Brevet FR3017005A1 — publié le 20150731

Dispositif de piégeage d'arcs électriques La présente invention concerne les dispositifs de protection contre des défauts électriques et se rapporte en particulier à un dispositif de piégeage d'arcs électriques susceptibles de se propager sur des barres de distribution de courant. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de piégeage d'arcs électriques susceptibles de se propager sur des barres de distribution de courant dans des armoires ou coeurs de distribution d'énergie électrique d'aéronefs. Mais l'invention concerne également le piégeage d'arcs électriques dans tous types d'équipement, notamment dans des batteries, des convertisseurs, par exemple AC/DC, Comme on le sait, un réseau de distribution d'énergie électrique au sein d'un aéronef a une structure pyramidale. La puissance électrique est tout d'abord produite en utilisant une partie de la puissance fournie par les moteurs de l'aéronef pour entraîner des générateurs d'énergie électrique. L'énergie électrique générée est fournie à des armoires de distribution, également désignées par le terme de « coeurs » de distribution, pour être ensuite redistribuée soit vers des charges, soit vers des boîtiers de distribution secondaires, à des ampérages différents. Des barres de distribution électrique triphasées, également connues sous le terme de « busbars », sont utilisées pour véhiculer les courants au sein de l'armoire de distribution. Les puissances véhiculées au sein de l'armoire sont relativement importantes. Elles peuvent atteindre des valeurs de l'ordre du mégawatt. Chaque armoire de distribution primaire ou secondaire intègre des composants de distribution, dont certains ont pour fonction de commuter l'énergie vers une barre de distribution primaire, comme c'est le cas pour les contacteurs de ligne, vers des charges électriques à bord de l'aéronef ou encore vers des sous-réseaux de distribution secondaires qui redistribuent de nouveau l'énergie vers des charges de moindre puissance. D'autres composants de distribution ont pour fonction de protéger le réseau en cas notamment de défauts électriques, tel qu'un court-circuit. Systématiquement, chaque câble qui sort d'une armoire de distribution pour distribuer l'énergie électrique est protégé soit par un disjoncteur, soit par un fusible, soit par un contacteur-disjoncteur. Le fonctionnement de ces composants est déclenché à partir d'une surcharge de courant. Le temps de déclenchement est inversement proportionnel au courant de surcharge. L'élément de commutation le plus en amont, c'est-à-dire le plus proche de la source électrique, est constitué par le contacteur de ligne. La protection la plus en amont du réseau électrique est par conséquent celle qui contrôle le générateur et commande le contacteur de ligne. Cette protection est basée sur une mesure du courant afin d'identifier une surcharge et d'isoler le défaut si aucune autre protection en aval n'a pu le faire, prouvant par conséquent que le défaut est situé au niveau du réseau primaire, entre le contacteur de ligne et les dispositifs de protection situés en aval. La protection prévue au niveau du réseau primaire ne peut être déclenchée qu'après une durée suffisante pour que les protections situées en aval puissent fonctionner dans le cas où le défaut serait situé à leur niveau. Cette durée de déclenchement peut être aujourd'hui au maximum de 5 secondes, ce qui est suffisamment long pour provoquer des dommages. Ainsi, la protection prévue au niveau du générateur et du contacteur de ligne est la plus longue à mettre en oeuvre. De ce fait, un défaut apparaissant directement en aval, sur le réseau primaire pourra, compte tenu du temps de déclenchement de cette protection, provoquer des dégâts avant d'être isolé. On notera par ailleurs que l'ensemble des dispositifs de protection prévus dans les armoires de distribution primaire ou secondaire ne permettent pas d'assurer une protection contre tous les types de défauts susceptibles d'être rencontrés dans un coeur électrique. Bien qu'elles soient efficaces pour couvrir des défauts tels que des sur-courants ou des courts-circuits, certains types de courts-circuits ne sont toutefois pas couverts par ces protections. Par exemple, des objets métalliques (tournevis, écrous, etc...) laissés par erreur dans une armoire électrique lors d'une opération de maintenance, sont susceptibles de provoquer des courts-circuits lorsqu'ils entrent en contact avec les barres de distribution électrique. De tels courts-circuits ne seront pas vus par les dispositifs de protection du réseau primaire et sont susceptibles de provoquer l'apparition d'arcs électriques susceptibles de se propager le long des barres de distribution et de provoquer des dégâts importants susceptibles de compromettre la sécurité de l'aéronef. Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est de proposer un dispositif de piégeage d'arcs électriques capable de bloquer et d'étouffer les arcs. L'invention a donc pour objet un dispositif de piégeage d'arcs électriques se propageant sur des barres de distribution de courant, comprenant une enceinte délimitant intérieurement une cavité de piégeage et comportant une face antérieure ouverte par laquelle l'arc est introduit dans la cavité, une paroi périphérique et une paroi postérieure dotée de passages pour les barres de distribution. Dans un mode de réalisation, l'enceinte est percée de trous formés sur au moins l'une desdites parois postérieure et périphérique. Avantageusement, le diamètre des trous est compris entre 2 mm et 3 mm. Dans un mode de réalisation, l'enceinte comporte en outre un ensemble d'au moins une plaque transversale s'étendant parallèlement à la paroi postérieure, chaque plaque comprenant une fente recevant une barre de distribution pour constituer des espaceurs pour lesdites barres. L'enceinte peut être au moins en partie revêtue d'un matériau absorbeur d'arcs. En variante, elle peut être au moins en partie réalisée en un tel matériau absorbeur d'arcs. Dans un mode de mise en oeuvre, les passages pour les barres sont pratiqués au centre de la paroi postérieure. En variante, ils peuvent être décalés vers l'un des côtés latéraux de la paroi périphérique. Dans ce cas, la face du côté latéral tournée vers ladite cavité comporte avantageusement une surface en rampe de guidage de l'arc électrique vers la cavité de piégeage. Dans un mode de mise en oeuvre, la cavité contient un gaz ou un liquide ambiant. En outre, l'enceinte peut être réalisée en au moins deux parties assemblées l'une sur l'autre. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : -la figure 1 illustre l'architecture générale d'un réseau de distribution d'énergie électrique embarqué à bord d'un aéronef ; -la figure 2 illustre un premier mode de réalisation d'un dispositif de piégeage d'arcs électriques pour aéronef conforme à l'invention ; -les figures 3, 4 et 5 illustrent une variante de réalisation d'un dispositif de piégeage conforme à l'invention ; et -la figure 6 illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif de piégeage selon l'invention. On se référera tout d'abord à la figure 1 qui illustre l'architecture générale d'un réseau de distribution d'énergie électrique pour aéronef. Le réseau comporte tout d'abord un étage de génération d'énergie électrique comprenant un générateur G, associé à un contrôleur 1, qui utilise une partie de la puissance fournie par les moteurs de l'aéronef pour délivrer une énergie électrique, laquelle est délivrée à un réseau primaire, à un réseau secondaire et à des charges électriques. Le réseau primaire comporte essentiellement une armoire ou coeur de distribution 2 dans laquelle sont prévues des barres 3 de distribution de courant triphasé qui reçoivent l'énergie électrique délivrée par le générateur par l'intermédiaire d'un contacteur de lignes 4 et qui redistribuent l'énergie électrique vers un autre réseau primaire ou vers le réseau secondaire ou encore directement vers les charges par l'intermédiaire de contacteurs 5 respectifs ou d'un contacteur disjoncteur 6 commandés par un dispositif 7 de contrôle des contacteurs Le réseau secondaire, quant à lui, comprend également une armoire 8 de distribution secondaire comprenant également des barres 9 de distribution de courant triphasé alimentant directement les charges C par l'intermédiaire de contacteurs 10 ou d'interrupteurs 10'. Par exemple, et comme illustré sur la figure 1, des charges alimentées à des intensités comprises entre 35 et 200 ampères sont directement alimentées par l'armoire de distribution primaire 2, tandis que des charges électriques C alimentées par des courants d'intensité comprise entre 3 et 25 ampères sont raccordées à l'armoire de distribution secondaire 8. Indiqué précédemment, il peut arriver que des objets métalliques laissés par erreur dans une armoire de distribution, et en particulier dans l'armoire de distribution primaire 2, entrent en contact avec les barres de distribution primaire et génèrent de la sorte des courts-circuits qui ne sont pas détectés et pris en compte par les dispositifs de protection du réseau primaire. De tels courts-circuits sont susceptibles de provoquer des arcs électriques qui se propagent dans les barres de distribution et dans l'armoire de distribution et provoquent des dégâts relativement importants. On a représenté sur la figure 2 un dispositif de piégeage permettant de bloquer et étouffer les arcs, tout en empêchant leur propagation. Comme on le voit sur cette figure 2, un tel dispositif de piégeage comprend une enceinte 12 traversée par les barres de distribution de courant, ici les barres de distribution primaire 3. L'enceinte 12 délimite intérieurement une cavité 13 de piégeage des arcs électriques A. En considérant la direction de propagation des arcs électriques le long des barres 3, qui suivent la loi de Laplace et qui se déplacent dès lors uniquement dans le sens de propagation des charges, l'enceinte 12 comporte une face antérieure 14 ouverte par laquelle l'arc A pénètre dans la cavité 13, une paroi postérieure 15 opposée à la face antérieure 14, et une paroi périphérique 16. L'enceinte 12 est traversée par les barres triphasées 3. Ainsi, la paroi postérieure 15 est dotée de trois passages tels que 17 pour les barres 3. On voit par ailleurs sur la figure 2 que l'enceinte 12 a ici une forme générale parallélépipédique. Bien entendu, d'autres formes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, la paroi postérieure de fond 15 est ici rectangulaire, la paroi périphérique 16 étant formée par un ensemble de quatre côtés s'étendant axialement à partir de la paroi périphérique de fond 15. L'ensemble est réalisé en une pièce, en un matériau non métallique, isolant, par exemple en résine époxy. Ainsi, lorsque l'arc électrique, qui ne peut se propager que dans le sens de déplacement des charges le long des barres 3 atteint la cavité 13, il entre en contact avec la paroi postérieure 15 de fond de la cavité, sans pouvoir reculer ni s'échapper par les parois latérales périphériques. Il a été constaté que l'arc électrique rebondit alors en passant d'une barre de distribution à l'autre tout en rongeant le métal entrant dans leur constitution. Ce comportement génère et entretient un plasma à l'intérieur de la cavité. Comme on le voit, l'enceinte est percée d'un ensemble de trous, tels que 18, pratiqués par exemple dans la paroi périphérique 16 et/ou dans la paroi postérieure 15 afin d'assurer une évacuation progressive du plasma sans mener à sa recomposition. Bien que de tels trous 18 soient optionnels, leur présence est avantageuse pour obtenir un étouffement de l'arc. Bien que de tels trous puissent être réalisés soit sur la paroi périphérique, soit sur la paroi postérieure de l'enceinte, soit sur la paroi périphérique et sur la paroi postérieure 15, leur réalisation dans la paroi postérieure est avantageuse dans la mesure où la pression du gaz est plus importante dans cette zone. Par ailleurs, le comportement de l'arc électrique dans la cavité qui rebondit de barre en barre, provoque un rognage des barres, jusqu'à leur sectionnement, qui assurent dès lors la fonction de fusible. On notera par ailleurs que le diamètre des trous 18 doit être choisi de manière à permettre une évacuation progressive du plasma, tout en évitant sa recomposition à l'extérieur. On choisira par exemple un diamètre de trous 18 compris entre 2 mm et 3 mm. On pourra également prévoir de les espacer d'une distance comprise entre 5 et 6 mm, par exemple pour des trous de 3 mm. Dans le mode de réalisation de la figure 2, les barres de distribution triphasées traversent la zone centrale de l'enceinte 12, les passages 17 pour les barres de distribution étant pratiqués au milieu de la paroi postérieure de fond. L'enceinte 12 est alors dimensionnée de manière que l'arc électrique A soit entièrement logé dans la cavité. Il a en particulier été constaté qu'à bord d'un aéronef et en particulier pour des valeurs de courant rencontrées à bord des aéronefs, la hauteur de l'arc électrique est de l'ordre de 2 cm. Par conséquent, on dimensionnera l'enceinte 12 de sorte que la distance entre le bord supérieur des barres de distribution 3 et la face inférieure du côté supérieur de l'enceinte soit au moins égale à 2 cm. On pourra par exemple réaliser l'enceinte avec une hauteur de 60 mm, une largeur de 40 mm et une profondeur de 50 mm. Bien que non représentée, l'enceinte 12 est avantageusement réalisée en au moins deux parties assemblées et maintenues à l'aide d'un collier de serrage. Alors que dans le mode de réalisation de la figure 2, le dispositif adopte une configuration symétrique, il est également possible, en variante, comme visible sur la figure 3, d'adopter une configuration dissymétrique. Dans ce cas, les passages pour les barres, pratiqués dans la paroi postérieure de fond, sont pratiqués au voisinage de l'un des côtés latéraux de l'enceinte 12, par exemple le côté supérieur 19, comme représenté. Ce mode de réalisation présente l'avantage de confiner l'arc électrique et le plasma dans un volume réduit facilitant son étouffement. Dans ce mode de réalisation, on réalisera de préférence dans le côté latéral 19 le plus proche des barres de distribution 3 et plus précisément dans la face de ce côté 19 tournée vers la cavité, une rampe inclinée 20 (figure 4) assurant le guidage de l'arc vers le fond de la cavité. Ce côté latéral supérieur de l'enceinte est ainsi réalisé sous la forme d'un capot venant coiffer les deux côtés latéraux mutuellement opposés 21 et 22, un collier de serrage (non représenté), placé dans une gorge périphérique 23 étant utilisée pour maintenir le côté supérieur 19 sur le reste de l'enceinte. On notera que dans les divers modes de réalisation envisagés, on pourra en outre, comme visible sur la figure 4, monter dans l'enceinte des plaques internes 24, 25 et 26 dotées de fentes, telles que 27, dans lesquelles s'insèrent respectivement les barres de distribution 3 pour constituer des espaceurs pour les barres et régler, de la sorte, la distance entre les barres. On pourra, par exemple, régler de la sorte la distance entre les faces en regard des barres à 12 mm. Dans le mode de réalisation des figures 4 et 5, le dispositif est doté de trois plaques internes. Bien entendu, on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque le dispositif est doté d'un nombre différent de telles plaques. Par ailleurs, dans les divers modes de réalisation envisagés, l'ensemble de l'enceinte, y compris les plaques internes 24, 25 et 26 peut être réalisé en un matériau apte à absorber les arcs électriques, par exemple du Lexan®. On pourra également, en variante, prévoir de revêtir au moins partiellement la surface de l'enceinte ou des plaques en contact avec l'arc électrique. Comme on le conçoit, l'invention qui vient d'être décrite, qui utilise une enceinte délimitant une cavité de piégeage d'arc électrique circulant le long de barres de distribution, permet de confiner l'arc électrique dans la cavité conduisant au rognage du métal entrant dans la constitution des barres de distribution. Ainsi, l'arc électrique est dans tous les cas bloqué, voire étouffé, si le temps de coupure du générateur est assez court, c'est-à- dire inférieur à la seconde. L'arc provoque par ailleurs, dans le cas où le temps de coupure du générateur est relativement long, c'est-à-dire supérieur à la seconde, un sectionnement des barres de distribution pour assurer la fonction de fusible. Par ailleurs, afin d'éviter que l'arc ne remonte en amont du piège, des trous de taille adaptée, percés dans le piège, assurent une évacuation suffisante du plasma sans mener à sa recomposition. On notera enfin que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits. On pourra également prévoir, comme visible sur la figure 6, des ailettes, telles que 30, au nombre de deux dans le cas d'un courant triphasé avec trois barres de distribution, réalisées en un matériau non métallique, par exemple en époxy, ou réalisées ou revêtues d'un matériau absorbeur d'arc pour assurer une séparation de l'arc électrique entre les barres de distribution et augmenter de la sorte l'efficacité du dispositif en étouffant l'arc électrique sur une durée plus longue. On notera enfin que l'invention peut être utilisée aussi bien dans l'air que dans d'autres milieux gazeux, tels que l'azote. Elle peut également s'appliquer au piégeage d'arcs dans des milieux liquides. REVENDICATIONS1. Dispositif de piégeage d'arc électrique se propageant sur des barres de distribution de courant, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte (12) délimitant intérieurement une cavité (13) de piégeage, et comprenant une face antérieure (14) ouverte par laquelle l'arc est introduit dans la cavité, une paroi périphérique (16) et une paroi postérieure (15) dotée de passages (17) pour les barres de distribution. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'enceinte est percée de trous (18) formés sur au moins l'une desdites parois postérieure et périphérique. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le diamètre des trous est compris entre 2 mm et 3 mm. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'enceinte est en outre dotée d'un ensemble d'au moins une plaque (24, 25, 26) transversale s'étendant parallèlement à la paroi postérieure, chaque plaque comprenant une fente (27) recevant une barre de distribution pour constituer des espaceurs pour lesdites barres. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'enceinte (12) est au moins en partie revêtue d'un matériau absorbeur d'arcs. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'enceinte (12) est au moins en partie réalisée en un matériau absorbeur d'arcs. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les passages (17) pour les barres sont pratiqués au centre de la paroi postérieure. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les passages (17) sont décalés vers l'un des côtés latéraux de la paroi périphérique. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel la face du côté latéral tournée vers ladite cavité comporte une surface en rampe (20) de guidage de l'arc électrique vers la cavité de piégeage. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la cavité (13) contient un gaz ou un liquide ambiant. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel l'enceinte est réalisée en au moins deux parties assemblées l'une sur l'autre.