Brevet FR2949170A1 — publié le 20110218

CHAMBRE DE COUPURE POUR DISJONCTEUR A MOYENNE OU HAUTE TENSION A ENERGIE DE MANîUVRE REDUITE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne une chambre de coupure destinée à être utilisée dans une disjoncteur à moyenne ou haute tension typiquement dans la gamme de 7.2 kV à 800 kV. Une application particulière intéressante est l'utilisation dans un disjoncteur d'alternateur. ART ANTÉRIEUR Dans cette application particulière dans laquelle il est nécessaire de pouvoir couper un courant de court-circuit élevé, typiquement de 63 kA voire plus, la conception doit être prévue de sorte que les manoeuvres d'ouverture et de fermeture du disjoncteur à trois pôles puissent être réalisées uniquement au moyen de l'actionnement d'une commande à mécanisme à accrochage de ressort qui est implantée à l'extérieur des chambres de coupure. Or, la masse et les dimensions (volumes) nécessaires aux pièces traversées par le courant de court-circuit augmentent avec la valeur de ce dernier. L'énergie de manoeuvre nécessaire à leurs déplacements pour couper le courant de court-circuit augmente en conséquence jusqu'au point où il n'est plus possible d'utiliser des commandes à mécanisme à faible 2 énergie avec accrochage de ressort extérieur aux chambres de coupure qui soient standards. Pour résoudre cette problématique, différentes solutions alternatives à un surdimensionnement des commandes extérieures ont été proposées. Ainsi, le brevet FR 2 435 118 décrit une solution qui consiste à intégrer un ressort hélicoïdal 20 à l'intérieur de la chambre de coupure, qui est comprimé durant une manoeuvre de fermeture par la commande extérieure et dont la fonction est de comprimer le gaz de soufflage d'arc présent dans un volume de soufflage pendant une manoeuvre d'ouverture. En se référant au mode de réalisation des figures 5 et 6 de ce brevet, le ressort hélicoïdal 20 en appui contre le piston de soufflage 15 formé intégralement et autour d'un contact d'arc 18 est comprimé durant la manoeuvre de fermeture par l'autre contact d'arc 21 relié à la commande. Lors d'une manoeuvre d'ouverture le ressort hélicoïdal 20 se détend et comprime ainsi le gaz présent dans le volume de soufflage 30. Lors de la coupure de courant élevés, la pression dans ce volume 30 est encore augmentée par l'échauffement des gaz à partir de l'énergie d'arc 25. L'inconvénient principal de cette solution est que le piston 15 est poussé en sens inverse (vers la gauche sur les figures 5 et 6) lorsque la pression est augmentée par l'énergie d'arc. Le volume de soufflage 30 est alors augmenté, ce qui tend à abaisser la pression du gaz de soufflage lors de la coupure. Un 3 autre inconvénient est que le soufflage d'arc est limité au soufflage unique à travers la buse 27b. Ce même brevet FR 2 435 118 propose dans son mode de réalisation des figures 36 et 37 des moyens qui en théorie sont susceptibles de pallier l'inconvénient principal : ces moyens consistent en des loquets 43 agencés en bordure du volume de soufflage 30 et actionnés par des ressorts à lame 44 qui sont prévus pour venir se loger dans des gorges 45 ménagées dans le piston 15 et ainsi le bloquer en translation dans la position de détente du ressort 20 ayant comprimé le gaz. En pratique, il s'avère que ces moyens mécanique 43, 44, 45 de blocage en translation du piston ne peuvent être efficaces dans des chambres de coupure à auto soufflage récentes dans lesquelles les variations de pression sont trop élevées (jusqu'à 60 bars et plus). En d'autres termes, les moyens mécaniques de blocage en translation 43, 44, 45 ne peuvent bloquer réellement le piston 15 lors d'une coupure de courants de court-circuit élevés. Le brevet EP 0 441 292 divulgue une solution similaire à la précédente et qui consiste en outre selon le fonctionnement en court-circuit illustré aux figures 3 et 4 à réaliser un double flux de soufflage depuis les volumes V1 et V4 en parallèle vers le contact d'arc 4A et à travers la buse 16. Cependant, le volume V1 augmente lors de la coupure de courants élevés et par suite la surpression générée pour la coupure est diminuée. Un autre inconvénient est que les deux contacts d'arc 4A, 7A peuvent se repousser mutuellement lors de la coupure de courants de court- 4 circuit élevés si la force du ressort 13 n'est pas suffisante. En outre, les soufflages en parallèle l'un de l'autre provenant respectivement des volumes V1, V4 ont tendance à se perturber mutuellement. En d'autres termes, cette solution ne peut être appliquée pour des courants de court-circuit élevés (> 25kA). Le brevet WO 2006/066420 divulgue une autre solution qui consiste à refroidir l'arc qui se produit entre les contacts d'arc 4 et 5 par un soufflage de gaz généré depuis le volume 24, comme schématisé en figure 1 de ce brevet. L'augmentation de pression dans le volume 24 est réalisée par le gaz comprimé provenant du volume 27 par le canal 29 et simultanément par l'échauffement des gaz provoqué par l'énergie de l'arc. Un inconvénient de cette solution est que le volume 27 est agencé sur un diamètre extérieur au volume 24. Ce diamètre extérieur est large et tend à augmenter le diamètre des isolants 3, 3c. Un autre inconvénient de cette solution est que le piston de soufflage 28 et le contact d'arc 4 doivent être déplacés par le même mécanisme par le biais d'une tringlerie complexe du fait des courses différentes à réaliser pour chaque pièce mobile et que la tringlerie doit avoir achever la compression dans le volume 27 lorsque l'arc est établi entre les contacts d'arc 4 et 5. Le but de l'invention est ainsi de proposer une chambre de coupure qui ne présente pas les inconvénients de l'art antérieur et qui nécessite une faible énergie de manoeuvre, en particulier en cas de coupure de courant de court-circuit élevés (>_ 63kA) EXPOSÉ DE L'INVENTION Pour ce faire, l'invention a pour objet une chambre de coupure de courant pour disjoncteur à moyenne ou haute tension s'étendant selon un axe longitudinal et comprenant : - une paire de contacts d'arc dont l'un est fixe et l'autre est mobile selon l'axe longitudinal (XX') sous l'action d'une tige de manoeuvre pour se séparer mutuellement lors d'une coupure de courant; la course en translation du contact mobile étant suffisamment pour réaliser la coupure de courant quelle que soit valeur et pour obtenir la tenue diélectrique du disjoncteur ; - une buse de soufflage d'arc solidaire du contact d'arc fixe ; - une chambre de soufflage dont le volume V2 est figé et qui débouche à l'intérieur de la buse de soufflage pour amener le gaz de soufflage vers l'arc formé entre les contacts lors d'une coupure ; - une chambre de compression dont le volume V1 varie et débouche dans la chambre de soufflage sous l'action d'un piston; - un ressort hélicoïdal fixé par une de ses extrémités directement au piston et par l'autre de ses extrémités à une pièce fixe. Selon l'invention, les chambres de compression et de soufflage sont sensiblement agencées l'une derrière l'autre parallèlement à l'axe longitudinal et la chambre comprend en outre des moyens de liaison mécanique temporaire entre le piston et le contact d'arc mobile pour réaliser la compression du 5 6 ressort en appui contre le piston lors d'une manoeuvre de fermeture des contacts et pour obtenir une course du contact d'arc mobile supérieure à la course du ressort qui réalise la compression complète du volume V1, ladite compression complète du gaz dans le volume V1 étant par ailleurs réalisée approximativement dès que les contacts d'arc sont séparés. Autrement définie, l'invention consiste donc essentiellement à : - définir un volume de soufflage figé et une buse de soufflage fixe afin de réduire la masse mobile de la chambre de coupure et par là l'énergie cinétique ; - générer une augmentation de pression dans le volume de soufflage principalement par l'échauffement des gaz en courants élevés, et avoir une augmentation de pression par le volume de compression pour les coupures en faibles courants ; - produire une compression des gaz, approximativement une fois les contacts d'arc séparés, et uniquement par un ressort hélicoïdal qui pousse le piston et ainsi réduit le volume de compression, l'augmentation de pression étant alors transmise au volume de soufflage par l'ouverture d'une valve. Le ressort est par ailleurs agencé juste derrière le piston et est comprimé durant une opération de fermeture en étant poussé par les moyens de liaison mécanique temporaire. L'énergie nécessaire à la compression du gaz est ainsi minimisée du fait de la proximité du ressort avec le volume de compression ; 7 - obtenir une manière simple de déplacer le piston et le contact d'arc mobile avec leurs courses respectives nécessaires, la course du contact d'arc mobile étant égale à la course de compression du piston plus une course supplémentaire pour obtenir une distance suffisante entre les contacts d'arc en position ouverte (suffisamment élevée pour réaliser la coupure de courant quelle que soit valeur et pour obtenir la tenue diélectrique du disjoncteur) ; - définir une géométrie à double flux de soufflage ; avoir la possibilité d'utiliser une commande de manoeuvre extérieure au disjoncteur qui fournit une énergie au juste nécessaire pour fermer les contacts et pour manoeuvrer le contact d'arc mobile lors de l'ouverture. Par comparaison aux chambres de coupure selon les documents FR 2 435 118 et EP 0 441 292 mentionnées en préambule, la chambre de coupure selon l'invention présente : - un volume de soufflage V2 figé et qui n'est pas augmenté avec les augmentations importantes de pression durant les coupures de courant élevées ; - une chambre de soufflage avec une forme standard telle que celle utilisée dans les disjoncteurs à haute tension modernes, et qui débouche par un canal de diamètre réduit sur la zone ou se produit l'arc ; un double flux de gaz de soufflage sur l'arc ; 8 Par comparaison avec une chambre de coupure selon le brevet WO 2006/066420 mentionné en préambule, la chambre de coupure selon l'invention présente : - un diamètre plus faible des pièces actives de l'agencement de la chambre de compression derrière celle de soufflage ; - un mécanisme plus simple pour déplacer le piston et le contact d'arc mobile ; - une plus grande efficacité du fait de la proximité du ressort avec le volume de compression ; - une forme de la chambre de soufflage et une forme de canal reliant la chambre de soufflage à la zone d'arc standards, comme usuellement utilisés dans les disjoncteurs à haute tension. Cela permet d'avoir un mélange optimal entre gaz chauds et froids dans le volume de soufflage. Selon un premier mode de réalisation, les moyens de liaison mécanique temporaire sont agencés à l'extérieur des chambres de soufflage et de compression par rapport à l'axe longitudinal. Une variante avantageuse des moyens de liaison mécanique temporaire comprennent un tube fixé au piston et de diamètre sensiblement égal au contact permanent lui-même fixé au contact d'arc mobile, ledit tube étant en appui contre l'extrémité du contact permanent mobile jusqu'à la compression complète du volume V1. Selon un deuxième mode de réalisation, les moyens de liaison mécanique temporaire sont agencés à l'intérieur des chambres de soufflage et de compression par rapport à l'axe longitudinal. 9 Selon une variante avantageuse, le contact d'arc fixe présente une forme générale tubulaire, les moyens de liaison mécanique temporaire étant agencés à l'intérieur du tube d'arc fixe. Selon cette variante avantageuse, les moyens de liaison mécanique temporaire comprennent un tube fixé au piston et de diamètre inférieur au contact fixe, ledit tube étant en appui contre l'extrémité du contact d'arc mobile jusqu'à la compression complète du volume V1. L'invention concerne un disjoncteur à haute ou moyenne tension supérieure, comprenant, pour un pôle, une ou plusieurs chambres de coupure décrites précédemment. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée faite en référence aux figures suivantes . - les figures 1 à 4 représentent un premier mode de réalisation d'une chambre de coupure selon l'invention en vue de coupe longitudinale et selon différentes position depuis la fermeture des contacts jusqu'à l'ouverture extrême des contacts et la coupure réalisée ; - la figure 5 est une vue en coupe transversale de la chambre de coupure selon les figures 1 à 4 ; - les figures 6 et 7 représentent un 30 deuxième mode de réalisation d'une chambre de coupure 10 selon l'invention en vue de coupe longitudinale et respectivement en position de fermeture des contacts et d'ouverture extrême des contacts et la coupure réalisée. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La chambre de coupure de courant 1 pour disjoncteur a moyenne ou haute tension selon l'invention s'étend selon un axe longitudinal (XX') et comprend tout d'abord une enveloppe isolante 10 et une paire de contacts permanents 2, 3 dont l'un est fixe 3 et l'autre 2 est mobile selon l'axe longitudinal (XX' ) sous l'action d'une tige de manoeuvre non représentée. Elle comprend également une paire de contacts d'arc 4, 5 dont l'un 4 est fixe et solidaire du contact fixe permanent 3 et l'autre 5 est mobile selon l'axe longitudinal (XX') et solidaire du contact fixe permanent 3. Les contacts d'arc 4, 5 sont prévus pour se séparer mutuellement lors d'une coupure de courant. La course en translation du contact mobile 5 est suffisamment élevée pour réaliser la coupure de courant quelle que soit valeur et pour obtenir la tenue diélectrique du disjoncteur. Il est prévu en outre une buse de soufflage d'arc 6 solidaire du contact d'arc fixe 4. Une chambre de soufflage 7 délimitée par une pièce fixe 70 et la buse de soufflage d'arc 6 définit un volume V2 figé et qui débouche à l'intérieur de la buse de soufflage 6 pour amener le gaz de soufflage vers l'arc formé entre les contacts lors d'une coupure. 11 Une chambre de compression 8 définit un volume V1 qui varie et débouche dans la chambre de soufflage 7 sous l'action d'un piston 9. Les chambres de compression 8 et de soufflage 7 sont sensiblement agencées l'une derrière l'autre parallèlement à l'axe longitudinal XX'. Un ressort hélicoïdal 11 est fixé par une de ses extrémités 110 directement au piston et par l'autre de ses extrémités 111 à une pièce fixe 12. La chambre de coupure 1 comprend en outre des moyens de liaison mécanique temporaire 13 entre le piston 9 et le contact d'arc mobile 4 pour réaliser la compression du ressort 11 en appui contre le piston lors d'une manoeuvre de fermeture des contacts 4, 5 et pour obtenir une course du contact d'arc mobile 5 supérieure à la course du ressort 11 qui réalise la compression complète du volume V1. Par ailleurs, la compression complète du gaz dans le volume V1 est réalisée approximativement dès que les contacts d'arc 4, 5 sont séparés (figure 2). Le premier mode de réalisation prévoit que le ressort 11 est comprimé par des moyens de liaison temporaire agencés à l'extérieur des pièces de la chambre (figures 1, 2, 3, 4 et 5). Tel qu'illustré, ces moyens 13 consistent en un tube 130 fixé au piston 9 par des axes 131. Le deuxième mode de réalisation prévoit que le ressort 11 est comprimé par des moyens de liaison temporaire agencés à l'intérieur de la chambre 1. (figures 6 et 7). Tel qu'illustré, ces moyens 13 consistent en un tube 132 fixé au piston 9 et de 12 diamètre inférieur au contact fixe 4, ledit tube 132 étant en appui contre l'extrémité du contact d'arc mobile 5 jusqu'à la compression complète du volume V1 Le fonctionnement des chambres de coupure 1 va maintenant être expliqué plus en détail. Lors de la fermeture des contacts, la pièce mobile 2 pousse le tube 130 et ainsi le piston 9 qui y est lié par les axes 131 (voir par exemple la figure 5) et comprime le ressort 11. Une valve 14 implantée évite d'avoir une chute de pression dans le volume V1 (figure 1). Lors de l'ouverture, le ressort 11 pousse le piston 9 et le tube 130 qui y est lié (vers la droite sur la figure 2), la pièce intégrant le contact d'arc 5 et permanent 2 est également poussé et en même temps manoeuvre par la tige de manoeuvre non représentée. Le dimensionnement est tel que le tube 130 et la pièce 2, 5 restent en contact C jusqu'à ce que la position sur la figure 2 soit atteinte. Le contact permanent 2 est séparé du contact permanent 3 dans cette position. Durant cette phase, le gaz est comprimé dans V1, la surpression ouvre la valve 15 entre les volumes V1 et V2, de sorte que le volume V2 est précomprimé et avant que l'énergie de l'arc ait chauffé le gaz dans V2. Puis, le contact d'arc 4 reste fixe tandis que le contact d'arc 5 est manoeuvre par la tige de manoeuvre non représentée (figures 3 et 4). Après que la séparation des contacts d'arc4, 5 a eu lieu, l'arc s'étire, l'énergie de l'arc chauffe le gaz dans le volume V2 et augmente la pression dans ce volume V2. Au 13 courant zéro, la surpression produit un soufflage qui refroidit l'arc et en conséquence l'arc est interrompu. Dans le mode de réalisation de la figure 6, le ressort 11 est comprimé lorsque le piston 9 est poussé vers la gauche par le contact d'arc mobile 5 via le tube isolant 132. La figure 7 montre la chambre de coupure 1 selon le deuxième mode de réalisation, en position complètement ouverte.10 REVENDICATIONS1. Chambre de coupure (1) de courant pour disjoncteur à moyenne ou haute tension s'étendant selon un axe longitudinal (XX') et comprenant : - une paire de contacts d'arc dont l'un (4) est fixe et l'autre (5) est mobile selon l'axe longitudinal (XX') sous l'action d'une tige de manoeuvre pour se séparer mutuellement lors d'une coupure de courant; la course en translation du contact mobile étant suffisamment élevée pour réaliser la coupure de courant quelle que soit valeur et pour obtenir la tenue diélectrique du disjoncteur ; - une buse (6) de soufflage d'arc solidaire du contact d'arc fixe ; - une chambre de soufflage (7) dont le volume V2 est figé et qui débouche à l'intérieur de la buse de soufflage pour amener le gaz de soufflage vers l'arc formé entre les contacts lors d'une coupure ; - une chambre de compression (8) dont le volume V1 varie et débouche dans la chambre de soufflage sous l'action d'un piston (9); - un ressort hélicoïdal (11) fixé par une de ses extrémités (110) directement au piston (9) et par l'autre de ses extrémités (111) à une pièce fixe (12) ; caractérisée en ce que les chambres de compression (8) et de soufflage (7) sont sensiblement agencées l'une derrière l'autre parallèlement à l'axe longitudinal XX' et la chambre de coupure (1) comprend en outre des moyens de liaison mécanique temporaire 15 (13, 130, 131, 132) entre le piston (9) et le contact d'arc mobile (5) pour réaliser la compression du ressort (11) fixé directement au piston lors d'une manoeuvre de fermeture des contacts et pour obtenir une course du contact d'arc mobile supérieure à la course du ressort qui réalise la compression complète du volume V1, ladite compression complète du gaz dans le volume V1 étant par ailleurs réalisée approximativement dès que les contacts d'arc sont séparés. 2. Chambre de coupure (1) selon la revendication 1, dans laquelle les moyens de liaison mécanique temporaire sont agencés à l'extérieur des chambres de soufflage et de compression par rapport à l'axe longitudinal (XX'). 3. Chambre de coupure (1) selon la revendication 2, dans laquelle les moyens de liaison mécanique temporaire comprennent un tube (130) fixé au piston et de diamètre sensiblement égal au contact permanent lui-même fixé au contact d'arc mobile, ledit tube étant en appui contre l'extrémité du contact permanent mobile (2) jusqu'à la compression complète du volume V1. 4. Chambre de coupure (1) selon la revendication 1, dans laquelle les moyens de liaison mécanique temporaire sont agencés à l'intérieur des chambres de soufflage et de compression par rapport à l'axe longitudinal (XX'). 16 5. Chambre de coupure (1) selon la revendication 4, dans laquelle le contact d'arc fixe (4) présente une forme générale tubulaire, les moyens de liaison mécanique temporaire étant agencés à l'intérieur du tube d'arc fixe. 6. Chambre de coupure (1) selon la revendication 5, dans laquelle les moyens de liaison mécanique temporaire comprennent un tube (132) fixé au piston (9) et de diamètre inférieur au contact fixe, ledit tube étant en appui contre l'extrémité du contact d'arc mobile jusqu'à la compression complète du volume V1. 7. Disjoncteur à haute ou moyenne tension supérieure, comprenant, pour un pôle, une ou plusieurs chambres de coupure (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.