Brevet FR2922679A1 — publié le 20090424

CHAMBRE DE COUPURE DE DISJONCTEUR A LA TENUE EN TENSION TRANSITOIRE DE RETABLISSEMENT AMELIOREE DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne une chambre de coupure de courant élevé d'un disjoncteur à haute ou moyenne tension, ce dernier comportant une ou plusieurs chambres de coupure par pôle. 10 Elle concerne plus particulièrement l'amélioration de la coupure de courant réalisée par soufflage à travers une buse isolante implantée dans la chambre de coupure. Plus précisément, l'invention a trait à la 15 forme géométrique de la buse isolante de soufflage et du contact d'arc qui coopère avec celle-ci lors du soufflage, afin d'améliorer l'efficacité de celui-ci. ART ANTÉRIEUR Dans une chambre de coupure de courant 20 élevé de disjoncteurs haute ou moyenne tension (HT ou MT), l'arc formé entre les contacts d'arc au moment de la séparation des contacts (principaux et d'arc) est interrompu, ou autrement dit coupé, par l'action combinée d'un soufflage d'origine thermique et d'un 25 soufflage d'origine mécanique. Le soufflage thermique est ainsi généré par le gaz interne au disjoncteur et porté à haute température et forte pression par l'arc. Le soufflage mécanique est généré par compression du gaz interne au disjoncteur, comprimé puis brusquement libéré pendant l'ouverture des contacts du disjoncteur. Plus les courants à couper ont une amplitude importante, plus l'action du soufflage thermique est prépondérante. Pour favoriser l'action du soufflage thermique, et ainsi la coupure du courant élevé, il est nécessaire que la chaleur engendrée par l'arc soit diffusée le plus rapidement possible afin d'éviter les points chauds avec un volume de gaz le plus faible possible afin d'obtenir une pression élevée. La buse isolante de soufflage doit ainsi permettre par soufflage thermique optimisé d'obtenir la coupure pour des courants dont la valeur peut être très faible (courants de lignes à vide) et atteint celle du pouvoir de coupure en court-circuit du disjoncteur HT ou MT. De nombreuses formes géométriques de buses de soufflage ont été jusqu'à présent implantées dans les chambres de coupure de disjoncteurs HT ou MT pour accroitre l'efficacité de la coupure de courant. Ainsi, il est connu des buses de soufflage à profil interne en partie conique à angle de divergence important, typiquement supérieur à 30°, en particulier de l'ordre de 40 à 70°. On peut citer par exemple les buses de soufflage décrites respectivement dans les demandes de brevet EP 0 752 714, EP 0 840 340, EP 1 372 172 et EP 1 109 187. Il est canna également des buses de soufflage à profil interne avec deux parties coniques en continuité l'une de l'autre avec un angle de divergence différent. On peut citer par exemple les buses de soufflage décrites respectivement dans les demandes de brevet EP 0 676 783, EP 1 347 484 et EP 1 218 906. L'ensemble de ces buses de soufflage convient globalement pour des applications où la tension est inférieure à 245 kV. Par contre, au-delà de cette valeur, elles ne sont pas pleinement satisfaisantes. En effet, pour les très hautes tensions, la tenue diélectrique du disjoncteur à la tension transitoire de rétablissement (TTR), qui est la tension qui se rétablit aux bornes du disjoncteur après coupure, n'est pas assurée à coup sûr. Cette tenue de la TTR doit être assurée à la fois entre contacts et en ligne de fuite le long de la buse isolante. En effet, pour les buses à profil interne conique à angle de divergence important, des turbulences apparaissent en aval de la buse et nuisent ainsi à une bonne tenue diélectrique après coupure. Pour les buses à profil interne conique à angle de divergence plus faible, les durées d'arc ont tendance à être prolongées. C'est pourquoi, la demanderesse a déjà proposé une buse de soufflage améliorée dans la demande de brevet EP 1 158 556. La buse ainsi proposée présente un profil interne à deux parties coniques divergentes en continuité l'une de l'autre, l'angle de divergence de la partie en amont du soufflage présentant un angle de divergence compris entre 8 et 17° tandis que la partie en aval du soufflage présente un angle de divergence compris entre 12 et 25°. Cependant, la buse proposée n'est pas pleinement satisfaisante car, l'écoulement des gaz après coupure est toujours perturbé par des turbulences et, en conséquence, la tenue de la TTR n'est pas suffisante. Le but de l'invention est alors de proposer une solution qui permette d'améliorer l'écoulement des gaz dans la partie aval d'une buse de soufflage afin d'éviter ou tout du moins réduire l'effet des turbulences et ainsi, augmenter la tenue à la tension transitoire de rétablissement (TTR) par un disjoncteur de tensions supérieures ou égales à 245 kV. EXPOSÉ DE L'INVENTION Pour ce faire, l'invention a pour objet une chambre de coupure pour disjoncteur haute tension, comprenant une buse de soufflage d'arc comprenant un divergent et, deux paires de contacts adaptées pour se séparer l'une de l'autre lors d'une coupure d'arc, dont l'une est solidaire de la buse de soufflage d'arc et comprenant chacune un contact d'arc, chambre dans laquelle la forme, les dimensions respectives de buse et du contact d'arc non solidaire de la buse ainsi que leur agencement relatif sent choisis de sorte à décaler au moins une partie des turbulences des gaz soufflés vers la partie aval du divergent de buse tout en réduisant la quantité d'échappement des gaz par ce dernier, depuis la position de séparation des contacts jusqu'à au moins une position intermédiaire pour laquelle le disjoncteur doit être capable de couper avec la durée d'arc maximale définie par la norme de disjoncteurs à haute tension CEI 62271-100 (édition 2). L'article 6.102.10 de a norme CEI 62271-100 (édition 2) définit les durées d'arc (intervalle de temps entre l'instant de séparation des contacts et l'instant de passage par zéro du courant) pour laquelle la coupure doit être vérifiée. Les durées d'arc exigées sont comprises entre une valeur minimale Ta min, dépendant de l'appareil considéré et de la séquence d'essai/intensité du courant, et une valeur maximale Ta max telle que l'intervalle Ta max - Ta min soit défini par la norme CEI référencée ci-dessus et dont le contenu fait partie intégralement de la présente demande. Ainsi, selon l'invention, la section d'échappement des gaz étant réduite et les turbulences décalées vers la zone aval du divergent de buse, le flux des gaz dans le divergent peut chasser plus efficacement les gaz chauds issus de la coupure dans le divergent de buse. La conséquence est que cela conduit à un ratio E/N plus faible, E étant la valeur du champ électrique et N étant la valeur de la densité de gaz, puisque cette dernière est augmentée. Comme expliqué dans le mode de réalisation particulier illustré ci-après, cette augmentation de densité de gaz peut atteindre une valeur proche de 12 % en bout de contact d'arc dans la position intermédiaire de courant à zéro. On diminue ainsi le risque de réamorçage électrique entre contacts après coupure. Autrement dit, la tenue à la tension transitoire de rétablissement TTR est augmentée. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la chambre de coupure comprend : - une buse de soufflage d'arc de révolution comportant intérieurement une partie centrale tubulaire creuse, dite col, et une partie périphérique, dite divergent, s'étendant à la périphérie et en continuité avec la partie centrale, le divergent comprenant un tronc de cône, une première portion cylindrique en aval et en continuité avec le tronc de cône et une portion cylindrique d'échappement en aval de la première portion cylindrique, - un contact d'arc de révolution d'axe aligné avec celui de la buse et comportant une première portion cylindrique pleine, une portion pleine en continuité de la portion cylindrique pleine qui a la forme d'un tronc de cône et une deuxième portion cylindrique pleine en continuité avec le tronc de cône ; chambre dans laquelle : 0 les différences de diamètre entre d'une part, la première portion pleine du contact d'arc et le col de buse et d'autre part, entre la deuxième portion pleine du contact d'arc et la première portion cylindrique du divergent de buse sont réduites à un jeu de montage entre la buse et le contact d'arc, - dans la position intermédiaire, le raccordement entre le tronc de cône et la deuxième portion cylindrique de contact d'arc est situé à proximité de l'extrémité libre du divergent de la portion cylindrique d'échappement de buse. Selon une caractéristique avantageuse, la section du col étant définie par S1 et la différence de 30 section entre la deuxième portion cylindrique de contact d'arc et la port__on cylindrique d'échappement du divergent de buse étant définie par S3, le rapport entre S1 et S3 est choisi tel que 5 Selon une variante de réalisation alternative de la chambre de coupure selon l'invention, il est prévu des moyens pour séparer mutuellement les deux paires de contacts, lors d'une coupure d'arc. L'invention concerne également un disjoncteur de tension supérieure ou égale à 245 kV, comprenant, pour un pôle, une ou plusieurs chambres de coupure telles que décrites précédemment. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée faite en référence aux figures suivantes parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue en coupe montrant en partie une chambre de coupure selon l'état de l'art dans laquelle les contacts sont en position de courant à zéro, et sur laquelle sont représentées les lignes de flux de gaz, - la figure 2A est une vue en coupe montrant en partie une chambre de coupure selon l'invention dans laquelle les contacts sont également en position de courant à zéro, et sur laquelle sont représentées les lignes de flux de gaz, - la figure 2B est une vue en coupe montrant la chambre de coupure selon la figure 2A mais 10 avec les contacts en position de fermeture, - la figure 3 est un graphe comparatif montrant l'évolution de la densité du gaz ainsi que de la valeur du courant à l'extrémité libre du contact d'arc en fonction du temps à partir de la position de 15 fermeture des contacts respectivement pour la chambre de coupure selon la figure 1 et selon les figures 2A et 2B. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On précise que l'ensemble des 20 représentations des lignes de flux de gaz tel qu'illustré a été réalisé avec le logiciel MC3 (dont le nom anglais est � Modelling and Computation of Circuitbreaker Chambers �) qui est un code CFD (en anglais � Computational Fluid Dynamics �) dédié à l'étude des 25 écoulements dans les dis oncteurs. Ce logiciel MC3 a été développé par le Centre de Recherche en Calcul Appliqué (CERCA) de Montréal. Par souci de clarté, les mêmes pièces et portions de pièces sont désignées par les mêmes 30 références numériques à la fois pour la chambre de coupure selon l'état de l'art et pour celle selon l'invention. Dans l'ensemble des figures, ne sont pas représentées les deux ccntacts principaux de chaque chambre de coupure dont l'un est solidaire de la buse de soufflage. On précise également que les termes � aval � et � amont � utilisés le sont par rapport au sens d'écoulement des gaz lors d'une coupure, c'est-à-dire de droite à gauche sur les figures. Sur la figure 1, est représenté une partie de chambre de coupure 1 d'un disjoncteur très haute tension, typiquement supérieure à 245 kV. Cette chambre de coupure 1 comprend un contact d'arc 2 sous la forme d'une tige cylindrique pleine et une buse de soufflage 3 qui est solidaire de l'autre contact d'arc sous la forme d'une tulipe et qui n'est pas représentée ic=_. Tel qu'illustré, seule la buse de soufflage 3 est. mobile lors d'une coupure d'arc, la tige de contact d'arc étant fixe. Cette chambre de coupure 1 selon l'état de l'art est représentée dans la position intermédiaire de courant à zéro en bout de tige 2 de contact d'arc. La buse de soufflage 3 selon l'état de l'art comprend une partie centrale tubulaire appelée col 30 dont le diamètre est égal à celui de la tige de contact d'arc 2 au jeu de montage près. Dans la continuité, s'étend la partie périphérique 31 de la buse appelée divergent. Ce divergent 31 comprend respectivement un premier tronc de cône 310 et s'évase comme décrit ci-après jusqu'à une portion cylindrique désignée par portion cylindrique d'échappement 3L5. Le premier tronc de cône 310 est prolongé par une première portion cylindrique 311. Une partie intermédiaire qui s'étend entre cette première portion cylindrique 311 et la portion cylindrique d'échappement 315 est constituée de deux troncs de cône 312, 314 supplémentaires reliés entre eux par une portion cylindrique intermédiaire 313 et dont l'un 312 prolonge la première portion cylindrique 311 et dont l'autre 314 est prolongée par la portion cylindrique d'échappement 315. Dans la position de courant à zéro de la chambre de coupure selon l'état de l'art (figure 1), on voit clairement que l'écoulement des gaz est perturbé par des turbulences en partie présentes dans la partie aval du divergent 31 de buse. Une partie des turbulences T1 gênant l'échappement des gaz est essentiellement présente à proximité du tronc de cône 314 le plus en aval et de la portion cylindrique d'échappement 315. Une autre partie des turbulences T2 est présente à proximité du raccordement entre la portion cylindrique 313 et du tronc de cône 314. Sur la figure 1, on peut voir que la densité de gaz dans le divergent 31 n'est pas élevée du fait de la grande section S d'échappement réalisée c'est-à-dire entre la tige de contact d'arc 2 et la portion cylindrique d'échappement 315. On peut constater enfin que les zones Z dans lesquelles les contacts fixes sont relativement contraints par la densité de gaz importante. La chambre de coupure selon un mode de réalisation de l'invention (figures 2A et 2B) présente les différences structurelles suivantes par rapport à la chambre de coupure selon l'état de l'art (figure 1). Tout d'abord, la buse de soufflage 3 est rallongée d'une longueur L choisie judicieusement comme expliqué ci-après. Le contact d'arc fixe 2 selon l'invention comporte une première portion cylindrique pleine 20, une portion pleine en continui:é de la portion cylindrique pleine qui a la forme d'un tronc de cône 21 et une deuxième portion cylindrique 22 pleine en continuité avec le tronc de cône 21. Selon l'invention, la longueur L correspondant au rallongement de la portion cylindrique de buse 315, les dimensions relatives et l'agencement relatif du contact d'arc fixe 2 par rapport à la buse 3 sont choisis pour avoir dans la position intermédiaire de courant à zéro (figure 2A) le raccordement entre le tronc de cône 21 et la deuxième po:Ttion cylindrique 22 de tige 2 sensiblement dans le plan défini par l'extrémité libre circulaire 3150 du divergent 31 de buse 3. Selon le mode de réalisation illustré (figure 2B), les différences de diamètre entre d'une part, la première portion pleine 20 du contact d'arc 2 et le col de buse 30 et d'autre part, entre la deuxième portion pleine 22 du cor.tact d'arc 2 et la première portion cylindrique 311 du divergent 31 de buse sont réduites à un jeu de montage entre la buse et le contact d'arc. Comme visible sur la figure 2B, l'agencement entre le contact d'arc 2 et la buse 3 es: choisi pour qu'en position de fermeture il y ait un certain recouvrement R entre la deuxième portion pleine 22 du contact d'arc 2 et la première portion cylindrique 311 du divergent 31 de buse. La valeur de R doit être telle que le plein soufflage est assuré lorsque le contact d'arc 2 sort du col 30 de buse et que la coupure devient dès lors possible. Par plein soufflage, il faut comprendre ici et dans le cadre de l'invention, que le soufflage est assuré par l'ensemble du volume des gaz comprimés. Selon l'invention, on obtient ainsi un décalage d'au moins une partie des turbulences des gaz soufflés vers la partie aval 315 du divergent 31 de buse et une réduction de la quantité d'échappement des gaz par ce dernier lorsque la ccupure est effectuée avec des durées d'arc lcngues, comme illustré par la figure 2A. Ces durées d'arc longues spécifiques à chaque type de disjoncteur haute tension, sont données par la norme CEI 62271-100 (édition 2), et plus précisément par son article 6.102.10. Plus précisément en observant les lignes de flux de gaz sur la figure 2A, on voit que les parties contraintes dans les zones Z sont plus soufflées par un flux de gaz plus important, en particulier sur le contact fixe par rapport à la chambre de coupure 1 selon l'état de l'art. L'élargissement du contact d'arc 2 par la portion cylindrique 22 à l'extrémité aval 3150 du divergent de buse a permis un déplacement vers l'aval de buse (sur la gauche sur la figure 2A) des turbulences Tl et T2. Cet élargissement qui se traduit donc par la réduction de section d'échappement en S3 a permis d'augmenter la densité de gaz à proximité de l'extrémité 200 du contact d'arc 2, ainsi qu'il est démontré sur la figure 3. Ainsi, dans la chambre de coupure selon l'invention 1 la tenue transitoire de rétablissement TTR entre contacts est augmentée. Des simulations ont été effectuées à l'aide du logiciel MC3. Leurs résultats sont montrés en figure 3. Sur cette figure, la ligne droite décroissante représentée en traits pleins montre l'évolution de la valeur du courant à l'extrémité 200 du contact d'arc à la fois pour la chambre de coupure selon l'état de l'art (figure 1) et pour la chambre de coupure selon l'invention (figures 2A et 2B). A l'instant de passage par la position intermédiaire de valeur zéro du courant correspondant à la valeur de durée d'arc longue selon la norme CEI visée ci-dessus(30.5 ms dans l'exemple de la figure 3), on voit clairement que la densité de gaz atteinte en extrémité 200 de contact d'arc est supérieure dans la chambre de coupure selon l'invention (courbe 1) par rapport à la densité de gaz dans la chambre de coupure selon l'état de l'art (courbe 2). Les simulations donnent une augmentation de densité de courant de l'ordre de 12 % en faveur de la chambre de coupure selon les figures 2A et 2B par rapport à la chambre de coupure selon la figure 1. Il s'en suit que la tenue à la tension transitoire de rétablissement TTR est augmentée d'une même valeur. Des simulations supplémentaires ont permis de montrer que l'effet d'augmentation de la densité de gaz à proximité de l'extrémité libre 200 du contact d'arc 2 en position de courant à zéro est tout à fait significatif lorsque les rapports de section suivants entre Sl, S2 et S3 sont atteints : 5 Bien entendu, il va de soi que des perfectionnements peuvent être apportés sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Par exemple, alors que le mode de ré6lisation illustré prévoit un contact fixe (comprenant le contact d'arc fixe 2), l'invention peut tout aussi bien s'appliquer à une chambre de coupure dite à double mouvement, c'est-à-dire dans laquelle les deux contacts sont mobiles et se séparent mutuellement lors d'une coupure. REVENDICATIONS 1. Chambre de coupure (1) pour disjoncteur haute tension, comprenant une :Ouse de soufflage d'arc (3) comprenant un divergent (31) et, deux paires de contacts adaptées pour se séparer l'une de l'autre lors d'une coupure d'arc, dont l'une est solidaire de la buse de soufflage d'arc et comprenant chacune un contact d'arc, chambre dans laquelle la forme, les dimensions respectives de buse et du contact d'arc (2) non solidaire de la buse (3) ainsi que leur agencement relatif sont choisis de sorte à décaler au moins une partie des turbulences (Ti, T2) des gaz soufflés vers la partie aval (315, 3150) du divergent (31) de buse tout en réduisant la quantité d'échappement des gaz par ce dernier, depuis la position de séparation des contacts jusqu'à au moins une position intermédiaire pour laquelle le disjoncteur doit être capable de couper avec la durée d'arc maximale définie par la norme de disjoncteurs à haute tension CEI 62271-100 (édition 2). 2. Chambre de coupure (1) selon la revendication 1, comprenant : - une buse de soufflage d'arc (3) de révolution comportant intérieurement une partie centrale tubulaire creuse (30), dite col, et une partie périphérique (31), dite divergent, s'étendant à la périphérie et en continuité avec la partie centrale, le divergent comprenant un tronc de cône (310), une première portion cylindrique (311) en aval et en continuité avec le tronc de cône et une portion cylindrique d'échappement (315) en aval de la première portion cylindrique (310), - un contact d'arc (2) de révolution d'axe aligné avec celui de la buse et comportant une première portion cylindrique pleine (20), une portion pleine (21) en continuité de la portion cylindrique pleine qui a la forme d'un tronc de cône et une deuxième portion cylindrique pleine (22) en continuité avec le tronc de cône ; chambre dans laquelle : - les différences de diamètre entre d'une part, la première portion pleine du contact d'arc et le col de buse et d'autre part, entre la deuxième portion pleine du contact d'arc et la première portion cylindrique du divergent d.e buse sont réduites à un jeu de montage entre la buse et le contact d'arc, - dans la position intermédiaire, le raccordement entre le tronc de cône (21) et la deuxième portion cylindrique (22) de contact d'arc est situé à proximité de l'extrémité libre (3150) de la portion cylindrique d'échappement (315) du divergent de buse. 3. Chambre de coupure (1) selon la revendication 2, dans laquelle la section du col étant définie par S1 et la différence de section entre la deuxième portion cylindrique (22) de contact d'arc (2) et la portion cylindrique d'échappement (315) du divergent de buse étant définie par S3, le rapport entre Sl et S3 est choisi tel que : 5 4. Chambre de coupure (1) selon la revendication 3, dans laquelle la différence de section entre les premières portions cylindriques (20) de contact d'arc et du divergent (310) de buse étant définie par S2, le rapport entre S2 et S3 est choisi tel que . 0.65 5. Chambre de coupure (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle le contact d'arc (2) non solidaire de la buse est fixe. 6. Chambre de coupure (1) selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant des moyens pour séparer mutuellement les deux paires de contacts, lors d'une coupure d'arc. 7. Disjoncteur à haute tension supérieure ou égale à 245 kV, comprenant, pour un pôle, une ou plusieurs chambres de coupure (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.