Brevet FR2990053A1 — publié le 20131101

DISPOSITIF D'ACTIONNEMENT DES CONTACTS D'UN DISJONCTEUR COMPORTANT UNE BARRE DE TORSION La présente invention concerne un dispositif d'actionnement des contacts d'un disjoncteur à haute ou à moyenne tension. Le dispositif d'actionnement comprend un 5 contact fixe et un contact mobile, un arbre d'entraînement rigide qui entraine le contact mobile, des moyens élastiques pour entraîner le contact mobile et une barre de torsion pour entraîner l'arbre d'entraînement, la barre de torsion étant apte à être 10 déformée en torsion afin d'assister les moyens élastiques pendant une première partie de l'ouverture des contacts du disjoncteur. Les disjoncteurs disposés dans les sous-stations isolées au gaz sont équipées de dispositifs 15 d'actionnement. Ces dispositifs d'actionnement fournissent l'énergie et le couple nécessaires pour ouvrir et pour fermer les contacts mobiles du disjoncteur. Les disjoncteurs utilisent soit des mécanismes d'actionnement hydraulique, soit des 20 mécanismes d'actionnement pneumatique ou encore des mécanismes à ressorts. La présente invention concerne un mécanisme à ressorts. La présente invention a été développée pour être utilisée de préférence dans des commutateurs 25 isolés au gaz. Toutefois son application n'est pas limitée aux disjoncteurs isolés au gaz. Elle peut être également appliquée aux disjoncteurs isolés à l'air, tels que les disjoncteurs de type « dead-tank » ou « live-tank ». De plus, la présente invention s'applique aussi bien aux commutateurs destinés à être utilisés à l'intérieur qu'aux commutateurs destinés à être utilisés à l'extérieur. Le document GB 897370 décrit un mécanisme d'actionnement à ressorts qui utilise une combinaison d'un premier ressort et d'un ressort de torsion. Il comprend un vilebrequin relié au ressort, à un mécanisme de couplage à mouvement perdu et un contact. Le ressort de torsion est relié au vilebrequin par une bielle, par un axe de vilebrequin et des pignons coniques et par l'accouplement à mouvement perdu. Lorsque le ressort de torsion se détend, il ferme le contact et charge le ressort. Pour faciliter l'ouverture du contact, l'accouplement à mouvement perdu découple mécaniquement le premier ressort du ressort de torsion. Le vilebrequin peut alors ouvrir le contact sans transférer de mouvement au ressort de torsion. En d'autres termes, ce dispositif comprend deux ressorts séparés pour l'ouverture et pour la fermeture du contact. L'un de ces ressorts assiste l'opération d'ouverture d'un contact, tandis que l'autre ressort fournit l'énergie nécessaire pour la fermeture de ce contact. En d'autres termes, les deux ressorts n'actionnent pas ensemble le contact mobile. Ainsi, le dispositif décrit dans ce document ne décrit pas de ressort combiné, destiné à obtenir une courbe optimum de l'énergie ou du couple en fonction de la distance entre les contacts d'un disjoncteur. Egalement, le ressort de torsion montré dans ce document est un ressort hélicoïdal. Ce type de ressort n'est pas optimisé du point de vue de sa compacité étant donné qu'il comporte un boîtier qui est séparé du vilebrequin et de l'accouplement à mouvement perdu. Le ressort de torsion est relié mécaniquement à l'accouplement à mouvement perdu au moyen de deux roues coniques. En d'autres termes, ce dispositif comprend un nombre élevé de pièces. D'un point de vue technique, il est complexe à réaliser. On connait également (GB 696142) un dispositif dans lequel des barres de torsion en acier aident la séparation des contacts à l'intérieur d'un disjoncteur. Dans ce dispositif, les barres de torsion appliquent leur couple maximum au début de l'opération d'ouverture. Le dispositif décrit comprend deux barres de torsion qui sont disposées symétriquement par rapport à un levier de torsion élastique. Ce dernier est utilisé pour charger et pour décharger les barres de torsion en acier et il est disposé entre deux leviers de levage de contact. Durant la partie initiale de l'opération d'ouverture, les barres de torsion en acier appliquent un couple supplémentaire par l'intermédiaire des leviers de levage de contact. Ainsi, ils séparent les contacts mobiles du disjoncteur. Chaque barre de torsion est entourée co- axialement par un tube de torsion. Les barres de torsions et les tubes de torsion peuvent être déformés élastiquement en torsion par l'intermédiaire du levier de ressort de torsion. Dans ce but, chaque tube de torsion est immobilisé en rotation par rapport au levier de ressort de torsion. Egalement, chaque barre de torsion est immobilisée en rotation à son extrémité distale par rapport au tube de torsion qui l'entoure. Lorsqu'une barre de torsion est mise sous tension par le levier de ressort de torsion, elle transmet à son extrémité distale une partie du couple au tube de torsion. En conséquence, le ressort de torsion est mis sous tension entre son extrémité distale et l'élément de support par rapport auquel il est immobilisé en rotation. Ce dispositif comporte deux barres de torsion et deux tubes de torsion. Il comporte par conséquent un nombre élevé de composants, ce qui diminue la fiabilité. La fiabilité est d'une importance capitale pour les dispositifs d'actionnement à ressort. Chaque composant supplémentaire représente un risque de panne supplémentaire. De plus, les tubes de torsion et les barres de torsion agissent comme un ressort de torsion composite. Les ressorts doivent être immobilisés en rotation à trois endroits : Le ressort de torsion doit être immobilisé en rotation par rapport à l'élément de support ; - Chaque barre de torsion est immobilisée en rotation à son extrémité distale par rapport au tube de torsion ; - Enfin, chaque barre de torsion est immobilisée en rotation par rapport à un levier de ressort de torsion. Il y a deux dispositifs de ressorts de torsion composite, ce qui se traduit par la présence de six immobilisations en rotation entre les éléments mis sous tension en torsion. Etant donné que chacun de ces six éléments est susceptibles d'une panne, le risque de défaillance est élevé. On connait également un élément à mouvement perdu qui agit comme un frein (JP10241510). Un corps cylindrique rotatif est entouré par un cylindre annulaire. Le cylindre annulaire comporte plusieurs orifices le long de son périmètre extérieur. Un jeu en forme d'arc circulaire est prévu à l'intérieur du cylindre annulaire. Ce dernier présente la forme d'un secteur. Un piston monté à l'extérieur du corps rotatif cylindrique pénètre dans le jeu d'arc cylindrique circulaire. Les orifices facilitent l'évacuation d'un flux de fluide du jeu en forme d'arc circulaire vers l'extérieur du cylindre annulaire. Lorsque le corps rotatif cylindrique tourne dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, le piston chasse le fluide en dehors du jeu en forme d'arc circulaire par les orifices. Les orifices sont de diamètre calibré de telle sorte que le flux de fluide s'échappant hors du jeu en forme d'arc circulaire est limité. Par conséquent, le piston et le corps rotatif ne peuvent se déplacer qu'à une vitesse limitée de telle sorte que le dispositif agit comme un frein. Ce dispositif nécessite un récipient qui reçoit le fluide de travail. De plus, le fait que le dispositif agit comme un frein ne permet pas d'atteindre une vitesse maximum entre les contacts fixe et mobile d'un disjoncteur. La présente invention résout le problème consistant à développer un dispositif d'actionnement des contacts pour un disjoncteur à deux cycles. Les disjoncteurs de circuit à haute tension dans les réseaux à 60 hertz sont souvent nécessaires pour purger un défaut à l'intérieur des deux cycles, de sorte que leur temps de rupture soit limité à 33,3 ms. Afin de purger avec succès un défaut à 60 hertz, la vitesse relative des contacts à l'intérieur du disjoncteur doit être maximisée. Plus précisément, la vitesse relative entre les contacts à l'intérieur d'un disjoncteur au moment de la séparation des contacts est cruciale pour l'extinction d'un arc électrique apparaissant entre les contacts. La présente invention a ainsi pour objet d'optimiser la vitesse relative entre un contact fixe et un contact mobile au moment de la séparation des contacts. La présente invention a également pour objet un dispositif d'actionnement des contacts qui minimise l'énergie stockée dans ses ressorts. En d'autres termes, l'énergie et le couple pour toute position relative des contacts fixe et mobile d'un disjoncteur devra être aussi proche que possible de la courbe idéale. L'optimum de cette courbe de l'énergie par rapport à la distance entre les contacts est déterminé par le but d'éteindre l'arc. Selon une autre caractéristique, le dispositif d'actionnement doit également être compact. Un autre problème qui est à la base de l'invention est par conséquent de proposer un dispositif d'actionnement dont les dimensions sont minimisées. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par le fait que la barre de torsion est logée à l'intérieur de l'arbre d'entraînement, une première extrémité de la barre de torsion est en liée en rotation à l'arbre d'entrainement, une seconde extrémité de la barre de torsion étant liée en rotation à une bague, l'arbre d'entraînement et la barre de torsion étant unique. Grace à ces caractéristiques, le dispositif ne comporte qu'une seule barre de torsion, contrairement au dispositif décrit dans le document GB696142. Le nombre de pièces est donc réduit et par conséquent la complexité du système est réduite. De plus, la barre de torsion est immobilisée en rotation à chacune de ses extrémités, ce qui conduit à deux immobilisations en rotation, par opposition aux six immobilisations en rotation du document GB696142. De plus, étant donné que la barre de torsion est logée à l'intérieur de l'arbre d'entraînement, l'encombrement physique du dispositif est réduit. On obtient donc un dispositif d'actionnement compact. De préférence les moyens élastiques sont constitués d'au moins un ressort hélicoïdal. Avantageusement, le dispositif d'actionnement comporte un élément à mouvement perdu qui est constitué de deux butées et de la dite bague, deux pistons espacés angulairement l'un de l'autre et solidaire de la bague, les pistons étant aptes à venir en butée contre les butées en cours de la rotation de l'arbre. Dans une réalisation particulière, le dispositif d'actionnement selon l'invention comporte un levier apte à exercer une traction sur une chaîne, ce qui comprime le ressort hélicoïdal. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront encore à la lecture de la description qui suit, d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures : - La figure 1 est une vue en perspective, partiellement en coupe, d'un dispositif d'actionnement des contacts d'un disjoncteur conforme à la présente invention ; - La figure 2 est une vue en perspective, 15 sous un autre angle du dispositif d'actionnement des contacts d'un disjoncteur représenté sur la figure 1 ; - La figure 3 est une courbe représentant le couple d'actionnement des contacts en fonction de la position angulaire de l'arbre d'entraînement. 20 On a représenté sur la figure 1 un dispositif d'actionnement des contacts d'un disjoncteur à haute ou moyenne tension. Il comprend une barre de torsion 2. La barre de torsion 2 comporte une partie centrale de plus petit diamètre, une première et une 25 deuxième extrémité 4,6 de plus grand diamètre. La barre de torsion 2 est logée à l'intérieur d'un arbre d'entraînement 8. La seconde extrémité 6 de la barre de torsion 2 est immobilisée en rotation par rapport à l'arbre d'entraînement 8, par exemple au moyen de 30 cannelures ou de dentelures. D'autres moyens d'immobilisation en rotation peuvent être utilisés, par exemple une clavette ou une goupille. A sa première extrémité 4, la barre de torsion est immobilisée en rotation par rapport à une bague 10. La barre de torsion 2 et l'arbre 5 d'entrainement 8 sont coaxiaux à un axe 12 représenté en trait mixte. La première extrémité de la barre de torsion 4 ainsi que sa partie centrale peuvent tourner à l'intérieur de l'arbre d'entraînement 8. La barre de 10 torsion 2 peut être déformée en torsion. Au contraire, l'arbre d'entraînement 8 est rigide. Il ne se déforme pas en torsion. Il peut toutefois tourner autour de son axe longitudinal 12. A la première extrémité 4 de la barre de 15 torsion 2, le jeu entre la barre de torsion et l'arbre d'entraînement 8 est réduit au minimum. Cette disposition a pour but d'empêcher tout mouvement de la première extrémité 4 de la barre de torsion qui pourrait être perpendiculaire à l'axe de rotation 12 de 20 l'arbre d'entraînement 8. En d'autres termes, la première extrémité 4 de la barre de torsion peut seulement tourner autour de l'axe de rotation 12. On a représenté sur la figure 2 l'élément à mouvement perdu. Il est constitué de deux éléments 25 d'arrêt 14 et 16 et de l'anneau 10 comportant deux pistons 18 et 20. De préférence, les pistons 18 et 20 sont réalisés d'une seule pièce avec la bague 10. Les éléments de butée 14, 16, ainsi que les pistons 18, 20 sont disposés symétriquement par rapport à l'axe de 30 rotation 12. Conformément à l'invention, la bague 10 est liée en rotation à la première extrémité 4 de la barre de torsion 2. Par conséquent, les pistons 18 et 20 sont également liés en rotation par rapport à la barre de torsion 2. La rotation dans le sens horaire ou dans le sens anti-horaire des pistons 18, 20 et de la bague 10 est limité par les butées et éléments de butées 14, 16. Les éléments de butées 14, 16 sont rigidement liés au boîtier du dispositif d'actionnement des contacts et ne se déplacent pas. Lorsque les pistons 18, 20 sont dans leur position représentées sur la figure 2, leurs surfaces radiales viennent au contact des surfaces radiales des éléments de butée 14, 16. En se référant de nouveau à la figure 1, la référence 22 désigne un levier. Ce levier est relié de manière non pivotante à l'arbre d'entraînement 8. Lorsque le levier 22 tourne, l'arbre d'entraînement 8 et la seconde extrémité 6 de la barre de torsion 2 tournent dans la même direction. Deux paliers 24, par exemple des paniers à billes, facilitent le mouvement de rotation de l'ensemble ci-dessus par rapport au boîtier du dispositif d'actionnement. En se référant maintenant à la figure 2, le dispositif d'actionnement comporte un boîtier 26 avec un ressort. Une extrémité du ressort est fixée à une tige 28. L'autre extrémité de la tige 28 est fixée à une chaîne 30. La chaîne 30 passe sur deux galets 32 et 34 mobiles en rotation. L'autre extrémité de la chaîne, c'est-à-dire celle qui n'est pas fixée à la tige 28, désignée par la référence 36, est fixée à une attache 38. La position des pistons 18 et 20 par rapport aux éléments de butée 14 et 16 tels que représentés sur la figure 2, indiquent que ni la barre de torsion 2 ni le ressort hélicoïdal contenu dans le boîtier 26 ne sont chargés. Pour charger la barre de torsion 2 et le ressort hélicoïdal contenu dans le boîtier 26, le levier 22 et l'arbre d'entraînement 8 sont tournés dans le sens anti- horaire. Le levier 22 tire l'extrémité supérieure de la chaîne 30 vers la droite (selon la figure 2) comprimant ainsi le ressort hélicoïdal contenu dans le boîtier 26. Simultanément, les pistons 18 et 20 tournent dans le sens contraire des aiguilles d'une montre. Ils poursuivent leur mouvement de rotation jusqu'à ce que leurs surfaces radiales viennent au contact des éléments de butées 14 et 16. Une fois que les pistons 18 et 20 ont atteint leur position finale, ils ne peuvent plus continuer leur mouvement de rotation. Le levier 22 et l'arbre d'entraînement 8 poursuivent, quant à eux, leur rotation dans le sens contraire des aiguilles d'une montre. La première extrémité 4 de la barre de torsion 2 est maintenant bloquée par l'engagement entre les pistons 18 et 20 et les éléments de butée 14 et 16. En conséquence, la poursuite de la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre de la seconde extrémité 6 de la barre de torsion 2 déforme la barre de torsion en rotation 2. En d'autres termes, la barre de torsion 2 est chargée. Lorsque les pistons 18 et 20 viennent au contact des éléments de butée 14 et 16, le levier continue typiquement sa rotation d'un angle de 10° à 400, jusqu'à ce que la barre de torsion soit complètement chargée. La barre de torsion 2 et le ressort hélicoïdal contenu dans le boîtier 26 doivent se 5 décharger pour que le mécanisme d'actionnement actionne les contacts mobiles d'un disjoncteur. Lorsque cela se produit, le levier 22 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Aussi longtemps que les pistons 18 et 20 sont au contact des éléments de butée 14 et 16, la 10 barre de torsion 2 applique un couple supplémentaire à l'arbre d'entraînement 8. Apres une rotation comprise entre 100 et 40°, les pistons 18 et 20 ne sont plus en contact avec les éléments de butée 14 et 16. La barre de torsion 2 n'entraîne plus l'arbre d'entraînement 8. 15 Seul, le ressort hélicoïdal contenu dans le boîtier 26 continue à fournir un couple. On a représenté sur la figure 3 une courbe du couple en fonction de la position angulaire de l'arbre d'entraînement. La courbe 40 représente le 20 couple additionnel provenant de la barre de torsion 2. Conformément à la figure 3, la barre de torsion fournit un couple additionnel pour des positions angulaires de l'arbre d'entraînement comprises entre 0° et 20°. Cette plage couvre la position angulaire de l'arbre 25 d'entraînement 8 pendant laquelle les contacts à l'intérieur du disjoncteur accélèrent. Ainsi, l'invention résout le problème consistant à optimiser la vitesse relative entre les contacts d'un disjoncteur à l'instant de la séparation des contacts, comme on l'a 30 expliqué précédemment. Dans l'exemple donné, la barre de torsion 2, ne fournit pas de couple additionnel pour des positions de l'arbre d'entraînement 8 situé au-delà de 20°. La courbe 42 représente le couple fourni par le ressort hélicoïdal contenu dans le boîtier 26 seul. Par opposition au couple fourni par la barre de torsion, le ressort hélicoïdal contenu dans le boîtier 26 fourni un couple sur la plage complète de position angulaire de l'arbre d'entraînement 8. En d'autres termes, la courbe du couple fourni par le ressort hélicoïdal contenu dans le boîtier 26 en fonction de la position angulaire de l'arbre d'entraînement 2 est une courbe continue entre 0° et 60°. La courbe 44 donne le total des contributions du ressort hélicoïdal contenu dans le boîtier 26 et de la barre de torsion 2. En raison du couple fourni par la barre de torsion 2, la courbe présente une pente plus raide pour les positions angulaires comprises entre 0° et 20° que pour les positions angulaires situées au-delà de 20°. Ce couple total est proche de la courbe optimum de couple en fonction de la distance entre les contacts du disjoncteur. La partie inférieure de la courbe 42 se superpose à la courbe 44 de telle sorte qu'elle ne s'en distingue pas sur la figure 3. En conséquence, la présente invention propose un dispositif d'actionnement des contacts d'un disjoncteur à haute ou moyenne tension présentant une efficacité améliorée. La barre de torsion 2 fourni un couple additionnel, seulement au début d'une opération d'ouverture et le couple fourni par le ressort hélicoïdal logé dans le boîtier 26 peut être réduit. En conséquence, l'énergie totale stockée dans le dispositif d'actionnement peut être inférieur jusqu'à 50 % par rapport à une solution sans barre de torsion. REVENDICATIONS1. Dispositif d'actionnement des contacts d'un disjoncteur à haute ou moyenne tension, comprenant au 5 moins un contact mobile, un arbre d'entraînement rigide (8) qui entraîne le contact mobile, des moyens élastiques pour entraîner le contact mobile et une barre de torsion (2) pour entraîner l'arbre d'entraînement, la barre de torsion étant apte à être 10 déformée en torsion afin d'assister les moyens élastiques pendant la première partie de l'ouverture des contacts du disjoncteur, caractérisé en ce que la barre de torsion (2) est logé à l'intérieur de l'arbre d'entraînement (8), une première extrémité de la barre 15 de torsion (2) étant liée en rotation à une bague (10), une seconde extrémité (6) de la barre de torsion (2) étant liée en rotation à l'arbre d'entraînement (8), l'arbre d'entraînement (8) et la barre de torsion (2) étant uniques. 20 2. Dispositif d'actionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens élastiques sont constitués d'au moins un ressort hélicoïdal. 25 3. Dispositif d'actionnement selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un élément à mouvement perdu qui est constitué de deux éléments de butée (14, 16) et de la dite bague (10), de deux pistons (18, 20) espacés 30 angulairement l'un de l'autre et solidaires de la bague (10), les pistons (18 et 20) étant aptes à veniren butée contre les éléments de butée (14, 16) au cours de la rotation de l'arbre d'entraînement (8). 4. Dispositif d'actionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un levier (22) apte à exercer une traction sur une chaîne (30), ce qui comprime le ressort hélicoïdal.