Brevet FR2953639A1 — publié le 20110610

DISJONCTEUR A HAUTE TENSION A ECRAN AMOVIBLE POUR L'AMELIORATION DU GRADIENT DE CHAMP DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne les appareils de commutation électrique dont il faut améliorer les performances vis-à-vis de champ électrique qui apparaît lors des commutations. Elle concerne en particulier les disjoncteurs dont on souhaite améliorer la coordination des différentes pièces prévues vis-à-vis du champ électrique, lors d'une opération d'ouverture du disjoncteur. ART ANTERIEUR ET PROBLEME POSE Les disjoncteurs à haute tension utilisés pour interrompre des courants de court circuit importants nécessitent un piston relativement important pour créer la surpression nécessaire pour souffler l'arc électrique, lors de l'ouverture du disjoncteur. Ceci impose un espace radial extrêmement large entre le contact central, la tige et le contact permanent correspondant. Par conséquent, les valeurs de champ électrique deviennent extrêmement importantes à l'extrémité de la tige. Ainsi, les performances des disjoncteurs haute tension sont dépréciées, particulièrement la tenue à la tension transitoire de rétablissement inhérente due à la coupure de courants des lignes, des câbles ou des batteries des condensateurs. 2 Pour contrecarrer cet inconvénient, une autre géométrie doit être proposée pour améliorer les valeurs de champ à l'extrémité de la tige. Ceci consiste dans le fait d'utiliser un écran métallique ou un écran en un matériau avec une constante diélectrique haute et avec une forme appropriée. Cet écran peut coulisser entre la tige et le contact permanent. De cette manière, la forme des lignes équipotentielles change et, en conséquence, le champ électrique peut diminuer de manière significative en d'autres termes pour des valeurs acceptables. Pour remplir son rôle, l'écran doit rester immobile au moins jusqu'à la séparation des contacts ou jusqu'à ce que les contacts du disjoncteur parcourent une distance bien déterminée. A la fin de ce parcours, la position à laquelle ils sont arrivés est considérée comme étant le point de départ où les valeurs du champ électrique sur les extrémités des contacts commencent à être critiques. A ce moment déterminé, l'écran doit commencer à se déplacer avec l'un des contacts jusqu'à la fin de la course de ce dernier. Des ressorts pré-compressés définissent la position initiale de l'écran. Par ailleurs, par les documents de brevets US 5, 478, 980, US 5,585,610 et US 6, 462, 295, on connaît de tels circuits utilisant un simple mouvement. L'écran amovible est attaché à l'extrémité de la buse. Lors de l'ouverture du disjoncteur, l'écran est caché par le contact permanent pendant presque tout son déplacement. Il est alors évident que l'écran va influencer la distribution du champ électrique seulement dans la position ouverte du disjoncteur, ce qui n'améliore 3 seulement que les performances diélectriques du disjoncteur. Le dispositif décrit dans les documents US 6,410,873 et US 4,378,477 utilisent un double mouvement de contact. Dans ces deux cas, l'écran est bougé par l'intermédiaire de la buse mais celui-ci n'est pas connecté directement à ses extrémités. Comme la buse isolante entoure tout le temps le contact qui est directement connecté au mécanisme de commande (contact en forme de clip), l'écran se déplace dans la même direction, mais dans le sens opposé de la tige qui est sensée être protégée. Ainsi, l'efficacité de l'écran est réduit durant les manoeuvres d'ouverture aussi bien que pendant les manoeuvres de fermeture. Le document de brevet US 6,410,873 utilise un mécanisme très compliqué composé de systèmes de leviers. Le document de brevet US 4,132,876 (figure 1) met en oeuvre un simple mouvement de contact avec un écran actionné par des tiges isolantes. Ces mécanismes très compliqués ne sont pas fiables pour les disjoncteurs sous enveloppes métalliques dans lesquelles des écrans externes sont généralement utilisés. De plus, dans ce dispositif, du fait du mouvement simple des contacts, l'écran n'a pas besoin de suivre la tige qui est fixe. Ainsi, il s'arrête lorsqu'il arrive à la position désirée. Dans le document de brevet US 4,378,477, l'écran est actionné idéalement par l'intermédiaire de la buse, au moyen d'un mécanisme qui joue également le rôle d'un système de transmission à double mouvement. Ainsi, l'écran, comme pour les documents présentés 4 précédemment, bouge dans une direction opposée à celle de la tige, qui est le contact que l'on souhaite protéger. Ainsi, l'efficacité d'un tel dispositif est faible. Lorsque l'écran est commandé dans la direction opposée, la position de fin de course, est beaucoup plus avancée que celle de la tige. De ce fait, il est beaucoup plus difficile d'assurer un rapport suffisant entre le champ électrique sur les contacts d'arc et celui sur les contacts permanents tel que lorsqu'un claquage survient, il se produit toujours entre les contacts d'arc. Enfin, un des désavantages de ce mécanisme est que les chocs mécaniques sont encaissés par la buse isolante lors de manoeuvre de fermeture, alors qu'elle est une pièce extrêmement sensible. Les documents de brevets ci-dessus mentionnés font référence à un écran fixé ou actionné par la buse ou par des systèmes des leviers ou tiges. Ainsi, seules les propriétés diélectriques du disjoncteur en position ouverte sont améliorées. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients sus-mentionnés relatifs aux documents évoqués précédemment. RESUME DE L'INVENTION 25 Le concept selon l'invention consiste à modifier et/ou réduire l'espace radial entre le contact fixe (l'électrode d'arc 4 dans le document US 4,132,876) et le contact permanent fixe (le contact permanent 13 dans le document US 4,132,876) présenté 30 dans la figure 1. Ceci a pour but d'aplanir les lignes équipotentielles. Ensuite, la variation de gradient de 20 tension diminue substantiellement et ainsi le champ électrique aux extrémités de contact est grandement diminué. Ceci abaisse le rapport E/N champ électrique/densité de gaz et diminue les risques de ré- 5 amorçage, c'est-à-dire augmente la tenue à la tension transitoire de rétablissement inhérente due à la coupure de courants des lignes, des câbles ou des batteries des condensateurs. A cet effet, l'objet principal de l'invention est un disjoncteur à haute tension comprenant deux contacts mobiles l'un par rapport à l'autre, de façon à s'écarter pour effectuer une coupure de courant électrique, le disjoncteur comprenant, entre autres, un écran qui entoure un premier des deux contacts et qui possède un carter support et doit suivre pendant une deuxième partie de la course de ce premier des deux contacts, la position finale de l'écran étant définie par des ressorts comprimés, le deuxième des deux contacts ayant également un carter. Selon l'invention, l'écran est monté coulissant dans le carter support du premier des deux contacts, est fixé à un palonnier et est entraîné par un corps central solidaire du support du deuxième des deux contacts, lors de la séparation des deux contacts dès le début de la course de ce support du deuxième contact au moyen de ressorts qui sont fixés par une première de ses deux extrémités à l'écran et par une deuxième de ces deux extrémités à l'extrémité droite d'un corps central, l'écran possèdant une butée qui lui est solidaire et positionnée pour rentrer en contact 6 avec le palonnier et pour entraîner l'écran dans la deuxième partie de la course relative du premier contact mobile en rentrant en contact avec ce dernier, lors d'un coulissement par écartement, le carter du premier contact mobile avec le carter du deuxième contact mobile, les deux contacts se déplaçant en sens opposé l'un par rapport à l'autre. Dans la réalisation principale de l'invention, les mouvements relatifs de ces éléments sont commandés par : - un levier de commande monté pivotant vers son milieu autour d'un axe fixe par rapport à un bâti fixe et étant actionné en rotation par des moyens moteur ; un premier levier de manoeuvre monté pivotant par une première extrémité à une première extrémité du levier de commande et monté pivotant à une deuxième extrémité au carter support du premier contact mobile par l'intermédiaire du palonnier ; et - deux deuxièmes leviers de manoeuvre montés pivotant par une première extrémité à une deuxième extrémité du levier de commande et montés pivotant à sa deuxième extrémité au carter support du deuxième contact mobile. Le carter support de premier contact et le support de deuxième contact sont, de préférence, montés coulissant par rapport au bâti fixe du disjoncteur. De préférence, la butée est montée sur une tige vissée dans l'écran. 25 7 Il est également possible que le disjoncteur possède des tiges vissées dans l'écran pour pré-comprimer les ressorts. LISTE DES FIGURES L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante qui est illustrée de plusieurs figures représentant respectivement : - figure 1, en coupe, un disjoncteur haute tension à écran amovible, selon l'art antérieur ; - figure 2, en coupe, une partie du disjoncteur à haute tension, selon l'invention ; - figures 3A, 3B et 3C, en coupes, le disjoncteur haute tension, selon l'invention, dans trois positions de son fonctionnement, lors de l'ouverture de celui-ci, et - figures 4A, 4B, 5A, 5B, 6A et 6B, des courbes illustrant les résultat du calcul du champ 20 électrique sur les contacts d'arc et sur les contacts permanents. NOMENCLATURE DES PIECES Ecran : 1 ; Premier contact mobile : 2 Tige : 3 ; Electrode d'arc : 4 ; Buse de soufflage : 5 ; Partie conique : 5A ; Partie évasée : 5B ; 25 30 8 Corps : 5C ; Deuxième contact mobile : 6 ; Capot : 7 ; Support de deuxième contact : 8 ; Corps fixe : 9 ; Carter de deuxième contact : 10 ; Contact permanent : 13 ; Tube isolant central : 14 ; Palonnier : 15 ; Carter support de premier contact : 16 ; Ressorts : 17 ; Rebord : 18 ; Face interne : 19 ; Extrémité gauche : 20 (du carter support de premier contact 16) ; Extrémité droite : 21 (du carter de deuxième contact 10) ; Levier de commande : 22 ; Première extrémité : 22A (du levier de commande 22) ; Deuxième extrémité : 22B (du levier de commande) ; Axe : 23 ; Premier levier de manoeuvre : 24 ; Première extrémité : 24A (du premier levier de manoeuvre 24) ; Deuxième extrémité : 24B (du premier levier de manoeuvre 24) ; Deuxièmes leviers de manoeuvre : 25 ; Première extrémité : 25A ; 30 9 Bague d'extrémité : 26 (de la partie évasée 5) ; Butée : 28 (du rebord 18) ; Tige : 29 ; Butée 30 ; Tige : 31. DESCRIPTION DETAILLEE D'UNE REALISATION DE L'INVENTION 10 La figure 2 montre, en coupe, la partie centrale du disjoncteur selon l'invention, dans le but de localiser l'écran 1, qui est mobile et qui est destiné à être positionné de manière déterminée autour d'un premier contact mobile 2, constitué par 15 l'extrémité d'une tige 3, se translatant longitudinalement dans le disjoncteur, au centre de celui-ci. L'autre contact 6 est constitué d'un embout creux, de révolution, placé dans un capot 7, elle-même placée sur un support de deuxième contact 8. 20 L'ensemble évolue à l'intérieur d'une buse de soufflage 5 comportant une première partie conique 5A, placée à droite sur les figures, du côté du premier contact 2, d'un corps 5C, central et cylindrique et d'une partie élargie 5B placée du côté du deuxième 25 contact 6. Cette buse de soufflage 5 permet de concentrer le jet de gaz au moment déterminé pour souffler l'arc lorsque les deux contacts 2 et 6 s'éloignent l'un de l'autre. L'ensemble est structuré par un tube 30 isolant central 14 par lequel est transmis le mouvement du deuxième contact 6 (moteur) au premier contact 2, de la buse 5 10 placé autour de la buse de soufflage 5. Un carter support de premier contact 16 est fixé dans un palonnier 15 portant la tige 3, à l'extrémité de laquelle se trouve le premier contact 2. Enfin, un carter de deuxième contact 10 est placé autour du support de deuxième contact 8 portant le deuxième contact 6. Une des pièces maitresse du disjoncteur, selon l'invention, est un écran 1 placé à l'intérieur d'un corps fixe 9, positionné sur la paroi interne du carter support de premier contact 16 attaché à un palonnier 15. Sa forme est donc de révolution creuse et entoure globalement, à une distance déterminée, la partie gauche de la tige 3. Son rôle est de suivre cette dernière, notamment le premier contact 2 constituant son extrémité, à partir d'un moment déterminé de la course respective des deux contacts 2 et 6. La présence de l'écran 1 contribue à diminuer la variation de gradient de tension et ainsi réduire, de façon significative, le champ électrique à l'extrémité du premier contact 2. Ainsi, on obtient un rapport réduit du champ électrique/densité des gaz et on diminue les risques de réamorçages. Des ressorts 17 prennent appui sur un rebord 18, à l'extrémité droite du corps central 14. Son autre extrémité gauche prend appui sur la face interne 19 de l'écran 1. Les ressorts 17 sont pré-comprimés par l'intermédiaire des tiges 29 vissées dans l'extrémité gauche de l'écran 1 et attachées par l'intermédiaire d'une butée 28 du rebord 18 de façon à ce qu'elles puissent coulisser dans le rebord 18. 11 En référence à la figure 3A, qui montre le disjoncteur, selon l'invention, en position fermée, les deux contacts 2 et 6 sont en contact l'un avec l'autre. De façon plus précise, le premier contact 2 se trouve à l'intérieur du deuxième contact 6 de forme creuse de révolution. Sur cette figure 3A, l'ensemble support de deuxième contact 8 est placé un peu vers la gauche, à l'intérieur du carter de deuxième contact 10. L'extrémité gauche 20 du carter support de premier contact 16 entoure l'extrémité droite 21 du carter de deuxième contact 10. Ainsi, l'ensemble se trouvant à l'intérieur du corps central 14 est complètement entouré par le carter support de premier contact 16, car le corps central 14 est solidaire du carter de deuxième contact 10. Il y a donc un coulissement du carter support de premier contact 16 autour de l'ensemble du carter de deuxième contact 10 et du corps central 14. Les trois figures 3A, 3B et 3C montrent, entre autres, l'actionnement de toutes ses parties du disjoncteur, grâce, en particulier, à trois leviers, qui sont un levier de commande 22, monté pivotant autour d'un axe horizontal 23, qui est fixe par rapport à l'ensemble, c'est-à-dire fixe par rapport à un bâti sur lequel est fixé le disjoncteur. Dans la position fermée du disjoncteur, illustrée par cette figure 3A, le levier de commande 22 a une première extrémité 22A, à laquelle est montée, de façon articulée, une première extrémité 24A d'un premier levier de manoeuvre 24 dont l'autre extrémité 12 24B est monté de façon articulée sur la partie centrale du palonnier 15. De façon correspondante, une deuxième extrémité 22B du levier de commande 22 est reliée de façon articulée à une première extrémité 25A de deux deuxièmes leviers de manoeuvre 25, dont leur deuxième extrémité est montée de façon articulée sur une bague d'extrémité 26 de la partie évasée 5A de la buse de soufflage 5, solidaire également de l'ensemble du corps central 14 et du carter de deuxième contact 10. On précise que, sur cette figure 3A, le levier de commande 22 est incliné, de manière à ce que le premier levier de manoeuvre 24 soit poussé vers la gauche. De cette façon, le palonnier 15 est lui-même poussé dans sa position extrême vers la gauche. En correspondance, les deux leviers de manoeuvre 25 sont tirés vers la droite, en maintenant l'ensemble du carter de deuxième contact 10 du tube isolant central 14, à l'intérieur, vers la droite. En référence à la figure 3B, représentant une position intermédiaire de l'ouverture entre les deux contacts 2 et 6, le levier de commande 22 a subi une rotation de façon à tirer vers la droite le premier levier de manoeuvre 24 et à pousser vers la gauche les deuxièmes leviers de manoeuvre 25. De cette façon, le palonnier 15 portant la tige 3 et le premier contact 2 commence un déplacement vers la droite. De ce fait, le premier contact 2 sort du deuxième contact 6. Conjointement, les deuxièmes leviers de manoeuvre 25 sont poussés vers la gauche et pousse lui-même l'ensemble constitué du tube isolant central 14, 13 porteur de la buse de soufflage 5 et solidaire du carter de deuxième contact 10. De ce fait, l'ensemble constitué du capot 7 du deuxième contact 6, du support de deuxième contact 8, coulisse dans le carter de premier contact 10. Lors de cette phase intermédiaire, représentée par la figure 3B, l'extrémité de gauche 20 du carter support de premier contact 16 est déjà séparé de l'extrémité droite du carter de deuxième contact 10. Conjointement, la tige 3 et le premier contact 2 coulissent à l'intérieur de la buse de soufflage 5. C'est le moment où une butée 30 placée sur une tige 31 qui est fixe sur la partie gauche de l'écran 1 et qui coulisse dans le rebord 18 et dans le palonnier 15 arrive en contact avec le palonnier 15. C'est aussi le moment où l'écran 1 commence à se déplacer conjointement avec le carter support du premier contact 16 et la tige 3. En référence à la figure 3C, le levier de commande 22 a continué sa rotation et a tiré le premier levier de manoeuvre 24 vers la droite, tirant à son maximum la tige 3 et le contact 2 vers la droite. Or, après la phase intermédiaire, schématisée par la figure 3B, les ressorts 17 ont été comprimés par l'intermédiaire du palonnier 15 qui arrive en butée sur la butée 30 fixe sur la tige 31 et qui est vissé dans la partie gauche de l'écran 1, qui peut coulisser dans le palonnier 15 et dans le rebord 18. La figure 3C montre la fin de cette compression de ressorts 17. La séparation maximale du 14 premier contact 2 et deuxième contact 6 et des éléments qui leur sont solidaires. Pendant cette compression des ressorts 17, l'écran 1 a donc été entraîné, conjointement à la compression des ressorts 17 vers la droite, au moyen de la butée 30, placée à droite de la tige 31. Conjointement, l'écartement des deux sous-ensembles relatifs au premier contact 2 et au deuxième contact 6 a provoqué l'écartement vers la gauche du carter de deuxième contact 10 du support de deuxième contact 8 par rapport au piston fixe, non représenté. Cette translation contribue, entre les figures 3A et 3B, à la diminution du volume à l'intérieur du carter de deuxième contact 10 et est nécessaire à créer le soufflage de l'arc. L'avantage principal de ce disjoncteur est une tenue améliorée à la tension transitoire de rétablissement inhérente due à la coupure de courants des lignes, des câbles ou des batteries des condensateurs, notamment pour les très hautes tensions. Les interruptions des petits courants capacitifs se font presque simultanément avec la séparation des contacts d'arc 2 et 6. Comme la tension de rétablissement varie conformément à la loi . j(2.U).(1-cos(wt)) (ou w est la fréquence source, t c'est le temps, et U c'est la tension effective assignée), la valeur maximale, 2. (2.U) sera appliquée après un instant temporel bien défini, d'environ un demi cycle de la fréquence assignée au réseau. Donc plus les contacts sont écartés à cet instant plus la valeur du champ électrique au bout des contacts est faible. En 15 conséquence, en réduisant cette valeur de champ au but des contacts par l'intermédiaire d'un écran 1, la distance entre les contacts peut être réduite, donc il est possible de diminuer la vitesse des contacts entraînant la réduction des contraintes mécaniques. Cet effet est illustré dans les figures 4A, 4B et 4C. Les figures 4A et 4B illustrent les valeurs du gradient du champ électrique calculé pour une vitesse de 13 m/s sans écran mobile. Les figures 5A et 5B illustrent les valeurs du gradient du champ électrique calculé pour une vitesse de 19 m/s sans écran mobile et les figures 6A et 6B illustrent les valeurs du gradient du champ électrique calculé pour une vitesse de 13 m/s avec écran mobile. Dans ces figures 4A, 5A et 6A, les résultats présentés sont relatifs à la tension qui a été appliquée du côté de la tige (premier contact mobile 2) et sur les figures 4B, 5B, 6B, les calculs présentés sont relatifs à la tension qui a été appliquée du côté de la tulipe (deuxième contact mobile 6). REVENDICATIONS1. Disjoncteur haute tension comprenant deux contacts (2, 6) mobiles l'un par rapport à l'autre, de façon à s'écarter pour effectuer une coupure de courant électrique, le disjoncteur comprenant, entre autres : - un écran (1) qui entoure un premier des deux contacts (2) qui possède un carter support de premier contact (16), l'écran (1) devant suivre ce carter support de premier contact (16) et le premier contact (2) pendant une deuxième partie de la course de l'ensemble du premier contact (2) et de son carter support de premier contact (16), la position finale de l'écran (1) étant définie par la compression des ressorts (17) comprimés, le deuxième contact (6) ayant un support de deuxième contact (8),caractérisé en ce que l'écran (1) est monté coulissant dans le carter support de premier contact (16) fixé à un palonnier (15) et est entraîné par un corps central (14) solidaire du support de deuxième contact (8), lors de la séparation relative des deux contacts mobiles (2, 6) dès le début de la course de ce support de deuxième contact (8) et par l'intermédiaire des ressorts (17) fixés par une première extrémité de gauche à l'écran (1) et par une deuxième extrémité à l'extrémité droite du corps central (14), l'écran (1) possédant une butée (30) qui lui est solidaire et positionnée pour rentrer en contact avec le palonnier (15) et entraîner l'écran (1), lors de la deuxième partie de la course du carter support de premier contact (16) lors de son 17 coulissement dû à l'écartement de deux contacts mobiles (2) et (6) évoluant en sens opposé et de leur carter et supports respectifs. 2. Disjoncteur haute tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement relatif des éléments qui les constituent sont commandés par : un levier de commande (22) monté pivotant, vers son milieu, autour d'un axe (23) fixe par rapport à un bâti et étant actionné en rotation par des moyens moteurs ; - un premier levier de manoeuvre (24) monté pivotant par une première extrémité (24A) à une première extrémité (22A) du levier de commande (22) et monté pivotant par une deuxième extrémité (24B) au carter support de premier contact (16) par l'intermédiaire du palonnier (15) ; et - des deuxièmes leviers de manoeuvre (25) montés pivotant par une première extrémité (25A) à une deuxième extrémité (22B) du levier de commande (22) et monté pivotant à une deuxième extrémité (25B) au support de deuxième contact (8). 3. Disjoncteur haute tension selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le carter support de premier contact (16) et le support de deuxième contact (8) sont montés coulissants par rapport à un corps fixe (9), de manière à s'écarter dans des directions opposées. 18 4. Disjoncteur haute tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que la butée (30) est montée sur une tige (31) vissée dans l'écran (1). 5. Disjoncteur haute tension selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il possède des tiges (29) vissées dans l'écran (1) pour pré-comprimer les ressorts (17).10