Brevet FR2704685A1 — publié le 19941104

DISJONCTEUR A ENERGIE DE MANOEUVRE D'OUVERTURE REDUITE La présente invention est relative aux disjoncteurs à haute et moyenne tension dans lesquels les chambres de coupure sont remplies de gaz à bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexafluorure de soufre SF6; l'invention vise plus particulièrement les disjoncteurs dans lesquels l'arc électrique qui apparaît entre les contacts d'arc est éteint par l'action d'un soufflage du gaz au moyen d'un piston de soufflage, cette action pouvant être associée à un autosoufflage provoqué, au passage par zéro du courant, par la détente du gaz préalablement chauffé par l'arc. Une préoccupation importante du constructeur est de réaliser des disjoncteurs du type précité pour lesquels l'énergie de commande, c'est-à-dire l'énergie que doit développer le système mécanique d'entraînement des pièces mobiles du disjoncteur, soit la plus faible possible. En effet le prix de revient d'une commande constitue une part importante du prix total de l'appareil et est directement fonction de sa puissance; toute diminution de la puissance de la commande entraîne une économie appréciable. On a déjà mis à profit l'énergie contenue dans le courant de court-circuit pour favoriser le déplacement des pièces mobiles, en particulier en utilisant l'augmentation de pression du gaz de la chambre engendrée par l'échauffement provoqué par l'arc, cette pression étant appliquée à un piston solidaire de l'équipage mobile. On pourra se référer par exemple au brevet français n 89 05050, déposé le 17 avril 1989 au nom d'ALSTHOM (Fe 17235). L'idée maîtresse de l'invention est d'utiliser des efforts électrodynamiques engendrés par le courant de court-circuit. L'invention a ainsi pour objet un disjoncteur comprenant pour chaque phase au moins une chambre de coupure remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques, un ensemble fixe comprenant notamment un contact principal et un contact d'arc, et un équipage mobile entraîné par une tige de manoeuvre et comprenant notamment un contact principal, un contact d'arc, un cylindre de soufflage et un piston de soufflage, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens utilisant les efforts électrodynamiques du courant de courtcircuit pour exercer un effort sur l'équipage mobile tendant à aider la manoeuvre d'ouverture Selon un premier mode de réalisation, lesdits moyens comprennnent au moins un ressort travaillant à la traction fixé par une première extrémité à l'équipage fixe et par une seconde extrémité à l'équipage mobile, ledit ressort étant en traction lorsque le disjoncteur est en position fermée, ledit ressort étant relié de manière à être traversé au moins partiellement par le courant d'arc. Selon un autre mode de réalisation, lesdits moyens comprennent un ressort possédant un premier jeu de spires et un deuxième jeu de spires, lesdits jeux de spires étant imbriqués de sorte qu'une spire qui n'est pas une spire d'extrémité d'un jeu donné est encadrée par deux spires de l'autre jeu, les deux jeux étant relié électriquement en série et bobinés en sens inverse, le ressort étant asujetti à être, après la séparation des contacts d'arc, traversé par le courant d'arc, ledit ressort étant en appui d'une part sur un élément de l'ensemble fixe et d'autre part sur un élément de l'ensemble mobile, l'effort électrodynamique tendant à écarter les spires lorsque le ressort est parcouru par le courant d'arc s'exerçant sur l'équipage mobile dans le sens favorisant l'ouverture du disjoncteur. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description donnée ci-après de deux exemples de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue partielle en demi-coupe axiale d'une chambre de coupure, selon un premier mode de réalisation de l'invention, représentée en position fermée du disjoncteur, - la figure 2 est une vue partielle en demi-coupe axiale de la même chambre au cours d'une manoeuvre d'ouverture, - la figure 3 est une vue en demi-coupe axiale d'une chambre de coupure, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, représentée en position fermée du disjoncteur. Dans les figures 1 et 2, la référence 1 désigne une enveloppe céramique étanche délimitant un volume 2 enfermant un gaz à bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexafluorure de soufre SF6, sous une pression de quelques hectopascals. Les contacts fixes comprennent des doigts de contact 3 et un contact d'arc constitué par une tige métallique 4 terminée par un embout 4A en matériau résistant aux effets de l'arc, par exemple un alliage à base de tunstène. Les contacts fixes 3 et 4 sont reliés à une première prise de courant du disjoncteur, non représentée. Le contact d'arc mobile est constitué par des doigts 5 à l'extrémité d'un tube métallique 6 relié à une tige de manoeuvre 7 en matériau isolant. Un tube métallique 8, solidarisé au tube 6 par une portion annulaire 9, définit un cylindre de soufflage de volume annulaire 10; la portion annulaire 9 est percée de trous 9A faisant communiquer le volume 10 avec un volume d'expansion thermique 11 délimité par une buse de soufflage 12 en matériau isolant. Le cylindre de soufflage est fermé par un piston fixe 14 muni d'une tige 15 fixée à un bloc métallique fixe 16; le bloc 16 est relié à une seconde prise de courant du disjoncteur, non représentée. Le tube 8 présente une partie renflée 8A coopérant avec des doigts de contact 17 reliés au bloc 16 pour assurer le passage du courant. Plusieurs ressorts travaillant à la traction, tel que le ressort 20, sont disposés parallèlement à l'axe xx et tendus entre l'extrémité du tube 8 faisant partie de l'ensemble mobile et le bloc métallique fixe 16. Les ressorts 20 sont des ressorts à faible flêche par spire et à grand nombre de spires. La section des spires est circulaire ou oblongue ou rectangulaire. La force des ressorts est très faible. Le matériau des ressorts est choisi de préférence parmi le cuivre, l'acier inoxydable ou le cuivre au béryllium. Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant: - lorsque le disjoncteur est en position fermée (figure 1) les ressorts 20 sont tendus; le courant nominal passe par les doigts 3, le tube 8, 8A les doigts 17 et le bloc 16. - à l'ouverture du disjoncteur, provoqué par la détection d'un courant de court-circuit, l'ensemble mobile est tiré vers la droite de la figure; les contacts principaux 3 et 8 se séparent et le courant commute sur les contacts d'arc 4 et 5; à la séparation de ces contacts, un arc 21 jaillit entre les contacts 4 et 5; le courant passe alors par le contact 4, l'arc 21, les doigts 5, la couronne 9, le tube 8, 8A, les doigts 17 et le bloc 16. Peu après la séparation des contacts 4 et 5, les doigts 17 quittent le tube 8A; le courant passe alors dans les ressorts 20 (figure 2). Chaque spire d'un ressort est parcouru par un courant et est encadrée par deux spires adjacentes parcourues par le même courant dans le même sens; les spires s'attirent donc réciproquement, avec une force d'autant plus grande que les spires sont proches et que le courant est important. I1 en résulte une force importante exercée sur l'équipage mobile qui va permettre son déplacement rapide et la rapide compression du gaz des volumes 10 et 11. Ce gaz va rapidement s'échauffer et, au passage par zéro du courant, se détendre rapidement et assurer le soufflage et l'extinction définitive de l'arc. - à la fermeture du disjoncteur, l'équipage mobile est poussé vers la gauche des figures; les pièces 17 et 8A viennent en contact en premier, puis les contacts 4 et 5 et enfin les contacts principaux 3 et 8. Dès que le contact entre 8A et 17 est établi, le ressort 20 est court-circuité, ce qui permet d'éviter tout effet de répulsion dans le cas de fermeture sur courtcircuit. Dans une variante de réalisation, les ressorts 20 sont remplacés par un ressort unique de grande dimension, d'axe xx. La figure 3 illustre un autre mode de mise en oeuvre de l'idée inventive, dans lequel le courant de court-circuit traverse un ressort double 22 dont les spires adjacentes sont parcourues par le courant de court-circuit en sens opposés Les éléments communs à la figure 3 et aux figures 1 et 2 ont reçu les memes numéros de référence. Le ressort double 22 est un ressort dans lequel un premier jeu de spires (les spires telle que S1 hachurées selon /// dans le dessin) est imbriqué dans un second jeu de spires (les spires telle que S2 hachurées selon \\\ dans le dessin) de sorte que chaque spire d'un jeu (sauf les spires d'extrémité) est encadrée par deux spires de l'autre jeu; les deux jeux de spires sont reliés à une extrémité commune, en Snl et Sn2 dans la figure, ce qui revient à les connecter électriquement en série; les deux jeux sont bobinés en sens inverses, de sorte que si l'ensemble est parcouru par le courant de court-circuit, les spires se repoussent violemment deux à deux. Le ressort double S1-S2 est contenu entre l'extrémité de la tige de piston 15 et une partie isolante 23A d'une pièce 23 dont l'autre partie, métallique, 23B, est solidarisée au contact principal mobile 8-8A. Un manchon isolant fixe 24 isole le ressort du tube 6. Une première extrémité de l'ensemble S1-S2 est reliée électriquement au contact d'arc mobile 5 via la couronne 9, le contact 8, un contact glissant 25 et la tige 15 du piston. La seconde extrémité de l'ensemble S1-S2 est électriquement reliée au bloc métallique fixe 16 par un conducteur 26 disposé de préférence dans un canal du manchon 24. Avantageusement, les spires du ressort sont plates (en forme de couronne par exemple) et le ressort n'a qu'une force négligeable. Le matériau choisi pour le resort est le même que celui choisi pour le ressort décrit précédemment, en référence aux figure 1 et 2. Le fonctionnement est le suivant: - en l'absence de défaut, le courant circule entre les contacts 3, 8-8A et 17. - lorsque le court-circuit est signalé par les organes de protection, la manoeuvre du disjoncteur est commandée et la tringle de manoeuvre tire l'ensemble mobile vers la droite de la figure. Les contacts principaux 3 et 8 se séparent et le courant de court-circuit passe alors par les contacts 4-4A, 5, 8-8A et 17. - à la séparation des contacts d'arc 4-4A et 5, un arc apparaît entre les contacts d'arc; peu après, les contacts 8A et 17 se séparent, de sorte que le courant de courtcircuit emprunte le chemin suivant: le contact 4-4A, l'arc, le contact 5, la couronne 9, le contact 8, le contact glissant 25, la tige du piston 15, les spires S1 du ressort, les spires S2 du ressort, le conducteur 26 et le bloc 16. Les spires du ressort se repoussent violemment deux à deux, de sorte que l'équipage mobile reçoit une forte poussée vers la droite de la figure, ce qui contribue fortement à la manoeuvre de l'appareil. La fermeture du disjoncteur se fait par une manoeuvre vers la gauche de l'équipage mobile. Le premier contact qui s'effectue est celui des contacts 17 et 8A, ce qui a pour effet de court-circuiter le ressort S1-S2, et d'éviter tout effet de répulsion dans le cas de fermeture sur un courant de court-circuit. Bien que les exemple décrits se rapportent à des disjoncteurs de type ouvert, il faut bien comprendre que l'invention s'applique également aux disjoncteurs à enveloppe métallique à la terre. REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur comprenant pour chaque phase au moins une chambre de coupure remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques, un ensemble fixe comprenant notamment un contact principal et un contact d'arc, et un équipage mobile entraîné par une tige de manoeuvre et comprenant notamment un contact principal, un contact d'arc, un cylindre de soufflage et un piston de soufflage, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (20; 22) utilisant les efforts électrodynamiques du courant de court-circuit pour exercer un effort sur l'équipage mobile tendant à aider la manoeuvre d'ouverture 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennnent au moins un ressort de traction (20) de faible force, fixé par une première extrémité à l'équipage fixe et par une seconde extrémité à l'équipage mobile, ledit ressort étant en traction lorsque le disjoncteur est en position fermée, ledit ressort étant relié électriquement de manière à être traversé, après la séparation des contacts d'arc, par le courant d'arc et provoquant, par la force électrodynamique qui tend à rapprocher les spires les une des autres, un effort sur l'équipage mobile dans le sens tendant à favoriser la manoeuvre d'ouverture. 3/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un ressort (22) possédant un premier jeu de spires (S1) et un second jeu des spires (S2), lesdits jeux de spires étant imbriqués de sorte qu'une spire qui n'est pas une spire d'extrémité d'un jeu donné est encadrée par deux spires de l'autre jeu, les deux jeux étant relié électriquement en série et bobinés en sens invenrse, le ressort étant asujetti à être, après la séparation des contacts d'arc, traversé par le courant d'arc, ledit ressort étant en appui d'une part sur un élément de ensemble fixe et d'autre part sur un élément de l'ensemble mobile, l'effort électrodynamique tendant à écarter les spires lorsque le ressort est parcouru par le courant d'arc s'exerçant sur l'équipage mobile dans le sens favorisant l'ouverture du disjoncteur.