Brevet FR2946181A1 — publié le 20101203

DISJONCTEUR HAUTE TENSION A ECHAPPEMENT DE GAZ AMELIORE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention concerne le domaine des disjoncteurs à haute tension sous cuve ou enveloppe métallique, de type GIS (Gas Insulated Switchgear) ou de type Dead tank. Ces disjoncteurs peuvent faire partie d'un poste sous enveloppe métallique. L'invention concerne plus particulièrement un procédé d'évacuation des gaz chauds générés par une coupure d'un tel disjoncteur et, la structure de disjoncteur associée. Dans ce type de disjoncteurs, pour certaines valeurs de courant de court-circuit qui correspondent à un courant de défaut maximum, les gaz chauds (c'est-à-dire le plasma et les gaz d'échappement) générés peuvent favoriser les réamorçages entre les différentes pièces de coupure sous tension et les pièces connectées à la terre telle que la cuve métallique. Dans les disjoncteurs sous cuve métallique actuellement commercialisés, différents types d'agencements d'évacuation ou échappement sont prévus. Un premier type d'agencement, par exemple prévu sur les disjoncteurs de type japonais, tel que celui divulgué dans la demande de brevet JP2003217411, comprend un tube court implanté à la sortie de la buse soufflant des gaz chauds et qui permet également de souffler ceux-ci directement à l'intérieur de la cuve 2 métallique. L'isolation diélectrique est obtenue en conservant de grandes distances entre la couronne d'évacuation formée avec le tube et la cuve métallique. Un deuxième type d'agencement, par exemple prévu sur les � Dead tank � tel que publié dans la demande de brevet EP1806760, permet d'avoir un volume de gaz diélectrique présent dans la partie métallique de l'échappement suffisamment important pour absorber tous les gaz chauds générés pendant la période d'arc la plus longue du courant de court-circuit maximum. Cet agencement d'échappement comprend des ouvertures latérales sur le côté par lequel les gaz chauds s'échappent vers l'intérieur de la cuve métallique. Le premier type visé ci-dessus enferme des volumes de gaz isolant qui sont par construction inférieurs à la quantité de gaz chauds soufflés lors d'une coupure. C'est pourquoi, il est prévu des dimensions globales de la cuve métallique plus grandes que celle du deuxième type, du fait que ces gaz chauds sont évacués d'une manière incontrôlée, et qu'en conséquence, des marges de sécurité dimensionnelles doivent être prises pour assurer la tenue diélectrique à la cuve. La fermeture prévue dans l'agencement du deuxième type implique un volume suffisant pour conserver les gaz chauds à l'intérieur de la partie métallique de l'échappement. Aussi, la marge de sécurité dimensionnelle entre l'extérieur de l'échappement et la cuve métallique peut être réduite. On peut citer le brevet EP 1 768 150 qui prévoit, dans son mode de réalisation de la figure 2, 3 un mélange d'une partie des gaz chauds 11, 11a avec des gaz isolants 111, un tel mélange est de fait réalisé par division du flux de gaz chauds à la sortie de la zone 6 de soufflage des gaz. En réalité, seule la partie radiale divisée initialement 11a peut être éventuellement mélangée aux gaz isolants plus froids 111 par ailleurs poussés par l'autre partie axiale 11b des gaz chauds. Le brevet EP 1930929 divulgue quant à lui une solution de bord dit de séparation 21 à la sortie de l'échappement des gaz 9 réalisé sous la forme d'un canal étroit 22 entre une partie du support de contact fixe 5 prolongée et une enveloppe 18 fixée à la barre conductrice 13 d'amenée de courant. La réalisation du bord 21 sous la forme d'une rainure transversale au canal 22 permet d'éviter l'effet Coanda, c'est-à-dire de décoller le flux des gaz d'échappements 9 et donc d'éviter que ceux-ci viennent adhérer à la surface convexe 20 de la sortie d'échappement et donc soient guidés vers des zones chargées diélectriquement. Le brevet EP 1835520 divulgue quant à lui une construction particulière d'un canal annulaire 20 d'échappement par une sorte de capuchon 16 autour de l'enveloppe support 8 du contact fixe A. La construction selon ce brevet a pour but d'éviter l'amorçage à la cuve en essayant d'orienter les gaz à l'horizontal, c'est-à-dire sensiblement parallèlement aux parois de la cuve, et de favoriser leur refroidissement. Un problème qui n'a à ce jour pas été mis en évidence est celui du risque de réamorçage par 4 projection directe des particules métalliques ou par déplacement de particules métalliques issues de manoeuvre(s) d'ouverture du disjoncteur précédentes vers des zones sensibles, le déplacement desdites particules métalliques déjà présentes étant provoqué par l'évacuation des gaz chauds proprement dite lors d'une manoeuvre ultérieure. En effet, quel que soit l'échappement envisagé, lors de chaque manoeuvre d'ouverture il existe des frottements entre différentes pièces qui engendrent des copeaux ou particules métalliques. Ces particules métalliques créées sont projetées par les gaz d'échappement et se déposent vers le bas de la cuve métallique. Ce problème peut être d'autant plus important que l'espace entre l'extérieur de l'échappement et la cuve métallique est réduit : dans ce cas, les particules métalliques accumulées dans le bas de la cuve sont d'autant plus proches de l'échappement et donc susceptibles d'être déplacées par l'évacuation des gaz chauds à la sortie de l'échappement, vers des zones sensibles au réamorçage telles que les cônes isolants. On précise ici que, dans le cadre de l'invention, il faut comprendre par � cônes isolants �, les éléments conformés en cônes, réalisés en matière isolante électriquement et qui ont pour fonction de fixer l'enveloppe d'échappement à la cuve métallique. Un autre problème est que les constructions d'échappement prévues à ce jour, particulièrement en chicanes, ne sont pas nécessairement prévues pour optimiser la vitesse des gaz chauds dans l'échappement. Or, une vitesse de gaz chauds dans l'échappement trop faible a pour conséquence un risque de réamorçage entre contacts d'arc et une vitesse de gaz chauds dans l'échappement trop importante a pour conséquence un 5 risque de réamorçage entre contacts principaux (permanents). Le but de l'invention est donc de proposer une solution d'évacuation (échappement) des gaz chauds en chicanes dans un disjoncteur haute tension qui permette d'éviter d'une part les risques de réamorçage électrique par projection directe vers des zones sensibles ou par déplacement des particules métalliques déjà accumulées en bas de cuve métallique vers lesdites zones sensibles au réamorçage, telles que des cônes isolants, et d'autre part, les risques de réamorçages entre contacts d'arc et entre contacts principaux (permanents). EXPOSÉ DE L'INVENTION Pour ce faire, l'invention a pour objet un disjoncteur haute tension qui s'étend selon un axe longitudinal et comprenant une cuve métallique remplie d'un gaz isolant ; une paire de contacts d'arc dont un fixe et un mobile en translation qui est solidaire d'une buse isolante pour souffler des gaz chauds générés lors de la séparation des contacts ; une enveloppe à l'intérieur de laquelle est montée le contact fixe, l'enveloppe comprenant à l'intérieur des chicanes d'échappement de gaz dont une chicane d'entrée constituée par l'enveloppe et par un tube fixe entourant le contact fixe, l'enveloppe étant fixée à la à la cuve métallique par un cône électriquement isolant en étant agencée à l'intérieur de la cuve métallique de sorte à communiquer avec elle par les chicanes pour évacuer les gaz chauds. Selon l'invention, on prévoit : - des chicanes adaptées pour réaliser au moins deux changements d'orientation selon l'axe du vecteur vitesse des gaz chauds depuis leur entrée dans la chicane d'entrée ; - un rapport de sections d'une chicane d'échappement donnée (Si) à la chicane d'échappement suivante (Si+l), située immédiatement en aval et dans la continuité de la chicane donnée, dans le sens d'échappement des gaz chauds, est tel que si : • Si>Si+l alors 1 Avantageusement, une des chicanes, en aval de la chicane d'entrée, comprend une paroi inclinée pour dévier les gaz chauds d'échappement radialement vers l'extérieur de l'enveloppe, l'inclinaison de la paroi étant comprise dans un angle entre 5° et 80° par rapport à l'axe longitudinal. On évite ainsi le risque d'un écoulement turbulent dès l'entrée des chicanes, puisque les gaz chauds sont accélérés par ladite paroi inclinée. Avantageusement encore, l'enveloppe comprend, à la sortie de la chicane de sortie, un surplus de matière sous la forme d'un arrondi. Grâce à la présence de cet arrondi, on améliore les caractéristiques de l'enveloppe selon l'invention : en d'autres termes, on limite le risque de claquage diélectrique à la cuve métallique. Selon un mode de construction avantageux : l'enveloppe est constituée de deux pièces dont : - une est constituée d'un fût cylindrique fermé, à l'une de ses extrémités, par un fond hémisphérique adapté pour ramener les gaz chauds évacués depuis la buse et entre le tube fixe et le 8 contact fixe, vers le volume annulaire de la chicane d'entrée délimité d'une part, entre le tube fixe et le fût cylindrique et d'autre part, entre le tube fixe et un rétreint prévu, à l'autre des extrémités du fût cylindrique ; - l'autre est constituée par un embout comprenant, à l'une de ses extrémités, une paroi cylindrique de diamètres et d'épaisseur compris entre le diamètre extérieur du rétreint et le diamètre intérieur de l'extrémité cylindrique du fût de l'enveloppe, et une paroi en forme de tronc de cône reliée à la paroi cylindrique et à laquelle est fixé intérieurement le tube. L'embout est emboîté dans le fût cylindrique, tel que la paroi cylindrique de l'embout est logée dans le volume compris entre la paroi cylindrique d'extrémité et le rétreint du fût en délimitant ainsi les deux chicanes les plus en aval, tandis qu'une chicane intermédiaire entre chicane(s) d'entrée et chicanes aval est délimitée entre la paroi en forme de tronc de cône de l'embout et le rétreint du fût. Les deux changements de vecteur vitesse des gaz chauds sont ainsi réalisés par ladite chicane intermédiaire et les deux chicanes les plus en aval. Une application particulièrement visée par l'invention est celle selon laquelle le disjoncteur haute tension est un � GIS � ou �Dead tank �. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description 9 détaillée faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d'un disjoncteur haute tension selon l'état de l'art, en fin de manoeuvre d'ouverture ; - la figure 2 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d'un disjoncteur haute tension selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, également en fin de manoeuvre d'ouverture ; - la figure 3 est une vue de détail partielle en perspective de la figure 2. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Par souci de clarté, les éléments communs aux disjoncteurs selon l'état de l'art (figure 1) et selon l'invention (figures 2 et 3) portent les mêmes références numériques. Les termes � aval � et � amont � sont à comprendre par rapport au sens d'échappement des gaz chauds GC évacués lors d'une coupure d'arc par un disjoncteur haute tension selon l'invention. Ainsi, la chicane 74 la plus en aval est la chicane d'échappement à l'intérieur de l'enveloppe 3 qui est la dernière traversée par les gaz chauds G.C. Sur la figure 1, on a représenté en vue de coupe longitudinale un disjoncteur 1 sous enveloppe métallique (GIS) selon l'état de l'art agencé essentiellement horizontalement et qui s'étend selon un axe longitudinal XX'. Ce disjoncteur 1 à haute tension comprend une cuve métallique 2 remplie d'un gaz isolant GI reliée électriquement à la terre. Une enveloppe 3 10 est agencée à l'intérieur de la cuve 2 métallique et est fixée à elle par l'intermédiaire d'un cône isolant 4. Cette enveloppe 3 est constituée de deux parties, dont une est sous la forme essentiellement d'un fût cylindrique 30 fermé par un fond hémisphérique 300 et l'autre 31 qui constitue un embout. Plus exactement, le fût 30 fermé à l'un de ses extrémités par le fond hémisphérique 300 est cylindrique sur une grande partie de sa longueur et comprend un rétreint 301 à l'autre de ses extrémités. Un tube 6 est fixé à l'embout 31 de sorte à s'étendre à l'intérieur du fût 30 et du rétreint 301 de l'enveloppe 3. La fixation entre le fût 30 et l'embout 31 est réalisé au moyen de pattes de fixation 60. L'agencement relatif entre le tube 6, le fût cylindrique 30 et son rétreint 300, l'embout 31 de l'enveloppe 3 délimite un volume avec des chicanes d'échappement 7 qui constituent la voie d'évacuation ou d'échappement des gaz chauds selon l'état de l'art. Le disjoncteur 1 comprend également une paire de contacts d'arc dont seul le contact fixe 50 est représenté et est fixé à l'enveloppe 3. L'autre contact mobile en translation selon l'axe XX' est solidaire d'une buse isolante 51 prévue pour souffler des gaz chauds générés lors de la séparation des contacts. Usuellement, les gaz chauds qui résultent d'une coupure d'arc au cours de laquelle une manoeuvre d'ouverture des contacts d'arc est réalisée, suivent le parcours schématisé en traits pleins (G.C) en figure 1 : ces gaz traversent donc le tube 6 (de la gauche 11 vers la droite sur la figure 1) puis changent de sens au contact du fond hémisphérique 300 en passant à travers le volume du fût cylindrique 30 et atteignent alors la chicane d'entrée 70 ou autrement dit le volume annulaire entre tube 6 et fût cylindrique 30 et retreint 300. Les gaz chauds GC suivent alors le parcourt délimité par les chicanes 7 en aval de la chicane d'entrée 7. Selon l'état de l'art et comme représenté en figure 1, les gaz chauds GC qui débouchent à la sortie 71 des chicanes d'échappement 7 contiennent nécessairement des particules métalliques qui viennent donc se déposer sur le bas 20 de la cuve 2. Or, il subsiste les risques soit de projeter directement lors d'une manoeuvre d'ouverture donnée les particules métalliques vers les zones sensibles au réamorçage électrique soit de déplacer, lors de manoeuvres d'ouverture ultérieures, les particules métalliques déjà présentes en bas 20 de cuve 2 vers lesdites zones sensibles. Telles que représentées en figure 1, les zones les plus sensibles au réamorçage électrique sont celles situées Z entre le cône isolant 4, qui permet la fixation entre l'enveloppe 3 et la cuve métallique 2, et le bas 20 de cuve métallique 2. Ainsi, comme représenté en figure 1, les gaz chauds (GC) par le profil des chicanes 7 selon l'état de l'art sont évacués selon une direction dirigées vers le cône isolant 4, c'est-à-dire potentiellement vers la zone sensible au réamorçage Z. 12 En outre, il subsiste toujours le risque que la vitesse des gaz chauds dans les chicanes 7 selon l'état de l'art ne soit pas optimale. Ainsi, il y a des risques que ces gaz chauds soient trop ralentis avec comme conséquence néfaste un réamorçage entre contacts d'arc ou que ces gaz chauds ne soient pas assez ralentis avec comme conséquence néfaste un réamorçage entre contacts permanents. Pour éviter à la fois les risques de : - projection directe ou déplacement des particules métalliques issues des coupures d'arc vers les zones sensibles Z au réamorçage électrique, telles que les cônes isolants 4 ; - vitesse non optimale de gaz chauds dans l'échappement en chicanes avec comme conséquence le réamorçage possible entre contacts d'arc et/ou entre en contacts permanents, les inventeurs ont alors défini des chicanes d'échappement 7 selon l'invention telles que représentées en figures 2 et 3. Dans le mode de réalisation illustré aux figures 2 et 3, l'enveloppe (3) est constituée de deux pièces 30, 31. Une de ces pièces est constituée d'un fût cylindrique 30 fermé, à l'une de ses extrémités 30a, par un fond hémisphérique 300 adapté pour ramener les gaz chauds évacués depuis la buse de soufflage 51 et entre le tube fixe 6 et le contact fixe 50, vers le volume annulaire des chicanes d'entrée 70, 71. Plus exactement, le volume annulaire délimité entre le tube fixe 6 et le fût cylindrique 30 définit une première chicane d'entrée 70 des gaz chauds ramenés depuis le 13 fond hémisphérique 300. Le volume annulaire délimité entre le tube fixe 6 et un rétreint 301 prévu à l'extrémité 30b du fût opposée au fond 300 définit une deuxième chicane d'entrée 71. L'autre des pièces de l'enveloppe 30 est constituée par un embout 31. Cet embout 31 comprend, à l'une de ses extrémités, une paroi cylindrique 310 de diamètres et d'épaisseur compris entre le diamètre extérieur du rétreint 301 et le diamètre intérieur de l'extrémité cylindrique 30b du fût 30 de l'enveloppe 3, et une paroi en forme de tronc de cône 311 reliée à la paroi cylindrique 310 et à laquelle est fixé intérieurement le tube 6. Les chicanes d'échappement 72, 73, 74 dans la continuité de la deuxième chicane d'entrée 71 sont ainsi réalisées par emboîtement de l'embout 31 dans le fût cylindrique 30. L'emboîtement est tel que la paroi cylindrique 310 de l'embout 31 est logée dans le volume compris entre la paroi cylindrique d'extrémité 30b et le rétreint 301 du fût en délimitant les deux chicanes 73, 74 les plus en aval. Une chicane intermédiaire 72 entre la deuxième chicane d'entrée 71 est délimitée entre la paroi en forme de tronc de cône 311 de l'embout 31 et le rétreint 301 du fût 30. Les deux changements de vecteur vitesse des gaz chauds GC sont en conséquence réalisés par ladite chicane intermédiaire 72 et les deux chicanes les plus en aval 73, 74. Comme représenté à la figure 3 : - la section de passage des gaz chauds dans la deuxième chicane d'entrée 71 est définie par S1 ; 14 - la section de passage des gaz chauds dans la chicane 73 avant la chicane de sortie 74 est définie par S2 ; - la section de passage des gaz chauds dans la chicane 74 de sortie, ou autrement dit la plus en aval, est définie par S3 ; - la section de passage des gaz chauds à la jonction entre la chicane intermédiaire 72 et la chicane 73 avant la chicane de sortie 74 est définie par S4 ; - la section de passage des gaz chauds à la jonction entre les deux chicanes les plus en aval 73, 74 est définie par S5. Dans le mode de réalisation illustré, on a déterminé les gammes de rapports de section suivants : 0 REVENDICATIONS1. Disjoncteur (1) haute tension qui s'étend selon un axe longitudinal (XX') et comprenant une cuve métallique (2) remplie d'un gaz isolant (GI) ; une paire de contacts (5) d'arc dont un (50) fixe et un mobile en translation qui est solidaire d'une buse isolante (51) pour souffler des gaz chauds générés lors de la séparation des contacts ; une enveloppe (3) à l'intérieur de laquelle est montée le contact fixe (50), l'enveloppe comprenant à l'intérieur des chicanes (7) d'échappement de gaz dont une chicane d'entrée (70) constituée par l'enveloppe et par un tube fixe (6) entourant le contact fixe (50), l'enveloppe étant fixée à la cuve métallique par un cône électriquement isolant (4) en étant agencée à l'intérieur de la cuve métallique de sorte à communiquer avec elle par les chicanes pour évacuer les gaz chauds (GO) ,caractérisé en ce que : - les chicanes (7) sont adaptées pour réaliser au moins deux changements d'orientation selon l'axe (XX') du vecteur vitesse des gaz chauds depuis leur entrée dans la chicane d'entrée (70) ; - le rapport de sections d'une chicane d'échappement (7) donnée (Si) à la chicane d'échappement suivante (Si+l), située immédiatement en aval et dans la continuité de la chicane donnée, dans le sens d'échappement des gaz chauds, est tel que si : • Si>Si+l alors 1 5 (Si/Si+1) 20 ; • Si 2. Disjoncteur (1) haute tension selon la revendication 1, dans lequel une des chicanes en aval de la chicane d'entrée (70), comprend une paroi inclinée (310) pour dévier les gaz chauds d'échappement radialement vers l'extérieur de l'enveloppe (3), l'inclinaison de la paroi (311) étant comprise dans un angle o (entre 5° et 80° par rapport à l'axe longitudinal (XX'). 3. Disjoncteur (1) haute tension selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'enveloppe (3) comprend, à la sortie de la chicane de sortie (74), un surplus de matière sous la forme d'un arrondi (302). 4. Disjoncteur (1) haute tension selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'enveloppe (3) est constituée de deux pièces dont : - une est constituée d'un fût cylindrique (30) fermé, à l'une de ses extrémités (30a), par un fond hémisphérique (300) adapté pour ramener les gaz chauds évacués depuis la buse et entre le tube fixe (6) et le contact fixe (50), vers le volume annulaire de la chicane d'entrée délimité d'une part entre le tube fixe (6) et le fût cylindrique (30) et d'autre part entre le 18 tube fixe (6) et un rétreint (301) prévu, à l'autre des extrémités (30b) du fût cylindrique ; - l'autre est constituée par un embout (31) comprenant, à l'une de ses extrémités, une paroi cylindrique (310) de diamètres et d'épaisseur compris entre le diamètre extérieur du rétreint (301) et le diamètre intérieur de l'extrémité cylindrique (30b) du fût de l'enveloppe, et une paroi en forme de tronc de cône (311) reliée à la paroi cylindrique (310) et à laquelle est fixé intérieurement le tube (6), dans lequel l'embout (31) est emboîté dans le fût cylindrique (30), tel que la paroi cylindrique (310) de l'embout (31) est logée dans le volume compris entre la paroi cylindrique d'extrémité (30b) et le rétreint (301) du fût (30) en délimitant ainsi les deux chicanes (73, 74) les plus en aval, tandis qu'une chicane intermédiaire (72) entre chicane(s) d'entrée (71) et chicanes aval (73, 74) est délimitée entre la paroi en forme de tronc de cône (311) de l'embout (31) et le rétreint (301) du fût (30), les deux changements de vecteur vitesse des gaz chauds (GC) étant réalisés par ladite chicane intermédiaire (72) et les deux chicanes les plus en aval (73, 74). 5. Disjoncteur de type G.I.S ou Dead tank selon l'une quelconque des revendications précédentes.