Brevet FR2760565A1 — publié le 19980911

Shunt de limitation de courant pour disjoncteurs à limitation de courant. Les disjoncteurs électriques compacts, utilisant des bras de contacts mobiles actionnés par un mécanisme d'actionnement dans un boîtier isolant, sont employés dans de nombreuses applications domes- tiques, commerciales et industrielles. Les unités de déclenchement détectant des surintensités de ces dispositifs comprennent les unités de déclenchement thermomagnétiques, typiquement utilisées sur le marché des produits de faible coût et grands volumes. L'échauflement de l'élément thermique contenu dans l'unité de déclenchement thermo- magnétique varie comme l'inverse du carré du courant, ce qui conduit à l'utilisation de bilames chauffés directement pour les dispositifs à calibres de faible ampérage, et à l'utilisation de bilames chauffés indi- rectement pour les disjoncteurs à calibres de plus fort ampérage. Dans un bilame chauffé indirectement, le courant traverse un élément chauffant adjacent, lequel chauffe "indirectement" le bilame par conduction thermique, par convexion et par rayonnement. Dans un bilame chauffé directement, il se produit un échauffement égal à 12R du fait du passage du courant dans le bilame. Dans les deux types d'unité de déclenchement, la chaleur fait fléchir le bilame et actionne une serrure de déclenchement qui travaille en coopération avec le mécanisme d'actionnement. En cas de court-circuit, des courants anormalement élevés qui traversent un bilame chauffé directement risquent d'endommager ce bilame. Le brevet américain n 3 046 371. intitulé "Circuit Breaike-r" décrit, entre autres, l'utilisation d'un shunt de hilame qui comprend des contacts de shunt fermés par l'actionnement de l'armature de l'aimant. La fermeture des contacts de shunt fournit un autre trajet dc passage du courant, qui est parallèle au bilame mais le contourne ce qui protège le bilame contre les courants de court-circuit. Le brevet américain n 3 548 358, intitulé "Electric Circuit Breaker with Bimetallic Strip Protective Means" propose un moyen supplémentaire pour casser les soudures de contact qui se produisent dans des conditions d'intense court-circuit, efficace pour protéger le bilame en cas de court-circuit. Toutefois, dans des conditions de court- circuit extrêmement fort, la configuration en trajet parallèle du dispositif de shunt laisse encore passer des courants excessivement forts dans le bilame. Le brevet américain n 4 749 829, intitulé "Circuit Breaker". décrit l'utilisation d'une résistance de limitation de courant incorporée en ligne pour réduire le niveau des courants traversant l'unité de déclenchement thermosensible en cas de court-circuit. Une résistance ohmique est branchée en série entre la barrette de connexion de ligne et l'unité de déclenchement, en étant couplée thermiquement au boîtier du disjoncteur. En cas de court-circuit, la résistance supplémentaire incorporée dans la ligne limite le courant maximal autorisé à passer ) dans le disjoncteur, ce qui protège efficacement le bilame de l'endom- magement. Dans des conditions de fonctionnement stables, la quantité de chaleur I2R produite par la résistance ohmique est dissipée par conduction thermique dans le boîtier du disjoncteur. Les caractéristi- ques de limitation du courant du disjoncteur sont améliorées quand la valeur ohmique de la résistance augmente. Toutefois, la valeur de la résistance pouvant être incorporée dans une résistance ohmique est limitée par les considérations thermiques générales du disjoncteur. La demande de brevet américain n 08/797152 déposée le 02/10/97 et intitulée "Circuit Breaker Current Limiting Arc Runner" 3() décrit l'utilisation d'un élément d'évacuation d'arc de surintensité qui ne conduit pas le courant de circuit dans des conditions de fonctionne- ment stables mais qui conduit le courant d'arc dans des conditions de surintensité, par commutation de l'arc vers un rail, si bien que l'échauffement thermique supplémentaire 12R est éliminé. Comme cet élément d'évacuation d'arc de surintensité est branché du point de vue électrique en série avec l'unité de déclenchement dans des conditions de création d'arc par court-circuit, le bilame peut être soumis à des pics de courant instantanés de forte intensité. Un but de l'invention est de proposer un dispositif efficace de contournement de bilame, qui commute totalement le courant vers un autre trajet lors de l'apparition d'un arc, afin de contourner le bilame thermosensible en cas de surintensité par court-circuit. Un autre but de l'invention est d'incorporer un élément de limitation du courant qui ne produit pas d'échauffement 12R supplémentaire dans des conditions de fonctionnement stable. Encore un autre but de l'invention est d'incor- porer un élément de limitation du courant qui a une caractéristique de suppression du courant améliorée, en vue d'une limitation efficace du courant dans des conditions de court-circuit extrêmement élevé. D'après l'invention, un disjoncteur à limitation de courant compact utilise un shunt de limitation de courant pour protéger l'unité de déclenchement thermoélectrique du disjoncteur en cas de forte surintensité. Le shunt de limitation du courant est dans le trajet de passage du courant pendant les court-circuits et n'est pas dans le trajet de passage du courant dans des conditions stables. Un élément d'évacuation d'arc commute le courant d'arc vers un trajet de shunt pendant l'ouverture des contacts du disjoncteur, sur un élément poly- mère de limitation du courant, en vue d'une suppression rapide du courant pendant une interruption pour court-circuit. La présente invention propose pour cela un disjoncteur à limitation de courant de type compact, qui comprend un boîtier de disjoncteur, un premier bras de contact portant un premier contact et une barrette de connexion de ligne comportant un deuxième contact, disposes dans le boîtier du disjoncteur pour faire passer un courant dans un circuit protégé, un mécanisme d'actionnement placé dans le boîtier du disjoncteur et conçu pour séparer les premier et deuxième contacts en cas d'apparition d'une situation de surintensité dans le circuit protégé. une unité de déclenchement placée dans le boîtier du disjonc- teur et servant à faire pivoter le mécanisme d'actionnement pour séparer les premier et deuxième contacts en créant ainsi un courant d'arc entre ces premier et deuxième contact lors de l'apparition d'une situation de surintensité, et un élément polymère de limitation du courant qui comprend un élément d'évacuation d'arc disposé à proximité du deuxième contact pour commuter le courant d'arc dans un trajet de courant dérivé ou shunt qui traverse ledit élément de limitation du courant, en vue d'une suppression rapide de ce courant d'arc. Ce disjoncteur peut comprendre un moyen servant à fixer cet 1() élément d'évacuation d'arc au boîtier du disjoncteur. Ce disjoncteur peut comprendre une première électrode et une deuxième électrode placées sur les côtés opposés de l'élément de limi- tation du courant. Cet élément de limitation du courant peut comprendre un liant polymère, ayant une température de vaporisation à laquelle se produit un dégagement gazeux significatif inférieure à 800 C, et une charge électroconductrice. Ce disjoncteur peut comprendre en outre un élément d'inter- face, en série avec le liant polymère et la charge, cet élément d'inter- ) face ayant une résistivité plus élevée que le liant polymère et la charge de sorte que l'échauffement résistif adiabatique au niveau de cet élément d'interface provoque une dilatation thermique rapide et une vaporisation du liant polymère qui conduit à une séparation au moins partielle au niveau de cette interface. Ce disjoncteur peut comprendre un moyen pour exercer une force de compression sur le liant polymère et la charge. Le liant polymère n'a pas besoin d'avoir un coelfficient de résistance positif. L'élément d'évacuation d'arc et la première électrode peuvent ) être reliés électriquement l'un à l'autre. La deuxième électrode peut être reliée électriquement à une barrette de connexion de charge. Le moyen de compression peut être un ressort. Le moyen de fixation peut comprendre un joint à ajustement serré dans le boîtier du disjoncteur. Le trajet de passage du courant de shunt est parallèle du point de vue électrique à ladite unité de déclenchement afin de dériver effi- cacement le courant de cette unité de déclenchement dans l'élément polymère de limitation du courant. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée suivante, faite en référence aux dessins d'accom- pagnement dans lesquels la figure I est une vue de côté d'un disjoncteur en boîtier moulé de l'art antérieur dont on a retiré le capot pour montrer les composants fonctionnels du disjoncteur en condition "arrêt", et la figure 2 est une vue de côté d'un disjoncteur à limitation de courant, compact et contenant un shunt de limitation du courant conforme à la présente invention. La figure 1 représente un disjoncteur en boîtier moulé 10 qui fonctionne selon les enseignements du brevet américain n 4 513 268, intitulé "Automated Q-Line Circuit Breaker" et du brevet américain n 4 573 259 intitulé "Method of Making an Automated Q-Line Circuit Breaker". Un boîtier 11 contient un mécanisme d'actionnement 12 qui fait pivoter un bras de contact 13 entre une position ouverte et une ) position fermée afin d'isoler un circuit protégé. Une manette 14 coopère avec le bras de contact 13 au moyen d'un berceau 15 et d'un ressort 16 pour provoquer la fermeture du circuit protégé, de sorte que le contact mobile 17 vient porter contre le contact fixe I 8. Une barrette de connexion de ligne 19 contenue dans le boîtier 1 1 assure la liaison électrique entre la source d'énergie extérieure et les composants inter- nes du disjoncteur. Dans des conditions de fonctionnement stables, le courant de circuit traverse la barrette de connexion de ligne 19. le contact fixe 18, le contact mobile 17, le bras de contact 13, une tresse , une borne de tresse 21, un bilame 22 et une barrette de connexion 3) de charge 23. Une borne de raccordement de charge 24 fournit un moyen pour coupler du point de vue électrique le circuit protégé au disjoncteur. En cas de surintensité électrique, le courant passant par le bilame 22 produit un champ magnétique qui est concentré dans un aimant 25 et une armature 26. Suivant le niveau de la surintensité, le bilame 22 ou l'aimant 25 va provoquer une séparation des contacts du disjoncteur, comme décrit dans les brevets américains déjà mentionnés n 4 513 268 et 4 573 259. Le fléchissement thermique du bilamrne 22 contre une saillie 29 amène un crochet 30) à faire tourner l'armature 26 et à libérer le berceau 15 d'une surface de serrure (non représentée) en permettant à l'énergie emmagasinée dans le ressort 16 d'actionner le bras de contact 13. Pour garantir une coordination correcte entre les systèmes de déclenchement magnétique et thermique, le trajet de passage du courant est placé à l'intérieur du circuit magnétique de l'aimant 25 et de l'armature 26. L'ouverture du bras de contact 13 1() produit un arc électrique (non représenté) qui est dirigé vers la boîte de soufflage 27, avec extinction finale par un orifice de sortie 28. La figure 2 représente un disjoncteur compact 40) à limitation de courant, dans lequel des repères numériques identiques à ceux de la figure 1 désignent des composants correspondants. Une borne de raccordement de ligne 41 est couplée au bras de contact 13 par l'inter- médiaire d'un connecteur de borne 42 et d'une tresse 43. Le contact fixe 18 est fixé à une barrette de connexion de ligne 19 qui est proté- gée par une isolation électrique 44 au voisinage du connecteur de borne 42. La barrette de connexion de ligne 19 est couplée du point de ) vue électrique au bilame 22, grâce à une tresse 20 et une borne de tresse 21. Le bilame 22, placé à l'intérieur du circuit magnétique de l'aimant 25 et de l'armature 26, est couplé du point de vue électrique à la barrette de connexion de charge 23 et à la borne de charge 24. L'ouverture du bras de contact 13 produit un arc électrique qui est dirigé vers la boîte de soufflage 27 et entraîné sur une première extré- mité d'un élément 45 d'évacuation d'arc. L'autre extrémité de l'élément d'évacuation d'arc agit comme une première électrode 46. laquelle est poussée contre un conducteur polymère 47 par un ressort 48. La surface opposée du conducteur polymère 47 porte contre une deuxième ) électrode 49 qui est fixée à une borne d'électrode 50) traversant le circuit magnétique de l'aimant 25 et de l'armature 26 et reliée à la barrette de connexion de charge 23. Un dispositif d'isolation 51 protège la borne d'électrode 50 de la détérioration par les gaz d'émission. L'interruption du circuit se fait de la manière décrite précédemment, par fléchissement du bilame 22 contre un ergot 52 qui amène le crochet 30 à faire tourner l'armature 26 et à libérer le berceau 15, ce qui permet à l'énergie emmagasinée dans le ressort 16 d'actionner le bras de contact 13. Pour garantir la coordination magnétique et thermi- que, le trajet du courant dans le bilame 22 ou la borne d'électrode 50) traverse l'aimant 25 et l'armature 26. En cas de court-circuit, les forces magnétiques exercées sur l'arc électrique flont basculer cet arc sur l'élément 45 d'évacuation d'arc, en l'éloignant du bilame 22. Le courant ainsi commuté est rapidement supprimé par l'action du limi- teur de courant en polymère qui fonctionne de la manière décrite dans la demande de brevet n (08/797152 déjà mentionnée. Le cour-ant rési- duel est finalement éteint par l'orifice de sortie 28. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des varian- tes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. i5 REVENDICATIONS 1. Disjoncteur à limitation de courant de type compact, carac- térisé en ce qu'il comprend un boîtier de disjoncteur ( 1), un premier bras de contact ( 1 3) portant un premier contact (17) et une barrette de connexion dc ligne (19) comportant un deuxie- me contact (1 8), disposés dans le boîtier du disjoncteur pour faire passer un courant dans un circuit protégé, un mécanisme d'actionnement (12) placé dans le boîtier du disjoncteur et conçu pour séparer lesdits premier et deuxième contacts l() en cas d'apparition d'une situation de surintensité dans ledit circuit protégé, une unité de déclenchement placée dans le boîtier du disjonc- teur et servant à faire pivoter le mécanisme d'actionnement pour séparer les premier et deuxième contacts en créant ainsi un courant d'arc entre ces premier et deuxième contact lors de l'apparition de ladite situation de surintensité, et un élément polymère (47) de limitation du courant qui comprend un élément (45) d'évacuation d'arc disposé à proximité du deuxième contact pour commuter ledit courant d'arc vers un trajet de 2() courant dérivé qui passe par ledit élément de limitation du courant, en vue d'une suppression rapide dudit courant d'arc. 2. Disjoncteur à limitation de courant de type compact selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen servant à fixer ledit élément d'évacuation d'arc audit boîtier du disjoncteur. 3. Disjoncteur à limitation de courant de type compact selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une première électrode (46) et une deuxième électrode (49) placées sur les cÈtés opposés dudit élément de limitation du courant. 4. Disjoncteur à limitation de courant de type compact selon ) la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de limitation du courant comprend un liant polymère, ayant une température de vapori- sation à laquelle se produit un dégagement gazeux significatif inlfé- rieure à 800 C, et une charge électroconductrice. 5. Disjoncteur à limitation de courant de type compact selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un élément d'interface, en série avec ledit liant polymère et ladite charge. ledit élément d'interface ayant une résistivité plus élevée que ledit liant polymère et ladite charge, de sorte que l'échauffement résistilf adiabatique au niveau dudit élément d'interface provoque une dilata- tion thermique rapide et une vaporisation dudit liant polymère qui conduit à une séparation au moins partielle au niveau dudit élément d'interface. 1() 6. Disjoncteur à limitation de courant de type compact selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour exercer une force de compression sur ledit liant polymère et ladite charge. 7. Disjoncteur à limitation de courant de type compact selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit liant polymère n'a pas besoin d'avoir coefficient de résistance positif. 8. Disjoncteur à limitation de courant de type compact selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément d'évacuation d'arc et ladite première électrode sont reliés électriquement l'un à l'autre. 9. Disjoncteur à limitation de courant de type compact selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite deuxième électrode est reliée électriquement à une barrette de connexion de charge. 10. Disjoncteur à limitation de courant de type compact selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit moyen de compression est un ressort (48). I 1. Disjoncteur à limitation de courant de type compact selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen de fixation comprend un joint à ajustement serré dans ledit boîtier du disjoncteur. 12. Disjoncteur à limitation de courant de type compact selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit trajet de passage du courant de shunt est parallèle du point de vue électrique à ladite unité de déclenchement afin de dériver efficacement le courant de ladite unité de déclenchement sur ledit élément polymère de limitation du courant.