Brevet FR2706072A1 — publié le 19941209

La présente invention concerne un appareil électromécanique interrupteur à commutation d'arc du genre contacteur ou disjoncteur, comprenant au moins un contact fixe et un contact mobile séparables disposés respectivement sur une pièce conductrice fixe et une pièce conductrice mobile. Lorsqu'un contacteur est placé électriquement en série avec un dispositif de protection contre les courts-circuits, par exemple un disjoncteur, sur le circuit d'alimentation d'une charge, l'apparition d'une surintensité peut avoir lieu alors que les contacts du contacteur sont fermés ou quasiment fermés. Même si le courant de défaut qui traverse le contacteur est alors limité par le dispositif de protection, il est néanmoins très supérieur au courant nominal que le contacteur interrompt normalement. Lorsque le courant de défaut entraîne une ouverture électrodynamique des contacts, I'arc alors engendré peut s'accompagner d'une liquéfaction locale des contacts fixe et mobile aux pieds anodique et cathodique, ainsi que, s'il stagne plus de 1 à 2 ms, d'un collage ou d'une soudure des contacts à la refermeture. Pour éviter cet inconvénient, il est connu d'utiliser des contacts d'arc spécifiques à côté des contacts principaux, ou bien des dispositions accélérant la migration de l'arc vers la chambre d'extinction. L'invention a pour but d'éviter de manière simple la stagnation de l'arc engendré entre les contacts lors d'une ouverture normale ou électrodynamique, en favorisant l'amorçage et le maintien d'un arc de substitution. Selon l'invention, les pièces de contact fixe et mobile présentent respectivement une première face et une deuxième face parallèles ou sensiblement parallèles à la direction d'ouverture, les deux faces étant adjacentes aux contacts et définissant entre elles en position de fermeture une fente d'ionisation de faible largeur subsistant au début de la course d'ouverture pour amorcer un arc de substitution sensiblement perpendiculaire à la direction d'ouverture. On constate que l'arc primaire et l'arc de substitution coexistent brièvement et que l'arc primaire s'éteint très rapidement, tandis que la présence de l'arc de substitution reste garantie par une longueur suffisante de la fente d'ionisation. La largeur de la fente est avantageusement inférieure à la distance critique ec d'ouverture sous efforts électrodynamiques, cette distance étant définie comme celle qui entraîne une liquéfaction substantielle des contacts susceptible d'entraîner leur collage ou leur soudure à la refermeture. Pour un appareil interrupteur en basse tension, la largeur de la fente est de préférence comprise entre environ 1 à 3 mm et la profondeur de la fente est déterminée corrélativement. 2 2706072 La face d'ionisation fixe est formée sur la paroi d'un évidement d'une partie en forme de J de la pièce de contact fixe ou rapportée à celle-ci. Une pièce métallique par exemple en acier portant l'une des faces d'ionisation peut être rapportée de manière démontable sur la pièce de contact fixe ou mobile. La description faite ci-après d'exemples de réalisation préférés de l'invention, en regard des dessins, permettra de bien comprendre ses caractéristiques et avantages. La figure I représente schématiquement un contacteur muni des dispositions d'ionisation conformes à l'invention. Les figures 2 à 5 montrent différentes phases du processus d'ouverture des contacts du contacteur de la figure 1. La figure 6 montre en vue de dessus une partie de la pièce de contact fixe. La figure 7 montre de même une variante de la pièce de contact fixe. Les figures 8 à 10 illustrent d'autres modes de réalisation de la fente d'ionisation. Les figures 11 à 13 représentent différentes phases d'ouverture des contacts du dispositif de la figure 11. La figure 14 représente la variation de la vitesse de commutation de l'arc en fonction de la largeur de la fente d'ionisation. Le contacteur schématisé sur la figure I comprend dans un boîtier 10, pour chaque pôle de puissance, un pont de contact 11 mobile selon une direction X. Le pont de contact est déplaçable par un dispositif de commande 12, dans un sens par une action électromagnétique ou manuelle, et dans l'autre sens par un ressort de rappel. Le guidage du pont de contact ou le cas échéant de son support mobile s'effectue au moyen de surfaces de guidage fixes 14 garantissant un faible jeu dans la direction Y perpendiculaire à X et un faible jeu en rotation autour de la direction X. Le pont de contact 11 porte près de chaque extrémité une pastille de contact mobile 15 et à chaque extrémité un rabattement 16 en forme d'équerre ou de doigt présentant deux faces opposées 17, 18 parallèles à la direction d'ouverture X. Chaque pastille de contact mobile 15 coopère avec une pastille de contact fixe 20 portée par un support de contact fixe 21 reliée à une borne de connexion 22. Le support 3 2706072 conducteur 21 est dans cet exemple de réalisation en forme de J pour faciliter le déplacement dans la direction Y de l'arc engendré entre les contacts lors d'une ouverture. Les dispositions usuelles de soufflage de l'arc dans la direction Y sont schématisées en 60. Seul le demi-pont de droite est illustré de manière complète sur la figure 1. Le support de contact fixe 21 offre un évidement ou puits 23 dans lequel le rabattement 16 pénètre en position de fermeture des contacts; la surface 17 du rabattement 16 qui est à l'opposé des contacts détermine avec la surface en regard 24 de l'évidement une fente d'ionisation 25. La fente 25 a une largeur e comprise de préférence entre 1 et 3 mm, et de plan moyen P-P' parallèle à la direction d'ouverture X; la surface 18 du rabattement 16 qui est proche des contacts détermine avec la surface en regard 26 de l'évidement 23 une fente d'ionisation 25a communiquant avec la fente 25 et de largeur e supérieure à celle de la fente 25. La longueur I du rabattement 16 est comprise entre 5 et 8mm pour déterminer une profondeur de fente h notable et pour maintenir ainsi la présence de la fente d'ionisation pendant une durée suffisante. La profondeur de la fente est en tout cas supérieure à sa largeur. Pour éviter un réamorçage de l'arc primaire, il est essentiel que e2 + (c-h)2 plasma engendré par l'arc initial entre les contacts se propage rapidement jusqu'à la fente. L'évidement 23 peut avoir un contour fermé (figure 6) ou un contour ouvert (figure 7) et, dans ce dernier cas, il communique avantageusement avec une chambre de coupure 28 munie d'ailettes de fractionnement d'arc 29 par une ouverture 30 ménagée dans le support 21 et s'étendant selon la direction Y. Le rabattement 16 peut être prévu sur une pièce métallique d'usure 40 rapportée de manière interchangeable au pont de contact par des moyens de fixation 41 (figure 8). Cette pièce peut être en cuivre, mais elle est de préférence en acier. Elle peut aussi être formée en prolongation d'une corne d'arc 42 illustrée en tirets sur la figure 8, de sorte que l'arc de substitution né dans la fente d'ionisation peut migrer dans la direction X le long de la pièce 40 jusqu'à la partie supérieure de la corne 42. On voit sur la figure 9 que la pièce métallique rapportée 40 peut avoir une forme de U dont une branche 43 est fixée au pont de contact et dont l'autre branche 44 détermine d'une part la face 17 de la fente d'ionisation et d'autre part une corne d'arc 45. Dans le mode de réalisation de la figure 10, le support de contact fixe 21 comprend un prolongement replié en S 46 qui détermine la fente d'ionisation 25 et présente la face 24 en regard de la face 17 de la pièce métallique rapportée 40. En position de fermeture, la 4 2706072 pièce 40 est écartée d'une distance suffisante de la partie horizontale 46a du prolongement 46. Des canaux 47 peuvent être ménagés dans la partie verticale de la pièce 40 qui fait face à la partie verticale 46b du prolongement 46 portant la face 24. La partie horizontale ou oblique 46c qui termine le prolongement 46 sert de déflecteur d'arc vers la chambre de coupure. La forme d'exécution de la figure 11, avantageuse par son faible encombrement, comprend un support 21 de contact fixe de forme plate. Le pont de contact mobile 11 présente à chaque extrémité un rabattement 50 qui est orienté dans le sens d'ouverture des contacts, à la manière d'une corne d'arc classique, mais de manière à présenter une face 51 parallèle à la direction X. Sur le support plat 21 est fixée par des moyens 52 une pièce métallique interchangeable de commutation 53; la pièce 53 est en forme de J, de L ou de U et présente une branche 54 parallèle à la direction X et une branche 55 oblique ou parallèle à la direction Y. La branche 54 porte une surface 56 parallèle à X pour déterminer avec la face 51 la fente d'ionisation de largeur e comprise entre 1 et 3 mm environ. Le fonctionnement du dispositif de la figure 1 va être expliqué à l'aide des figures 2 à 5. En position de fermeture des contacts (figure 2), le rabattement 16 plonge dans l'évidement 23. Au tout début d'une ouverture normale ou électrodynamique (figure 12), un arc A1 apparaît entre les pastilles de contact 15, 20. Quand l'écartement des contacts approche de la valeur e, il apparaît dans la fente d'ionisation 25, entre les faces 17 et 24, et/ou dans la fente 25a, un arc commuté A2. L'ouverture des contacts se poursuivant, les arcs A1, A2 coexistent, puis l'arc A1, progressivement défavorisé par rapport à A2, s'éteint et seul subsiste l'arc A2 (figure 4), le dimensionnement des largeurs de fente e, de la longueur I du rabattement 16 et de la profondeur corrélative h de la fente étant essentiels pour que cette substitution ait lieu de manière rapide et fiable. Ensuite (figure 5), l'arc A2 se déplace en A'2 en sortant de la fente d'ionisation 25 puis est transféré par saut ou migration en A3 aux ailettes d'extinction 29. Des dispositions usuelles de soufflage, schématiquement représentées en 60 sur la figure 1, contribuent à favoriser la propagation du plasma vers la fente 25 et de l'arc de substitution A'2 vers la chambre d'extinction 28. Ces dispositions peuvent comprendre la forme des adductions de courant 11, 21, des circuits magnétiques en U entourant la zone des contacts, etc... Le fonctionnement du dispositif de la figure 10 est expliqué à présent en regard des figures 11 à 13. Au début d'une ouverture sous courant nominal ou courant de défaut (figure 11), un arc A1 apparaît entre les pastilles de contact 15, 20, puis, aussitôt après et avec l'aide de la diffusion du plasma dans la fente 25 de largeur e, un arc A2 s'amorce entre les faces verticales 51, 56. L'arc A1 disparaît et seul subsiste l'arc A2 maintenu grâce au maintien 2706072 temporaire de l'intervalle e. Ensuite, I'arc A2 migre en A'2 (figure 12) et son pied de liaison avec la branche 55 de la pièce de commutation en J 53 se déplace vers l'extrémité libre de cette branche (figure 13); il en résulte que le courant chemine en 57 dans la direction opposée à X, ce qui favorise le soufflage de l'arc A'2. La configuration de la pièce 53 peut être modifiée de différentes manières connues en elles-mêmes pour accentuer cet effet de soufflage. L'arc A'2 commute finalement en A3 vers les ailettes d'extinction. La figure 14 explicite le temps t de commutation de l'arc A1, c'est-àdire jusqu'à disparition totale de courant entre les pastilles 15 et 20, en fonction de la largeur e de la fente d'ionisation exprimée en mm, dans un appareil fonctionnant en basse tension de distribution. Dans l'appareil conforme à l'invention, on observe, outre la réduction du collage des contacts lors de répulsions électrodynamiques sous courants forts, une réduction de l'usure des contacts lors de manoeuvres de coupure de type AC4, ainsi qu'une réduction des variations de résistance de contact. 6 2706072 REVENDICATIONS 1. Appareil électromécanique interrupteur du genre contacteur ou disjoncteur, comprenant au moins un contact fixe et un contact mobile disposés respectivement sur une pièce conductrice fixe et une pièce conductrice mobile, le contact mobile étant séparable du contact fixe selon une direction d'ouverture, un arc primaire étant alors engendré entre les contacts, caractérisé par le fait que - les pièces de contact fixe (11) et mobile (21) présentent respectivement une première face (17; 51) et une deuxième face (24; 56) parallèles ou sensiblement parallèles à la direction d'ouverture (X), - les deux faces sont adjacentes aux contacts (15, 20) et définissent entre elles en position de fermeture une fente d'ionisation (25,25a) de faible largeur (e) subsistant au début de la course d'ouverture pour amorcer un arc de substitution (A2) sensiblement perpendiculaire à la direction d'ouverture (X). 2. Appareil électromécanique interrupteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la largeur (e) de la fente d'ionisation (25) est inférieure à la distance critique d'ouverture sous efforts électrodynamiques (ec). 3. Appareil électromécanique interrupteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la largeur (e) de la fente d'ionisation (25) est comprise entre environ 1 mm et environ 3 mm. 4. Appareil électromécanique interrupteur selon les revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la fente d'ionisation (25) présente sa faible largeur (e) selon une direction (Y) perpendiculaire à la direction d'ouverture (X) et orientée dans le sens de la longueur des pièces de contact fixe (21) et mobile (11), et présente un plan moyen (P- P') orthogonal à la direction d'ouverture (X), et qu'il est prévu des dispositions de soufflage (60) d'arc dans la direction (Y). 7 2706072 5. Appareil électromécanique interrupteur selon les revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la profondeur de la fente d'ionisation est supérieure à sa largeur. 6. Appareil électromécanique interrupteur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'une au moins des deux faces (17, 24; 51, 56) est prévue sur une pièce métallique d'usure (40; 53) interchangeable rapportée sur la pièce de contact respective (11;21). 7. Appareil électromécanique interrupteur selon les revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'un évidement (23) présentant la deuxième face (24, 56) est ménagé dans la pièce de contact fixe (21) et un rabattement en équerre (16, 50) présentant la première face (17, 51) est prévu à l'extrémité libre de la pièce de contact mobile (11), le rabattement pénétrant dans l'évidement (23) lorsque les contacts sont fermés. 8. Appareil électromécanique interrupteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'évidement (23) communique avec une chambre d'extinction d'arc (28) par un canal (30) prévu dans la pièce de contact fixe (21) et s'étendant selon la direction (Y) perpendiculaire à la direction d'ouverture (X). 9. Appareil électromécanique interrupteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le rabattement en équerre (50) forme une corne d'arc dirigée vers la chambre d'extinction (28). 10. Appareil électromécanique interrupteur selon la revendication 9, caractérisé par le fait que la pièce de contact fixe (21) a, dans sa région proche du contact fixe (20) une forme plate et il lui est adjoint une branche de commutation (55) présentant la deuxième face (56), cette branche déterminant avec la pièce plate de contact fixe une demi-boucle pour le passage du courant d'arc commuté.