Brevet FR2872336A1 — publié le 20051230

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT PASSIF POUR UN APPAREILLAGE ELECTRIQUE ET APPAREILLAGE ELECTRIQUE COMPRENANT CE DISPOSITIF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte aux appareillages 5 électriques, notamment aux disjoncteurs de générateur, aux contacteurs et aux interrupteurs. Plus précisément, elle concerne un dispositif de refroidissement passif pour un appareillage électrique, notamment un disjoncteur de générateur disposé verticalement à l'intérieur d'une gaine de protection et présentant un volume intérieur contenant un gaz diélectrique. De façon classique, un disjoncteur de générateur, également appelé disjoncteur de centrale, est situé dans un jeu de barres entre un alternateur et un transformateur. Il est disposé dans une gaine métallique de protection vis-à-vis de l'air extérieur. Un espace suffisant pour l'isolation électrique est ménagé entre les carters sous tension qui constituent les pôles du disjoncteur et la gaine de protection qui est au potentiel de la terre. La gaine est remplie d'un gaz, généralement de l'air sec, à la pression atmosphérique ou à une pression légèrement supérieure. Le disjoncteur comprend une chambre de coupure remplie d'un gaz isolant à une pression de plusieurs bars, ce gaz pouvant circuler entre la chambre de coupure et les carters du disjoncteur. Le disjoncteur est complètement étanche vis-à-vis de l'air de la gaine. Il est relié à la centrale électrique et au réseau respectivement par un conducteur d'arrivée et par un conducteur de sortie, ces conducteurs traversant la gaine avec une étanchéité diélectrique. On connaît déjà (FR 2 800 905) un disjoncteur de générateur muni d'un dispositif passif de refroidissement qui comporte un isolateur creux situé dans la gaine et dont une première extrémité est raccordée au carter supérieur du disjoncteur. Cet isolateur est disposé de façon sensiblement verticale pour permettre à du gaz isolant de circuler par convexion entre la chambre de coupure du disjoncteur et la partie creuse de l'isolateur. Une seconde extrémité de l'isolateur est raccordée de façon étanche à une ouverture pratiquée dans la partie supérieure de la gaine métallique. Le dispositif de refroidissement comporte en outre un circuit de refroidissement à l'extérieur de la gaine qui permet au gaz isolant du disjoncteur de circuler par convexion naturelle pour réaliser une boucle depuis le carter supérieur jusqu'au carter inférieur du disjoncteur. Le disjoncteur est en position verticale dans la gaine et est supporté par un autre isolateur creux qui repose sur un carter métallique de support mis à terre. Ce carter de support comporte un passage pour permettre au circuit de refroidissement de communiquer avec le disjoncteur afin que la circulation en boucle du gaz isolant soit possible. Ce dispositif de refroidissement est très satisfaisant du point de vue de l'efficacité du refroidissement de la chambre de coupure. Ceci permet d'augmenter sensiblement le courant nominal que peut supporter le disjoncteur en exploitation. Toutefois ce dispositif est relativement coûteux et encombrant. L'invention a précisément pour objet un dispositif passif de refroidissement qui remédie à ces inconvénients. Ce dispositif doit être plus économique à réaliser, moins encombrant tout en permettant un refroidissement suffisamment efficace afin de permettre un gain significatif de courant nominal. Ces buts sont atteints par le fait que le dispositif de refroidissement comporte des moyens de refroidissement disposés à l'extérieur de la gaine de protection et communiquant avec le volume intérieur du disjoncteur par au moins une ouverture formée dans la gaine de protection de façon à former un espace dans lequel le gaz diélectrique circule par convexion naturelle entre le volume intérieur du disjoncteur et l'espace de l'élément de refroidissement. Grâce à ces caractéristiques on augmente la 20 surface d'échange entre le gaz diélectrique et l'air extérieur sans augmenter sensiblement l'encombrement de l'appareil, en particulier en hauteur. Conformément à un mode de réalisation préféré, les moyens de refroidissement comprennent au moins un tube de circulation ayant une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie du gaz diélectrique, l'extrémité d'entrée et l'extrémité de sortie communiquant avec le volume intérieur du disjoncteur. Ce mode de réalisation est particulièrement efficace du point de vue du refroidissement parce que le gaz diélectrique circule dans le tube de circulation en évacuant sa chaleur vers l'air extérieur tout au long de son parcours. De préférence, l'extrémité d'entrée du tube 5 de circulation est située à une altitude supérieure à celle de l'extrémité de sortie de ce tube. Grâce à cette caractéristique, on favorise un sens de circulation du gaz diélectrique et, par suite, on augmente l'efficacité de la convexion naturelle. Dans une réalisation particulière, l'extrémité d'entrée et l'extrémité de sortie du tube de circulation sont séparées l'une de l'autre par une plaque séparatrice. Le tube de circulation peut être monté sur une plaque qui obture une ouverture formée dans la paroi supérieure de la gaine de protection. Le tube de circulation peut également être raccordé à un carter de refroidissement monté à l'extérieur de la gaine de protection. Dans une réalisation simplifiée, les moyens de refroidissement sont constitués par un carter de refroidissement disposé à l'extérieur de la gaine et communiquant par une ouverture avec le volume intérieur du disjoncteur. Ce mode de réalisation est moins efficace que le précédent du point de vue du refroidissement du disjoncteur. Toutefois, il est plus simple à réaliser et ses performances peuvent être satisfaisantes pour certaines applications. Selon une réalisation particulière, le disjoncteur comporte un isolateur creux disposé sensiblement verticalement dans la gaine et comportant une extrémité inférieure raccordée à un carter du disjoncteur et une extrémité supérieure raccordée de façon étanche à l'ouverture formée dans la gaine de protection. L'invention concerne également un appareillage électrique tel qu'un disjoncteur de générateur sous gaine métallique comportant un dispositif passif de refroidissement selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures: - la figure 1 est une vue d'un premier mode de réalisation d'un disjoncteur de l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective d'un tube de circulation monté sur une plaque; - les figures 3 et 4 sont deux vues de profil de détail du tube de circulation du disjoncteur de la figure 1; la figure 5 est une vue en perspective 25 montrant deux tubes de circulation montés sur une plaque; - la figure 6 est une variante de réalisation d'un disjoncteur comportant un carter de refroidissement extérieur; - la figure 7 est une vue de détail d'une variante du mode de réalisation de la figure 6 comportant un tube de circulation présentant une extrémité coudée; - la figure 8 est une variante de forme du tube de refroidissement; - la figure 9 est une vue en coupe d'une réalisation simplifiée du disjoncteur de l'invention. Sur la figure 1, un disjoncteur monophasé de générateur 2 est disposé à la verticale dans une gaine métallique de protection 4 vis-à-vis de l'air extérieur. De façon connue, la gaine 4 comporte une partie supérieure 6 constituant un plafond, ce plafond étant de préférence amovible. Le disjoncteur 2 est représenté vu en coupe selon un plan vertical contenant les axes des conducteurs d'arrivée 8 et de sortie 10 du disjoncteur, disposés à l'horizontale. Il comprend une chambre de coupure 12 disposée dans une enveloppe électrique isolante 14 et qui sépare un carter supérieur 16 d'un carter inférieur 18 du disjoncteur tout en communiquant avec ces carters. Un gaz isolant, par exemple du SF6 renfermé dans le disjoncteur, peut donc circuler librement entre la chambre de coupure 12 et les carters 16 et 18. A l'intérieur de chaque carter 16 et 18, un équipage de contact du disjoncteur 2 est électriquement relié au conducteur d'arrivée 8 ou de sortie 10. Chaque carter est sous tension, par exemple lorsque le disjoncteur 2 est fermé, ce qui impose une distance d'isolation électrique suffisante avec la gaine de protection 4 qui est au potentiel de la terre. A cet effet, un isolateur support 20 disposé sous le carter inférieur 18 permet de maintenir le disjoncteur au centre de la gaine. Comme connu dans l'état de la technique, un tel isolateur support est par exemple constitué d'une céramique telle qu'une porcelaine, de forme cylindrique. Il présente une surface extérieure formant des ailettes pour allonger la ligne de fuite de l'isolateur. Cet isolateur comprend en outre un évidement longitudinal pour permettre le passage d'une tige de commande isolante 22 apte à man uvrer les contacts du disjoncteur 2 par un mouvement de translation ou de rotation de la tige. De façon connue, l'évidement de l'isolateur support 20 communique avec l'intérieur du carter inférieur 18. Cet évidement est donc rempli de gaz diélectrique sous pression. La base de l'isolateur support est généralement raccordée à un carter de commande extérieur à la gaine (non représentée) de façon étanche à l'air. De façon classique, un tel carter de commande renferme au moins une partie du mécanisme de commande immergé dans le gaz diélectrique sous pression. A l'extrémité supérieure du disjoncteur, un isolateur 26 comprend également un évidement longitudinal. L'isolateur supérieur 26 peut être de structure plus légère que l'isolateur support 20. Il est disposé verticalement au-dessus du carter supérieur 16. De la même manière que l'isolateur support 20 et l'enveloppe isolante 14, qui présente de préférence une surface externe formant des ailettes pour allonger la ligne de fuite de l'isolateur, l'isolateur supérieur n'a quasiment pas de rôle de support et sa structure est prévue pour résister à la surpression de gaz isolant contenu dans son évidement longitudinal par rapport à l'air de la gaine de protection 4. L'extrémité inférieure de l'isolateur 26 est fixée au carter supérieur 16 et communique avec ce dernier pour que du gaz isolant puisse circuler dans l'évidement de l'isolateur. L'extrémité supérieure de l'isolateur est raccordée de façon étanche à la plaque 36. Conformément à l'invention, des moyens de refroidissement communiquant avec le volume intérieur du disjoncteur 2 par au moins une ouverture formée dans la gaine de protection sont disposés à l'extérieur de la gaine 4. Dans l'exemple décrit en référence aux figures 1 à 4, ces moyens de refroidissement sont constitués par un tube de circulation 30. Le tube 30 comporte une extrémité d'entrée 32 et une extrémité de sortie 34 qui débouchent dans l'évidement longitudinal 27 de l'isolateur supérieur 26. Les extrémités 32 et 34 traversent la plaque d'obturation 36. On observera que l'extrémité d'entrée 32 du tube de circulation 30 est située à une altitude supérieure à celle de l'extrémité de sortie 34. La figure 2 représente en perspective le tube de circulation 30 et la plaque d'obturation 36. Comme on peut le voir sur les figures 3 et 4, le tube de circulation 30 peut être disposé dans un plan vertical (figure 3) ou bien (figure 4) il peut être disposé dans un plan incliné de manière à réduire l'encombrement en hauteur du disjoncteur. Le fonctionnement est le suivant. Le gaz isolant contenu dans le volume intérieur du disjoncteur 30 s'échauffe dans le carter supérieur 16 et s'élève vers la partie la plus élevée de l'évidement longitudinal 27 de l'isolateur supérieur 26 dans laquelle est située l'extrémité d'entrée 32 du tube de circulation 30. Le gaz isolant pénètre dans le tube 30 dans lequel il circule selon le sens figuré par la flèche 38. Au cours de son passage dans le tube, le gaz diélectrique se refroidit en échangeant de la chaleur avec l'air extérieur. Le gaz refroidi ressort du tube 30 par l'extrémité de sortie 34 et redescend vers le carter supérieur 16. Une circulation par convexion naturelle s'établit ainsi dans le carter supérieur 16, l'isolateur 26 et le tube 30. La chambre de coupure 12 du disjoncteur est donc refroidie en permanence de manière efficace, ce qui permet un gain de courant nominal significatif. Il est entendu que le tube 30 peut être muni d'ailettes (non représentées) de manière à augmenter sa surface d'échange thermique avec l'extérieur. Autres solutions pour augmenter la performance: augmenter le nombre de tubes et/ou les peindre de couleur sombre de manière à augmenter le rayonnement. En outre, un système de ventilation forcée de l'air extérieur peut être installé au-dessus de la gaine de protection pour accélérer l'échange thermique et améliorer le refroidissement du gaz isolant. La figure 5 est une vue en perspective d'une variante de réalisation. Deux tubes de circulation 30 sont montés sur la plaque d'obturation 36 de manière à augmenter la circulation du gaz diélectrique et par conséquent l'efficacité du refroidissement par convexion naturelle. En outre, dans ce mode de réalisation, les extrémités d'entrée et les extrémités de sortie de chacun des tubes 30 sont situées à la même altitude. C'est pourquoi la plaque d'obturation 36 est équipée d'une plaque séparatrice 40 dont la fonction est de séparer les gaz chauds des gaz froids. Un sens de circulation préférentiel est donné par le fait que l'un des côté du disjoncteur s'échauffe plus que l'autre de telle sorte que le gaz isolant s'accumule de ce côté. La plaque séparatrice permet de maintenir cette séparation et, par conséquent, favorise l'établissement et la stabilité de la convexion naturelle. On a représenté sur la figure 6 une variante de réalisation du disjoncteur des figures 1 à 5. Un carter métallique de refroidissement 42, disposé à l'extérieur de la paroi supérieure 6 de la gaine de protection 4 est relié de façon étanche à l'isolateur 26. Le volume intérieur 43 du carter 42 communique avec l'évidement longitudinal 27 de l'isolateur supérieur 26 de façon à former un espace rempli de gaz isolant et étanche à l'air intérieur ou extérieur à la gaine. Un tube de circulation 30 comporte une extrémité d'entrée 32 et une extrémité de sortie 34 raccordée au carter 42. Comme on l'observe sur la figure 6, l'extrémité d'entrée 32 est située à une altitude supérieure à celle de l'extrémité de sortie 34 de manière à établir, comme expliqué précédemment, une circulation par convexion naturelle dans le sens de la flèche 38 du gaz isolant contenu dans le volume intérieur du disjoncteur. Dans cette variante, le gaz est refroidi par échange thermique avec la surface intérieure du carter 42, puis par la circulation dans le tube 30. Ceci permet un refroidissement efficace de la chambre de coupure 12 et, par suite, un gain significatif de courant nominal du disjoncteur. On a représenté sur la figure 7 un détail d'une variante d'une réalisation. L'extrémité de sortie 34 du tube de circulation 30 est coudée vers le bas de manière à augmenter encore la différence d'altitude avec l'extrémité d'entrée 32. Ces deux dispositions améliorent l'efficacité de la convexion naturelle. On a représenté sur la figure 8 une autre variante de réalisation. Le tube 30 présente une forme asymétrique qui permet de privilégier un sens de circulation du gaz diélectrique (flèche 38). Ce tube peut se monter sur une plaque 36 telle que celle représentée sur la figure 1 ou sur un carter tel que le carter 42 de la figure 6. La figure 9 est une représentation d'un mode de réalisation simplifié du disjoncteur de l'invention. Dans cette réalisation, les moyens de refroidissement ne comprennent pas de tube de circulation, mais simplement un carter métallique 42 raccordé à l'isolateur 26. Le gaz isolant est refroidi par convexion naturelle, comme schématisé par les flèches 45. Il s'échauffe dans le carter supérieur 16 et se refroidit dans le volume intérieur 43 du carter métallique 42. Afin d'améliorer l'échange thermique avec l'air extérieur, le carter métallique 42 est avantageusement muni d'ailettes 46 et/ou peint de couleur sombre. Un système de ventilation forcée de l'air extérieur peut également être installé au-dessus de la gaine de protection 4 pour améliorer la circulation de l'air. Les performances en matière d'efficacité de refroidissement de ce mode de réalisation sont inférieures à celles des deux variantes décrites précédemment. Toutefois, sa réalisation est plus simple et ses performances peuvent être satisfaisantes pour certaines applications. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement passif pour un appareil électrique tel qu'un disjoncteur de générateur (2) disposé verticalement à l'intérieur d'une gaine de protection (4) et présentant un volume intérieur contenant un gaz diélectrique, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de refroidissement (30, 42) disposés à l'extérieur de la gaine de protection (4) et communiquant avec le volume intérieur du disjoncteur par au moins une ouverture (28) formée dans la gaine de protection (4) de façon à former un espace dans lequel le gaz diélectrique circule par convexion naturelle entre le volume intérieur du disjoncteur et l'espace (43) des moyens de refroidissement. 2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comprennent au moins un tube de circulation (30) ayant une extrémité d'entrée (32) et une extrémité de sortie (34) du gaz diélectrique communiquant avec le volume intérieur du disjoncteur. 3. Dispositif de refroidissement selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'extrémité d'entrée (32) du tube de circulation (30) est située à une altitude supérieure à celle de l'extrémité de sortie de ce tube (34). 4. Dispositif de refroidissement selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le tube (30) présente une forme asymétrique afin de favoriser la circulation du gaz. 5. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'extrémité d'entrée (32) et l'extrémité de sortie (34) du tube de circulation sont séparées l'une de l'autre par une plaque séparatrice (40). 6. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le tube de circulation (30) est monté sur une plaque (36) qui obture l'ouverture (28) formée dans la paroi supérieure (6) de la gaine de protection (4). 7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le tube de circulation (30) est raccordé à un carter de refroidissement (42) monté à l'extérieur de la gaine de protection (4). 8. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement sont constitués par un carter de refroidissement (42) disposé à l'extérieur de la gaine de protection (4) et communiquant par une ouverture (28) avec le volume intérieur du disjoncteur. 9. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le disjoncteur comporte un isolateur creux (26) disposé sensiblement verticalement dans la gaine (4) et comportant une extrémité inférieure raccordée à un carter (16) du disjoncteur et une extrémité supérieure raccordée de façon étanche à l'ouverture (28) formée dans la gaine de protection (4). 10. Appareillage électrique sous gaine métallique (4), comportant au moins un dispositif passif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 9.