Brevet FR2775827A1 — publié le 19990910

Contacteur électrique comportant une caqe de soufflage améliorée L'invention se rapporte à un contacteur électrique comportant une cage de soufflage améliorée. Le contacteur est généralement utilisé comme interrupteur dans des circuits électrique de forte puissance, c'est à dire pour interrompre la circulation d'un courant d'intensité de l'ordre de quelques centaines d'Ampère, et même beaucoup plus. Le contacteur peut être installé dans un circuit électrique alimenté par une source de tension continue ou alternative. Le contacteur est en particulier défini par son pouvoir de coupure, c'est à dire un courant d'intensité maximale qu'il est capable d'interrompre, sans subir de dommages importants, sous une tension donnée d'alimentation (tension nominale). Le contacteur comporte deux contacts, l'un fixe et l'autre mobile, qui sont reliés par des bornes au circuit électrique. En position de fermeture, les deux contacts sont appliqués fermement l'un contre l'autre, pour assurer le passage du courant dans le circuit. A l'ouverture, lorsqu'on sépare les deux contacts, la conduction électrique dans le circuit tend à subsister par la création d'un arc électrique entre les deux contacts. L'arc électrique est généralement induit par la présence de charges inductives dans le circuit électrique. Pour des raisons de sécurité, principalement liées à la continuité électrique du courant à l'intérieur du contacteur, lors de l'ouverture des contacts, il est nécessaire de supprimer l'arc électrique qui s'est développé entre les contacts. Pour ce faire, il est connu de diminuer le courant qui entretient l'arc électrique, en augmentant la tension d'arc. La technique utilisée, en milieu industriel, est d'allonger l'arc électrique. Pour cela, on utilise généralement une cage de soufflage qui est placée en regard des contacts du contacteur et qui contribue à l'allongement et à la modification de certaines propriétés de l'arc électrique, telles que la conductivité électrique et la conductivité thermique de l'arc. Ainsi, dans la cage de soufflage, on recherche des échanges thermiques importants pour que le refroidissement de l'arc provoque la diminution de la conductance du milieu gazeux entourant l'arc, autrement dit augmenter la résistance du milieu gazeux, pour éteindre l'arc. Les gaz sont évacués de la cage de soufflage par convection, par l'intermédiaire d'ouvertures réalisées dans la cage. Certaines cages de soufflage comportent des ailettes métalliques, formant radiateur, permettant de dissiper de la chaleur produite par l'arc électrique. Pour plus de renseignement sur les techniques de coupure d'un arc électrique, on pourra se référer au tome 2, chapitre 10, du livre intitulé "l'arc électrique et ses applications" (Edition du Centre National de la Recherche Scientifique- Février 1985). Dans les cages de soufflage connues, on utilisait de l'amiante comme matériau pour les parois de la cage. L'amiante possède la particularité de bien refroidir les gaz chauds à l'intérieur de la cage de soufflage et possède des propriétés chimiques de dégagement gazeux, à partir de certaines températures, permettant d'étouffer l'arc. De plus, l'amiante assure une excellente résistance aux chocs thermiques et aux températures élevées développées par l'arc électrique dans la cage de soufflage. Depuis l'interdiction de l'utilisation de l'amiante, en particulier en France, on utilise des matériaux de substitution, par exemple de la céramique ou des matériaux plastiques à base de polyester, pour remplacer les anciennes cages de soufflage réalisées à base d'amiante. Les matériaux de substitution utilisés ne présentent pas toutes les propriétés intéressantes de l'amiante, ce qui entraîne une certaine dégradation du pouvoir de coupure du contacteur. Ainsi, le contacteur est mal exploité, c'est à dire qu'il a un pouvoir de coupure très inférieur à celui pour lequel il est initialement conçu. L'invention a pour but d'éviter ces inconvénients et vise à proposer un contacteur avec une cage de soufflage améliorée et vise également à proposer une cage de soufflage pouvant remplacer les cages de soufflage à base d'amiante. De plus, l'invention permet d'améliorer sensiblement le pouvoir de coupure du contacteur, sans apporter aucune modification des contacts du contacteur. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un contacteur électrique comportant une paire de contacts séparables; des moyens de manoeuvre pour déplacer les contacts entre une position ouverte et une position fermée, selon une trajectoire déterminée; une cage de soufflage, placée en regard des contacts, comportant deux parois latérales, disposées de part et d'autre des deux contacts, entre lesquelles s'étendent transversalement des ailettes métalliques, les dites ailettes ayant un bord arrière situé à proximité d'un bord extérieur des parois de la cage de soufflage, étant espacées les unes par rapport aux autres et étant dirigées sensiblement perpendiculairement par rapport à la trajectoire des contacts. Selon l'invention, la cage de soufflage comporte en outre des lames qui sont réalisées dans un matériau électriquement isolant et qui sont placées à proximité directe des ailettes métalliques, en étant en contact avec celles-ci. Il est à noter que la coupure de l'arc électrique s'effectue dans l'air, en l'absence de tout gaz particulier à l'intérieur de la cage de soufflage. Lors de la séparation des contacts, on cherche à étirer l'arc électrique, pour augmenter la tension d'arc, en utilisant, de manière connue en soi, un champ magnétique. Des spires, situées à proximité du contact fixe du contacteur, génèrent, lorsqu'elles sont parcourues par un courant fourni lors de l'ouverture du contacteur, un champ magnétique qui tend à déformer l'arc en le repoussant vers les ailettes métalliques de la cage de soufflage. Toujours sous l'action du champ magnétique, l'arc électrique est encore étiré en passant dans les espaces délimités entre deux ailettes successives et en zigzaguant entre les ailettes. Celles- ci assurent la dissipation de la chaleur produite par l'arc, pour diminuer fortement la température des gaz de l'arc. Après de nombreux essais, en utilisant un contacteur dont la cage de soufflage en amiante a été remplacée par une cage de soufflage réalisée dans un matériau à base de polyester, les inventeurs se sont rendus compte que les gaz chauds à l'intérieur de la cage de soufflage ne sont pas suffisamment refroidis par les ailettes métalliques et, par conséquent, l'arc électrique n'est pas coupé. Par ailleurs, les gaz ionisés, qui sortent par convection à l'extérieur de la cage en passant par des ouvertures, sont encore suffisamment chaud pour provoquer un réamorçage de l'arc électrique à l'extérieur de la cage de soufflage, en réalisant un court-circuit du bord extérieur de deux ailettes métalliques successives. Pour y remédier, selon un premier mode de réalisation, les lames recouvrent partiellement une face des ailettes métalliques, jusqu'au bord arrière des dites ailette, à partir d'une distance qui est définie par rapport au bord arrière de la dite ailette. Conformément à l'invention, la face d'une ailette est recouverte, par exemple sur au moins un tiers de la longueur d'une ailette à partir du bord arrière de la dite ailette, par une lame isolante réalisée par exemple en matière plastique. Ainsi, on empêche l'arc électrique de s'amorcer à l'extérieur de la cage de soufflage, en isolant le bord arrière de l'ailette métallique. Préférentiellement, dans ce mode de réalisation, les lames se prolongent au-delà du bord arrière de l'ailette métallique. Cette disposition permet d'améliorer l'isolation du bord arrière d'une ailette métallique, afin d'empêcher l'arc électrique de court-circuiter deux ailettes successives. Selon un deuxième mode de réalisation, les lames sont placées dans le prolongement des ailettes. Cette disposition permet d'augmenter la distance d'isolation entre le bord arrière de l'ailette et le bord extérieur de la cage de soufflage. Selon un mode de réalisation préféré, les lames comportent un épaulement dont un rebord recouvre partiellement les ailettes, sur une distance définie, et s'étendent au-delà du bord arrière des dites ailettes. Ainsi, l'épaulement permet d'isoler le bord arrière de l'ailette, et le prolongement des lames permet d'augmenter la distance d'isolation entre le bord arrière de l'ailette et le bord extérieur de la cage de soufflage. En comparaison, en utilisant un premier contacteur (tension d'alimentation et pouvoir de coupure donnés) utilisant une cage soufflage à base d'amiante et un deuxième contacteur, de type identique à celui du premier contacteur, utilisant la cage de soufflage selon l'invention, les inventeurs ont constaté que le deuxième contacteur est capable d'interrompre un courant maximal sensiblement plus important que celui du premier contacteur. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront dans la description qui va suivre d'un contacteur électrique comportant une cage de soufflage améliorée. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue latérale en coupe montrant, de manière simplifiée, un contacteur dans une position de fermeture dans laquelle les contacts mobile et fixe sont appliqués l'un contre l'autre et une position d'ouverture, repérée en pointillée, dans laquelle le contact mobile est écarté du contact fixe, et montrant la cage de soufflage placé en regard des deux contacts, - la figure 2 est une vue de face de la cage de soufflage, - la figure 3 est une vue latérale du deuxième mode de réalisation, montrant, de manière simplifiée, une ailette métallique et une lame qui prolonge l'ailette, à partir de son bord arrière, - la figure 4 est une vue latérale du premier mode de réalisation, montrant, de manière simplifiée, une ailette métallique et une lame qui recouvre partiellement une face de l'ailette et s'étend au-delà de son bord arrière, - la figure 5 est une vue latérale d'un mode de réalisation, montrant, de manière simplifiée, une ailette métallique et une lame qui recouvre partiellement les deux faces de l'ailette et s'étend au-delà de son bord arrière, - la figure 6 est une vue de détail en perspective d'une paroi de la cage de soufflage, montrant des rainures réalisées dans la paroi pour maintenir les extrémités latérales des ailettes, - la figure 7 est un schéma électrique d'un circuit utilisé pour tester le contacteur, - la figure 8 est un chronogramme d'un résultat d'une coupure d'un arc électrique réalisée avec le contacteur, et représente un relevé de la tension (courbe n l) et du courant (courbe n 2) aux bornes du contacteur, en fonction du temps. Le contacteur 1, montré de manière simplifiée à la figure 1, comporte un contact fixe 2 et un contact mobile 3 placé à l'extrémité d'un bras 4 monté pivotant autour d'un axe A perpendiculaire au plan de la feuille. En position de repos du contacteur, c'est à dire en position de fermeture, le contact fixe 2 et le contact mobile 3 sont appliqués fermement l'un contre l'autre, par l'intermédiaire d'un ressort (non représenté). Pour obtenir la position d'ouverture du contacteur, repérée en pointillé sur la figure 1, un actionneur (non représenté) permet de faire pivoter le bras 4 autour de l'axe A pour séparer le contact mobile du contact fixe. Le contact fixe 2 et le contact mobile 3 sont reliés, par exemple par une tresse de fil 5 pour le contact mobile, à des bornes (non représentées) qui sont ensuite connectées à un circuit électrique. Pour allonger l'arc électrique B qui se produit entre les deux contacts, lors de leur séparation, et repousser l'arc électrique vers une cage de soufflage 8, le contact fixe 2 comporte une corne 6, connue comme "corne de soufflage ", derrière laquelle est placée une bobine 7 permettant de générer un champ magnétique, et le contact mobile 3 comporte une autre corne de soufflage 61. Les cornes de soufflages 6 et 61 servent de support aux extrémités de l'arc, lorsque celui-ci se déplace vers la cage de soufflage, en étant repoussé par l'action du champ magnétique de la bobine, comme le montre la figure 1. La cage de soufflage 8 est placée en regard des deux contacts 2 et 3 et comporte deux parois 801 et 802 en forme de quart de cercle centrée en C, entre lesquelles s'étendent transversalement des ailettes métalliques 82 situées à proximité du bord circulaire 81 des parois. Les ailettes 82 sont dirigées radialement par rapport au centre C des deux parois 801, 802 de la cage de soufflage 8 et sont espacées les unes par rapport aux autres d'une distance, par exemple, de l'ordre de 6 millimètres. Le bord avant 820 des ailettes est placé sur un arc de cercle D centré en C et de rayon R1=55 mm et le bord arrière des ailettes est placé sur un arc de cercle E centré en C et de rayon R2=75 mm. L'ailette métallique est une plaque, par exemple en acier inoxydable, d'une épaisseur de l'ordre de 2 millimètres et une longueur de millimètres. Ces différentes dimensions sont indiquées uniquement à titre d'exemple non limitatif. La présence des ailettes permet de déformer encore l'arc B, c'est à dire, comme montré figure 1, que l'arc électrique passe, en zigzaguant entre les ailettes, et s'allonge dans l'espace défini entre deux ailettes successives. Les ailettes sont en nombre suffisant, par exemple 25 ailettes, pour assurer la répartition de la tension d'arc entre toutes les ailettes, autrement dit, que la somme des tensions des petits arcs se produisant entre les ailettes soit égale à la tension d'arc mesurée aux bornes du contacteur. Les ailettes permettent de limiter la surtension provoquée par l'arc électrique, de manière à éviter un endommagement des appareils électriques présents dans le circuit électrique, et assurent un abaissement de la température des gaz de l'arc, pour éteindre l'arc. Lorsque l'arc électrique est coupé, les gaz ionisés sont évacués par convection, hors de la cage de soufflage. Par ailleurs, au cas o le refroidissement à l'aide des ailettes métalliques est insuffisant pour abaisser fortement la température des gaz de l'arc, l'arc électrique peut s'établir en dehors de la cage de soufflage et court-circuiter le bord arrière 821 des ailettes métalliques. Pour éviter cela, des lames 83 (figure 1) sont disposées dans le prolongement des ailettes métalliques, à partir du bord arrière 820 des ailettes 82, et recouvrent partiellement une face des ailettes, par exemple, sur une distance d'environ un tiers de la longueur de l'ailette, grâce à un épaulement 830 réalisé dans les lames. Les figures 3 et 4 montrent des variantes de réalisation des lames. Pour éviter que l'arc électrique ne court-circuite deux ailettes métalliques successives, au niveau du bord arrière des ailettes 82, on peut soit utiliser une lame 83a qui recouvre partiellement une face de l'ailette, sur une distance h0 de l'ordre de 6 millimètres, et s'étend au delà du bord arrière de la dite ailette, soit utiliser une lame 83b qui prolonge l'ailette, à partir du bord arrière de l'ailette métallique 82. La figure 5 montre une autre variante de réalisation de l'isolation du bord arrière 820 d'une ailette, de manière à isoler partiellement les deux faces de de l'ailette. Une rainure 840, de largeur sensiblement égale à l'épaisseur de l'ailette 82, est réalisée dans l'épaisseur d'une lame 83c, de telle sorte qu'un premier coté 850 de la rainure recouvre partiellement une des faces de l'ailette, par exemple sur une distance H1 égale à au moins un tiers de la longueur de l'ailette, et l'autre coté 860 de la rainure vient recouvrir partiellement l'autre face de l'ailette 82, par exemple sur environ 4 millimètres. La lame 83c se prolonge au delà du bord arrière 820 de l'ailette 82. Les parois 801, 802 de la cage de soufflage et les lames 83 sont réalisées dans un matériau plastique à base de polyester, pouvant résister aux températures importantes des gaz qui environnent l'arc, et sont obtenues directement par moulage. Comme le montre la figure 2, les lames 83 sont réalisées sur une première 801 des deux parois, l'autre paroi 802 étant ensuite emboitée sur la première paroi et maintenue par vissage. Des têtes d'écrou, qui dépassent latéralement des parois 801 et 802, sont utilisées comme support pour maintenir la cage de soufflage sur des flasques 9 qui sont fixés sur le contacteur (voir figure 1). Des rainures 803, montrées de manière simplifiée sur la figure 5, sont réalisées dans les parois 801 et 802, au niveau des lames 83, pour y loger et maintenir les extrémités latérales des ailettes 82, lorsqu'on emboite les deux parois de la cage. Le bord arrière 821 de l'ailette métallique 82 est soutenu par l'épaulement 830 réalisé dans la lame 83. Afin de tester les performances du contacteur 1, on a utilisé un circuit électrique comportant une source d'alimentation S, une charge Ch, par exemple une self, et le contacteur 1. Les caractéristiques nominales du contacteur, c'est à dire le courant nominal et la tension nominale, sont respectivement 1250 A et 500 V. Le courant nominal correspond au courant qui circule en permanence dans le contacteur, en fonctionnement normal. A titre d'exemple, un essai, dont le résultat est montré figure 7, a été réalisé sous une tension d'alimentation continue U de 500 Volts et un courant I d'intensité de 20000 A. Uniquement pour le test, l'intensité du courant I est environ vingt fois supérieure à celle du courant nominal du contacteur, de manière à vérifier l'aptitude du contacteur à interrompre la circulation d'un tel courant. La self a une inductance L et a une résistance R, de telle sorte que la constante de temps (L/R) de la self soit de l'ordre de 15 ms. Les courbes n l et n 2 (figure 7) sont des chronogrammes de résultat de l'essai de coupure du il contacteur et représentent respectivement la tension relevée aux bornes du contacteur et le courant qui circule dans le contacteur, en fonction du temps t. La base de temps utilisée est de 50 millisecondes/division. Lorsqu'on ferme le contacteur 1, à t=tO, comme le montre la courbe n 2, le courant augmente pour atteindre une intensité finale de 20000 A. Lorsque t=tl, on ouvre le contacteur et comme le montre la courbe n l, une surtension apparaît alors aux bornes du contacteur, provoquée par l'établissement de l'arc électrique entre les deux contacts du contacteur 1. L'arc électrique assure le passage du courant. Pendant l'intervalle de temps [tl, t2], l'arc électrique est déformé dans la cage de soufflage, comme indiqué précédemment, et échange de la chaleur avec les ailettes métalliques. La température des gaz de l'arc diminue et lorsque t=t2, l'arc électrique est définitivement supprimé, comme le montre la courbe n 2, car le courant I qui circule dans le circuit devient nul. Par ailleurs, la tension aux bornes du contacteur devient égale à la tension d'alimentation de la source S, comme le montre la courbe n l. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation montré uniquement à titre d'exemple. En particulier, les matériaux de la cage de soufflage et des lames, ainsi que le matériau des ailettes, pourront être modifiés. A titre d'exemple, on pourra utiliser de la céramique comme matériau des parois et les lames, et utiliser un acier, de préférence galvanisé pour éviter l'oxydation des ailettes, comme matériau des ailettes. Par ailleurs, la lame peut recouvrir une ailette sur une distance supérieure à un tiers de la longueur de l'ailette, à compter du bord arrière de l'ailette, et même recouvrir complètement une face d'une ailette. De manière éviter que l'arc électrique ne court-circuite une ailette métallique soit sur son bord avant, soit sur son bord arrière, la dite ailette pourra être entièrement enrobé par une lame isolante, de telle sorte que la lame constitue une gaine isolante pour l'ailette. REVENDICATIONS 1. Contacteur électrique (1) comportant: -une paire de contacts séparables (2, 3), - des moyens de manoeuvre pour déplacer les contacts entre une position ouverte et une position fermée, selon une trajectoire déterminée, - une cage de soufflage (8), placée en regard des contacts (2, 3), comportant deux parois latérales (801, 802), disposées de part et d'autre des deux contacts, entre lesquelles s'étendent transversalement des ailettes métalliques (82), les dites ailettes ayant un bord arrière (821) situé à proximité d'un bord extérieur (81) des parois de la cage de soufflage, étant espacées les unes par rapport aux autres et étant dirigées sensiblement perpendiculairement par rapport à la trajectoire des contacts (2, 3), caractérisé en ce que la cage de soufflage (8) comporte en outre des lames (83) qui sont réalisées dans un matériau électriquement isolant et qui sont placées à proximité directe des ailettes métalliques (82), en étant en contact avec celles-ci. 2. Contacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lames (83) recouvrent partiellement une face des ailettes métalliques (82) jusqu'au bord arrière de la dite ailette (82), à partir d'une distance (H0) qui est définie par rapport au bord arrière de l'ailette, 3. Contacteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les lames se prolongent au-delà du bord arrière (821) de l'ailette métallique (82). 4. Contacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lames (83) sont placées dans le prolongement des ailettes (82). 5. Contacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lames (83) comportent un épaulement dont un rebord (830) recouvre partiellement les ailettes (82), sur une distance (H1) définie, et s'étendent au-delà du bord arrière (821) des dites ailettes. 6. Contacteur selon la revendication 2 ou la revendication 5, caractérisé en ce que la distance (H0) et la distance (H1) sont égales à au moins un tiers de la longueur d'une ailette (82). 7. Contacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois (801, 802) de la cage de soufflage et les lames (83) sont réalisées en matière plastique. 8. Contacteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les parois (801, 802) de la cage de soufflage (8) et les lames (83) sont obtenues par moulage.