Brevet FR2739972A1 — publié le 19970418

DISJONCTEUR ELECTRIQUE A GAZ ISOLANT ET A AUTOEXPANSION L'invention est relative à un disjoncteur électrique à moyenne tension logé dans une enveloppe isolante remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée, et renfermant une cartouche conformée en une chambre de coupure à autoexpansion comportant: - un contact d'arc fixe coopérant avec un contact d'arc mobile, - une bobine électromagnétique agencée autour du contact d'arc fixe pour engendrer un champ magnétique dans l'intervalle de coupure après commutation de l'arc sur une électrode, - et un bras support en matériau isolant fixé à une extrémité de la cartouche et équipé d'une douille de traversée pour le guidage du contact d'arc mobile. Lors d'une coupure d'un courant de court-circuit, l'action thermique de l'arc à l'intérieur de _5 la cartouche peut engendrer une formation importante de gaz due à la présence du matériau plastique gazogène du bras support. Une partie de ce gaz peut pénétrer dans la cartouche, ce qui perturbe l'effet d'autoexpansion, avec un risque de réamorçage de l'arc. L'objet de l'invention consiste à améliorer les performances de coupure d'un disjoncteur à autoexpansion. Le disjoncteur selon l'invention est caractérisé en ce que - le bras support comporte une embase fixée sur un premier épaulement interne de la cartouche par des moyens de fixation, - et un écran thermique entoure la douille de guidage, et prend appui sur l'embase et un deuxième épaulement de la cartouche pour limiter l'échauffement de la matière plastique de l'embase suite à l'action thermique de l'arc, et pour servir de pare-flammes, les gaz chauds étant chassés vers le volume de l'enveloppe à travers des orifices d'échappement ménagés dans l'embase. L' écran thermique est formé par une plaque de polytétrafluoréthylène, maintenue en place contre l'embase au moyen d'une bague d'arrêt montée coaxialement autour de la douille de guidage. La présence de cette plaque empêche l'introduction de l'écoulement gazogène dans la cartouche, ce qui facilite l'extinction de l'arc. 2 2739972 Selon une caractéristique de l'invention, l'électrode de captation de l'arc est coplanaire avec une piste de contact annulaire de mise en rotation de l'arc, ladite piste étant connectée à la face frontale de la bobine. L'extrémité opposée de la bobine est raccordée à un plot d'amenée de courant par l'intermédiaire d'un circuit magnétique. Pour renforcer le champ magnétique dans l'intervalle de coupure, l'excitation de la bobine s'effectue à travers une plaque ferromagnétique d'un circuit magnétique, ladite plaque étant en liaison électrique avec la cartouche conductrice. 0o Pour résister au phénomène de délestage dû aux efforts électrodynamiques, les spires terminales de la bobine sont fixées individuellement par des vis auxiliaires respectivement au circuit magnétique et à la piste de contact. Selon un mode de réalisation préférentiel, les contacts d'arc forment un montage téléscopique, et des lames de ressort prennent appui sur les doigts de contact associés au contact d'arc fixe et la douille, pour assurer la pression de contact lorsque le contact d'arc mobile est engagé à l'intérieur du contact d'arc fixe en position de fermeture. La commutation de l'arc sur l'électrode est facilitée grâce à un organe de support orientable, comprenant une rondelle métallique à crans pour l'ajustage du jeu axial entre l'extrémité du contact d'arc fixe et l'électrode. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe du disjonteur équipé de la chambre de coupure selon l'invention, - la figure 2 montre une vue en coupe de la chambre de coupure selon la figure 1, le contact d'arc mobile n'étant pas représenté, - la figure 3 est une vue partielle à échelle agrandie de la figure 2, montrant les différentes phases de fonctionnement lors de la course d'ouverture du contact d'arc mobile, - la figure 4 représente une vue de détail de la bobine, montrant la connexion des spires terminales. Sur la figure 1, un pôle d'un disjoncteur 10 tripolaire à moyenne tension est logé dans une enveloppe 12 isolante étanche remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée, notamment de 3 2739972 l'hexafluorure de soufre SF6. Le pôle comporte une paire de traversées 14, 16 agencées en plages d'amenée de courant pour l'alimentation du disjoncteur. Les traversées 14, 16 sont raccordées directement à un organe sectionneur 18 du circuit principal 19, comprenant à l'intérieur de l'enveloppe 17 un contact principal fixe 20 solidarisé à l'extrémité interne de la première traversée 14 par des vis 21, et un contact principal mobile 22 monté à pivotement sur un axe 24 d'un premier étrier de support 26, lequel est solidarisé à la deuxième traversée 16 par des vis de fixation 28. L'enveloppe 12 comporte une bride 29 obturée par un couvercle 30 avec interposition d'un joint d'étanchéité 32. A l'intérieur de l'enveloppe 12 se trouve un circuit auxiliaire à chambre de coupure 34 renfermant une paire de contacts d'arc 36, 38, dont l'un 38 mobile est monté à coulissement longitudinal entre une position fermée o il se trouve en engagement avec le contact d'arc fixe 36, et une position ouvert de séparation des contacts d'arc 36, 38. Les contacts d'arc 36, 38 de la chambre de coupure 34 sont reliés électriquement par un conducteur de liaison 40 et une tresse 42, respectivement aux traversées 14 et 16, de manière à constituer un montage en parallèle. En position de fermeture, les contacts d'arc 36, 38 assurent le shuntage des contacts principaux 20, 22. La chambre de coupure 34 est formée par une cartouche 43 d'un dispositif d'extinction à autoexpansion et à rotation de l'arc, ladite cartouche communiquant avec le volume interne de l'enveloppe 12 à travers le contact d'arc mobile 38 tubulaire. L'actionnement du contact principal mobile 22, et du contact d'arc mobile 38 s'effectue au moyen d'un arbre 44 rotatif, traversant à étanchéité la paroi de l'enveloppe 12 en étant accouplé à l'extérieur à un mécanisme de commande (non représenté). A l'intérieur de l'enveloppe 12, l'arbre 44 porte une manivelle 46 au niveau de chaque pôle. La manivelle 46 est reliée au contact mobile principal 22 par une première biellette 48, et au contact d'arc mobile 38 par une deuxième biellette 50. L'articulation des biellettes 48, s'effectue en un point 51 de la manivelle 46, l'ensemble étant agencé pour fermer les contacts d'arc 36, 38 avant les contacts principaux 20, 22, et ouvrir les contacts d'arc 36, 38 après les contacts principaux 20, 22. La chambre de coupure 34 comporte un bras de support 62 inférieur, s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal de la cartouche 43 et dont l'extrémité est équipée 4 2739972 d'un axe 64 d'articulation. La cartouche 43 est dotée d'autre part d'une paire de plots de fixation 66 située à l'opposé du bras 62 dans la direction longitudinale. L'axe d'articulation 64 du bras de support 62 est engagé dans une encoche en U ménagée s dans une extension de l'étrier 26 de support du contact principal mobile 22. La partie intermédiaire du conducteur de liaison 40 est intercalée entre chaque plot 66 et un épaulement de l'enveloppe 12, et la plage d'extrémité du conducteur 40 est raccordée au circuit principal par les vis 21 de fixation du contact principal fixe 20 à la traversée 14. A l'opposé, la tresse 42 de liaison est reliée à un conducteur 82 intermédiaire ayant une plage d'extrémité plaquée sur la base de l'étrier 26 au moyen des vis 28. En référence à la figure 2, la cartouche 43 métallique de la chambre de coupure 34 comporte un couvercle 100 rapporté sur une paroi 102 cylindrique par des vis de fixation 104. Le couvercle 100 et la paroi 102 sont réalisés de préférence en un alliage d'aluminium. is Le bras de support 62 isolant s'adapte à la partie inférieure de la paroi 102 est équipé d'une douille 106 de guidage cylindrique, et d'une embase 108 fixée sur un premier épaulement interne de la paroi 102 par des vis 111. Un insert 112 tubulaire en laiton est agencé à l'intérieur de la douille 106, et est traversé à coulissement par le contact d'arc mobile, 38. Le bras de support 62 est réalisé par moulage d'un matériau isolant, notamment à base de polycarbonate. Un écran thermique 114 formé par une plaque de polytétrafluoréthylène, entoure la douille de guidage 106 et est posé sur l'embase 108 et un deuxième épaulement 116 coplanaire de la paroi 102. Le maintien de l'écran 114 contre l'embase 108 s'effectue au moyen d'une bague d'arrêt 118 montée coaxialement autour de la douille 106. La face inférieure de l'écran thermique 114 communique avec le volume interne de l'enveloppe 12 à travers des orifices 120 augulairement répartis autour de la douille 106. A l'opposé de la douille 106, se trouve l'ensemble contact d'arc fixe 36 et bobine 122 électromagnétique pour la mise en rotation de l'arc. La présence de l'écran thermique 114 à l'intérieur de la chambre de coupure 34 limite l'échauffement de la matière plastique de l'embase 108 du bras de support 62 suite à l'action thermique de l'arc résultant de la coupure d'un fort courant entre les contacts d'arc 36, 38. L'écran 114 sert également de pare-flammes empêchant toute propagation de gaz ionisés engendrés dans la chambre de coupure 34 vers l'extérieur de la cartouche 43. Les gaz chauds émis au niveau de l'embase 108 isolante sont chassés dans le sens de la flèche F s 2739972 à travers les orifices d'échappement 120 et ne peuvent pas pénétrer à l'intérieur de la cartouche 43. En référence à la figure 3, le contact d'arc fixe 36 est agencé à l'intérieur de la bobine 122 annulaire et est conformé selon une pince ayant une pluralité de doigts de contact 124 montés dans une gorge 125 d'un organe de support 126 fixé au couvercle 100 par une vis de fixation 128. L'organe de support 126 est en matériau métallique conducteur, notamment en cuivre matricé et est doté d'une rondelle 130 à crans pour l'ajustage du jeu axial entre l'extrémité du contact d'arc fixe 36 et l'électrode 132 de captation de l'arc. L'électrode 132 est coplanaire avec la piste de contact 134 accolée à la face frontale de la bobine 122, et sert à l'excitation de la bobine 122 au début de la course d'ouverture du contact d'arc mobile 38. La bobine 122 comprend un empilage de spires 136 conductrices connectées électriquement en série, ladite bobine étant raccordée du côté opposé de la piste 134 à un circuit magnétique 138. Le circuit magnétique 138 comporte une plaque 140 en matériau ferromagnétique, par exemple en acier, insérée entre la paroi latérale 102 de la cartouche 43 et le couvercle 100, et une douille 142 cylindrique agencée coaxialement entre le contact d'arc fixe 36 et la bobine 122. Des vis d'assemblage, dont une 144 est représentée sur la figure 3, traversent les spires 136 de la bobine 122 et la piste de contact 134 pour solidariser la bobine 122 à la plaque 140 du circuit magnétique 138. Un manchon 145 isolant est interposé entre la bobine 122, et l'ensemble contact d'arc fixe 36 et douille 142. Des lames de ressorts 146 prennent appui sur les doigts de contact 124 et la douille 142 pour assurer la pression de contact lorsque le contact d'arc mobile 38 est en prise avec le contact d'arc fixe 36 dans la position de fermeture A. Lors de l'apparition d'un courant de courtcircuit, la circulation du courant dans la cartouche 43 après ouverture du circuit principal 19 s'effectue de la manière suivante, en référence à la figure 3: Dans la position de fermeture A, le courant entre par le plot de fixation 66, et circule dans les doigts de contacts 124 après avoir traversé le conducteur de liaison 40 et le couvercle 100. Après le passage dans les contacts d'arc fixe 36 et mobile 38, le courant va vers la traversée 16 par l'intermédiaire de la tresse 42 (voir figure 1). 6 2739972 Au début de la course d'ouverture (position B), se produit la commutation de l'arc sur l'électrode 132 autorisant l'excitation de la bobine 122. Dans la position C, le contact d'arc fixe 36 n'est plus traversé par le courant, ce dernier circulant en totalité dans la bobine 122 qui engendre un champ magnétique dans l'intervalle de coupure pour la mise en rotation de l'arc sur la piste de contact 134. Le courant est amené vers la bobine 122 à travers le couvercle 100 conducteur et la plaque 140 du circuit magnétique 138. Il en résulte un accroissement du champ magnétique dans l'intervalle de coupure, et une extinction rapide de l'arc. Dans la position D, le contact d'arc mobile 38 se trouve dans la position d'ouverture après extinction de l'arc. En référence à la figure 4, les spires 136 terminales de la bobine 122 sont fixées individuellement par des vis auxiliaires 150, 152, respectivement à la plaque 140 et à la piste de contact 134. La connexion des vis 150, 152 additionnelles garantit une bonne tenue mécanique de la bobine 122 électromagnétique malgré la présence des forces électrodynamiques de répulsion engendrées au niveau des spires extrêmes. 7 2739972 REVENDICATIONS 1. Disjoncteur électrique à moyenne tension logé dans une enveloppe (12) isolante remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée, et renfermant une cartouche (43) conformée en une chambre de coupure (34) à autoexpansion comportant: - un contact d'arc fixe (36) coopérant avec un contact d'arc mobile (38), - une bobine (122) électromagnétique agencée autour du contact d'arc fixe (36) pour engendrer un champ magnétique dans l'intervalle de coupure après commutation de l'arc sur une électrode (132), - et un bras support (62) en matériau isolant fixé à une extrémité de la cartouche (43) et équipé d'une douille (106) de traversée pour le guidage du contact d'arc mobile (38), caractérisé en ce que - le bras support (62) comporte une embase (108) fixée sur un premier épaulement (110) interne de la cartouche (43) par des moyens de fixation (111), - et un écran thermique (114) entoure la douille (106) de guidage, et prend appui sur l'embase (108) et un deuxième épaulement (116) de la cartouche (43) pour limiter l'échauffement de la matière plastique de l'embase (108) suite à l'action thermique de l'arc, et pour servir de pare-flammes, les gaz chauds étant chassés vers le volume de l'enveloppe (12) à travers des orifices (120) d'échappement ménagés dans l'embase (108). 2. Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écran thermique (114) est formé par une plaque de polytétrafluoréthylène, maintenue en place contre l'embase (108) au moyen d'une bague d'arrêt (118) montée coaxialement autour de la douille de guidage 106. 3. Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode 132 de captation de l'arc est coplanaire avec une piste de contact 134 annulaire de mise en rotation de l'arc, ladite piste étant connectée à la face frontale de la bobine (122) et que l'extrémité opposée de la bobine (122) est raccordée à un plot (66) d'amenée de courant par l'intermédiaire d'un circuit magnétique (138). 4. Disjoncteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit magnétique (138) comporte une plaque 140 en matériau ferromagnétique en liaison avec la cartouche 43 en matériau conducteur. 8 2739972 5. Disjoncteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plaque 140 du circuit magnétique est interposée entre la paroi latérale (102) de la cartouche (43) et un couvercle servant de support à l'ensemble contact d'arc fixe (36) et bobine (122). 6. Disjoncteur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la bobine (122) est constituée par un empilage de spires 136 conductrices, solidarisé au circuit magnétique (138) par des vis d'assemblage (144), les spires terminales de la bobine (122) étant fixées individuellement par des vis auxiliaires (150, 152) respectivement au circuit magnétique (138) et à la piste de contact (134). 7. Disjoncteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit magnétique (138) comporte de plus une douille (142) cylindrique agencée coaxialement entre le contact d'arc fixe (36) et la bobine (122). 8. Disjoncteur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un manchon (145) en matériau isolant sépare radialement la bobine (122) de l'ensemble contact d'arc fixe (36) et douille (142). 9. Disjoncteur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que des lames de ressort (146) prennent appui sur les doigts de contact (124) associés au contact d'arc fixe (36) et la douille (142), pour assurer la pression de contact lorsque le contact d'arc mobile (38) est engagé à l'intérieur du contact d'arc fixe (36) en position de fermeture. 10.Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le contact d'arc fixe (36) est raccordé par les doigts de contact (124) à un organe de support 126 orientable, comprenant une rondelle (130) métallique à crans pour l'ajustage du jeu axial entre l'extrémité du contact d'arc fixe (36) et l'électrode 132.