Brevet FR2997788A1 — publié le 20140509

La présente invention concerne les dispositifs servant à interdire l'alimentation électrique lorsque nécessaire dans les installations utilisant des courants de haute intensité, et concerne en particulier un dispositif de sectionnement d'une ligne d'alimentation électrique à courant de haute intensité. Dans les installations telles que les cuves à électrolyse qui font appel à des courants de haute intensité dépassant 1000 ampères et pouvant atteindre plusieurs centaines de milliers d'ampères, il est nécessaire d'effectuer régulièrement des opérations de maintenance. Lors de ces opérations, l'alimentation électrique générale est bien sûr coupée, mais il est obligatoire, d'ouvrir le circuit d'alimentation électrique à l'aide d'un dispositif de sectionnement pour que les opérateurs soient en sécurité pendant les opérations de maintenance. La grande majorité des dispositifs de sectionnement utilisés actuellement est constituée de sectionneurs à couteaux. Les couteaux rotatifs autour d'un axe actionné par un mécanisme adéquat, assurent la liaison électrique en s'appuyant avec pression sur des contacts d'entrée du courant. Le sectionnement consiste donc à séparer les couteaux des contacts fixes en les faisant pivoter autour de leur axe grâce au mécanisme d'actionnement. Malheureusement, les dispositifs de sectionnement à couteaux sont lourds et encombrants, et comme il est impossible de le confiner dans une enceinte, le dispositif n'est pas étanche et donc sujet à une dégradation rapide par oxydation et dépôt de poussières. Il existe des dispositifs de sectionnement comprenant une enceinte contenant des contacts métalliques fixes sur lesquels viennent s'appuyer un contact métallique mobile lorsqu'un mécanisme d'actionnement est mis en oeuvre. Bien que palliant une partie des inconvénients des dispositifs de sectionnement à couteaux, ce type de dispositif de sectionnement est adapté seulement pour une intensité de courant déterminée. Il est donc nécessaire de faire appel à des dispositifs dont les dimensions augmentent avec l'intensité du courant qui les traversent. Mais le plus grand inconvénient est la difficulté d'évacuer la chaleur due à l'effet joule dans les résistances de contact du dispositif. Le but principal de la présente invention est donc de fournir un dispositif de sectionnement pour les 10 alimentations électriques de haute intensité qui soit facilement adaptable à la valeur de l'intensité. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif de sectionnement comme mentionné ci-dessus qui comporte des moyens efficaces de dissipation de la chaleur 15 produite par effet joule dans le dispositif. Un premier objet de l'invention est un module de sectionnement d'une ligne d'alimentation électrique à courant continu d'une intensité supérieure à 1000 A comprenant : 20 - une enceinte de contact étanche comprenant au moins un premier élément conducteur de contact fixe pour établir la connexion électrique avec une entrée du courant et un second élément conducteur de contact fixe pour établir la connexion électrique avec une sortie du courant, les éléments de 25 contact fixes étant connectés électriquement à l'extérieur de l'enceinte respectivement pardeux plages de raccordement, et au moins un élément conducteur de contact mobile adapté pour venir en contact simultanément sur les premier et second éléments de contact fixes sous l'action 30 d'un mécanisme d'actionnement qui est actionné pour supprimer le contact entre les éléments de contact fixes et l'élément de contact mobile dans le but de sectionner la ligne d'alimentation, - au moins une première barre métallique de raccordement 35 adaptée pour être connectée à une entrée de courant et au moins une seconde barre de raccordement adaptée pour être connectée à une sortie de courant, et - un premier élément conducteur intermédiaire connecté d'une part à la première barre de raccordement et d'autre 5 part au premier élément conducteur fixe et un second élément conducteur intermédiaire connecté d'une part à la seconde barre de raccordement et d'autre part au second élément conducteur fixe, les premier et second éléments conducteurs intermédiaires étant adaptés pour fournir une conductance 10 maximale du module et/ou une dissipation maximale de la chaleur produite par effet joule. Un deuxième objet de l'invention est un tel module de sectionnement utilisé comme maquette de présentation permettant au futur utilisateur de connaître le comportement 15 en température d'un dispositif de sectionnement souhaité. Un troisième objet de l'invention est un dispositif de sectionnement composé de plusieurs modules de sectionnement tels que définis ci-dessus disposés en parallèle pour adapter la capacité de sectionnement à l'intensité du 20 circuit. D'autres buts, objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels : 25 - la figure 1 représente schématiquement une enceinte de contact utilisée dans un module de sectionnement selon l'invention ; - la figure 2 représente un mode de réalisation particulier d'un élément de contact fixe de l'enceinte ; 30 - la figure 3 schématiquement un module de sectionnement selon l'invention qui peut être utilisé comme maquette de présentation ; - la figure 4 représente schématiquement un dispositif de sectionnement selon l'invention comportant une pluralité 35 de modules de sectionnement illustrés sur la figure 3, - les figures 5 et 6 représentent des variantes de réalisation du module de sectionnement dans lesquelles les barres de raccordement sont connectées à l'enceinte de contact par une couche de mousse constituée d'un squelette de mousse de métal tel que fer, cobalt, nickel et leurs alliages recouvert d'un revêtement d'étain, d'indium ou un de leurs alliages (ECOCONTACT). Le dispositif de sectionnement selon l'invention est composé essentiellement de un ou plusieurs modules de sectionnement. Chacun des modules est adapté pour autoriser le passage d'un courant d'une intensité d'environ 3.000 A. A noter que le courant est principalement un courant continu mais que ce pourrait être un courant alternatif et que l'intensité pourrait être différente. L'enceinte de contact 10 de chaque module de sectionnement représentée sur la figure 1 a de préférence une forme rectangulaire d'une longueur d'environ 40 cm et d'une largeur d'environ 30 cm. L'enceinte 10 est composée d'au moins un pont de contact. Chaque pont de contact comprend deux éléments de contact fixes 12 et 14, de préférence en aluminium, fixés par soudage à 2 plages de raccordement, de préférence en aluminium, respectivement les plages 16 et 18 qui constituent l'entrée et la sortie du courant de l'enceinte connectées respectivement à l'entrée et la sortie de courant à l'extérieur de l'enceinte comme on le verra par la suite. Chaque pont de contact de l'enceinte 10 comprend un élément de contact mobile 20, de préférence en aluminium qui n'est pas en contact avec les 2 éléments de contact fixes 12 30 et 14 lorsque le sectionnement a été opéré pour le déroulement d'une opération de maintenance de l'installation comportant le dispositif de sectionnement selon l'invention. Lorsque l'installation est remise sous tension après l'opération de maintenance, le contact entre les éléments de 35 contact fixes 12 et 14 et l'élément de contact mobile 20 est effectué par un déplacement vers le bas de l'élément 20 au moyen des tiges 22 et 24 actionnées par un moyen d'actionnement 26. Le haut des tiges 22 et 24 est bloqué sur l'élément de contact mobile 20 par deux ressorts 28 et 30. A la fin du déplacement vers le bas de l'élément 20, ce dernier vient en contact avec les éléments de contact 12 et 14 et une pression est exercée grâce à la compression des ressorts 28 et 30. Une caractéristique importante de l'invention est d'obtenir un dispositif de sectionnement qui présente une résistance la plus faible possible de façon à obtenir une dissipation de chaleur par effet joule la moins importante possible et donc une élévation de température la plus réduite possible. Un premier moyen pour obtenir ce résultat est de placer 15 des pastilles d'argent 32 et 34, par exemple de forme circulaire, sur la surface de contact de l'élément de contact mobile 20 qui vient en contact avec les éléments de contact fixes 12 et 14. En effet, les éléments de contact fixes et mobile étant en aluminium, la résistance de contact 20 entre l'élément de contact fixe et l'élément de contact mobile serait relativement importante. Avec la présence des pastilles d'argent 32 et 34 dont la conductivité est élevée, cette résistance est réduite de moitié ou, en d'autres termes, la conductance est doublée. 25 A noter qu'il est judicieux de disposer dans l'enceinte de contact 10 deux ponts de contact et donc un second élément de contact mobile 36 symétrique de l'élément de contact mobile 20, comme illustré sur la figure 1. L'élément 36 est amené en contact avec les éléments de contact fixes 30 12 et 14 grâce au moyen de tiges 38 et 40 et des ressorts 42 et 44 actionnés par le même mécanisme de fonctionnement 26. De la même façon que précédemment, l'élément de contact mobile 36 comporte des pastilles d'argent 46 et 48 pour diminuer la résistance de contact avec les éléments de 35 contact fixes 12 et 14. A noter que l'enceinte de contact qui vient d'être décrite présente, pour chacun des éléments de contact mobiles 20 et 36, une résistance d'environ 30, ce qui correspond à une puissance d'environ 67 W pour un courant d'intensité égale à environ 3.000 A. Selon une variante de l'invention et toujours dans le but de limiter l'élévation de température en produisant une dissipation de chaleur par effet joule la moins importante possible, chacun des éléments conducteurs fixes 12 et 14 peut être réalisé de la façon illustrée sur la figure 2. Comme on le voit sur cette figure, l'élément conducteur de contact fixe 14, qui est fixé à la plage de raccordement 18, comprend une couche inférieure 50, une couche supérieure 52 et une couche intermédiaire 54. Comme la plage de raccordement 18 à laquelle elle est fixée, par exemple par soudage, la couche inférieure 50 est en aluminium. La couche supérieure 52, est interchangeable et est fixée à la couche inférieure par un boulon 56. La couche supérieure 52 est de préférence en cuivre de manière à déposer un revêtement d'argent par électrolyse sur sa surface supérieure, ce qui serait plus difficile si cette couche était en aluminium comme la couche inférieure. Ainsi, la connexion électrique entre l'élément mobile 20 et l'élément fixe 14 se fait par contact direct entre la pastille d'argent 34 et le revêtement d'argent de la couche supérieure 52, ce qui permet de réduire la résistance de contact de moitié. La couche intermédiaire serrée antre la couche inférieure 50 et la couche supérieure 52 par le boulon 56 est de préférence une couche de mousse ECOOCONTACT (marque déposée) constituée d'un squelette de mousse de métal choisi dans le groupe consistant en fer, cobalt, nickel et leurs alliages recouvert d'au moins un revêtement d'étain, d'indium ou un de leurs alliages décrite dans le brevet français 1002988. Du fait de la structure alvéolaire de cette couche, sa surface comporte une multitude de pointes de contact Grâce à ces pointes, la couche intermédiaire 54 possède de nombreux contacts avec les couches inférieure et supérieure, ce qui permet d'obtenir une grande conductivité et donc une résistance faible. On constate que, comme précédemment avec les pastilles d'argent, la résistance entre l'élément de contact fixe et l'élément de contact mobile est diminuée de moitié. A noter que l'élément conducteur de contact fixe 12 connecté à la plage de raccordement 16 comprend également, dans sa partie supérieure, une structure identique à la structure à trois couches illustrée sur figure 2. Dans le mode de réalisation préférentiel illustré sur la figure 1, une structure à trois couches identique, symétrique de celle illustrée sur la figure 2, se trouve également aux parties inférieures de chacun des éléments de contact fixes 12 et 14. A noter également que la structure à trois couches 20 illustrée sur la figure 2 peut être utilisée de part et d'autre aux parties inférieures de l'élément de contact fixe 20 venant en contact avec les éléments de contact fixes 12 et 14, mais aussi à la place de la pastille en argent 32, 34. 25 Bien que, dans la mesure du possible, l'enceinte de contact qui vient d'être décrite soit étanche, il peut toujours se produire des dépôts de poussière sur les éléments qu'elle contient. De tels dépôts, par exemple sur les pastilles d'argent, entraînent une dégradation des 30 contacts qui résultent en une augmentation de la résistance électrique. En outre, lors du sectionnement, il peut se produire un arc électrique causé par une intensité résiduelle due à une alimentation par piles. Pour les raisons qui viennent d'être évoquées, un mode 35 de réalisation préférentiel consiste à remplir l'enceinte d'une étanchéité parfaite d'un gaz inerte à la place de l'air. Un tel gaz peut être un gaz neutre tel que l'hélium ou le néon, ou encore l'azote, et de façon préférentielle l'hexafluorure de soufre (SF6). Une autre façon de réduire la température produite par la dissipation de chaleur est de prévoir une circulation d'un liquide réfrigérant, par exemple l'eau, dans une tubulure (non montrée) se trouvant à l'intérieur de chacune des plages de raccordement 16 et 18. Le module de sectionnement selon l'invention peut être réalisé comme illustré sur la figure 3. Un tel module comprend une enceinte 10 décrite ci-dessus connectée électriquement à 1' entré et la sortie de courant grâce aux plages de contact 16 et 18. L'entrée et la sortie de courant (non montrées) sont 15 connectées au module par deux barres de raccordement 60 et 62 pour l'entrée de courant et par deux barres 64 et 66 pour la sortie de courant. Comme illustré sur la figure, les barres de raccordement 60 et 62 sont connectées à l'enceinte 10 par 20 une pluralité de lames de raccordement divisée en deux groupes de lames 68 et 70. Comme déjà mentionné, une caractéristique importante de l'invention est limiter le plus possible l'élévation de température due à la dissipation de chaleur par effet joule. Dans ce but, la 25 structure en une pluralité de lames présente une très grande surface avec l'air composée par les deux faces de chaque lame multipliée par le nombre total de lames. Comme illustré, les lames forment un Z de manière à ce qu'elles présentent le plus de souplesse possible et puissent se 30 déformer dans les deux angles du Z sous l'effet de la température. A noter qu'une pluralité de lames ayant la même structure que pour l'entrée de courant et divisée en deux ensembles 72 et 74 est utilisée pour connecter les barres de 35 raccordement 64 et 66. Le module de sectionnement qui vient d'être décrit en référence aux figures 1, 2 et 3 a une forme rectangulaire dont la plus grande dimension est comprise entre 0,90 m et 1,20 m et la plus petite dimension comprise entre 0,40 m et 0,60 m, et a une épaisseur d'environ 3 cm. Son poids est compris entre 20 et 30 Kg. Comme il a été mentionné précédemment, ce module peut laisser passer un courant dont l'intensité est d'environ 3.000 A. comme en général l'intensité du courant utilisé dans l'installation est beaucoup plus importante, le dispositif de sectionnement comporte une pluralité de tels modules de sectionnement en parallèle. Un objet important de l'invention est d'utiliser le module de sectionnement décrit ci-dessus comme maquette de présentation. En effet, l'encombrement et le poids d'un module étant relativement faible, il est aisé pour le fabricant de transporter seulement le module pour le présenter à tout client potentiel ou futur utilisateur. Ce dernier pourra ainsi, en utilisant un courant d'intensité réduite, définir rapidement combien de modules lui seront nécessaires dans le dispositif de sectionnement souhaité et connaître le comportement en température dudit dispositif de sectionnement. De façon générale, un dispositif de sectionnement conforme à l'invention comprend une pluralité de modules qui sont assemblés en parallèle pour correspondre à l'intensité du courant à sectionner. Ainsi, si le courant a une intensité de 20 kA, il est nécessaire de prévoir huit modules de sectionnement en parallèle. Le dispositif de sectionnement résultant comporte alors une seule plage de raccordement, de préférence en aluminium, pour la connexion électrique à l'extérieur de tous les modules. La figure 4 représente un dispositif de sectionnement utilisé pour une intensité d'environ 120 kA composé de six 35 dispositifs de sectionnement partiel composés de deux ensembles de trois sous-ensembles 80, 82 et 84 de huit modules chacun tel que le sous-ensemble 80. Pour ce faire, chaque module, illustré sur la figure 3, de chacun des trois sous-ensembles est en face d'un module qui lui est symétrique et qui appartient à un sous-ensemble de l'autre ensemble. Ainsi, les modules du sous-ensemble 84 sont symétriques des modules du sous-ensemble 86. Les trois sous-ensembles ou dispositifs de sectionnement partiels 80, 82 et 84 ont un mécanisme d'actionnement commun 88. Il en est de même des trois sous- ensembles ou dispositifs de sectionnement partiels symétriques et qui ont un même mécanisme d'actionnement 90. Ce mécanisme est par exemple un mécanisme de rotation d'un arbre qui, par un jeu de bielles, entraîne la compression des ressorts décrits en référence à la figure 1 et permet les contacts à l'intérieur de l'enceinte pour le passage du courant. L'ensemble des dispositifs de sectionnement partiels 80, 82 et 84 qui, sur la figure 4, ne comporte qu'une plage de raccordement, est connecté à l'entrée de courant par deux barres de raccordement 92 et 94 et par l'intermédiaire de deux ensembles de lames de raccordement 96 et 98. La même structure de raccordement (non référencée), c'est à dire deux barres reliées à la plage de raccordement de sortie, est utilisée pour la connexion à la sortie de courant. La 25 même structure (non référencée) que celle qui vient d'être décrite est symétrique de cette dernière et inclut l'ensemble des dispositifs de sectionnement partiels symétriques des dispositifs de sectionnement partiels 80, 82 et 84. 30 Selon une variante de l'invention, les ensembles de lames de raccordement servant à dissiper la chaleur produite par effet joule sont remplacés par les dispositifs illustrés sur les figures 5 et 6. Sur la figure 5, la barre de raccordement est fixée 35 directement à la plage de raccordement 16 (ou 18) par des boulons 102. Entre la barre de raccordement 100 et la plage de raccordement se trouve une couche 104 de mousse ECOCONTACT (marque déposée) constituée d'un squelette de mousse de métal choisi dans le groupe consistant en fer, cobalt, nickel et leurs alliages recouvert d'au moins un 5 revêtement d'étain, d'indium ou un de leurs alliages. Comme mentionné précédemment, la surface de la couche comporte une multitude de pointes de contact Grâce à ces pointes, la couche 104 possède de nombreux contacts avec la barre de raccordement 100 d'une part et avec la plage de raccordement 10 16 d'autre part, ce qui permet d'obtenir une grande conductivité et donc une résistance faible. Sur la figure 6, la barre de raccordement 106 est connectée à la plage de raccordement 16 au moyen d'une barre intermédiaire 110 à laquelle elle est soudée. La barre 15 intermédiaire 110 est fixée à la plage de raccordement 16 au moyen de boulons 112 et 114. Entre la barre 110 et la plage de raccordement, se trouve une couche de mousse ECOCONTACT comme dans le mode de réalisation de la figure 5. REVENDICATIONS1. Module de sectionnement d'une ligne d'alimentation électrique à courant continu d'une intensité supérieure à 1000 5 A comprenant : - une enceinte de contact étanche (10) comprenant au moins un premier élément conducteur de contact fixe (12) pour établir la connexion électrique avec une entrée du courant et un second élément conducteur de contact fixe (14) pour établir 10 la connexion électrique avec une sortie du courant, lesdits éléments de contact fixes étant connectés électriquement à l'extérieur de l'enceinte respectivement par deux plages de raccordement (16, 18), et au moins un élément conducteur de contact mobile (20 ou 36) adapté pour venir en contact 15 simultanément sur lesdits premier et second éléments de contact fixes sous l'action d'un mécanisme d'actionnement (26), ledit mécanisme étant actionné pour supprimer le contact entre lesdits éléments de contact fixes et ledit élément de contact mobile dans le but de sectionner ladite ligne 20 d'alimentation, - au moins une première barre métallique de raccordement adaptée pour être connectée à une entrée de courant et au moins une seconde barre de raccordement adaptée pour être connectée à une sortie de courant, et 25 - un premier élément conducteur intermédiaire connecté d'une part à ladite première barre de raccordement et d'autre part audit premier élément conducteur fixe et un second élément conducteur intermédiaire connecté d'une part à ladite seconde barre de raccordement et d'autre part audit second élément 30 conducteur fixe, lesdits premier et second éléments conducteurs intermédiaires étant adaptés pour fournir une conductance maximale du module et/ou une dissipation maximale de la chaleur produite par effet joule. 2. Module de sectionnement selon la revendication 1, dans 35 lequel au moins un desdits éléments de contact fixes (12, 14) et mobile (20 ou 26) comprend un moyen de contact permettantde réduire de moitié la résistance de contact entre ledit élément de contact mobile et lesdits éléments de contact fixes. 3. Module de sectionnement selon la revendication 2, dans 5 lequel ledit moyen de contact est une pastille d'argent placée sur la surface de chacun desdits éléments de contact mobile (20 ou 36) venant en contact avec chacun desdits éléments de contact fixes (12, 14). 4. Module de sectionnement selon la revendication 2 ou 3, 10 dans lequel chacun desdits élément de contact fixes (12 ou 14) comprend une couche inférieure en aluminium (50), une couche supérieure en cuivre comportant un revêtement en argent (52) et une couche intermédiaire (54) de mousse constituée d'un squelette de mousse de métal choisi dans le groupe consistant 15 en fer, cobalt, nickel et leurs alliages recouvert d'au moins un revêtement d'étain, d'indium ou un de leurs alliages. 5. Module de sectionnement selon l'une des revendications 1 à 4, utilisé comme maquette de présentation permettant au futur utilisateur de connaître le comportement en température 20 d'un dispositif de sectionnement. 6. Module de sectionnement selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel ledit premier élément conducteur intermédiaire et ledit second élément conducteur intermédiaire sont chacun composés d'au moins un groupe de lames de 25 raccordement (68, 70 et 72, 74). 7. Module de sectionnement selon la revendication 6, dans lequel lesdites lames de raccordement (68, 70 et 72, 74) formant un Z de manière à ce qu'elles présentent le plus de souplesse possible et puissent se déformer dans les deux 30 angles du Z sous l'effet de la température. 8. Module de sectionnement selon l'une des revendicationsl 1 à 5, dans lequel ledit premier élément conducteur intermédiaire et ledit second élément conducteur intermédiaire comprennent une couche (104, 108) de mousse 35 constituée d'un squelette de mousse de métal choisi dans le groupe consistant en fer, cobalt, nickel et leurs alliagesrecouvert d'au moins un revêtement d'étain, d'indium ou un de leurs alliages. 9. Dispositif de sectionnement comprenant une pluralité de modules de sectionnement selon l'une des revendications 1 à 5 8 disposés en parallèle entre l'entrée de courant et la sortie de courant