Brevet FR2847069A1 — publié le 20040514

La présente invention concerne les disjoncteurs 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. Ce type de disjoncteur est connu notamment de la demande de brevet française n[deg] 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 provocant 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 crée 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 Internationale), 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 définies 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 le 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. Pour résoudre ce problème on a proposé d'injecter du gaz frais dans l'intervalle inter électrodes. Des disjoncteurs de ce type associant arc tournant et auto-soufflage sont bien connus et décrits dans de nombreux brevets tels que les brevets FR 2 774 212, EP 734 035, EP 644 567 et EP 823 721. Ils se caractérisent tous par le fait que les contacts de coupure et/ou la bobine de soufflage sont situés à l'intérieur de l'enceinte assurant la mise en pression du gaz, ce qui nécessite un système d'entrée de contact de coupure étanche. D'autre part, l'arc se développe suivant une direction sensiblement longitudinale à l'axe de la bobine et le non-maintien de l'arc sur cet axe du fait des forces électromotrices du circuit de courant peut entraîner des difficultés de coupure. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un système qui améliore la tenue diélectrique du gaz dans la chambre de coupure au moment où le courant s'annule tout en simplifiant et en réduisant le coût de la construction. Le disjoncteur de courant selon l'invention comprend une électrode centrale, une électrode cylindrique entourant ladite électrode centrale et une bobine inductrice électriquement reliée d'une part à l'électrode cylindrique et d'autre part à un contact fixe disposé sensiblement radialement à ladite électrode centrale, et est caractérisé en ce qu'un réservoir de gaz est placé au-dessus de l'électrode cylindrique et communique avec l'espace entre les électrodes. Le réservoir comprend une réserve de gaz non ionisé sous pression situé au-dessus de la chambre de coupure, qui se remplit pendant tout le temps où l'arc électrique parcouru par un courant important se déplace en rotation dans la chambre de coupure. Le réservoir permet l'injection de gaz frais dans l'intervalle inter électrodes et ainsi facilite la coupure, car ce gaz n'est pas ionisé. Selon une caractéristique particulière de l'invention, le réservoir est séparé de l'espace inter électrode par une rondelle isolante. Cette rondelle isolante est constituée en céramique ou en un polymère de haute résistance à l'arc tel que le PFTE. Selon une caractéristique particulière, le réservoir communique avec l'espace entre les électrodes par au moins deux trous. Afin de permettre le passage du gaz des orifices de communication sont prévus entre le réservoir et la zone inter électrodes. Ils serviront d'entrée ou de sortie des gaz selon la période considérée. Pendant la période où l'arc électrique tourne entre l'électrode centrale et l'électrode externe, l'échauffement dû à l'arc entraîne la montée en pression du gaz située entre lesdites électrodes qui va alors remplir le réservoir tant que la pression dans ledit réservoir est inférieure à la pression du gaz dans l'espace inter électrode. Lorsque le courant décroît et tend vers le zéro, la pression diminue et le gaz contenu dans le réservoir est injecté par les trous dans l'espace inter électrode.Il contribue au refroidissement du milieu, à sa désionisation rapide et à la tenue en tension entre les électrodes. Selon une autre caractéristique de l'invention, la rondelle isolante porte sur ses faces supérieures et inférieures des ondulations. Ces ondulations augmentent la ligne de fuite de cette rondelle ce qui protège la rondelle du contact direct avec l'arc et améliore la tenue en tension du disjoncteur. Selon une variante de l'invention, un clapet est situé entre le réservoir de gaz et l'espace inter électrodes de la chambre de coupure. Ce clapet permet d'accélérer le remplissage et de réguler la vitesse d'injection du gaz dans l'espace inter électrodes. Selon une caractéristique particulière de la variante l'invention, le clapet est constitué par un capuchon isolant monté mobile sur l'électrode centrale. Afin d'améliorer le remplissage du réservoir et l'injection du gaz au zéro de courant, on dispose entre le réservoir et la chambre de coupure un clapet qui s'ouvre tant que la pression de la chambre de coupure est supérieure à la pression du réservoir et qui est fermé dans le cas contraire. Selon une autre caractéristique, le capuchon est ramené en position fermé par un moyen de rappel. Le capuchon isolant est monté mobile sur l'électrode par l'intermédiaire d'un axe guidant un moyen de rappel, par exemple, un ressort de rappel et permettant au capuchon de coulisser le long de l'électrode centrale. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - La figure 1 montre un disjoncteur selon l'invention en position fermée, - La figure 2 montre un disjoncteur selon l'invention pendant la phase de coupure, - La figure 3 montre une variante comprenant un clapet de fermeture. La figure 1 représente une chambre de coupure d'un disjoncteur de moyenne ou de haute tension selon l'invention. Elle contient sous une pression de quelques bars un gaz présentant des propriétés diélectriques et thermiques élevées tel l'hexafluorure de soufre SF6. La chambre de coupure 1 est constituée d'une pièce de connexion électrique 2, un contact mobile 3 monté en rotation par rapport à la pièce de connexion électrique 2 autour d'un axe A, un contact fixe 4, une électrode cylindrique 5, une électrode centrale 6 et un couvercle 7. La pièce de connexion électrique 2 est reliée à une première amenée de courant par une plage 20 ou 21, et le contact fixe 4 est relié à une deuxième amenée de courant par une plage de raccordement 40. Le contact mobile 3 est, par exemple, constitué d'un couteau ou d'une pluralité de couteaux disposés parallèlement les uns aux autres et articulés en rotation autour du même axe A, le nombre de ces couteaux étant choisi en fonction de l'intensité du courant. L'électrode externe 5 est reliée électriquement au contact fixe 2 par l'intermédiaire d'une bobine 8 montée en série avec cette première électrode 5. Dans l'exemple de la figure 1, l'électrode externe 5 est de forme tubulaire, avec une paroi latérale externe servant de support d'enroulement à un ruban continu qui forme la bobine 8. L'électrode centrale 6 s'étend sensiblement suivant une direction axiale de l'électrode externe 5. Le couvercle 7 de forme sensiblement hémisphérique définit un réservoir de gaz à la partie supérieure de la chambre 1, les modes connus de fixation des pièces ne sont pas représentés. Nous allons maintenant décrire le mode de fonctionnement du dispositif. Lorsque le disjoncteur est en position fermée, le contact mobile 3 exerce une pression sur le contact fixe 4. Pour ouvrir le disjoncteur, une commande mécanique non représentée déplace en rotation le contact mobile 3 par l'intermédiaire d'une bielle isolante 9 reliée à un porte contact 30. Lors de l'ouverture du disjoncteur (cf. figure 2), le déplacement en rotation du contact mobile 3 par rapport au contact fixe 4 donne naissance à un arc électrique qui rapidement s'établit entre le contact mobile 3 et l'électrode externe cylindrique 5 disposée à l'intérieur de la chambre de coupure 1. L'arc électrique formé entre le contact mobile 3 et l'électrode externe 5 vient alimenter la bobine 8 et créer ainsi un champ magnétique. Il faut noter que le courant qui traverse la bobine 8 est initié par un courant transitoire provenant d'un arc électrique formé entre l'électrode externe 5 et une corne d'amorçage 41 solidaire du contact fixe 4. La corne d'amorçage 41 est réalisée dans un matériau à point de fusion élevé comme un alliage de tungstène. Sa forme en pointe dirigée vers l'électrode externe 5 favorise l'établissement rapide de l'arc électrique entre le contact mobile 3 et l'électrode externe 5. Une plaque isolante 42 de quelques millimètres d'épaisseur sépare la corne d'amorçage 41 de l'électrode externe 5. Cette plaque 42 est réalisée dans un matériau isolant à haute tenue thermique comme une céramique réfractaire ou plastique fluoré du type PTFE. Le champ magnétique crée par la bobine 8 entraîne l'arc électrique en déplacement par rapport au gaz diélectrique qui est au repos dans la chambre de coupure 1. L'arc électrique amorcé préalablement sur un couteau du contact 3 se déplace sur l'électrode centrale 6. L'électrode centrale 6 traverse l'électrode externe 5 pour créer un champ électrique sensiblement uniforme entre les deux électrodes. Comme on le voit à la figure 1, une pièce isolante 70, par exemple, en céramique ou un polymère de haute résistance à l'arc tel le PTFE ferme la partie supérieure de la chambre de coupure 1 formée par l'électrode 5. La pièce isolante 70 peut comporter une pluralité de trous 72 mettant en communication le réservoir 73 avec l'espace inter électrode 5-6. Les trous 72 sont disposés proche de l'électrode 5. Un capuchon 60 est fixé sur l'électrode 6 de même type de matériau que la pièce isolante 70 et il délimite avec ladite pièce 70 un espace annulaire 71. L'ensemble constitué par les pièces 7, 70 et 60 constituent le réservoir 73. Pendant la période où l'arc électrique tourne entre l'électrode centrale 6 et l'électrode externe 5, l'échauffement dû à l'arc entraîne la montée en pression du gaz situé entre lesdites électrodes 5 et 6. Une partie du gaz va remplir le réservoir 73 en utilisant par les passages 71 et 72, le remplissage va durer tant que la pression dans le réservoir 73 est inférieure à la pression du gaz dans l'espace inter électrodes. Une fois la pression à l'intérieur du réservoir 73 supérieure à celle de l'espace inter électrodes, le gaz va sortir par les passages 71 et 72 assurant ainsi la désionisation du gaz contenu dans l'espace inter électrodes 5-6 et la tenue en tension de l'appareil après coupure du courant. Dans la variante de l'invention représentée à la figure 3, un clapet 9 est situé entre le réservoir de gaz 73 et l'espace inter électrodes 5-6. Le clapet 9 est dans sa position d'appui, c'est à dire qu'il ferme ou réduit l'espace 71, quand le disjoncteur est en position fermée. Par exemple, le clapet 9 est constitué du capuchon isolant 60 monté mobile sur l'électrode centrale 6 par l'intermédiaire d'un axe 61 guidant un ressort de rappel 62 et permettant au capuchon 60 de coulisser le long de l'électrode 6. Lorsque la pression dans la chambre de coupure 1 est élevée, le capuchon 60 est poussé vers le haut en compressant le ressort 62. La taille du passage 71 augmente assurant une montée en pression rapide dans le réservoir 73. Lorsque la pression diminue dans l'espace inter électrodes 5-6 sous l'action du ressort 62 et de la pression dans le réservoir 73, le capuchon 60 redescend dans sa position d'appui sur l'électrode 6 limitant ainsi la taille du passage 71 à la valeur souhaitée pour l'injection de gaz. Le passage 72 reste ouvert si le passage 71 est fermé. Ainsi, la configuration permet d'accélérer la phase de remplissage du réservoir sous pression 73 et de calibrer le débit d'injection du gaz dans l'espace inter électrodes 5-6. REVENDICATIONS 1. Disjoncteur de courant comprenant une électrode centrale (6), une électrode cylindrique (5) entourant ladite électrode centrale (6) et une bobine inductrice (8) électriquement reliée d'une part à l'électrode cylindrique (5) et d'autre part à un contact fixe (4) disposé sensiblement radialement à ladite électrode centrale (6), caractérisé en ce qu'un réservoir de gaz (73) est placé au-dessus de l'électrode cylindrique (6) et communique avec l'espace entre les électrodes (5, 6). 2. Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir (73) est séparé de l'espace inter électrode par une rondelle isolante (70). 3. Disjoncteur selon la revendication 2 caractérisé en ce que le réservoir (73) communique avec l'espace entre les électrodes (5, 6) par au moins deux trous (71, 72). 4. Disjoncteur selon la revendication 2 caractérisé en ce que la rondelle isolante (70) porte sur ses faces supérieures et inférieures des ondulations. 5. Disjoncteur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un clapet (9) est situé entre le réservoir de gaz (73) et l'espace entre les électrodes (5, 6). 6. Disjoncteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que le clapet (9) est constitué par un capuchon isolant (60) monté mobile sur l'électrode centrale (6). 7. Disjoncteur selon la revendication 6 caractérisé en ce que le capuchon (60) est ramené en position fermé par un moyen de rappel (62).