Brevet FR2705494A1 — publié le 19941125

DISJONCTEUR A MANOEUVRE ASSISTEE PAR VOIE ELECTRODYNAMIQUE La présente invention est relative aux disjoncteurs à moyenne ou haute tension dans lesquels la chambre de coupure est remplie de gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre SF6, l'azote, ou un mélange de ces gaz, sous une pressions de quelques hectopascals. L'invention vise plus particulièrement les disjoncteurs dans lesquels l'arc électrique qui apparat 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 associé 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 disjoncteur 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 du disjoncteur et est directement fonction de sa puissance; toute diminution de la puissance de la commande entraîne une économie appréciable. L'énergie d'une commande est liée au pouvoir de coupure de l'appareil; toute augmentation du pouvoir de coupure permet d'envisager une diminution de la puisssance de la commande. Le demandeur a observé que le pouvoir de coupure d'un disjoncteur à soufflage d'arc par auto-expansion est d'autant plus grand que la pression dans le cylindre est importante au moment de l'appartition de l'arc. Un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur dans lequel une augmentation rapide de la pression est engendrée dans le cylindre de soufflage dès l'apparition du courant de court-circuit, et donc avant l'apparition de l'arc qui n'a lieu qu'à la séparation des contacts d'arc. L'idée de base de l'invention est d'utiliser le courant de court-circuit pour engendrer des efforts électrodynamiques appliqués à au moins un piston de soufflage pour provoquer le déplacement de celui-ci. L'invention a pour objet un disjoncteur tel que défini dans les revendications. L'invention est expliquée en détail par la description d'un exemple de réalisation, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue schématique partielle en demi-coupe axiale d'un pôle d'un disjoncteur selon l'invention, - la figure 2 est une vue agrandie de la partie centrale de la figure 1, - la figue 3 est une vue schématique partielle en demi-coupe axiale d'un pôle de disjoncteur selon une variante de réalisation de l'invention. Dans la figure 1, la référence 1 désigne une enveloppe isolante cylindrique d'axe xx délimitant un pôle de disjoncteur et à l'intérieur de laquelle sont placés les organes de coupure. L'enveloppe est fermée de manière étanche par deux flasques métalliques 2 et 3 constituant également les prises de courant du pôle; l'enveloppe est remplie d'un gaz à bonnes propriétés dielctriques, tel que l'hexafluorure de soufre SF6, sous une pression de quelques hectopascals. Le pôle comporte des doigts de contact fixes 4 pour le passage du courant permanent, protégés par un capot pareeffluves 5. Le pôle comprend également un contact d'arc fixe 6, constitué d'une tige métallique terminée par un embout 6A en alliage résistant aux effets de l'arc électrique. L'ensemble mobile comprend essentiellement trois cylindres métalliques coaxiaux, liés mécaniquement: - le cylindre 7, qui a le plus grand diamètre, est chargé de véhiculer le courant permanent et, à cet effet, une de ses extrémités 7A est conformée pour coopèrer avec les doigts 4; de plus, le cylindre 7 est relié électriquement à la prise 3 par des doigts de contact 8. - le cylindre 9, de plus petit diamètre, porte les doigts de contact d'arc 10 qui coopèrent avec le contact 6; en outre, le cylindre 9 est relié à une tige de manoeuvre 11 en matériau isolant, qui traverse le flasque 3 de manière étanche et qui est fixée à une commande non représentée, mécanique, pneumatique, hydraulique ou électrique. - le cylindre de diamètre intermédiaire 14 a des rôles multiples qui seront expliqués plus loin. On note que les cylindres 7, 9 et 14 sont fermés d'un côté par une plaque annulaire commune 15. Par ailleurs, l'extrémité 7A du cylindre 7 porte une buse de soufflage 16 en matériau isolant tel que le polytéréphtalate d'éthylèneglycol. La plaque 15 et la buse 16 délimitent un volume V1. Les cylindres 9 et 14 délimitent un volume annulaire V2 fermé d'un côté par la plaque annulaire 15 précitée et de l'autre côté par un piston annulaire 18 fixé par une tige cylindrique 19 au flasque 3. Le volume V2 s'ouvre sur le volume V1 par des ouvertures de la plaque 15 munies chacune d'un clapet unidirectionnel 21 ne laissant passer le gaz que si la pression dans le volume V2 est supérieure à la pression régnant dans le volume V1; le piston 18 est utilisé pour la coupure des courants d'intensité relativement faible (intensité nominale par exemple) pour lesquels un soufflage de faible énergie est suffisant. Le cylindre 7 et le cylindre 14 délimitent en outre un volume annulaire divisé, dans l'exemple décrit, en deux volumes V31 et V32, par des couronnes métalliques à section annulaire 22 et 23 disposées dans des plans perpendiculaires à l'axe xx et solidarisées au cylindre 7. Les couronnes 22 et 23 sont reliées électriquement entre elles par des bras tels que 24. On observe que l'exemple ne montre que deux volumes V31 et V32, mais qu'on pourrait envisager de n'avoir qu'un seul volume V3 ou même plus de deux volumes. Le cylindre 7 est sectionné, au droit des volumes V31 et V32, par des portions isolantes 31 et 32 pour des raisons qui apparaltront plus loin. A l'intérieur des volumes V31 et V32 sont placés des pistons annulaires 41 et 42 qui coulissent chacun dans le cylindre 7 avec contact électrique assuré par des contacts glissants tels que 43 et 44. Les pistons 41 et 42 sont réunis par un cylindre 45, glissant autour du cylindre 14 et muni de rainures intérieures longitudinales 45A et 45B. L'ensemble constitué par les pistons 41 et 42 et par le cylindre qui les relie 45 constitue un équipage appelé semi-mobile car il peut se déplacer en translation par rapport à l'ensemble mobile du disjoncteur. Cet équipage est soumis à l'action d'un ressort de compression 46 qui est fixé sur une couronne fixe 47 fermant le cylindre 7 à son extrémité opposée à la buse. Dans l'épaisseur du cylindre 14 sont percés des canaux axiaux tel que 14A qui s'ouvrent dans le volume V1 par des ouvertures munies chacune d'un clapet unidirectionnel 50 ne s'ouvrant que si la pression dans le canal 14A est supérieure à la pression régnant dans le volume V1. Les canaux 14A peuvent communiquer avec les volumes V31 et V32 par des ouvertures telles que 51 et 52 pratiquées respectivement au droit des lumières 45A et 45B. Un mécanisme à billes telle que la bille 53, permet de solidariser l'équipage semi-mobile à l'équipage mobile dans la position indiquée dans la figure, correspondant à la position enclenchée du disjoncteur, et dans laquelle les pistons 41 et 42 sont quasiment en contact avec les plaques 15 et 22 respectivement. Les billes précitées peuvent être remplacées par des griffes qui jouent le même rôle. Dans ce qui suit, nous ne mentionnerons que les billes, pour la simplicité de l'exposé. Les billes sont placées dans des logements pratiqués aux extrémités des cylindres 14 et 45; le verrouillage est assuré par un coulisseau 55 entourant la tige cylindrique 19 du piston 18 et comportant, à une première extrémité, une tête 55A formant piston dans le cylindre annulaire formé par les cylindres 19 et 14, et à l'autre extrémité, une bague 55B maintenant les billes 53 dans la position de verrouillage. Le coulisseau est soumis à l'action d'un ressort de traction 57 fixé à la couronne 47. Des trous transversaux 19A, pratiqués dans le cylindre 19, permettent de mettre en communication le volume compris entre les cylindres 9 et 19 avec le volume dans lequel se déplace le coulisseau 55. La tête 55A du coulisseau 55 est munie de joints d'étanchéité 61 et 62 et d'un canal 63 muni d'un clapet unidirectionnel 64 qui ne s'ouvre que si la pression entre la tête de coulisseau 55A et le piston 18 est supérieure à la pression qui règne entre le volume compris entre le cylindre 14 et les extrémités du coulisseau. Le fonctionnement du disjoncteur est décrit maintenant. 1. CouDure des courants de forte intensité (courants de court-circuit). En régime de fonctionnement normal, le disjoncteur est dans la position indiquée dans les figures 1 et 2; le courant passe de la prise 2 à la prise 3 en empruntant le chamin suivant: doigts de contact 4, cylindre 7A, contacts 43, piston 41, cylindre 45, piston 42, couronne 22, bras 24, couronne 23, tube 7 et doigts 8. Lorsque l'ordre de déclenchement est donné, la commande du disjoncteur entraîne la tige de manoeuvre 11 vers la droite de la figure. Les contacts principaux 4 et 7A se séparent et le courant commute sur les contacts d'arc 6 et 10 de sorte que le courant suit le trajet suivant: prise 2, contact 6, doigts 10, plaque 15, cylindre 7, contacts 43, piston 41, cylindre 45, piston 42, couronne 22, bras 24, couronne 23, tube 7, doigts 8 et prise 3. Ce chemin est illustré par les flèches dans la figure 2. On voit que la plaque 15 et le piston 41 sont parcourus en sens opposés par le courant de court-circuit, de sorte qu'un force de répulsion très importante s'exerce entre ces éléments, ce qui a tendance à provoquer le déplacement du piston 41 vers la droite de la figure, comprimant le volume V31 dont le gaz s'échappe par les lumières45A, les trous 51 et les canaux 14A vers le volume VI dont la pression s'accroît ainsi très fortement. De même, le piston et la couronne 22, parcourus en sens opposés par le courant, se repoussent violemment en provoquant le déplacement du piston 42 et la compression du volume V32 dont le gaz s'échappe par les rainures 45B, les trous 52 et les canaux 14A vers le volume V1. On observera que le mouvement des piston n'a lieu que lorsque le cylindre 45 est déverrouillé. Le verrouillage permet d'éviter les phénomènes de répulsion à la refermeture du disjoncteur, comme on le verra plus loin. En revenant à l'opération de déclenchement, on observe qu'au début du mouvement de l'équipage mobile, le mouvement du coulisseau est ralenti par rapport au mouvement de l'équipage mobile, en raison du phénomène de succion qui tend à coller la tête 55A au piston 18; le tube 45 est donc d'abord déverrouilé par l'effacement des billes 53 échappant à la bague 55B; ensuite, dès que le joint 62 du coulisseau a dépassé les trous 19 A, l'effet de succion disparaît et le coulisseau, tiré par le ressort 57, vient se repositionner en position verrouillant l'équipage semimobile. Lorsque l'opération de déclenchement est terminée, le ressort 46 repousse l'équipage semi-mobile dans sa position initiale verrouillée. Grâce à l'action de compression dans les volumes V31 et V32, qui se répercute dans le volume V1, le gaz de ce volume est précomprimé au moment où les contacts d'arc se séparent. L'arc chauffe un gaz déjà fortement comprimé, ce qui accroît le phénomène d'autosoufflage de l'arc et permet donc, avec une commande de puissance donnée, de couper une intensité plus grande, ou, pour couper une intensité donnée, d'utiliser une commande de puissance plus faible. On notera que des clapets unidirectionnels 41A et 42 A empêchent tout effet de succion qui s'opposerait au mouvement des pistons 41 et 42. I1 en est de même du clapet unidirectionnel 64 du coulisseau. 2. Couture des courant de faible intensité (Intensité nominale) Le courant a une intensité trop faible pour que la force de répulsion sur les pistons 41 et 42 soit notable; le courant est facilement coupé par l'action du piston 18. 3. Réenclenchement On a vu quren fin de déclenchement l'équipage semimobile est, par rapport à l'ensemble mobile, ramené en position initiale verrouillée; le réenclenchement, qui s'obtient par le déplacement de la tige de manoeuvre vers la gauche des figures 1 et 2, se fait sans risque de déplacement des pistons 41 et 42 sous l'effet d'une répulsion éventuelle en cas de refermeture sur courant, puisque le verrouillage a été préalablement effectué. On note qu'un clapet unidirectionnel 65 dans la plaque (15) évite toute résistance au réenclenchement qui serait dû à la compression du gaz du volume (V1). L'invention n'est pas limitée au mode décrit et représenté qui n'a été donné qu'à tire d'exemple. En particulier, comme il est représenté dans la figure 4, les roles des ensembles fixes et mobiles peuvent être intervertis, l'ensemble fixe devenant l'ensemble mobile et vice-versa. Comme on le voit dans la figure 3, les contacts 4 et 6, devenus les contacts mobiles, ainsi que le pare-effluves 5, sont réunis à une pièce métallique 79 fixée à une tige da manoeuvre isolante 80 qui traverse le flasque 2 de manière étanche. Le passage du courant entre le flasque 2 et la pièce 79 est assuré par des doigts de contact 81. Le tube 9 est relié mécaniquement et électriquement au flasque 3. La tige 19 du piston 18 est fixée à une couronne isolante 84 portant des bras isolants 85 (ou un cylindre isolant) venant en contact, lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, avec le pare-effluves 5; la couronne 84 est soumise à l'action d'un ressort de compression qui s'appuie sur le flasque 3. La liaison électrique entre le contact 7, devenu contact principal fixe, est assuré par des bras métalliques 87 traversant des trous de la couronne 84. Le fonctionnement du pôle est le même que décrit précédemment, mutatis mutandis. L'invention s'applique aux disjoncteurs à haute et très haute tension. REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur à haute tension comprenant pour chaque pôle une enveloppe isolante étanche sensiblement cylindrique remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques et dans laquelle sont placés un ensemble fixe comprenant des contacts pour le passage du courant permanent et des contacts d'arc, ces contacts fixes étant reliés électriquement à une première prise de courant, un ensemble mobile comprenant des contacts pour le passage du courant permanent, des contacts d'arc et un volume d'expansion (V1) délimité notamment par une buse de soufflage et positionné pour être chauffé par l'action de l'arc électrique survenant à la séparation des contacts d'arc, lesdits contacts mobiles étant électriquement reliés à une seconde prise de courant, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (41) utilisant les effets électrodynamiques du courant traversant les contacts d'arc (6, 10) pour précomprimer le gaz dudit premier volume (V1) avant la séparation desdits contacts d'arc. 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par un piston (41) mobile dans un premier volume de compression (V31) délimité notamment par un premier cylindre (7) de même axe (xx) que l'enveloppe (I) et dont une extrémité constitue le contact d'arc mobile (7A), par un second cylindre (14) coaxial au premier cylindre (7) et muni d'au moins un canal axial (14A) débouchant dans ledit volume d'expansion (V1) et par une première couronne (22) solidaire dudit premier tube (7), au moins un perçage (51) étant pratiqué dans ledit second cylindre (14) pour le passage du gaz dudit premier volume de compression (V31) pour le passage du gaz comprimé, lesdits premier (7) et second (14) cylindres étant reliés par une plaque transversale (15) constituant une paroi dudit premier volume de compression (V31) et portant lesdits contacts d'arc mobiles (10), ledit piston étant muni de contacts glissants (43) pour lui permettre d'être traversé par le même courant que ladite plaque transversale (15), mais en sens inverse, ledit piston (41) étant muni d'une tige (45) reliée électriquement à ladite seconde prise de courant (3). 3/ Disjoncteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tige (45) est un tube coulissant autour dudit second cylindre (14), ledit tube (45) et ledit second cylindre (14) étant munis d'un moyen de solidarisation et de désolidarisation (53) permettant de les solidariser au moins pendant une phase d'enclenchement du disjoncteur, pour empêcher tout mouvement relatif pendant cette phase, et de les désolidariser lors d'une phase de déclenchement du disjoncteur. 4/ Disjoncteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de solidarisation et de désolidarisation comprennent des billes (53) disposés dans des logements du second cylindre (14) et de ladite tige (45), coopérant avec un coulisseau (55) se déplaçant axialement et muni d'une bague (55B) de blocage des billes (53). 5/ Disjoncteur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que'il comprend un troisième cylindre (9) coaxial et intérieur audit second cylindre (14) et délimitant avec lui un second volume de compression (V2) débouchant dans ledit premier volume (V1) et fermé par un piston fixe (18) muni d'un tige tubulaire (19). 6/ Disjoncteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit coulisseau (55) coulisse autour de la tige tubulaire (19) dudit piston fixe (18) et possède une tête venant en appui étanche entre ledit second cylindre (14) et ladite tige tubulaire (19), de sorte que par un effet de succion, ledit coulisseau suit avec retard le mouvement de l'équipage mobile. 7/ Disjoncteur selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un second piston (42) lié à ladite tige (45) et coulissant dans un troisième volume de compression (V32) délimité par lesdits premier (7) et second (14) cylindres, ladite première couronne (22) et une seconde couronne (23) portée par ledit premier cylindre (7), ledit second piston étant muni de contacts électriques glissants coopérant avec ledit premier cylindre (7), ladite première couronne (22) étant reliée électriquement à la seconde couronne (23) par des bras (24) isolés du second piston et isolée électriquement de la tige (45) pour permettre au courant de traverser ladite première couronne (22) et ledit second piston (42) en sens opposés, ladite tige (45) étant munie de lumières (45B) coopérant avec des perçages (52) dans ledit second cylindre (14) pour permettre la communication entre ledit troisième volume de compression (V32) et ledit volume d'expansion (V1). 8/ Disjoncteur selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les contacts fixes (4, 6) deviennent les contacts mobiles et vice-versa.