Brevet FR2687022A1 — publié le 19930806

La présente invention concerne un appareil automa- tique de mise à la terre destiné à des disjoncteurs isolés par un gaz et enfermés dans un métal, l'appareil étant destiné, à la suite d'un arc électrique, à être activé par un mécanisme de déclenchement commandé par une pression, l'appareil de mise à la terre et le mécanisme de déclenche- ment étant entièrement contenus à l'intérieur d'une enceinte métallique et, après une augmentation rapide de pression, provoquant le déclenchement de l'appareil de mise à la terre qui, en position libérée, met en court-circuit et met simultanément à la terre les trois barres omnibus présentes dans l'enceinte, l'appareil de mise à la terre ayant trois jeux de bras pivotants rappelés par les ressorts. Un appareil analogue est connu d'après le brevet norvégien N O 165 469 Un inconvénient de cet appareil connu est qu'il est surtout efficace dans le cas des pannes formant un arc puissant Un autre inconvénient est que les bras pivotants se déplacent sur un grand arc de cercle avant de venir en contact sous pression avec les barres omnibus placées dans l'enceinte Dans des circonstances défavorables, ceci peut provoquer une mise à la terre non satisfaisante du bras et de la barre omnibus correspondants - Un autre type analogue d'appareillage est déjà connu, il es-t utilisé par la Société Drischer et il a été décrit dans "Elektrizitàtswirtschaft", ( 1986), Vol 16/17, pages 616 à 618 En outre, le document DE-A-2 505 158 décrit un palpeur ou capteur qui est aussi sensible à une augmentation de pression dans un carter fermé. Il est important qu'un appareil de mise à la terre puisse fonctionner comme un ensemble totalement séparé, contrairement à la solution utilisée par Drischer dans laquelle l'appareil de mise à la terre est aussi utilisé dans les opérations normales Un ensemble séparé augmente la fiabilité, puisque, notamment, on peut ne pas prendre en considération le fait que l'appareil de mise à la terre est en position de travail, et peut présenter un grillage des surfaces de contact. Un facteur supplémentaire à prendre en considération est que la solution utilisée ne doit pas dépendre de la construction de l'enceinte mais doit pouvoir s'adapter à tous les types d'interrupteurs La solution utilisée par Drischer dépend cependant de la structure de l'enceinte qui constitue une partie primordiale de la solution globale. Comme décrit dans le brevet norvégien précité N O 165 469, il est important que la totalité de l'appareillage soit placé dans un carter fermé afin qu'une sensibilité aux variations de température dans l'enceinte ou aux variations de pression de l'atmosphère soit évitée Une caractéris- tique importante est donc le fait qurune augmentation potentielle quelconque de température dans le réceptacle, ayant une cause autre que la formation d'un arc libre, ne doit pas pouvoir provoquer un déclenchement intempestif du appareil de mise à la terre La différence de pression entre la pression régnant dans l'enveloppe de l'interrup- teur et la pression environnante n'a donc pas d'importance. Un autre avantage de la disposition de l'appareillage dans l'enceinte est qu'il n'est donc pas affecté par des condi- tions externes telles que l'humidité ou la contamination, qui ne peuvent provoquer aucune corrosion, et l'appareil n'est pas non plus influencé par la manutention lors du transport et des travaux sur l'ensemble lui- même Un tel appareil automatique de mise à la terre doit fonctionner automatiquement, et il ne faut pas qu'un utilisateur ou une autre personne puisse influer sur son fonctionnement En conséquence, il doit fonctionner en cas de panne qui provoque la formation d'un arc. Le brevet norvégien précité N O 165 469 indique aussi que l'appareil concerné doit être utilisé dans un disjonc- teur enfermé dans un métal et doit être placé dans le carter L'appareil de mise à la terre est activé uniquement par une élévation rapide de la pression dans l'enceinte, provoquée par un arc présent Un détecteur ou capteur de pression déclenche l'appareil de mise à la terre et met ainsi en court-circuit l'arc ou les arcs et élimine la cause de l'augmentation de la pression Un but important d'un tel appareillage est d'éviter l'ouverture du dispo-5 sitif de décharge de pression incorporé à l'ensemble car le gaz de l'ensemble pourrait alors être dissipé dans le milieu environnant. Des interrupteurs enfermés dans du métal et utili- sant un gaz, tel que SF 6 N 2 ou de l'air sec comme fluide isolant, sont déjà connus depuis de nombreuses années Ces types d'interrupteurs ont été utilisés jusqu'à présent surtout pour les hautes tensions ( 72,5 à 300 k V) et, récemment, on a utilisé de plus en plus fréquemment cette technique à des tensions plus basses, jusqu'à 12 à 24 k V dans les réseaux principaux de distribution La structure de faible encombrement, la fiabilité et la réduction de l'entretien nécessaire, caractérisant ces appareils, sont certaines des raisons du succès que rencontrent ces ensembles. Bien que la probabilité d'une panne (qui pourrait provoquer la formation d'un arc à l'intérieur de l'en- semble) dans ces interrupteurs fermés soit très faible, on ne peut pas considérer qu'elle est nulle Cela signifie que ces ensembles doivent subir des tests de formation d'arc destinés à garantir la sécurité des personnes qui pour- raient se trouver devant l'ensemble ou autour de celui-ci, puisque ces personnes pourraient être blessées sérieusement si la pression devait être brutalement libérée en cas de défaillance de l'ensemble. Dans le cas d'une panne interne de ces interrupteurs à carter métallique, l'arc provoque une élévation de température qui provoque elle-même une grande augmentation de la pression En conséquence, ces appareils comportent les dispositifs précités de décharge de pression qui s'ouvrent à une pression prédéterminée et dégagent le gaz de manière réglée afin qu'une détérioration incontrôlée de l'enceinte soit évitée. 4 - La présente invention concerne un appareil perfec- tionné de mise automatique à la terre qui peut fonctionner de manière fiable et rapide en cas de panne formant des arcs pour toutes les valeurs des courants de mise en court- circuit, comprises par exemple entre 1 et 20 k A ( 50 k A sous forme asymétrique). Les perfectionnements les plus importants de l'appa- reil selon l'invention par rapport à l'appareil connu (brevet norvégien précité N O 165 469) concernent l'exécu- tion de la détection de pression, la structure du mécanisme de déclenchement, et le procédé de mise en contact des bras de l'appareil de mise à la terre avec les barres omnibus. L'appareil décrit dans l'introduction est caracté- risé selon l'invention en ce que le mécanisme de déclenche- ment comprend un détecteur de pression sous forme d'un piston qui se déplace dans un tronçon cylindrique d'une chambre fermée, la chambre comporte un trou de ventilation, et un dispositif de coopération du mécanisme de déclenche- ment est mobile sous l'action du piston par l'intermédiaire d'un mécanisme à bielle, les bras de l'appareil de mise à la terre sont formés par des contacts en forme de couteau montés sur un arbre commun de rotation, l'arbre de rotation a un bras de manoeuvre relié à un ressort d'application d'une pression, et l'arbre de rotation comporte en outre une griffe de déclenchement qui, dans une première posi- tion, met le dispositif de coopération en position de coopération et qui, après déplacement du dispositif de coopération, est libérée de son contact et provoque le déclenchement de l'appareil de mise à la terre et la rotation des bras de l'appareil de mise à la terre de manière que les barres omnibus soient mises à la terre par l'intermédiaire de blocs de contact. Dans un autre mode de réalisation de l'appareil, les dispositifs de coopération constituent un arbre d'organe de déclenchement ayant une gorge en forme de demi-lune desti- née à assurer la coopération temporaire avec la griffe de déclenchement. Il est avantageux, pour éviter les forces électro- dynamiques relativement importantes qui peuvent affecter les bras de contact avant leur mise en contact avec les barres omnibus, que l'extrémité externe de chaque bloc de contact soit légèrement chanfreinée et formée d'un matériau isolant de l'électricité, si bien que les bras du jeu de bras sont écartés un bref instant avant de venir en contact direct avec la partie métallique du bloc de contact. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: les figures 1 et 2 représentent la disposition de l'appareil de mise à la terre automatique dans l'enceinte de l'interrupteur; la figure 3 est une coupe agrandie de la figure 1 dans laquelle l'appareil de mise à la terre est en position dégagée; la figure 4 représente l'appareil de mise à la terre de la figure 3 en position déclenchée; et la figure 5 illustre le principe de fonctionnement d'une jauge manométrique différentielle utilisée dans l'appareil selon l'invention. La figure 1 représente une enceinte d'interrupteur dans laquelle la section de mise à la terre automatique est désignée par la référence IV qui est représentée sur la figure 4, mais aussi sur la figure 3. Les figures 1 et 2 indiquent que l'appareil de mise à la terre est directement connecté aux manchons des sorties 16 de câble La figure 3 représente l'appareil de mise à la terre en position dégagée L'arbre 1 de raccor- dement est rappelé par exemple par deux ressorts 2 montés aux deux extrémités de l'enceinte Cet arbre 1 porte une griffe 3 de déclenchement qui est en appui contre une gorge 4 ' en demi-lune d'un arbre 3 de déclenchement Lors d'une augmentation de pression dans le réservoir, un piston 5 du détecteur 12 de pression se déplace vers la droite sur la figure 3, et l'arbre de déclenchement tourne dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, comme indiqué sur la figure 3, par l'intermédiaire d'une bielle de liaison 6 La griffe de déclenchement glisse alors sur le bord de la gorge en demi-lune 4 et libère les forces d'élasticité des ressorts 2, et l'appareil de mise à la terre est mis en position de coopération comme indiqué sur la figure 4. La figure 4 représente l'appareil de mise à la terre en position déclenchée Le mouvement de rotation de l'arbre 1 de raccordement se termine contre un coin 13 d'arrêt Les contacts 8 en forme de couteau sont donc convenablement positionnés sur le bloc de contact 9 Ce bloc de contact 9 cependant possède un nez ou organe 9 ' de guidage dont le tronçon externe 9 " est chanfreiné afin que, lorsque les contacts 8 en forme de couteau se déplacent rapidement vers le bloc 9 de contact, pendant un court moment, les contacts soient écartés et viennent ensuite en contact assurant la conduction électrique avec la partie métallique du bloc de contact 9. La figure 3 représente un support 10 destiné à tirer le piston 3 en dehors de la position convenable lorsque l'appareil de mise à la terre est fixé ou tendu en position de dégagement après qu'un essai ordinaire de fonctionnement (destiné aux nouveaux appareils) a été exécuté en usine On note immédiatement sur la figure 4 que le support 10, lorsqu'il tourne de la position indiquée sur la figure 4 à celle indiquée sur la figure 3, peut tirer le piston à distance de la position convenable Cette mise sous tension de l'appareil de mise à la terre est réalisée par rotation de l'arbre 1 et d'une saillie 1 ' de l'arbre (voir figure 2) L'ensemble du mécanisme est monté sur une cassette 11 qui est elle-même montée dans l'enceinte 7 Ainsi, cette solution permet essentiellement une adaptation à plusieurs types d'ensembles ayant des enceintes et le montage sur ces divers types. L'ensemble 12 sous pression fonctionne lui-même principalement comme jauge manométrique différentielle Il comprend une chambre pratiquement fermée 17 et un piston mobile 5 La chambre a un petit trou 14 de ventilation. Lors des variations de température dans le réservoir en cours de fonctionnement, avec de lentes variations corres- pondantes de pression dans le réservoir, la pression P 2 s'ajuste donc d'elle-même afin qu'elle soit égale à la pression Pl dans le réservoir. Le volume de la chambre du capteur de pression est relativement grand par rapport à la réduction de volume réalisée par le déplacement du piston Ceci est essentiel pour l'obtention du plus court temps de réaction possible du capteur Une augmentation de la section du piston donne une plus grande force F 1, indiquée sur la figure 5, agis- sant sur le piston et dirigée vers l'intérieur, vers la chambre, mais, en même temps, elle crée une plus grande force antagoniste Fdv après un déplacement particulier du piston, puisqu'une augmentation de la section du piston donne une augmentation de la pression P 2 de compression dans la chambre. L'appareil automatique de mise à la terre selon l'invention présente un avantage important par rapport à la solution décrite dans le brevet norvégien précité n'165 469 Le temps de connexion est bref, même avec un faible courant de court-circuit et une faible augmentation correspondante de pression dans le réservoir Ce résultat est obtenu par optimisation de la section du piston 2 P 1 V 1 (A)/V 2 (A) Pl étant la pression dans la chambre du capteur avant le déplacement du piston, P 2 la pression dans la chambre du capteur après le déplacement du piston, V 1 (A) étant le volume de la chambre du capteur en fonction de A avant le déplacement du piston, V 2 (A) étant le volume de la chambre du capteur en fonction de A après le déplacement du piston, et A étant la section du piston En général, la relation F = P A s'applique. On considère maintenant la figure 5 et on note que, si F 1 est la force due à l'augmentation de pression dans l'enceinte en cas de panne provoquant la formation d'un arc, F est la force d'entraînement en rotation de l'arbre r 4 de déclenchement, Fdv est la force due au changement de volume dans le caisson fermé 12 de pression différentielle, Ffuite est la force due aux fuites de gaz dans le caisson à pression différentielle, par le trou de ventilation 14, et Fma est une force liée aux éléments mobiles du capteur, on a F 1 = Fr + ( Fdv + Ffuite + Fma) Fuite étant approximativement nulle pendant la durée t de l'arc qui est inférieure à 1 s, et Fma étant à peu près nulle lors d'une élévation lente de la pression. Si le déplacement nécessaire choisi du piston est appelé X, la section optimale du piston A 1 pour une force minimale F 11,in est telle que 1, minmi =FIA i,min F 1 A 11 A 1 = A étant donné par l'équation F AF(A) +Fd,(A) + 0. Des essais en présence d'arc ont montré que la solution selon l'invention donnait un fonctionnement rapide et un courant de court- circuit égal à 1 k A seulement avec un temps de connexion d'environ 125 ms. L'appareil selon l'invention constitue donc un perfectionnement par rapport à la technique antérieure En outre, sa structure n'est pas sensible aux vibrations, étant donné la force relativement grande qui est nécessaire à la libération de l'appareil de mise à la terre En outre, l'arbre de déclenchement est mis à une certaine tension par un ressort 15. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux appareils qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Appareil automatique de mise à la terre destiné à des disjoncteurs isolés par un gaz et enfermés dans un métal, l'appareil étant destiné, à la suite d'un arc électrique, à être activé par un mécanisme de déclenchement ( 3, 4, 5, 6) commandé par une pression, l'appareil de mise à la terre et le mécanisme de déclenchement étant entière- ment contenus à l'intérieur d'une enceinte métallique ( 7) et, après une augmentation rapide de pression, provoquant le déclenchement de l'appareil de mise à la terre qui, en position libérée, met en court- circuit et met simultanément à la terre les trois barres omnibus présentes dans l'en- ceinte, l'appareil de mise à la terre ayant trois jeux de bras pivotants ( 8) rappelés par les ressorts, caractérisé en ce que le mécanisme de déclenchement comprend un détec- teur de pression sous forme d'un piston ( 5) qui se déplace dans un tronçon cylindrique d'une chambre fermée ( 17), la chambre comporte un trou de ventilation ( 14), et un dispo- sitif de coopération ( 4, 4 ') du mécanisme de déclenchement est mobile sous l'action du piston ( 5) par l'intermédiaire d'un mécanisme à bielle ( 6), les bras ( 8) de l'appareil de mise à la terre sont formés par des contacts en forme de couteau montés sur un arbre commun ( 1) de rotation, l'arbre de rotation a un bras de manoeuvre relié à un ressort ( 2) d'application d'une pression, et l'arbre de rotation ( 1) comporte en outre une griffe de déclenchement ( 3) qui, dans une première position, met le dispositif de coopération ( 4 ') en position de coopération et qui, après déplacement du dispositif de coopération ( 4, 4 '), est libérée de son contact et provoque le déclenchement de l'appareil de mise à la terre et la rotation des bras ( 8) de l'appareil de mise à la terre de manière que les barres omnibus soient mises à la terre par l'intermédiaire de blocs de contact ( 9). 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de mise en coopération constitue un arbre de déclenchement ( 4) ayant une gorge ( 4 ') en forme de demi-lune, destinée à être en contact temporaire avec la griffe de déclenchement ( 3). 3 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité externe de chaque bloc de contact est légèrement chanfreinée et est formée d'un matériau isolant de l'électricité.