Brevet FR2954995A1 — publié le 20110708

DISJONCTEUR A GAZ UTILISANT UN DISPOSITIF TOURNANT FAVORISANT LE MELANGE DES GAZ CHAUDS ET FROIDS DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine des disjoncteurs à moyenne, haute et très haute tension utilisant un gaz isolant pour l'extinction de l'arc électrique par soufflage. En particulier, elle propose une solution pour les gaz chauds au sein de la chambre de coupure d'un disjoncteur qui sont générés, surtout suite à la présence d'un arc électrique et qui nécessitent d'être refroidis et évacués rapidement. L'invention concerne les disjoncteurs à gaz, tels que les disjoncteurs de type auto-pneumatique (Puffer), de type auto-soufflage (Self-blast) ou d'autres. ART ANTERIEUR ET PROBLEME POSE Dans les disjoncteurs à moyenne, haute et très haute tension, utilisant un gaz isolant, la coupure est réussie lorsqu'un écoulement gazeux suffisant est exercé sur l'arc électrique pour le refroidir et l'interrompre. A l'état normal, le gaz contenu dans le disjoncteur, par exemple l'hexafluorure de soufre (SF6), est isolant et permet de supporter la tension du réseau commutée aux bornes du disjoncteur. Lorsque les contacts de ce dernier se séparent, l'intervalle entre ces contacts est caractérisé par un très fort champ électrique et la température du milieu entre les deux contacts d'arc se séparant devient très 2 élevée et peut atteindre 25000°C. Les molécules de gaz sont décomposées et le milieu est alors à l'état de plasma ou gaz ionisé, avec une circulation d'électrons et d'ions qui assure le passage du courant. Sous l'influence de l'écoulement gazeux qui passe par le volume occupé par l'arc, la température de l'arc diminue, les électrons et les ions se recombinent et le fluide retrouve ses propriétés isolantes. Toutefois, les gaz à haute température issus de cette opération doivent être évacués dans les différents espaces avoisinants le volume d'arc où a eu lieu la séparation des contacts. La figure 1 montre, de façon schématique, la chambre de coupure où a lieu l'extinction de l'arc électrique 8. Un des contacts électriques est constitué d'une tige 1 qui est axisymétrique. L'autre contact électrique est constitué d'une tulipe 2, dans laquelle vient en contact la tige 1. La tulipe est généralement entourée d'un capot de protection 3. La fermeture et l'ouverture des contacts électriques se produisent grâce au mouvement longitudinal soit d'un des deux contacts soit des deux contacts simultanément. Les espaces par lesquels les gaz dont la température augmente suite à la présence de l'arc électrique 8, peuvent s'échapper du volume d'arc 9, sont un volume d'échappement côté tulipe 11 et, de manière opposée, un volume d'échappement côté tige 10 entourant la tige 1. Le volume de soufflage 5 est relié au volume d'arc 9 par un canal thermique 4. Ce dernier est en premier lieu, utilisé, comme le suggère la flèche 4A pour acheminer l'écoulement de gaz en provenance du volume 3 de soufflage 5. Or, la montée en pression dans le volume d'arc 9 peut provoquer un écoulement de retour vers le volume de soufflage 5. Ici, la montée en pression créée par un piston 6 permet de souffler et d'éteindre l'arc électrique. Le piston 6 sépare généralement le volume de soufflage 5 du volume d'échappement côté tulipe 11. Les flèches 10A et 11A montrent le sens général d'échappement des gaz chauds de part et d'autre de façon opposée vers respectivement le volume d'échappement côté tige 10 et le volume d'échappement côté tulipe 11. Lors de l'échappement de ces gaz dont la température est très élevée, ceux-ci sont confrontés aux gaz régnant dans ces espaces mais étant, au préalable, à une température beaucoup plus basse. L'objectif premier de l'invention est de faciliter le refroidissement de ces gaz chauds, notamment en favorisant le mélange (échange de quantité de chaleur) le plus vite possible avec les gaz plus froids qu'ils rencontrent dans ces volumes d'échappement 10 et 11 ou bien dans le volume de soufflage 5. Ceci permet, entre autres, de diminuer les dimensions, et par conséquent, le coût du disjoncteur. Parmi l'art antérieur, on cite le document GB 395 833 qui montre l'utilisation de pales tournant dans des espaces radiaux d'évacuation des gaz. Le rôle principal de ces pales est de permettre de réutiliser le gaz d'échappement en le faisant rentrer dans la chambre d'arc. Ce système est très complexe suite au nombre important de pièces nécessaires pour cette solution. 4 Par ailleurs, par le brevet anglais GB 566 685, datant de 1945, on connaît l'utilisation de moyens de perturbation pour l'évacuation des gaz chauds issus de la coupure d'un arc électrique dans un disjoncteur haute tension. Le rôle de ce moyen de perturbation centrifuge est l'élimination des particules solides se trouvant dans l'écoulement d'air afin de réduire et même éteindre la flamme produite lors de la présence de l'arc dans la chambre de coupure. En plus, ce système est placé dans un canal d'échappement excentré par rapport à l'axe longitudinal des deux contacts du disjoncteur. La solution proposée dans ce document permet d'améliorer le mélange des gaz chauds et froids dans les volumes d'échappement et de soufflage, de faciliter l'évacuation des gaz à haute température de l'espace entre les contacts d'arc et de diminuer le risque d'une projection directe de ces derniers sur l'enveloppe de l'appareil, c'est-à-dire sur la cuve. RESUME DE L'INVENTION L'objet principal de l'invention est un disjoncteur à moyenne, haute et très haute tension dont la forme définit une chambre de coupure située sur un axe longitudinal, utilisant un gaz isolant pour l'extinction de l'arc électrique et comprenant : - une tulipe axisymétrique constituant un contact d'arc fixe ou mobile ; une tige axisymétrique constituant également un contact d'arc fixe ou mobile ; un canal thermique, de révolution, débouchant vers le volume d'arc ; un volume de soufflage situé concentriquement autour des contacts d'arc, relié au 5 canal thermique et délimité par un piston comprimant le gaz qui lors de la séparation des deux contacts crée un écoulement de gaz pour souffler l'arc; - un volume d'échappement côté tige ; - un volume d'échappement côté tulipe, et au moins un dispositif tournant favorisant le mélange des gaz chauds et froids en produisant des tourbillons dans au moins un des espaces où peuvent se diriger les gaz chauds. Selon l'invention, le au moins un dispositif tournant est placé concentriquement autour de l'axe longitudinal du disjoncteur dans l'ensemble des volumes situés côté tige et côté tulipe. Dans une première réalisation, le au moins un dispositif tournant est placé autour de la tige et dans le volume d'échappement côté tige. Dans ce cas, deux variantes sont envisagées. La première variante consiste à ce que le au moins dispositif tournant soit constitué d'une hélice ou des ailettes montée(s) libre(s) en rotation autour de la tige qui est immobile en rotation par rapport à l'enveloppe du disjoncteur. Dans la deuxième variante de cette première réalisation, le au moins un dispositif tournant est constitué d'une hélice montée fixement sur la tige qui est, en revanche, libre en rotation. 6 Dans la deuxième réalisation envisagée, le au moins un dispositif tournant est monté dans le volume d'échappement côté tulipe analogiquement à la première réalisation côté tige. Le montage d'une hélice ou des ailettes peut être effectué par exemple sur une partie centrale axisymétrique. Dans la troisième réalisation envisagée, le au moins un dispositif tournant est monté dans le volume de soufflage. Enfin, on peut envisager de placer un dispositif tournant à la fois dans le volume d'échappement côté tige et/ou dans le volume d'échappement côté tulipe et/ou dans le volume de soufflage. Le dispositif tournant peut être de type axial, radial ou mixte. LISTE DES FIGURES L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante qui est accompagnée de quelques figures représentant respectivement : - figure 1, déjà décrite, schématiquement, le fonctionnement d'un disjoncteur haute tension utilisant un soufflage aidé par un gaz isolant ; - figure 2, en coupe schématique, une première réalisation de l'invention dans une première variante ; - figure 3, en coupe schématique, la deuxième variante de la première réalisation de l'invention ; - figure 4, en coupe schématique, une deuxième réalisation de l'invention, et - figure 5, en coupe schématique, une troisième réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE PLUSIEURS REALISATIONS DE L'INVENTION Comme le montre les trois figures 2, 3 et 4, le principe de l'invention est d'utiliser un 10 perturbateur fluidique dans le passage des gaz chauds afin de créer des structures tourbillonnaires au sein de l'écoulement gazeux et, donc, d'assurer un meilleur refroidissement de gaz. Il est à noter qu'un tel dispositif tournant peut être monté dans le volume 15 d'échappement côté tige 10 de la Fig. 1, et/ou bien côté tulipe 11 de la Fig. 1. En référence à la figure 2, dans une première réalisation, on utilise une hélice 23 placée de préférence à l'entrée du volume d'échappement côté 20 tige 10 contenant initialement du gaz froid. Les gaz chauds représentés par les flèches 28 proviennent du volume d'arc 9 dans lequel l'arc 8 est produit lors de la séparation des contacts d'arc. Ces gaz chauds se dirigent vers le volume 25 d'échappement. A l'entrée du volume d'échappement 10, côté tige, une hélice 23 est montée libre en rotation par exemple au moyen d'un roulement à bille 23A. Cette hélice 23 est donc entraînée par les gaz chauds à une vitesse de rotation importante. Une fois mise en 30 rotation, elle contribue à l'évacuation plus rapide des gaz chauds du volume d'arc 9. Pendant ce processus, la5 8 vitesse des gaz atteint souvent un niveau supersonique. Suite au passage des gaz, l'hélice 23, ou le système d'ailettes qui peut la remplacer, est mise en rotation. On précise que le système d'aubage de l'hélice peut être de type axial, radial ou mixte en fonction de la géométrie et de la répartition des gaz chauds et froids dans les différents volumes. Le passage des gaz à travers l'hélice 23, provoque des pertes de charges et contribue au ralentissement des gaz chauds. Conjointement, l'hélice 23 crée des tourbillons 28 à son aval, c'est-à-dire dans le volume d'échappement 10. Ces tourbillons 28 permettent d'obtenir un meilleur échange de quantités de chaleur en favorisant le mélange des gaz chauds avec les gaz froids se trouvant au préalable dans ce volume d'échappement. En outre, les tourbillons 28 contribuent également à l'échange de quantités de mouvements en ralentissant l'écoulement principal. Cet aspect est avantageux dans le cas où l'on souhaite éviter un jet de gaz direct sur les enveloppes métalliques de l'appareil et, donc, des éventuels amorçages. L'utilisation d'un tel dispositif tournant permet donc de faciliter l'évacuation des gaz chauds en dehors de l'espace central d'arc. En référence à la figure 3, une deuxième variante de la réalisation décrite à la figure 2 consiste à monter de manière fixe l'hélice 33, ou éventuellement des ailettes, sur la tige 31. Dans ce cas, la tige est montée libre en rotation à l'intérieur du disjoncteur. Le principe d'écoulement des gaz est le même que pour la figure 2. 9 En référence à la figure 4, et en analogie avec la figure 2, une hélice 43, ou un organe équivalent, peut être montée libre en rotation dans le volume d'échappement côté tulipe 41, autour d'une partie centrale 44, axisymétrique, par exemple cylindrique ou conique. Les gaz 41A s'échappant de ce coté bénéficient alors des mêmes effets que pour les réalisations précédentes.En référence à la figure 5, il est possible d'envisager de placer une hélice 53 ou des ailettes à l'entrée du volume de soufflage 55, reliée à l'espace central d'arc par le canal thermique 54. En effet, dans certains cas, suite à la génération des gaz chauds dans l'espace central d'arc, une partie de ceux-ci remonte vers le volume de soufflage 55 par le canal thermique 54. On envisage donc de favoriser le mélange des gaz chauds 51 arrivant dans le volume de soufflage 55 avec les gaz froids 58 s'y trouvant préalablement, dans le but de contribuer à l'extinction la plus rapide possible de l'arc, lors de son soufflage. Ainsi, l'hélice 53 est montée libre en rotation autour de la tulipe 52, ou de son capot de protection, par exemple, au moyen d'un roulement à billes 53A. De manière analogue au fonctionnement des réalisations précédentes, l'hélice 53 se met en rotation grâce à l'arrivée des gaz chauds 51 et provoque, en aval, des tourbillons 58. Dans ce volume de soufflage 55 se trouve le piston 46 qui comprime le gaz. La position initiale 56A de celui-ci, à gauche, est représentée en traits interrompus, tandis que la position finale de celui-ci, à droite, est représentée en traits forts. 10 L'hélice 53 permet ainsi de mieux refroidir l'écoulement de gaz chauds à l'intérieur du volume de soufflage 55. Elle peut être de type axial, radial ou mixte. Il est important que sa forme favorise le mélange des gaz en provenance du canal thermique 54 et ne perturbe pas l'écoulement créé suite au soufflage, dans le volume de soufflage 55 par le piston 56. Dans tous ces cas, l'hélice 23, 33, 43 et 53, ou les dispositifs tournants équivalents sont centrés sur l'axe longitudinal du disjoncteur. Il est possible de placer le dispositif tournant à la fois dans le volume d'échappement côté tige et/ou dans le volume d'échappement côté tulipe et/ou dans le volume de soufflage. Avantages de l'invention L'avantage principal de l'invention est d'améliorer le mélange des gaz chauds issus de la présence de l'arc électrique entre les contacts du disjoncteur avec les gaz froids se trouvant dans les endroits où se dégagent les gaz chauds, tels que les volumes d'échappement et le volume de soufflage. L'utilisation de l'hélice ou des ailettes en tant que dispositifs tournant pour les gaz chauds permet également de ralentir ces derniers dans les volumes d'échappement, en minimisant les risques de gaz projetés avec une grande vitesse sur les parois de l'enveloppe du disjoncteur. Enfin, l'invention permet de réduire la dimension des volumes d'échappement et du volume de soufflage du disjoncteur, les rendant ainsi plus 11 compacts. Par conséquent, cette solution doit contribuer à la diminution du coût du disjoncteur. REVENDICATIONS1. Disjoncteur à moyenne, haute et très haute tension, dont la forme définit une chambre de coupure située sur un axe longitudinal, utilisant un gaz isolant pour l'extinction de l'arc électrique (8), et comprenant : - une tulipe (52) ; et - une tige (21, 31), comme contacts d'arc placées sur l'axe longitudinal dans un volume d'arc (9) ; - un canal thermique (44), de révolution, débouchant vers le volume d'arc (9) ; - un volume de soufflage (45) placé autour de la tulipe (42), délimité par un piston (46) se déplaçant vers le volume d'arc (9), lors de la séparation des contacts pour pousser du gaz et souffler l'arc (8), ce volume de soufflage (45) étant relié au canal thermique (44) ; - un volume d'échappement côté tige (10) ; - un volume d'échappement côté tulipe (11, 51), et - au moins un dispositif tournant (23, 33, 43, 53) pour provoquer des structures tourbillonnaires dans au moins un espace où peuvent s'échapper les gaz chauds issus du volume d'arc électrique (9), caractérisé en ce que le au moins un dispositif tournant (23, 33, 43, 53) pour provoquer des structures tourbillonnaires est placé concentriquement autour de l'axe longitudinal du disjoncteur, dans l'ensemble des volumes situés côté tige et côté tulipe. 13 2. Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le au moins un dispositif tournant est placé autour de la tige (21, 31) dans le volume d'échappement côté tige (10). 3. Disjoncteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le au moins un dispositif tournant est une hélice (23) montée libre en rotation autour de la tige (21). 4. Disjoncteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le au moins un dispositif tournant est une hélice (33) montée fixement à la tige (31) qui est montée libre en rotation. 5. Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le au moins un dispositif tournant est placé dans le volume d'échappement côté tulipe (41). 6. Disjoncteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le au moins un dispositif tournant est une hélice (43) montée libre en rotation autour d'une partie axisymétrique (44) fixe. 7. Disjoncteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le au moins un dispositif tournant est une hélice (53) montée fixement autour d'une partie axisymétrique (54) qui est montée libre en rotation. 14 8. Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le au moins un dispositif tournant est placé autour de la tulipe (52), dans le volume de soufflage (55). 9. Disjoncteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le au moins un dispositif tournant est une hélice (43) montée libre en rotation autour de la tulipe (42). 10. Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs dispositifs tournants sont placés dans le groupe comprenant le volume d'échappement côté tulipe (11, 51), le volume d'échappement côté tige (10) et le volume de soufflage (45). 11. Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un dispositif tournant est une hélice (43) dont le système d'aubage est de type du groupe axial, radial, et mixte.