Brevet FR2833405A1 — publié le 20030613

L'invention concerne un disjoncteur à arc tournant comprenant une électrode centrale, une électrode cylindrique entourant ladite électrode centrale et une bobine inductrice électriquement reliée à l'électrode cylindrique et à un contact fixe s'étendant sensiblement radialement par rapport à ladite électrode centrale. Un disjoncteur de ce type est connu notamment de la demande de brevet en France n 98 01632 dans lequel l'apparition de l'arc tournant est favorisée entre l'électrode centrale et l'électrode cylindrique. Cet arc tournant alimente électriquement une bobine inductrice reliée à l'électrode secondaire et qui l'entoure, de manière à former entre les électrodes un champ magnétique provoquant la rotation de l'arc pour favoriser son extinction. Un tel disjoncteur est isolé sous un gaz diélectrique tel que du SF6 et il présente un pouvoir de coupure qui dépend d'une part du champ magnétique créé par la bobine inductrice et d'autre part de la pression du gaz diélectrique de remplissage. La coupure de forts courants de court-circuit, par exemple les points 60% et 100% définis par la norme CEI (Commission Electrotechnique Internationnale), est obtenue pour une pression de remplissage choisie avec une bobine inductrice comprenant peu de spires. Par contre la coupure de faibles courants, par exemple les points 5%, 10% et 30% définis par la norme, est plus complexe. Elle nécessite soit de conserver la bobine à peu de spires définie précédemment mais d'augmenter alors fortement la pression du gaz diélectrique dans le disjoncteur ce qui en accroît le coût de fabrication, soit de conserver la pression du gaz diélectrique et d'augmenter le nombre de spires de la bobine inductrice. Cependant, avec un nombre de spires important, la coupure de forts courants produit des forces électromagnétiques élevées dans la bobine inductrice qui conduisent à sa destruction. Il s'ensuit que l'adaptation d'un tel disjoncteur à la coupure d'une gamme de courants étendue nécessite une bobine renforcée, ce qui en accroît le coût de fabrication. Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un disjoncteur limitant le courant dans la bobine inductrice pour couper une gamme de courants étendue sous une faible pression de gaz diélectrique. A cet effet, l'invention a pour objet un disjoncteur à arc tournant comprenant une électrode centrale, une électrode cylindrique entourant ladite électrode centrale et une bobine inductrice électriquement reliée à l'électrode cylindrique et à un contact fixe s'étendant sensiblement radialement par rapport à ladite électrode centrale, caractérisé en ce qu'il comporte une électrode secondaire entourant ladite électrode centrale et disposée entre ladite électrode cylindrique et ledit contact fixe, ladite électrode secondaire étant électriquement reliée audit contact fixe en étant séparée de l'électrode cylindrique d'une distance suffisamment faible pour amorcer un arc électrique secondaire entre ladite électrode cylindrique et ladite électrode secondaire en cas de fort courant d'arc risquant de détériorer ladite bobine inductrice. Avec cet agencement, l'arc secondaire est en série avec l'arc tournant, ce qui forme un équilibre stable pour limiter le courant traversant la bobine inductrice de manière à étendre la gamme des intensités pouvant être coupées par le disjoncteur. Pendant la coupure des faibles courants la totalité du courant transitant par l'arc tournant traverse la bobine. Avantageusement, l'électrode centrale est électriquement reliée à une embase conductrice qui s'étend sensiblement dans la même direction radiale que celle du contact fixe de manière à former une boucle de courant tendant à s'élargir sous l'effet du champ magnétique qu'elle génère. Avec cet agencement un arc apparaissant entre l'électrode centrale et l'électrode secondaire est transféré vers l'électrode cylindrique. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, une pluralité d'électrodes intermédiaires isolées électriquement les unes des autres sont intercalées entre l'électrode cylindrique et l'électrode secondaire pour fractionner l'arc secondaire en une pluralité d'arcs en série, ce qui permet d'augmenter la tension d'apparition de l'arc secondaire pour augmenter le courant maximal traversant la bobine. L'électrode secondaire, de même que les électrodes intermédiaires, pourra avantageusement être réalisée à partir de plaques planes en cuivre, en alliage cuivreux, en acier, ou en tout autre matériau présentant un point de fusion élevé. Chaque plaque aura un alésage de diamètre sensiblement supérieur au diamètre de l'électrode cylindrique, ce qui réduit le coût de fabrication du disjoncteur. Les électrodes pourront être maintenues par une ou plusieurs vis de fixation traversant l'électrode secondaire et/ou les électrodes intermédiaires, les électrodes étant séparées par des entretoises en matériau électriquement isolant, chaque entretoise étant traversée par une vis de fixation. Avec cet agencement, le montage et le positionnement des électrodes est réalisé à moindre coût. L'invention sera maintenant décrite plus en détail, et en référence aux dessins annexés qui en illustrent une forme de réalisation à titre d'exemple non limitatif. La figure 1 est une vue partielle en coupe du disjoncteur selon l'invention en position fermée ; La figure 2 est une vue partielle en coupe du disjoncteur selon l'invention en position ouverte pendant une phase d'interruption du courant ; La figure 3 est une représentation de l'électrode secondaire du disjoncteur selon l'invention ; La figure 4 est un graphe représentant le courant traversant la bobine en fonction du courant dans l'arc tournant ; La figure 5 est une vue partielle en coupe d'une variante du disjoncteur selon l'invention avec une pluralité d'électrodes secondaires ; Comme visible dans la figure 1, le disjoncteur comprend un contact fixe 1 et un contact mobile 2 qui est monté sur une embase conductrice 3 par rapport à laquelle il peut tourner. Le contact mobile 2 est lié en mouvement à un organe d'actionnement 2'destiné à être actionné pour ouvrir ou fermer le disjoncteur. L'embase conductrice 3 supporte une électrode centrale 4 de telle sorte que l'électrode centrale 4 et le contact mobile 2 sont électriquement reliés par l'embase conductrice 3. L'électrode centrale 4 a la forme générale d'une barre qui s'étend selon un axe AX en étant entourée par une électrode cylindrique 5 coaxiale à l'axe AX. Le contact fixe 1 et l'embase conductrice 3 s'étendent radialement par rapport à l'électrode centrale en étant sensiblement parallèles l'un à l'autre. L'électrode cylindrique et le contact fixe sont sensiblement espacés l'un de l'autre dans la direction de l'axe AX. Une bobine inductrice 6 est enroulée autour de l'électrode cylindrique 5 pour générer un champ magnétique B entre les électrodes 4 et 5 ainsi qu'un champ magnétique B'entre l'électrode cylindrique 5 et une électrode secondaire 7 lorsque cette bobine est traversée par un courant. Cette bobine inductrice 6 est électriquement reliée à l'électrode cylindrique 5 et à une électrode secondaire 7, cette électrode secondaire étant elle même électriquement reliée au contact fixe 1. Lors de l'ouverture du disjoncteur, la rotation du contact mobile 2 par rapport au contact fixe 1 amorce un premier arc entre le contact mobile 2 et le contact fixe. Le courant traversant cet arc traverse également l'embase conductrice 3 et le contact fixe 1, formant ainsi une boucle de courant sensiblement plane dans le plan formé par l'axe AX et la direction AY, boucle qui tend à s'élargir sous l'effet du champ magnétique qu'elle génère. Cet élargissement fait monter l'arc le long de l'électrode centrale 4 pour former un arc tournant A 1 qui s'établit entre l'électrode centrale 4 et l'électrode cylindrique 5, tel que représenté figure 2. Cet arc tournant A 1 alimente la bobine inductrice 6 qui génère un champ magnétique provoquant sa rotation autour de l'électrode centrale 1 pour favoriser son extinction. Selon l'invention, une électrode secondaire 7 qui entoure l'électrode centrale 4 et qui est électriquement reliée au contact fixe est disposée entre le contact fixe 1 et l'électrode cylindrique 5. Cette électrode secondaire 7 est séparée de l'électrode cylindrique 5 d'une distance suffisamment faible pour amorcer un arc secondaire A2 avec l'électrode cylindrique 5 en cas de fort courant d'arc risquant de détériorer la bobine inductrice 6. Plus particulièrement, une surintensité dans l'arc tournant A 1 provoque une surtension aux bornes de la bobine inductrice 6, de telle sorte que la tension entre 11électrode secondaire 7 et l'électrode cylindrique 5 auxquelles la bobine inductrice 6 est connectée atteint une valeur seuil déclenchant un amorçage de l'arc secondaire A2. Avec cet agencement, l'arc secondaire court-circuite la bobine inductrice de sorte que le courant traversant cette bobine inductrice 6 est limité au courant transitant par l'arc tournant A 1 diminué du courant transitant par l'arc secondaire A2. Cette électrode secondaire pourra avoir toute forme appropriée, de manière à entourer l'électrode centrale 4 en étant séparée d'une distance suffisamment faible de l'électrode cylindrique 5 le long de l'électrode centrale 4 pour favoriser l'apparition de l'arc secondaire A2. Dans un mode de réalisation préféré, visible figure 3, l'électrode secondaire 7 est réalisée à partir d'une plaque plane conductrice sensiblement carrée comprenant un alésage 7'd'un diamètre égal ou sensiblement supérieur au diamètre interne de 11électrode cylindrique 5. Cette électrode secondaire 7 pourra comprendre des perçages 7"destinés à la fixer à un bâti du disjoncteur en la positionnant parallèlement à la base 5'de l'électrode cylindrique 5 et en centrant l'alésage 7'sur l'axe AX. Comme visible dans les figures 1 et 2, l'électrode secondaire est séparée de l'électrode cylindrique 5 d'une faible distance le long de l'axe AX pour favoriser l'apparition de l'arc secondaire A2. Dans l'exemple de la figure 3, l'électrode secondaire comprend encore une patte 8 comprenant un trou 8'destiné à la connecter électriquement au contact fixe 1 et à la bobine inductrice 6. Comme visible dans les figures 1 et 2, une vis 9 traversant une entretoise isolante 10 et le trou 8 est vissée dans le contact fixe 1, de manière à garantir un contact électrique de qualité entre le contact fixe 1 et l'électrode secondaire 7. Durant la coupure, l'arc tournant A 1 et l'arc secondaire A2 baignent dans le champ magnétique B, ce qui provoque leur rotation autour de l'axe AX. L'usure due aux arcs est ainsi diminuée, de sorte que l'électrode secondaire 7 pourra par exemple être réalisée en cuivre ou en acier. Le coût de fabrication du disjoncteur selon l'invention en est ainsi réduit. Dans la figure 4 on a représenté l'évolution du courant is traversant la bobine inductrice 6, pour un courant iA sinusoïdal de forte intensité transitant par l'arc tournant A 1. Dans la suite, un courant est dit croissant si sa valeur absolue est croissante. Durant l'ouverture du contact mobile 2 qui débute à un instant t1, un arc apparaît naturellement entre le contact fixe 1 et le contact mobile 2, cet arc est transféré entre l'électrode centrale 4 et l'électrode cylindrique 5 pour former l'arc tournant A 1 visible figure 2 et apparaissant à l'instant t2. Durant ce transfert, l'ionisation du gaz diélectrique favorise également l'apparition de l'arc secondaire A2 entre l'électrode secondaire 7 et l'électrode cylindrique 5. La tension d'arc U2 générée par l'arc secondaire A2 est également la tension aux bornes de la bobine inductrice 6. En conséquence, un courant is apparaît dans la bobine inductrice 6, et ce courant is croît lentement selon une pente sensiblement constante valant U2/L, L désignant l'inductance de la bobine 6. Ce courant croît jusqu'à atteindre à l'instant ts la valeur du courant iA transitant par l'arc tournant AI, ce qui provoque l'extinction de l'arc secondaire A2. Il convient de noter que le courant traversant la bobine inductrice 6 est ainsi limité à U2. p/2L, p désignant la période du courant. Le courant dans la bobine inductrice qui vaut alors is = iA décroît ensuite rapidement jusqu'à un premier passage par zéro coïncidant avec un passage à zéro du courant sinusoïdal iA, ce qui favorise l'extinction de l'arc tournant A 1. En cas d'échec de l'extinction de l'arc tournant A 1 durant ce premier passage à zéro, le courant is = iA croît rapidement dans la bobine inductrice 6 jusqu'à ce que la tension aux bornes de la bobine atteigne en t4 une valeur seuil Us provoquant un amorçage de l'arc secondaire A2 qui court-circuite la bobine inductrice 6 pour limiter à nouveau le courant iB. Plus particulièrement, l'apparition de l'arc secondaire A2 est favorisée par la présence de l'arc tournant A 1 qui forme un nuage ionisé en expansion thermique rapide. Ce nuage fait chuter la tenue diélectrique du gaz d'isolation pour amorcer l'arc secondaire entre l'électrode secondaire et l'électrode cylindrique au voisinage de l'arc tournant A 1. Selon l'invention l'électrode secondaire entoure l'électrode centrale pour favoriser le réamorçage de l'arc secondaire quelle que soit la position angulaire de l'arc tournant par rapport à l'électrode centrale. Le courant traversant la bobine atteint ensuite en tg la valeur du courant iA dans l'arc tournant A 1, ce qui éteint l'arc secondaire A2. Le courant iB dans la bobine inductrice 6 qui vaut à nouveau iB = iA décroît ensuite jusqu'à un prochain passage par zéro du courant sinusoïdal jA ce qui favorise à nouveau l'extinction de l'arc tournant A1. En cas de réamorçage d'un arc entre l'électrode secondaire et l'électrode centrale, le courant circulant entre l'embase conductrice et le contact fixe en passant par l'électrode centrale forme une boucle de courant qui tend à s'élargir pour déplacer cet arc dans la zone annulaire située entre l'électrode centrale et l'électrode cylindrique. Pour la coupure de faibles courants iA, la tension U2 aux bornes de la bobine inductrice 7 reste faible et le volume du nuage de gaz ionisé plus limité. L'arc secondaire A2 ne se réamorce pas entre 5 et 7. Dans ce cas la totalité du courant iA traverse la bobine inductrice 7 ce qui génère un champ magnétique B suffisant pour couper l'arc tournant A 1. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention représenté figure 5, une ou plusieurs électrodes intermédiaires 7A, 7B, 7C isolées électriquement les unes des autres sont intercalées entre l'électrode cylindrique et l'électrode secondaire. L'arc secondaire A2 est ainsi fractionné en une pluralité d'arcs en série les uns des autres A21, A22, A23 et A24, ce qui augmente la tension totale U2 de l'arc secondaire. Avec ce mode de réalisation, la pente de croissance U2/L du courant BB traversant la bobine inductrice peut être augmentée pour ajuster le courant maximal dans la bobine inductrice à partir de données de fonctionnement prédéfinis. D'autre part, la distance séparant l'électrode secondaire de l'électrode cylindrique conditionne la tension seuil à partir de laquelle apparaît l'arc secondaire A2. Plus particulièrement, la tension U apparaissant aux extrémités d'un arc électrique d'intensité i est généralement modélisée par la relation U = A + B/i, dans laquelle A est fonction du matériau constitutif des électrodes et B est notamment fonction de la distance séparant les électrodes entre lesquelles apparaît l'arc. Il s'ensuit qu'en insérant les électrodes intermédiaires 7A, 7B, 7C entre l'électrode cylindrique 5 et 11électrode secondaire 7 dans le disjoncteur selon l'invention, la tension totale U2 de l'arc secondaire peut être doublée, triplée etc. Plus généralement, la valeur du courant maximal dans la bobine inductrice 6 pourra ainsi être ajustée par un choix approprié du matériau des électrodes et des distances les séparant. Ces électrodes intermédiaires 7A, 7B, 7C pourront avoir toute forme appropriée, pour fractionner l'arc secondaire A2 en une pluralité d'arcs en série les uns des autres. Selon un mode de réalisation préféré, chaque électrode intermédiaire est réalisée sous la forme d'une plaque ayant un alésage de diamètre égal ou sensiblement supérieur au diamètre de l'électrode cylindrique 5. Dans ce mode de réalisation préféré, chaque électrode comprend des perçages de fixation analogues à ceux décrits pour l'électrode secondaire de la figure 3. Comme visible dans la figure 4, on pourra avantageusement prévoir un montage par empilement dans lequel l'électrode secondaire et les électrodes intermédiaires sont fixées par une ou plusieurs vis 12 traversant les perçages de fixation. Dans l'exemple de la figure 4, on a quatre vis de fixation 12. Il convient de noter que les électrodes 7,7A, 7B, 7C sont séparées par des entretoises 11 en matériau isolant pour assurer une isolation électrique satisfaisante entre deux électrodes successives. Selon le cas, les vis de fixation 12 seront prévues en matériau isolant ou bien les entretoises 11 seront agencées pour isoler électriquement les vis de fixation 12 des électrodes qu'elles traversent. REVENDICATIONS 1/Disjoncteur à arc tournant (A1) comprenant une électrode centrale (4), une électrode cylindrique (5) entourant ladite électrode centrale (4) et une bobine inductrice (6) électriquement reliée à l'électrode cylindrique (5) et à un contact fixe (1) s'étendant sensiblement radialement par rapport à ladite électrode centrale (4), caractérisé en ce qu'il comporte une électrode secondaire (7) entourant ladite électrode centrale (4) et disposée entre ladite électrode cylindrique (5) et ledit contact fixe (1), ladite électrode secondaire (7) étant électriquement reliée audit contact fixe (1) en étant séparée de l'électrode cylindrique (5) d'une distance suffisamment faible pour amorcer un arc électrique secondaire (A2) entre ladite électrode cylindrique (5) et ladite électrode secondaire (7) en cas de fort courant d'arc risquant de détériorer ladite bobine inductrice (6). 2/Disjoncteur selon la revendication 1, dans lequel l'électrode centrale (4) est électriquement reliée à une embase conductrice (3) qui s'étend sensiblement dans la même direction radiale (AY) que celle du contact fixe, de manière à former une boucle de courant tendant à s'élargir sous l'effet du champ magnétique qu'elle génère. 3/Disjoncteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'électrode secondaire (7) est formée par une plaque plane ayant un alésage (7') de diamètre égal ou sensiblement supérieur au diamètre de l'électrode cylindrique (5), ladite électrode secondaire étant positionnée parallèlement à une base (5') de l'électrode cylindrique. 4/Disjoncteur selon la revendication 1,2 ou 3, comprenant une pluralité d'électrodes intermédiaires (7A, 7B, 7C) isolées électriquement les unes des autres et intercalées entre ladite électrode cylindrique (5) et ladite électrode secondaire (7) pour fractionner ledit arc secondaire (A2) en une pluralité d'arcs en série (A21, A22, A23, A24). 5/Disjoncteur selon la revendication 3 ou 4, dans lequel chaque électrode intermédiaire (7A, 7B, 7C) est une plaque ayant un alésage de diamètre égal ou sensiblement supérieur au diamètre de l'électrode cylindrique (5), lesdites électrodes intermédiaires (7A, 7B, 7C) étant positionnées parallèlement les unes aux autres entre une base de l'électrode cylindrique et ladite électrode secondaire. 6/Disjoncteur selon l'une des revendications 3 à 5, comprenant au moins une vis de fixation traversant l'électrode secondaire (7) et/ou les électrodes intermédiaires (7A, 7B, 7C) et dans lequel lesdites électrodes (7,7A, 7B, 7C) sont séparées par des entretoises (11) en matériau électriquement isolant, chaque entretoise (11) étant traversée par une vis de fixation (12). 7/Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'électrode secondaire et/ou chaque électrode intermédiaire est en cuivre ou en acier.