. Cependant, les disjoncteurs à huile ont souvent des temps d'ouverture assez longs (cinq cycles au lieu de deux cycles avec les appareils à SF6 ou à air comprimé) à cause de leur distance d'ouverture. Pour les disjoncteurs haute tension actuels à SF6, compte tenu de leur faible tension d'arc, la coupure de tels courants s'avère très difficile. L'insertion d'une tension d'arc élevée dans le circuit est nécessaire pour absorber l'énergie de la composante continue. L'on peut créer une tension d'arc élevée de deux façons. La tension d'arc dépend de la pression de soufflage. En augmentant la pression de soufflage, l'arc est mieux refroidi et sa résistance électrique plus élevée. En disposant plusieurs arcs en série, on augmente aussi la tension d'arc totale de la chambre de coupure. Le dispositif conforme à l'invention combine ces deux modes de création de tension d'arc et permet ainsi une augmentation particulièrement importante et fiable de la tension d'arc. Pour ce faire, selon l'invention, la chambre comprend des moyens d'augmentation de la pression de soufflage associés à des moyens de création d'arcs en série. Selon un mode de réalisation préféré, les moyens de création d'arc sont constitués d'électrodes annulaires disposées sur la surface intérieure de la buse. Avantageusement, les électrodes annulaires sont en nombre pair et sont reliées par paire par des conducteurs noyés dans la buse. Selon ce mode de réalisation, les moyens d'augmentation de la pression de soufflage sont, de préférence, constitués de trous pratiqués dans la buse et associés à un moyen de fermeture de ces trous opérant sur une grande partie de la course d'ouverture de l'équipage mobile. Selon une disposition constructive préférée, les trous de la buse sont placés selon des séries disposées entre chaque électrode annulaire dans un même plan transversal et régulièrement répartis sur la périphérie de la buse, ces séries étant décalées d'un plan à un autre, régulièrement selon des hélices. Avantageusement, le moyen de fermeture comprend un tube isolant coulissant sur la buse et pourvu de trous de même disposition que ceux de la buse et venant en coïncidence avec ceux-ci en fin d'ouverture. Des moyens de déplacement du tube sont alors prévus qui déplacent celui-ci conjointement à la buse et une butée stoppe le tube avant ouverture complète des contacts d'arc. Selon une première variante, les moyens de déplacement sont un accrochage mécanique auto-déconnectable par traction et agencé sur l'équipage mobile et sur le tube, associé à une butée stoppant le tube en fin de fermeture. Selon une seconde variante, les moyens de déplacement sont un ressort disposé entre le capot de la chambre et l'extrémité correspondante du tube, associé à une butée agencée sur l'équipage mobile. L'application préférée de cette chambre est d'équiper un disjoncteur haute tension à coupure multiple, plusieurs chambres de coupure étant montées en série, par phase,dont au moins une des chambres est conforme à la chambre décrite ci-dessus. Dans ce cas, de préférence, en phase d'ouverture du disjoncteur, - la chambre s'ouvre avant les autres chambres; - la chambre a une course d'ouverture plus grande que les autres chambres; - la vitesse d'ouverture de la chambre est plus grande que celle des autres chambres. Par ailleurs, en phase de fermeture du disjoncteur, la chambre en question se ferme avant les autres chambres. Les fonctions et avantages de ces différentes caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description ci-après. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide de dessins représentant seulement un mode de réalisation préféré. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une chambre de coupure conforme à l'invention, en position ouverte. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale de cette chambre de coupure, en position fermée. La figure 3 est une vue de détail de la chambre de coupure. Les figures 4 et 5 sont des vues en coupe longitudinale d'une variante de réalisation, en position ouverte et fermée. La figure 6 est une vue schématique d'une phase de disjoncteur très haute tension équipée d'une chambre de coupure conforme à l'invention. Sur les figures, la référence 1 désigne une enveloppe délimitant un volume 2 contenant les éléments de coupure de la chambre de coupure. L'enveloppe est fermée à une extrémité par un capot métallique 32 relié à une première prise de courant et auquel est fixé un tube métallique 7 constituant le contact d'arc fixe, pourvu d'un embout 7A résistant à l'arc et coaxial à un autre tube métallique 6 constituant le contact principal fixe. Le volume 2 est rempli d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexafluorure de soufre ou de l'azote, sous une pression de quelques bars. L'équipage mobile de la chambre comprend un premier tube métallique 9, prolongé par un capot pare-effluves 10 et muni d'une cloison métallique 11 transversale portant des doigts de contact 12 constituant le contact principal mobile et un second tube de soufflage 13 prolongé par des doigts de contacts 14 constituant le contact d'arc mobile. La cloison 11, percée de trous pour le passage du gaz de soufflage, porte une buse de soufflage 17 en matériau isolant. Le soufflage est assuré par un piston fixe 15 disposé à l'intérieur du tube 9. Le tube 9 est relié par des contacts glissants non représentés, à une seconde prise de courant. Un premier mode de réalisation est représenté sur les figures 1 et 2. La buse 17 est cylindrique et comporte sur sa surface intérieure, faisant saillie de l'équipage mobile au-dessus du contact d'arc mobile 14, des électrodes annulaires 60 à 65 solidaires de la buse 17 qui sont, selon l'exemple représenté, au nombre de six. Elles sont, dans tous les cas, en nombre pair et sont reliées électriquement par paire par des conducteurs 70 noyés, par moulage ou équivalent, à l'intérieur de la buse 17. Le diamètre interne des électrodes 60 à 65 est sensiblement égal au diamètre externe du contact d'arc fixe 7. La buse 17 est également pourvue de trous 50,51 radiaux disposés entre chaque paire d'électrodes annulaires 60 à 65 et répartis sur la périphérie de la buse 17. Une série de trous 50 est également prévue sous la première électrode annulaire 60 disposée entre celle-ci et un rebord saillant de la buse 17 de diamètre intérieur sensiblement égal au diamètre extérieur du contact d'arc fixe 7. Un tube 40 isolant cylindrique est monté coulissant sur la buse 17. Il est pourvu de trous 52,53 dont la disposition correspond à celle des trous de la buse 17 comme il est vu plus loin. Ils sont de préférence oblongs, leur plus grande dimension étant dirigée dans le sens longitudinal du tube 40. Des éléments de butée pour le tube 40 sont prévus. Ils consistent en - une butée supérieure fixée au capot 32 constituée d'un cylindre 83 pourvu d'un anneau 83A de matériau amortisseur, destinée à recevoir en appui l'extrémité supérieure du tube 40 et formant la limite supérieure de déplacement de celui-ci, - une butée inférieure fixée au contact principal fixe 6 constituée d'une bride annulaire 84 munie d'un joint torique amortisseur 85, ayant une surface d'appui inclinée destinée à coopérer avec une bague 82 fixée à l'extrémité supérieure du tube 40 et formant la limite inférieure de déplacement de celui-ci. Par ailleurs, l'extrémité inférieure du tube 40 comporte une pièce 81 avec une bride annulaire longitudinale 81A destinée à se loger dans la cavité 80A d'une pièce 80 fixée sur la cloison 11 de l'équipage mobile, afin de réaliser un accrochage mécanique du tube 40 et de l'équipage mobile auto-déconnectable lorsque l'une des pièces est stoppée et l'autre déplacée. La figure 3 représente un mode de disposition préféré des trous de la buse 17 et du tube 40, ces deux pièces étant disposées en position de coïncidence des trous. Dans un même plan transversal, les trous sont selon cet exemple au nombre de trois et sont régulièrement répartis sur la périphérie du tube 40 et de la buse 17. D'un plan à un autre, ils sont décalés régulièrement pour être disposés selon des hélices identiques. Les trous 50,51 de la buse 17 sont circulaires, ceux 52,53 du tube 40 sont oblongs. Le fonctionnement du dispositif ainsi réalisé est le suivant. A la fermeture (figure 1), la bride 81A s'emboîte dans la cavité 80A, lorsque l'équipage mobile a effectué une course d. En fin de course de fermeture (figure 2), la bague 82 s'appuie sur le cylindre de butée 83. A l'ouverture (figure 2), le tube isolant 40 suit le mouvement du contact mobile et de la buse 17 par l'intermédiaire de l'accrochage mécanique 80,81. Lorsque la bague 82 vient buter contre la bride 84, le déplacement du tube 40 est progressivement arrêté grâce au joint torique 85, tandis que le contact mobile continue son déplacement jusqu'à la fin de course d'ouverture (figure 1). Durant environ 3/4 de la course d'ouverture, les trous de la buse 17 sont donc fermés par le tube 40 et la pression du gaz dans les volumes 48 et 49 monte progressivement. Durant la fin de la course sur le déplacement de longueur d, la buse 17 coulisse dans le tube 40 immobilisé et ses trous 50,51 commencent à se mettre en face respectivement des trous 52,53 du tube 40. Le soufflage devient de plus en plus important au fur et à mesure que la buse 17 s'avance vers la fin de course d'ouverture. Par la forme oblongue des trous du tube 40, le soufflage est prolongé. Par les conducteurs 70, les paires d'électrodes 60 et 61, 62 et 63, 64 et 65 sont au même potentiel. De plus, leur écartement et le soufflage du gaz à travers les trous 51 disposés entre ces paires contribuent à empêcher l'accrochage de l'arc entre ces paires d'électrodes. L'arc s'accroche donc entre le contact d'arc mobile 14 et la première électrode 60, entre la deuxième électrode 61 et la troisième électrode 62, entre la quatrième électrode 63 et la cinquième électrode 64 et entre la sixième électrode 65 et l'embout 7A du contact d'arc fixe 7. La pression de soufflage est importante au niveau de ces arcs par passage du gaz dans les trous 50 et entre la buse 17 et le contact fixe 7. Un agencement de guidage longitudinal, classique et non représenté, entre le tube 40 et la buse 17 assure la coïncidence des trous. Une chemise de protection 90, par exemple en "Téflon", permet de protéger l'enveloppe, par exemple en porcelaine contre les gaz chauds de soufflage. De préférence, la chambre possède un volume 48 à expansion thermique en série avec le volume à compression 49 pour assurer un soufflage suffisamment long même après la fin de course d'ouverture du contact mobile. Selon le mode de réalisation des figures 4 et 5, la butée 83 est remplacée par un ressort 100 disposé entre le capot 32 et la bague 82. L'accrochage mécanique réalisé sur les pièces 80 et 81 est donc supprimé, ces deux pièces venant simplement en butée, lors de la fermeture (figure 5). A la fermeture, la pièce 80 vient buter sur la pièce 81 et le tube 40 est entraîné avec l'équipage mobile jusqu'à compression du ressort 100. A l'ouverture, ce ressort 100 pousse le tube 40 qui suit le déplacement de l'équipage mobile jusqu'à sa butée avec la bride 84. Sur la figure 6 est représentée une disposition électrique d'une phase de disjoncteur THT (très haute tension), par exemple de 800 kV. Quatre chambres de coupure sont disposées en série, dont trois chambres B,C,D sont des chambres à SF6 classiques et identiques et dont une chambre A est une chambre à SF6 telle que décrite ci-dessus à savoir équipée d'un dispositif à grande tension d'arc. Sur cette chambre A, est disposé une composante E constituée soit d'une résistance, soit d'une capacité de grande valeur, mais de tension à tenir assez faible d'une dizaine de kilovolts seulement. Sur les chambres B,C,D sont montés des condensateurs de répartition CO. En position ouverte et à la coupure après extinction du courant de défaut, il n'y a pratiquement pas de tension aux bornes de la chambre A compte tenu de la résistance ou du condensateur E de grande valeur. La chambre A peut avoir la même course et la même vitesse d'ouverture que les chambres B, C et D. Lors d'un défaut à grande composante continue (donc pas de passage par zéro), les quatre chambres A, B, C et D s'ouvrent en même temps. La grande tension d'arc de la chambre A après environ 3/4 de sa course d'ouverture impose une décroissance rapide de la composante continue, créant alors un passage par zéro, favorisant ainsi la coupure des chambres B, C et D. L'on a, selon les exemples décrits, sept arcs en série. Il est cependant préférable que - la chambre A s'ouvre avant les chambres B, C et D; - la chambre A ait une course d'ouverture plus grande afin d'avoir plus d'intervalles d'arcs en série; - la vitesse d'ouverture de la chambre A soit plus grande que celle des chambres B, C et D. Le rôle de la chambre A est de créer une tension d'arc élevée et non d'assurer la coupure du courant. La coupure et la tenue en tension dépend des chambres B, C et D. En augmentant la pression de fonctionnement de la chambre A, on augmente aussi la tension d'arc. Globalement, en doublant la pression de fonctionnement, on multiplie la tension d'arc par En utilisant de l'azote au lieu du SF6, on augmente la tension d'arc de l'ordre de 30% pour la même pression de fonctionnement. La chambre A n'ayant pas de tension élevée ni de tension permanente à tenir, on peut très facilement utiliser comme enveloppe isolante des matériaux composites tel que la fibre de verre imprégnée de résine époxy qui peut supporter des pressions élevées de plusieurs trentaines de bars. Avec cette pression, l'utilisation de l'azote est nécessaire pour éviter la condensation du gaz à basse température. Il est également préférable que la chambre A se ferme avant les chambres B, C et D, afin d'éviter l'usure sur les électrodes annulaires 60 à 65. REVENDICATIONS 1) Chambre de coupure pour haute tension à gaz diélectrique en particulier du SF6 ou de l'azote, comprenant un contact permanent fixe (6), un contact d'arc fixe (7) et un équipage mobile comprenant un contact permanent (12) et un contact d'arc (14) et associé à des moyens de soufflage comprenant une buse isolante (17), chambre caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'augmentation de la pression de soufflage associés à des moyens de création d'arcs en série. 2) Chambre selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de création d'arc sont constitués d'électrodes annulaires (61 à 65) disposées sur la surface intérieure de la buse (17). 3) Chambre selon la revendication 2, caractérisée en ce que les électrodes annulaires (60 à 65) sont en nombre pair et sont reliées par paire (60 et 61, 62 et 63, 64 et 65) par des conducteurs (70) noyés dans la buse (17). 4) Chambre selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que les moyens d'augmentation de la pression de soufflage sont constitués de trous (50, 51) pratiqués dans la buse (17) et associés à un moyen de fermeture de ces trous opérant sur une grande partie de la course d'ouverture de l'équipage mobile. 5) Chambre selon la revendication 4, caractérisée en ce que les trous (50, 51) de la buse (17) sont placés selon des séries disposées entre chaque électrode annulaire (60 à 65) dans un même plan transversal et régulièrement répartis sur la périphérie de la buse (17), ces séries étant décalées d'un plan à un autre, régulièrement selon des hélices. 6) Chambre selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que le moyen de fermeture comprend un tube (40) isolant coulissant sur la buse (17) et pourvu de trous (52,53) de même disposition que ceux de la buse (17) et venant en coïncidence avec ceux-ci en fin d'ouverture. 7) Chambre selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de déplacement du tube (40) qui déplacent celui-ci conjointement à la buse (17) sur une grande partie de la course d'ouverture de l'équipage mobile. 8) Chambre selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte une butée (84) pour le tube (40) stoppant celui-ci avant ouverture complète des contacts d'arc (7,14). 9) Chambre selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que les moyens de déplacement sont un accrochage mécanique (80,81) auto-déconnectable par traction et agencé sur l'équipage mobile et sur le tube (40) associé à une butée (83) stoppant le tube (40) en fin de fermeture. 10) Chambre selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que les moyens de déplacement sont un ressort (100) disposé entre le capot (32) de la chambre et l'extrémité correspondante du tube (40) associé à une butée (80) agencée sur l'équipage mobile. 11) Disjoncteur haute tension à coupure multiple, plusieurs chambres de coupure (A,B,C,D) étant montées en série, par phase, caractérisé en ce qu'au moins une des chambres (A) est conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 12) Disjoncteur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'en phase d'ouverture du disjoncteur, - la chambre (A) s'ouvre avant les autres chambres (B,C, D); - la chambre (A) a une course d'ouverture plus grande que les autres chambres (B, C, D); - la vitesse d'ouverture de la chambre (A) est plus grande que celle des autres chambres (B, C, D). 13) Disjoncteur selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'en phase de fermeture du disjoncteur, la chambre (A) se ferme avant les autres chambres (B, C, D).