Brevet FR2925212A1 — publié le 20090619

COURT-CIRCUITEUR ELECTRIQUE COMPORTANT UN GENERATEUR A PLASMA IONISE ET ENSEMBLE DE PROTECTION CONTRE LES ARCS INTERNES COMPORTANT UN TEL COURT-CIRCUITEUR DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention est relative à un court-circuiteur électrique entre au moins deux bornes électriques. Ledit court-circuiteur comporte une enveloppe externe isolante comprenant une enceinte isolante dans laquelle sont positionnés un ensemble à contact électrique comprenant au moins deux contacts électriques (31) isolés électriquement et destinés à être connectés audits au moins deux bornes électriques. L'invention est aussi relative à un ensemble de protection contre les arcs internes destiné à connecter un jeu de barres électriques à la terre et comprenant au moins un court-circuiteur électrique selon l'invention. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Il est connu d'utiliser des actionneurs pyrotechniques pour la fermeture de contacts électriques. Les solutions utilisant des actionneurs pyrotechniques présentent l'avantage d'obtenir des temps de fermeture des contacts électriques très courts. De nombreux brevets tels que les documents US4852494, US6952332, décrivent des solutions où les gaz générés par un initiateur pyrotechnique propulsent une aiguille ou un piston mobile selon une direction de déplacement. Ce déplacement provoque directement ou indirectement la fermeture de contact électrique. D'autres applications telles que décrite dans le document WO9921254, utilisent un actionneur pyrotechnique pour déplacer un moyen de connexion et court-circuiter plusieurs conducteurs, notamment à la terre. Dans le cadre de court-circuiteur d'arc interne, les performances recherchées sont très élevées. Les temps de mise en court-circuit des phases à la terre doivent être très courts et la tenue en position fermée des contacts doit être suffisamment longue pour qu'un disjoncteur en amont détecte le défaut de court-circuit et coupe l'alimentation. Les courants électriques de court-circuit sont de l'ordre de 50kA ou plus élevés. En outre, le court-circuiteur d'arc interne doit aussi avoir une tenue diélectrique importante supportant notamment les chocs de foudre. Des contacts électriques obtenus suite à des poinçonnages de conducteurs ou utilisant des contacts pénétrant de type � tulipe � ou des contacts à lame flexible ne répondent pas toujours au cahier des charges. En effet, compte tenu des fortes intensités des courants électriques ; des efforts de répulsions importants présents au moment de la fermeture des contacts, peuvent ré-ouvrir les contacts électriques. En outre, les tenues diélectriques ne sont pas toujours suffisantes. Les solutions utilisant la mise en contact par un poinçonnage de conducteurs ne supportent généralement pas des vitesses de déplacement trop importantes du poinçon. En effet au moment de l'impact du poinçon sur le conducteur, la matière poinçonnée tend à fluer. Le reflux de la matière au niveau du point d'impact est -15 responsable d'une détérioration du contact électrique. De manière générale, l'inertie des pièces métalliques en déplacement reste un facteur limitant au développement de court-circuiteurs ultra-rapides. En effet, il est très difficile d'obtenir des temps de fermeture des contacts inférieurs à une ou deux millisecondes. 20 Les moyens d'actionnement pyrotechnique comprennent notamment un initiateur pyrotechnique, l'aiguille mobile. La difficulté d'utilisation des initiateurs pyrotechniques réside notamment dans la gestion des gaz d'explosion au moment de l'actionnement. En effet, l'énergie thermique dégagée peut être importante et présenter un risque potentiel pour un utilisateur situé à coté de la zone 25 d'actionnement. En outre, les pièces en mouvement se déplacent à des vitesses très importantes et présentent elles-aussi des risques. Devant répondre à un certain nombre de contraintes notamment thermiques, mécaniques et électriques, les court-cicuiteurs connus intégrant des moyens pyrotechniques sont souvent de réalisation complexe et onéreuse. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention vise donc à remédier aux inconvénients de l'état de la technique, de manière à proposer un court-circuiteur électrique pyrotechnique à haute tenue diélectrique et autorisant la circulation de courant de forte intensité. Le court-circuiteur électrique selon l'invention comporte un générateur de plasma destiné à générer un plasma ionisé dans l'enceinte isolante, ledit plasma plaçant les contacts électriques en court-circuit. Selon un mode de développement de l'invention, le générateur de plasma comporte un actionneur pyrotechnique ayant des moyens pour créer un jet plasma ionisé, le générateur de plasma étant séparé de l'enceinte isolante par opercule de scellement. De préférence, le actionneur pyrotechnique générateur de plasma est constitué d'une capsule contenant un bloc solide de matière explosive et un initiateur pyrotechnique de mise à feu, une extrémité du bloc solide étant dirigée vers l'ensemble à contacts. Avantageusement, ladite extrémité du bloc solide comporte une forme concave. Avantageusement, le bloc comporte une paroi ayant une forme concave, ladite paroi étant recouverte d'une empreinte conique revêtue d'un dépôt métallique. De préférence, en position ouverte, les contacts électriques placés dans 20 l'enceinte isolante sont isolés électriquement par le vide, ladite enceinte isolante formant une ampoule à vide. Avantageusement, l'ensemble à contact comporte au moins trois contacts destinés à être reliés chacun à un conducteur de phase et comportant un plot de mise à la terre. 25 L'ensemble de protection contre les arcs internes destiné selon l'invention comprend un capteur de détection de l'arc interne relié à une centrale de décision, ladite centrale de décision relié à un ou plusieurs court-circuiteur étant destinée à autoriser l'actionnement des actionneurs pyrotechniques. 3 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente une vue en coupe d'un court-circuiteur électrique à générateur à plasma ionisé selon un premier mode préférentiel de réalisation de l'invention ; la figure 2 représente une vue en coupe éclatée d'un court-circuiteur électrique io selon la figure 1 ; la figure 3 représente une vue en coupe d'un court-circuiteur électrique en cours d'actionnement selon la figure 1 ; la figure 4 représente une vue d'un ensemble de protection contre les arcs internes selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention. 15 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Selon un premier mode préférentiel de réalisation de l'invention, le courtcircuiteur électrique 1 est destiné à placer en court-circuit au moins deux bornes électriques U, V, W, 33 telles que par exemple deux conducteurs de phase entre eux, deux ou trois conducteurs de phases à un conducteur de terre. Le court- 20 circuiteur 1 tel que représenté sur les figures 1 et 2 permet par exemple de relier trois phases à la terre. Le court-circuiteur 1 a deux positions de fonctionnement ; une position fermée lorsque toutes les bornes électriques sont au même potentiel électriques et une position ouverte lorsque les bornes électriques ont des potentiels électriques 25 différents. Le court-circuiteur 1 selon les différents modes de réalisation de l'invention comporte une enveloppe isolante 10 dans laquelle sont positionnés un générateur 4 de plasma ionisé 20 et un ensemble à contacts électriques 30. L'énergie d'actionnement dégagé par le générateur de plasma 20 garantit une vitesse élevée de mise en court-circuit des contacts électriques 31 de l'ensemble à contacts électriques 30. L'enveloppe externe isolante 10 comprend une enceinte isolante 32 dans laquelle est positionné l'ensemble à contacts électriques 30. Ledit ensemble comprend au moins deux contacts électriques 31. Les contacts électriques 31 sont isolés électriquement lorsque le court-circuiteur 1 est dans une position de fonctionnement ouverte. Les contacts électriques sont destinés à être reliés io électriquement à des bornes électriques placées à l'extérieur de l'enveloppe externe isolante 10. Le générateur plasma 20 est destiné à générer un jet de plasma ionisé 40 dans l'enceinte isolante 32. Ledit plasma est destiné à placer les contacts électriques 31 en court-circuit. 15 Le plasma ionisé 40 généré est un gaz à très haute température contenant de nombreux électrons libres et d'ions. Plus le plasma est chaud et plus le nombre d'électrons et d'ions est important, plus la résistance du plasma sera faible. Un tel gaz conducteur injecté entre les contacts 31 permet donc de créer un court-circuit entre lesdits contacts placés dans l'enceinte isolante 32. Un arc électrique de 20 puissance se forme entre les contacts et un courant électrique pourra alors commencer à circuler entre les contacts 31. L'énergie dissipée à l'intérieur de l'enceinte isolante 32 par l'arc électrique est très importante. Cette énergie entraine la production d'une grande quantité de vapeur métallique à l'intérieur de la l'enceinte isolante 32. La présence de cette 25 vapeur métallique modifie fortement les paramètres physiques de l'arc et a pour conséquence d'empêcher qu'il s'éteigne au passage à zéro du courant alternatif. Les parois de l'enceinte isolante 32 doivent être conçues de manière à être suffisamment robustes pour résister à la pression interne. La paroi de l'enceinte isolante 32 peut être réalisée en céramique. Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention tel que représenté sur la figure 2, le générateur de plasma 20 comporte un actionneur pyrotechnique ayant des moyens 21, 22, 23, 24 pour créer un jet plasma ionisé 40. A titre d'exemple de réalisation, le générateur à plasma 20 comporte un actionneur pyrotechnique dit "à charge creuse" dont la propriété est de produire un jet de gaz ionisés à haute température dénommé plasma. L'actionneur pyrotechnique du générateur à plasma 20 est constitué d'une capsule 24, de préférence de forme cylindrique. La capsule 24 contient un bloc solide de matière explosive 22. En outre, un initiateur pyrotechnique 21 de mise à feu est placé à proximité du bloc solide 22. Une des parois dudit bloc solide comporte une forme concave dirigée vers l'ensemble à contacts 30 placé dans l'enceinte isolante 32. La forme concave du bloc solide 22 est recouverte d'une empreinte conique 23 revêtue d'un dépôt métallique spécifique. L'empreinte conique 23 peut aussi réaliser entièrement en métal. Le générateur de plasma 20 est positionné au contact de l'enceinte isolante 32 et est séparé de ladite enceinte par opercule de scellement 34. Selon un mode préférentiel de l'invention, lorsque le court- circuiteur 1 est en position ouverte, les contacts électriques 31 placés dans l'enceinte isolante 32 sont isolés électriquement par le vide. En pratique, ladite enceinte isolante 32 forme une ampoule à vide. Selon une variante de réalisation, l'enceinte isolante peut contenir un gaz. A titre d'exemple, lorsque le court-circuiteur 1 est utilisé pour relier électriquement un ou plusieurs conducteurs de phase U, V, W à une borne de terre. Chaque conducteur de phase U, V, W est relié électriquement à un contact électrique 31 placé dans l'enceinte isolante 32. Les distances d'isolement entre lesdits contacts électriques 31 doivent être suffisantes pour les isoler notamment en cas de choc de foudre entre deux phases. En outre, l'utilisation du vide pour l'isolation des contacts permet d'abaisser la tension de l'arc électrique qui se forme et limite ainsi la dissipation d'énergie et l'augmentation de pression dans l'enceinte isolante. Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention tel que représenté sur les figures 1 et 2, l'ensemble à contact 30 comporte d'une part au moins trois contacts 31 destinés à être reliés chacun à un conducteur de phase U, V, W et d'autre part un plot de mise à la terre 33. La particularité du court-circuiteur électrique à générateur à plasma ionisé est d'être étanche. Aucune manifestation extérieure due aux gaz d'explosion et/ou au plasma n'est observée à l'extérieur de l'enceinte isolante 32. En effet, l'enceinte isolante 32 placée contre le générateur à plasma assure une étanchéité de l'intérieur vers l'extérieur de l'enveloppe externe isolante 10. L'invention est aussi relative à un ensemble de protection contre les arcs internes. Comme représenté sur la figure 4, ledit ensemble est destiné à la protection d'une installation électrique alimentée par un jeu de barres électriques U, V, W. Afin de prévenir et de limiter les dégâts occasionnés par la naissance d'un arc électrique entre les barres, l'ensemble de protection est destiné à connecter toutes les barres électriques U, V, W à la terre. Cette connexion à la terre doit être réalisée dans des délais très courts et notamment dans des temps inférieurs à celui nécessaire à déconnexion complète de l'installation par un disjoncteur de protection. Ledit disjoncteur de protection est généralement placé en amont du défaut de court-circuit. L'ensemble de protection contre les arcs internes comprend un capteur spécifique assure la détection de l'arc interne. Ce capteur, non représenté, peut notamment être un capteur optique. Ce capteur est relié, de préférence par fibres optique 8 à une centrale de décision 7. Cette centrale de décision 7 autorise l'actionnement de la fermeture d'un court-circuiteur 1 selon l'invention. Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, la centrale de décision 7 autorise la mise à feu du générateur à plasma 20, notamment par un actionneur pyrotechnique. Cette mise à feu provoque le percement instantané de l'opercule de scellement 34 de l'enceinte isolante 32 par le jet de plasma 40. La réaction se déroule en quelques micro secondes. Une perte de l'intégrité diélectrique associée au jet de plasma 40 métallique a pour conséquence d'établir un court-circuit général entre un ou plusieurs conducteurs de phase U, V, W et entre le plot au potentiel de terre 33. Le dimensionnement des différents constituants est fonction du calibre de l'appareil à protéger. Comme représenté sur la figure 4, selon un mode préférentiel de réalisation, un seul court-circuiteur 1 est utilisé pour placer en court-circuit simultanément les trois phases. On parlera de court-circuiteur 1 triphasé. Selon un autre mode de réalisation non représenté, chaque phase peut être reliée à la terre par un court-circuiteur 1 indépendant, on parlera de courtcircuiteur 1 monophasé. La centrale de décision 7 provoque la mise à feu de chaque court-circuiteur 1. La synchronisation et la redondance de mise à feu entre les trois court-circuiteurs 1 peut être assurées par le tube détonique ou autre moyens optique ou électrique. En cas de défaillance, le déclenchement d'un seul court-circuiteur 1 assure une fermeture simultanée des deux autres. L'avantage de cet ensemble de protection contre les arcs internes est de permettre l'établissement d'un court-circuit en dans un laps de temps très inférieur à la milliseconde. . Le temps d'établissement d'un court-circuit pour appareils mécaniques est de l'ordre de deux millisecondes. REVENDICATIONS 1. Court-circuiteur électrique (1) entre au moins deux bornes électriques, courtcircuiteur comportant une enveloppe externe isolante (10) comprenant une enceinte isolante (32) dans laquelle est positionné un ensemble à contact électrique (30) comprenant au moins deux contacts électriques (31) isolés électriquement et destinés à être connectés audits au moins deux bornes électriques, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de plasma (20) destiné à générer un plasma ionisé dans l'enceinte isolante (32), ledit plasma plaçant les 10 contacts électriques (31) en court-circuit. 2. Court-circuiteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur de plasma (20) comporte un actionneur pyrotechnique ayant des moyens pour créer un jet plasma ionisé, le générateur de plasma (20) étant séparé de l'enceinte isolante par opercule de scellement (34). 15 3. Court-circuiteur électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le actionneur pyrotechnique générateur de plasma est constitué d'une capsule (24) contenant un bloc solide (22) de matière explosive et un initiateur pyrotechnique (21) de mise à feu, une extrémité du bloc solide (22) étant dirigée vers l'ensemble à contacts (30). 20 4. Court-circuiteur électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite extrémité du bloc solide (22) comporte une forme concave. 5. Court-circuiteur électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bloc comporte une paroi ayant une forme concave, ladite paroi étant recouverte d'une empreinte (23) conique revêtue d'un dépôt métallique. 25 6. Court-circuiteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, en position ouverte, les contacts électriques (31) placés dans l'enceinte isolante (32) sont isolés électriquement par le vide, ladite enceinte isolante (32) formant une ampoule à vide. 9 7. .Court-circuiteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble à contact (30) comporte au moins trois contacts (31) destinés à être reliés chacun à un conducteur de phase (U, V, W) et comportant un plot de mise à la terre (33). 8. Ensemble de protection contre les arcs internes destiné à connecter un jeu de barres électriques (U, V, W) à la terre et comprenant au moins un courtcircuiteur (1) selon les revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de détection de l'arc interne relié à une centrale de décision (2), ladite centrale de décision (2) relié à un ou plusieurs court- circuiteur (1) étant destinée à autoriser l'actionnement des actionneurs pyrotechniques.