Brevet FR2756413A1 — publié le 19980529

DISJONCTEUR A PISTON SEMI-MOBILE. La présente invention se rapporte à un disjoncteur à piston semi-mobile. Elle concerne plus précisément un disjoncteur du type à auto-soufflage, comprenant une enveloppe remplie d'un gaz diélectrique sous pression, deux contacts d'arc coopérant entre eux, l'un au moins faisant partie d'un ensemble de contact mobile solidaire d'un organe de manoeuvre et adapté pour être déplacé axialement dans l'enveloppe entre une position de fermeture et une position d'ouverture, l'ensemble de contact mobile étant constitué par un premier tube et un second tube coaxial au premier tube pour délimiter, de part et d'autre d'une couronne reliant le premier et le second tubes, une chambre de soufflage et une chambre de compression communiquant avec la chambre de soufflage et fermée par une paroi de pression d'un piston semi-mobile. Pendant une opération d'ouverture, le gaz dans la chambre de compression est comprimé du fait que la distance entre le piston et la couronne séparant la chambre de compression de la chambre de soufflage décroît. Dans des disjoncteurs connus, le gaz diélectrique est comprimé pendant tout le déplacement de l'ensemble de contact mobile entre la position de fermeture et la position d'ouverture.25 Le déplacement de l'ensemble de contact mobile requiert une certaine quantité d'énergie. La quantité d'énergie nécessaire est d'autant plus grande que le gaz dans la chambre de compression est comprimé pendant toute la course de l'ensemble de contact mobile.30 Afin de réduire la consommation d'énergie du disjoncteur pendant une opération d'ouverture, il a donc été prévu, dans des disjoncteurs plus récents, des premiers moyens pour immobiliser le piston pendant une première partie du déplacement de l'ensemble de contact mobile entre35 la position de fermeture et la position d'ouverture et des seconds moyens pour déplacer axialement le piston avec l'ensemble de contact mobile pendant une seconde partie de ce même déplacement de l'ensemble de contact mobile. Dans le cas de faibles courants à couper, l'extinction de l'arc se produisant entre les contacts d'arc pendant une opération d'ouverture se fait à l'aide d'une compression du gaz dans la chambre de compression. Or l'extinction de l'arc obtenue par un flux de gaz provenant de la chambre de compression s'opère avant la fin du déplacement de l'ensemble de contact mobile. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de comprimer le gaz dans la chambre de compression pendant tout le déplacement de l'ensemble de contact mobile. A partir de l'instant o le piston se déplace avec l'ensemble de contact mobile, la quantité d'énergie nécessaire pour manoeuvrer l'ensemble de contact mobile est très réduite du fait qu'il n'y a plus de compression de gaz. Un tel disjoncteur est décrit dans le document de brevet FR-A-2 696 274 déposé le 29 septembre 1992 par la Déposante.20 Selon ce document, les premiers moyens pour immobiliser le piston sont constitués par un ressort disposé entre l'organe d'entraînement et le piston et par un organe de retenue fixe coopérant avec le piston et les seconds moyens pour déplacer axialement le piston sont constitués25 par un organe d'entraînement solidaire de l'ensemble de contact mobile qui entraîne une butée solidaire du piston pendant la seconde partie du déplacement de l'ensemble de contact mobile, cette butée étant disposée sur le trajet de l'organe d'entraînement.30 Il s'avère dans un tel disjoncteur, que le ressort doit être dimensionné pour résister à la pression particulièrement importante s'exerçant sur le piston et régnant dans la chambre de compression. Un tel ressort est coûteux en soi. De plus, son effort se répercute sur tout l'ensemble cinématique d'entraînement et de commande du disjoncteur, qui doit donc être conçu et dimensionné en conséquence. Enfin, selon les dimensions propres du disjoncteur et selon la pression maximale apparaissant dans la chambre de compression, un ressort d'effort particulier doit être installé. Le ressort doit donc être adapté et choisi selon le type de disjoncteur. L'invention résout ces problèmes en proposant des premiers et seconds moyens qui permettent une diminution de l'énergie nécessaire à une manoeuvre d'ouverture et qui conviennent à tout disjoncteur, quelle que soit la pression maximale dans la chambre de compression. Pour ce faire, conformément à l'invention, - ledit piston est constitué de ladite paroi de pression annulaire et d'une partie de guidage cylindrique solidaire de cette paroi, coulissante sur le premier tube et disposée du côté de la paroi de pression opposé aux contacts,20 - lesdits premiers moyens comprennent un organe de butée disposé entre l'extrémité de la partie de guidage du piston et une pièce de retenue fixe, cet organe de butée étant escamotable, - lesdits seconds moyens comprennent un agencement pour escamoter ledit organe de butée, agissant à la fin de la première partie de déplacement. Un tel dispositif est de forme linéaire et d'encombrement radiale réduit. Il convient particulièrement aux disjoncteurs à course importante. D'encombrement radial30 nul, il permet d'utiliser des enveloppes de diamètre réduit. Le nombre de pièces utilisées est relativement faible et leur usinage ainsi que leur montage sont particulièrement simples. Selon un mode de réalisation préféré, - ledit organe de butée est cylindrique, bloqué en translation axiale et disposé autour dudit premier tube entre l'extrémité de la partie de guidage du piston et la pièce de retenue fixe, cet organe de butée étant expansible radialement, - ledit agencement pour escamoter l'organe de butée est un agencement d'expansion radiale de ce dernier, agissant de telle sorte qu'il permet le passage de la partie de guidage entre le premier tube et l'organe de butée. De préférence, ledit organe de butée est constitué d'au moins deux demicylindres comprimés l'un contre l'autre par au moins un ressort de traction annulaire. De préférence, ledit agencement d'expansion comprend au moins une première nervure portée par le second tube et positionnée pour venir déformer radialement l'organe de butée en fin de compression. Avantageusement, - les deux demi-cylindres de l'organe de butée comportent une première zone conique à leur extrémité de butée avec le piston et une seconde zone conique à proximité de leur extrémité en butée contre la pièce de retenue fixe,20 - l'agencement d'expansion comporte deux nervures annulaires portées par le premier tube, ladite première nervure terminant son contact avec la première zone conique des demicylindres en fin de compression et une seconde nervure venant en contact avec la seconde zone conique des25 deux demi-cylindres lorsque la première nervure a quitté la première zone conique. Avantageusement, une butée auxiliaire de positionnement du piston en position de fermeture est prévue, un jeu réduit existant entre l'extrémité de la30 partie de guidage du piston et l'organe de butée dans cette position et un ressort étant disposé entre la paroi de pression du piston et la couronne. L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures ne représentant qu'un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 1A est une vue en coupe longitudinale d'un disjoncteur conforme à l'invention en position de fermeture. La figure lB est une vue en coupe transversale selon I-I de la figure 1A. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un disjoncteur conforme à l'invention en position de fin de compression. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un disjoncteur conforme à l'invention dans une première position intermédiaire ultérieure à la position de fin de compression. La figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un disjoncteur conforme à l'invention dans une seconde position intermédiaire ultérieure à la position de fin de compression. La figure 5A est une vue en coupe longitudinale d'un disjoncteur conforme à l'invention en position d'ouverture. La figure 5B est une vue en coupe transversale selon V-V de la figure 5A. Dans ce qui suit, on décrira une chambre de coupure, étant entendu qu'un disjoncteur à haute tension, peut comporter, pour chaque phase, plusieurs chambres de coupure du type qui va être décrit. Sur les figures 1A à 5B, les mêmes références désignent des éléments identiques.25 Sur les figures, la référence 1 désigne une enveloppe isolante, de préférence en porcelaine, délimitant une chambre d'expansion 2 remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques, par exemple l'hexafluorure de soufre sous une pression de quelques bars.30 Le disjoncteur comprend un ensemble fixe et un ensemble de contact mobile. L'ensemble fixe comprend un contact d'arc 3, constitué d'un tube métallique dont l'extrémité 3A est réalisée en un matériau résistant aux effets de l'arc, par exemple un35 alliage à base de tungstène. L'ensemble fixe comprend également un contact permanent fixe 4 constitué de doigts. Le contact d'arc et le contact permanent fixe sont reliés électriquement à une première prise de courant, non représentée. L'ensemble de contact mobile comprend une pièce de manoeuvre 6 traversant la chambre 2 de manière étanche et reliée à un mécanisme non représenté. A la pièce 6 est relié un ensemble métallique comprenant deux tubes 7 et 8 coaxiaux, le tube 8 ayant un diamètre plus grand que le tube 7. Les deux tubes 7,8 sont reliés entre eux par une couronne métallique 9. Le tube 7 constitue le contact d'arc mobile. Son extrémité 7A est réalisée en un matériau résistant aux effets de l'arc et coopère avec le contact 3-3A. Le tube 8 porte une buse de soufflage 10 en matériau isolant. Une portion tubulaire 8A d'extrémité du second tube 8 constitue le contact mobile permanent du disjoncteur et coopère, lorsque le disjoncteur est en position de fermeture avec les doigts 4 comme le montre la figure 1A. L'extrémité 8A du tube 8, la buse de soufflage 10, le tube 7 et la couronne 9 délimitent une chambre de soufflage 17. La couronne 9, les tubes 7 et 8 et une paroi de pression 11A d'un piston 11 délimitent une chambre de compression 18 séparée de la chambre de soufflage par la couronne 9. La paroi de pression 11A du piston 11 coulisse axialement entre25 les tubes 7 et 8 de façon étanche. Le second tube 8 coulisse sur un tube fixe 14. Le tube 14 est relié électriquement à une seconde prise de courant non représentée. Le tube 14 supporte par ailleurs un contact permanent formé de doigts 16 en contact électrique avec le30 tube 8. Le piston 11 est équipé d'un clapet unidirectionnel 11C permettant une circulation de gaz de la chambre de coupure 2 vers la chambre de compression 17 permettant le remplissage de la chambre de compression 17 lors d'une35 manoeuvre de fermeture. La couronne 9 est équipée quant à elle d'un clapet unidirectionnel 9A permettant une circulation de gaz de la chambre de compression 18 vers la chambre de soufflage 17. Plus précisément, le piston 11 est constitué de la paroi de pression 11A annulaire et d'une partie de guidage l1B cylindrique solidaire de cette paroi 11A, coulissante sur le premier tube 7 et disposée du côté de la paroi de pression 11A opposé aux contacts. Des premiers moyens pour immobiliser le piston pendant une première partie du déplacement de l'ensemble de contact mobile entre la position de fermeture et la position d'ouverture et correspondante au déplacement de compression et des seconds moyens pour déplacer axialement le piston avec l'ensemble de contact mobile pendant une seconde partie de ce même déplacement de l'ensemble de contact mobile sont prévus. Les premiers moyens comprennent un organe de butée 20 disposé entre l'extrémité de la partie de guidage 11B du piston et une pièce de retenue fixe 21. Cet organe de butée 20 est escamotable. Plus précisément, selon le mode de réalisation préféré, l'organe de butée 20 est cylindrique et bloqué en translation axiale par butée dans un sens contre la pièce de retenue 21 et par butée dans l'autre sens d'un ergot annulaire 23 solidaire de l'organe de butée 20 contre une25 pièce d'accrochage 22 fixe. Il est disposé autour dudit premier tube 7 entre l'extrémité de la partie de guidage llB du piston et la pièce de retenue 21 et expansible radialement. Il est constitué de deux demi-cylindres 20A, 20B comprimés l'un contre l'autre par deux ressorts de traction annulaires 20C, 20D. Les deux demi-cylindres 20A, 20B de l'organe de butée comportent une première zone conique 20E à leur extrémité de butée avec la partie de guidage llB du piston et une seconde zone conique 20F à proximité de leur extrémité en butée35 contre la pièce fixe 21. Les seconds moyens comprennent un agencement pour escamoter l'organe de butée 20, agissant à la fin de la première partie de déplacement. Cet agencement pour escamoter l'organe de butée 20 est de préférence un agencement d'expansion radiale de ce dernier, agissant de telle sorte qu'il permet le passage de la partie de guidage llB entre le premier tube 7 et l'organe de butée 20. Plus précisément, il comprend deux nervures 7B, 7C annulaires portées par le premier tube 7, ladite première nervure 7B venant déformer radialement l'organe de butée 20 après contact avec la première zone conique 20E des demi- cylindres à la fin de la première partie de déplacement et la seconde nervure 7C venant en contact avec la seconde zone15 conique 20F des deux demi- cylindres, lorsque la première nervure 7B a quitté la première zone conique 20E. Constructivement, le premier tube 7 est usiné selon des épaisseurs différentes sur sa partie à l'arrière de la couronne 9, son diamètre intérieur étant constant.20 Sur une première distance dl, cette épaisseur est relativement petite et à cette distance dl est augmentée pour former une butée auxiliaire 24. La fonction de cette butée auxiliaire 24 est d'assurer le positionnement du piston 11 en position de fermeture comme représenté sur la25 figure 1A. Dans cette position, un jeu réduit existe entre l'extrémité de la partie de guidage llB du piston et l'organe de butée 20. Lors d'une manoeuvre de fermeture et du remplissage de la chambre de compression 18, le piston 11 est poussé contre cette butée 24 grâce à un ressort 2530 disposé entre la paroi de pression 11A du piston et la couronne 9. Ce ressort 25 est de dimension et d'effort réduit, n'assurant qu'un rôle de positionnement et étant sollicité par une pression de gaz relativement petite. A une deuxième distance d2 de cette butée auxiliaire 24, l'épaisseur du tube 7 est de nouveau réduite pour former la première nervure 7B dont la fonction est définie plus haut. Avantageusement, elle constitue une surface de butée conique. A une troisième distance d3 de cette première nervure 7B, est disposée la seconde nervure 7C dont la fonction est précisée plus haut. Destinée à solliciter l'organe de butée qu'après la fin de la première partie de déplacement de l'ensemble mobile, c'est-à-dire après la compression, elle se déplace pendant cette première partie de déplacement dans un évidement 26 aménagé dans l'organe de butée 20. Cet évidement 26 se termine par la seconde zone conique 20F. Une manoeuvre d'ouverture se déroule donc comme suit. En position de fermeture, comme représenté sur la figure 1, les contacts 3A et 7A sont en position insérée, la chambre de compression 18 est rempli de gaz et le piston 11 est en butée contre la butée auxiliaire 24, dans sa position la plus éloignée de la couronne 9. Lors de la manoeuvre d'ouverture, l'ensemble mobile est déplacé vers la droite (vu selon la figure) et très rapidement, l'extrémité de la partie de guidage liE du20 piston vient en butée contre l'organe de butée 20 fixe en translation, le jeu initial entre ces deux éléments étant petit. Pendant toute la première partie du déplacement, le piston 11 est donc maintenu fixe par l'organe de butée 20. Le volume de la chambre de compression 18 se réduit et le gaz comprimé dans celle-ci est injecté dans la chambre de soufflage 17. En fin de compression, le disjoncteur est dans la position représenté sur la figure 2. La première nervure 7B termine son contact contre la première zone conique 20E et commence l'expansion radiale des deux demi-cylindres 20A et 20B de l'organe de butée 20. Une fois cette première zone conique 20E dépassé, comme représenté sur la figure 3, l'extrémité de la partie de guidage 11B du piston 11 commence à pouvoir s'introduire35 entre le premier tube 7 et l'organe de butée 20 et la seconde nervure 7C arrive en butée contre la seconde zone conique 20F. La poursuite du déplacement réalise l'expansion radiale complète de l'organe de butée 20, permettant le passage de la partie de guidage llB entre le premier tube 7 et l'organe de butée 20. 5 Selon l'exemple représenté sur les figures 3 et suivantes, la paroi de pression 11A est en butée contre la couronne 9 en fin de compression, le volume de la chambre de compression 18 étant nulle en fin de compression. Poussé par cette couronne 9, le piston 11 continue donc à se déplacer10 avec l'ensemble mobile jusqu'à la position d'ouverture représentée sur la figure 5, l'organe de butée 20 n'offrant pas de résistance à ce déplacement. En dimensionnant différemment les éléments constitutifs du disjoncteur et en particulier la partie de guidage 11B du piston 11 et le ressort 25, l'on peut réaliser la fin de la compression avant butée de la paroi de pression 11A contre la couronne 9 et conserver ainsi un volume résiduel de la chambre de compression 18. il REVENDICATIONS 1) Disjoncteur du type à auto-soufflage, comprenant une enveloppe (1) remplie d'un gaz diélectrique sous pression, deux contacts d'arc (3A, 7A) coopérant entre eux, l'un au moins faisant partie d'un ensemble de contact mobile solidaire d'un organe de manoeuvre (6) et adapté pour être déplacé axialement dans l'enveloppe (1) entre une position de fermeture et une position d'ouverture, l'ensemble de contact mobile étant constitué par un premier tube (7) et un second tube (8) coaxial au premier tube pour délimiter, de part et d'autre d'une couronne (9) reliant le premier et le second tubes, une chambre de soufflage (17) et une chambre de compression (18) communiquant avec la chambre de soufflage (17) et fermée par une paroi de pression d'un piston (11) semi-mobile, des premiers moyens pour immobiliser le piston pendant une première partie du déplacement de l'ensemble de contact mobile entre la position de fermeture et la position d'ouverture et des seconds moyens pour déplacer axialement le piston avec l'ensemble de contact mobile pendant une seconde partie de ce même déplacement de l'ensemble de contact mobile étant prévus, caractérisé en ce que25 - ledit piston (11) est constitué de ladite paroi de pression (11A) annulaire et d'une partie de guidage (llB) cylindrique solidaire de cette paroi (11A), coulissante sur le premier tube (7) et disposée du côté de la paroi de pression (11A) opposé aux contacts (3A, 7A),30 - lesdits premiers moyens comprennent un organe de butée (20) disposé entre l'extrémité de la partie de guidage (11A) du piston (11) et une pièce de retenue (21) fixe, cet organe de butée (20) étant escamotable, - lesdits seconds moyens comprennent un agencement pour escamoter ledit organe de butée, agissant à la fin de la première partie de déplacement. 2) Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que - ledit organe de butée (20) est cylindrique, bloqué en translation axiale et disposé autour dudit premier tube (7) entre l'extrémité de la partie de guidage (11A) du piston (11) et la pièce de retenue (21) fixe, cet organe de butée (20) étant expansible radialement, - ledit agencement pour escamoter l'organe de butée (20) est un agencement d'expansion radiale de ce dernier, agissant de telle sorte qu'il permet le passage de la partie de guidage (11A) entre le premier tube (7) et l'organe de butée (20). 3) Disjoncteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit organe de butée (20) est constitué d'au moins deux demi-cylindres (20A, 20B) comprimés l'un contre l'autre par au moins un ressort de traction (20C, 20D) annulaire. 4) Disjoncteur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit agencement d'expansion comprend au moins une première nervure (7B) portée par le second tube (7) et positionnée pour venir déformer radialement l'organe de butée (20) à la fin de la première partie de déplacement. ) Disjoncteur selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que - les deux demi-cylindres (20A, 20B) de l'organe de butée (20) comportent une première zone conique (20E) à leur extrémité de butée avec la partie de guidage (llB) du piston (11) et une seconde zone conique (20F) à proximité de leur extrémité en butée contre la pièce de retenue (21) fixe, - l'agencement d'expansion comporte deux nervures (7B, 7C) annulaires portées par le premier tube (7), ladite première nervure (7B) terminant son contact avec la première zone conique (20E) des demi-cylindres à la fin de la première partie de déplacement et une seconde nervure (7C)35 venant en contact avec la seconde zone conique (20F) des deux demi-cylindres, lorsque la première nervure (7B) a quitté la première zone conique (20E). 6) Disjoncteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une butée auxiliaire (24) de positionnement du piston (11) en position de fermeture est prévue, un jeu réduit existant entre l'extrémité de la partie de guidage (liB) du piston (11) et l'organe de butée (20) dans cette position et un ressort (25) étant disposé entre la paroi de pression (11A) du piston (11) et la couronne (9).