Brevet FR3011976A1 — publié le 20150417

SECTIONNEUR A POUVOIR D'ETABLISSEMENT ET DE COUPURE AMELIORES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention porte sur les sectionneurs 5 haute tension de postes sous enveloppe métallique ou PSEM (en anglais « Gas Insulated Substations »). De tels postes comportent des jeux de barres (en anglais « busbars ») ayant un ou plusieurs éléments conducteurs. Des sectionneurs de jeu de barre 10 (en anglais « busbar disconnectors ») assurent le transfert de charge entre les différents jeux de barres. De tels sectionneurs se trouvent par exemple dans les postes à deux jeux de barres. L'invention porte plus particulièrement sur 15 les sectionneurs prévus pour effectuer des opérations de transfert de barres, qui ont par exemple pour fonction d'isoler un jeu de barres d'un autre en prévision d'interventions techniques ou pour faire varier la répartition des charges sur un réseau. 20 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Un sectionneur comporte traditionnellement des contacts permanents par lesquels le courant transite en position fermée dudit sectionneur et des contacts d'arc connectés en parallèle des contacts 25 permanents. Lors d'une manoeuvre d'ouverture, les contacts permanents se séparent en premier, laissant le courant passer par les contacts d'arc qui se séparent ensuite. A l'inverse, les contacts d'arc se rejoignent en premier lors d'une manoeuvre de fermeture. Dans un cas comme dans l'autre, les contacts d'arc subissent l'établissement d'un arc électrique. Leur matériau est choisi pour subir une ablation minimale pendant toute la durée de maintien de l'arc entre eux. La vitesse de manoeuvre des sectionneurs est relativement lente et l'extinction de l'arc se fait lors d'un passage par zéro du courant à la fois lorsque sa longueur est suffisante pour créer une tension d'arc suffisamment élevée et lorsque les conditions diélectriques du gaz d'isolation à cet instant sont favorables pour supporter la tension rétablie entre les contacts. Des valeurs d'essai à appliquer aux sectionneurs pour valider les conditions de coupure en transfert de barres sont actuellement définies dans la norme IEC 62271-102. Jusqu'à présent, le courant maximum en essai pour de tels sectionneurs est limité à 1600 A qui correspondent à une proportion des valeurs du courant permanent circulant dans les jeux de barres. La norme est amenée à évoluer prochainement et le courant maximum en essai sera porté à 80% du courant permanent sans la limitation à 1600 A existant jusqu'alors. L'augmentation de la valeur du courant se traduit également par une augmentation de la tension rétablie en raison de l'impédance de la boucle dans laquelle circule ledit courant. L'augmentation des performances visées par la nouvelle version de la norme conduirait à des durées d'arc très importantes, notamment à l'ouverture, avec les dispositifs actuels. Dans une telle situation, les contacts d'arc seraient amenés à subir une usure non tolérable pouvant conduire à la dégradation des contacts permanents et la tenue diélectrique en service du sectionneur s'en trouverait réduite. Par conséquent les sectionneurs utilisés actuellement ne satisferont plus aux conditions de réussite aux essais. L'invention vise donc à proposer une solution efficace et économique pour l'amélioration des performances des sectionneurs de transfert de barre. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention porte ainsi sur un sectionneur comportant un contact d'arc fixe et un contact d'arc mobile, une buse isolante enveloppant une partie d'un premier contact d'arc parmi le contact d'arc fixe et le contact d'arc mobile de manière à ce que, lorsqu'un arc électrique se forme lors d'une manoeuvre d'ouverture ou de fermeture du sectionneur, la buse isolante soit au contact de l'arc électrique et subisse une ablation par l'arc électrique. La buse isolante selon l'invention permet avantageusement d'une part de forcer l'allongement de l'arc électrique entre les contacts d'arc, et d'autre part de maintenir à proximité de l'arc un matériau choisi pour subir une ablation au contact de l'arc et de telle sorte que, lors de cette ablation, une partie de l'échauffement provoqué par l'arc électrique est utilisée comme chaleur latente de vaporisation du matériau isolant de buse, résultant en un refroidissement de la zone de coupure et résultant en une augmentation locale de la pression. Ces phénomènes sont favorables à l'extinction de l'arc. Avantageusement, le premier contact d'arc est de forme cylindrique creuse et comporte un fond, une portion tubulaire et une extrémité opposée au fond, la buse isolante enveloppant au moins une partie de la portion tubulaire et comportant une portion radiale disposée en vis-à-vis de ladite extrémité du premier contact d'arc, du côté du deuxième contact d'arc. Avec une telle structure, la buse isolante se retrouve intercalée entre le contact d'arc fixe et le contact d'arc mobile lors d'une manoeuvre d'ouverture ou de fermeture du sectionneur. Ceci maximise le contact entre l'arc et la buse isolante, favorisant ainsi l'extinction de l'arc. Dans une configuration particulière, la buse isolante a une section en forme de U, au travers 20 duquel est ménagée une ouverture, le deuxième contact d'arc étant prévu : - pour être disposé au moins en partie dans une chambre interne du premier contact d'arc dans la position fermée du sectionneur, 25 - pour être disposé en dehors de la chambre interne dans la position ouverte du sectionneur, - le deuxième contact franchissant l'ouverture lorsque le sectionneur est manoeuvré depuis l'une vers l'autre de ses positions ouverte et fermée. 30 La buse isolante peut être réalisée en matériau polymère fluoré ou copolymère fluoré. Avantageusement, la buse isolante est réalisée en matériau polymère fluoré pur ou copolymère fluoré pur ou en matériau comportant 70% minimum en masse de polymère fluoré. Ces matériaux se dégradent avantageusement en composés fluorés sous l'effet de l'arc. Les vapeurs fluorées ainsi formées permettent de maintenir une bonne tenue diélectrique en zone de coupure. Selon une caractéristique avantageuse particulière, la buse isolante est réalisée à 70% minimum en masse en polymère fluoré auquel est ajouté au moins une charge solide d'oxyde, de sulfure, de nitrure ou de calcium, par exemple du type MoS2, Si02 BN ou CaF2. Selon une caractéristique avantageuse alternative, la buse isolante est réalisée à 70% minimum en masse d'un polymère fluoré auquel est ajouté au moins une charge de type sulfure comme le bi sulfure de molybdène MoS2 de 10 à 30%, d'oxyde solide comme la silice Si02 de 10 à 30%, de nitrure comme le nitrure de bore BN de 10 à 30%, de calcium comme le fluorure de calcium CaF2 de 10 à 30%. La charge introduite dans le polymère permet d'augmenter le coefficient d'absorption des UV crées par le plasma de l'arc électrique. L'effet direct étant une augmentation de la pression par vaporisation d'une plus grande quantité de polymère fluoré et une augmentation de la quantité de vapeur fluorée dans la zone d'arc. En variante avantageuse, un écran est monté 30 sur le deuxième contact d'arc mobile, une pastille isolante de cet écran étant montée contre une extrémité du deuxième contact d'arc disposée du côté du premier contact d'arc, la pastille étant arrangée pour être au contact de l'arc électrique et à en allonger la longueur. De même que la buse isolante, l'écran isolant permet de forcer encore l'allongement de l'arc électrique entre les contacts d'arc et d'augmenter la portion de l'arc en contact avec un matériau à éroder. La pastille isolante peut être réalisée en 10 matériau polymère fluoré ou copolymère fluoré. Avantageusement, la pastille isolante est réalisée en un matériau polymère fluoré pur ou copolymère fluoré pur ou en matériau comportant 70% minimum en masse de polymère fluoré. 15 De même que pour la buse isolante, un écran en polymère ou copolymère fluoré se dégradera en composants favorables au maintien d'une bonne tenue diélectrique en zone de coupure. Dans un mode particulier, la pastille copolymère de type 20 isolante est réalisé en polymère ou PTFE (TeflonM, PFA ou FEP. Dans un mode alternatif, l'écran isolant est réalisé à 70% minimum en masse de polymère fluoré auquel est ajouté au moins un matériau solide de type 25 sulfure, oxyde, nitrure ou calcium comme le MoS2, le SiO2, le BN ou le CaF2. Avantageusement, la buse isolante et le deuxième contact d'arc délimitent une chambre confinée favorisant la montée en pression et l'extinction de 30 l'arc électrique par soufflage. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le premier contact d'arc décrit ci-dessus est le contact d'arc fixe et le deuxième contact d'arc est le contact d'arc mobile, c'est-à-dire que le contact d'arc fixe est en forme de cylindre creux et le contact d'arc mobile est en forme de tige d'une dimension telle qu'il peut se loger dans une chambre interne du contact d'arc fixe. Inversement, dans un autre mode de réalisation de l'invention, le premier contact d'arc décrit ci-dessus est le contact d'arc mobile et le deuxième contact d'arc est le contact d'arc fixe, c'est-à-dire que le contact d'arc fixe est en forme de tige autour de laquelle vient se placer le contact d'arc mobile. L'invention porte encore sur un poste sous enveloppe métallique (PSEM) comportant un sectionneur tel que décrit ci-dessus. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 montre un premier mode de réalisation de sectionneur selon l'invention ; - la figure 2 montre un second mode de réalisation de sectionneur selon l'invention ; - la figure 3 montre un troisième mode de réalisation de sectionneur selon l'invention ; - les figures 4A et 4B montrent deux réalisations possibles de l'extrémité d'un contact d'arc. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 illustre un sectionneur 10 en position fermée. Le sectionneur 10 comporte deux électrodes 11 et 11' entre lesquelles se trouve une chambre de coupure 12. Le sectionneur 10 comporte un contact d'arc fixe 20, des contacts permanents fixes 21, un contact d'arc mobile 22, un contact permanent mobile 23 et une bielle isolante 27. Le sectionneur 10 comporte en outre une buse isolante 24 (ou un capot isolant 24) et un écran isolant 25 qui seront décrits en détail plus loin. Les éléments 20 à 25 sont ici coaxiaux par rapport à une direction longitudinale X. Dans l'exemple représenté, le contact d'arc fixe 20 est en forme de cylindre creux délimitant une chambre interne 26. Le contact 20 s'étend d'une surface de fond fixe 29 à une extrémité 30. La chambre 26 débouche en l'extrémité 30 par une ouverture 31. La buse isolante 24 recouvre extérieurement le contact d'arc fixe 20. La buse isolante 24 comporte une portion radiale 24a qui recouvre ici l'extrémité 30 et délimite une ouverture 32 en vis-à-vis de l'ouverture 31. Autrement dit, la buse 24 a une section en forme de U au travers de laquelle une ouverture 32 est ménagée. Un volume annulaire 13 qui est une partie de la chambre de coupure 12, est délimité entre l'électrode 11 et la buse 24. Le contact permanent mobile 23 est une pièce conductrice ici de forme cylindrique. Le contact 23 est monté sur la bielle isolante 27, elle-même reliée à un système de commande en ouverture et fermeture (non représenté) du sectionneur 10. Le contact 23 présente une paroi intermédiaire 23a sur laquelle est monté le contact d'arc mobile 22 (décrit ci-après). Le contact 23 comporte une extrémité 23b cylindrique creuse. Lorsque le sectionneur 10 est en position fermée, l'extrémité 23b est destinée à venir se loger dans le volume 13 en enveloppant la buse 24 et en étant en liaison électrique avec les contacts permanents 21. Le contact d'arc mobile 22 est ici un pion de forme globalement allongée, évasé en son extrémité 22a opposée à la paroi 23a. Le contact 22 comporte un logement 33 sur une partie de sa longueur depuis l'extrémité 22a. L'écran isolant 25 est ici une fiche de forme générale allongée. L'écran 25 comporte une tige 25a et une pastille d'extrémité 25b. La pastille 25b est transversale à la tige 25a de sorte que l'écran a une section en T. Ici, la tige 25a est prévue pour être logée complètement dans le logement 33. La pastille 25b est de forme globalement circulaire et est prévue pour venir à plat contre l'extrémité 22a du contact d'arc mobile 22. Le diamètre externe maximal de la pastille 25b et celui du contact d'arc mobile 22 sont inférieurs au diamètre de l'ouverture 32. En revanche, le diamètre externe de l'extrémité 22a du contact 22 est supérieur au diamètre interne de l'ouverture 31. Ainsi, lors de l'insertion du contact d'arc 22 dans la chambre 26 ou lors de sa sortie de la chambre 26, un effort de friction est généré au niveau de l'ouverture 31. Ce contact entre le contact 20 et le contact 22 permet le passage du courant. Le contact d'arc mobile 22 est ici ouvragé en son extrémité 22a lui conférant une propriété élastique. L'extrémité 22a comporte par exemple mais non limitativement des fentes non représentées. Les matériaux de la buse isolante 24 et de l'écran isolant 25 sont choisis parmi les polymères ou copolymères fluorés comme par exemple le PTFE (TeflonED), le PFA, le FEP et peuvent être additionnés d'un ou plusieurs matériaux minoritaires comme du MoS2, du Si02, du BN, du CaF2, etc. A titre d'exemple, la vaporisation du PTFE est augmentée par la présence de la charge de Si02 et une partie de ces matériaux se recombine sous la forme de CF4, gaz ayant de bonnes propriétés d'extinction de l'arc, selon la formule suivante : (C2F4)n + Si02 + énergie H> CF4 + CO2 + Si. En position fermée du sectionneur 10, l'extrémité 22a du contact 22 et la pastille 25b de l'écran 25 sont logés dans la chambre 26. En position ouverte, l'extrémité 22a et 30 l'extrémité 30 se trouvent dans la chambre de coupure 12 à une distance l'une de l'autre suffisante pour que dans le cas où l'arc est éteint, il ne se rétablisse pas dans les conditions de tenue en coupure dictées par la nouvelle norme. Lors d'une manoeuvre d'ouverture du 5 sectionneur 10, les contacts permanents 21 et 23 se séparent en premier. Le courant passe alors par les contacts d'arc 20 et 22. Le sectionneur 10 continue de s'ouvrir sous l'action de la bielle isolante 27. Lors de la perte de contact entre les contacts 20 et 22, un 10 arc électrique se crée entre ceux-ci. Le contact d'arc mobile 22 continue alors son mouvement de retrait solidairement à la pièce 23 jusqu'à ce que le sectionneur 10 atteigne sa position ouverte. Dans le mode de réalisation représenté en 15 figure 1, le chemin de l'arc électrique est perturbé pas la buse 24 et l'écran 25 qui forment des chicanes. Le chemin minimum que l'arc peut parcourir est supérieur à la distance en ligne directe entre le contact 20 et le contact 22. L'arc est ainsi forcé à 20 longer un matériau isolant sur une partie de sa longueur. La nature des matériaux composant la buse isolante 24 et l'écran isolant 25 et les charges que contiennent les matériaux vont favoriser leur ablation par l'arc. L'utilisation de la chaleur latente de 25 changement d'état lors de la vaporisation des matériaux a pour effet de refroidir l'arc électrique et donc de favoriser son extinction. En outre, la création de nouvelles espèces chimiques sous forme de vapeur, parmi lesquels des espèces riches en fluor, favorise la tenue 30 diélectrique dans la zone de coupure après extinction de l'arc. Par ailleurs, la disposition des éléments isolants 24 et 25 et des contacts d'arc 20 et 22 permet la création d'un volume confiné 26' (ou chambre confinée) dont la pression interne va augmenter par l'échauffement de l'arc mais aussi par les effets d'ablation des isolants décrits ci-dessus vaporisation et création d'espèces fluorées. Ici, ce volume confiné 26' est la partie de la chambre 26 située entre l'écran 25 et la surface de fond 29 du contact d'arc fixe. La surpression ainsi créée a pour effet un écoulement de gaz vers la zone située entre les contacts 20 et 22 lors de la manoeuvre d'ouverture, favorisant ainsi encore la tenue diélectrique juste après le passage par zéro du courant, favorisant ainsi la coupure. Un volume confiné 26' moindre permet une meilleure montée en pression lors de la manoeuvre d'ouverture, de manière favorable à l'extinction de l'arc. La figure 2 illustre un deuxième 20 sectionneur 110 dont les organes semblables aux organes du sectionneur 10 portent les mêmes références et ne sont pas décrits de nouveau. Le sectionneur 110 comporte un contact d'arc fixe 120, un contact d'arc mobile 122 et une buse isolante 124 qui diffèrent des 25 éléments décrits ci-dessus. Le contact d'arc fixe 120 est de forme globalement similaire au contact 20, c'est-à-dire qu'il s'étend d'une surface de fond 129 à une extrémité opposée 130 et délimite une chambre 126. Le contact 120 30 comporte des doigts 128 et est de forme générale cylindrique dans le sens longitudinal. Le contact d'arc mobile 122 est ici de forme cylindrique et comporte une extrémité hémisphérique 122a de rayon donné R (voir figure 4A). Alternativement, l'extrémité hémisphérique 122a peut être remplacée par une extrémité de forme différente. Une variante avantageuse en forme d'ogive 122b, non limitative, de l'extrémité 122a est par exemple représentée en section longitudinale en figure 4B. Cette extrémité 122b comporte un profil externe à trois portions courbes Al, A2 et A3. Deux portions successives Al, A2 et A2, A3 sont tangentes entre elles pour faciliter la pénétration du contact dans le contact d'arc fixe 120. Les portions Al, A2 et A3 ont des rayons de courbure R1, R2 et R3 de centre géométrique respectif 01, 02 et 03. Le rayon de courbure R3 de la portion d'extrémité est inférieur au rayon R2, lui-même inférieur au rayon Rl. Alternativement, le nombre de rayons diffère de trois ou l'extrémité du contact 122 a une forme encore différente. Dans ce mode de réalisation, le contact d'arc mobile 122 ne porte pas en son extrémité 122a d'écran isolant du type de l'écran 25 même si son ajout est envisageable et confèrerait au contact d'arc mobile 122 les mêmes avantages que ceux décrits en référence à la figure 1. Toutefois, la buse isolante 124 est d'épaisseur supérieure à la buse 24. Plus précisément, une partie 124a de la buse 124 enveloppant le contact 120 au-delà de l'extrémité 130 est longitudinalement plus épaisse que la partie 24a afin d'obtenir les mêmes effets de refroidissement de la zone de coupure et de maintien de tenue diélectrique par création d'espèces fluorées et par vaporisation de celles-ci. La figure 3 illustre un troisième sectionneur 210 dont les organes semblables aux organes 5 du sectionneur 10 portent sur les mêmes références et ne sont pas redécrits. Le sectionneur 210 comporte un contact d'arc mobile 220, un contact d'arc fixe 222 et une buse isolante 224. 10 Le contact d'arc mobile 220 s'étend d'une surface de fond 229 située sur la paroi intermédiaire 23a, jusqu'à une extrémité opposée 230. Le contact d'arc mobile 220 est par ailleurs de forme similaire au contact d'arc fixe 120. Le contact 220 délimite une 15 chambre 226. Le contact 220 comporte des doigts 228 et est de forme générale cylindrique dans le sens longitudinal. Le contact d'arc fixe 222 est ici de forme cylindrique et comporte une extrémité hémisphérique 20 222a. Comme dans le mode de réalisation décrit en référence à la figure 2, le contact d'arc fixe 222 ne porte pas d'écran isolant du type de l'écran 25 même si son ajout est envisageable (variante non représentée) et conférerait au contact d'arc fixe 222 les mêmes 25 avantages que ceux décrits plus haut. La buse isolante 224 est ici de forme similaire à la buse 124. Plus précisément, une partie 224a de la buse 224 enveloppant le contact d'arc mobile 220 au-delà de l'extrémité 230 est longitudinalement plus épaisse que la partie 24a 30 afin d'obtenir les mêmes effets de refroidissement de la zone de coupure et de maintien de tenue diélectrique par création d'espèces fluorées et par vaporisation de celles-ci. Alternativement, mais non limitativement, l'extrémité hémisphérique 222a peut avantageusement être remplacée par une extrémité de profil semblable ou identique à l'extrémité 122b pour faciliter la pénétration du contact dans le contact d'arc mobile 220. L'invention vise par ailleurs à couvrir un poste sous enveloppe métallique (PSEM) comportant un 10 sectionneur tel que décrit précédemment. D'autres variantes structurelles non représentées des modes de réalisation décrits sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Sectionneur comportant un contact d'arc fixe (20 ; 120 ; 222) et un contact d'arc mobile (22 ; 122 ; 220), une buse isolante (24 ; 124 ; 224) enveloppant une partie d'un premier contact d'arc (20 ; 120 ; 220) parmi le contact d'arc fixe (20 ; 120 ; 222) et le contact d'arc mobile (22 ; 122 ; 220) de manière à ce que, lorsqu'un arc électrique se forme lors d'une manoeuvre d'ouverture ou de fermeture du sectionneur, la buse isolante (24 ; 124 ; 224) soit au contact de l'arc électrique et subisse une ablation par l'arc électrique. 2. Sectionneur selon la revendication précédente, le premier contact d'arc (20 ; 120 ; 220) étant de forme cylindrique creuse et comportant un fond (29 ; 129 ; 229), une portion tubulaire et une extrémité (30 ; 130 ; 230) opposée au fond, la buse isolante (24 ; 124 ; 224) enveloppant au moins une partie de la portion tubulaire et comportant une portion radiale (24a ; 124a ; 224a) disposée en vis-à-vis de ladite extrémité (30 ; 130 ; 230) du premier contact d'arc (20 ; 120 ; 220). 3. Sectionneur selon la revendication précédente, la buse isolante (24 ; 124 ; 224) ayant une section en forme de U au travers duquel est ménagée une ouverture (32), le deuxième contact d'arc (22 ; 122 ; 222) étant prévu pour être disposé au moins en partie dans une chambre interne (26 ; 126 ; 226) du premier contact d'arc (20 ; 120 ; 220) dans une position ferméedu sectionneur et pour être disposé en dehors de la chambre interne (26 ; 126 ; 226) dans une position ouverte du sectionneur), le deuxième contact franchissant l'ouverture (32) lorsque le sectionneur est manoeuvré depuis l'une vers l'autre de ses positions ouverte et fermée. 4. Sectionneur selon l'une des revendications précédentes, la buse isolante (24 ; 124 ; 224) étant réalisée en matériau polymère fluoré pur ou copolymère fluoré pur ou en matériau comportant 70% minimum en masse de polymère fluoré. 5. Sectionneur selon la revendication 15 précédente, la buse isolante (24 ; 124 ; 224) étant réalisée à 70% minimum en masse en polymère fluoré auquel est ajouté au moins une charge solide d'oxyde, de sulfure, de nitrure ou de calcium, par exemple de type MoS2, SiO2, BN ou CaF2. 20 6. Sectionneur selon l'une des revendications précédentes, un écran (25) étant monté sur le deuxième contact d'arc (22), une pastille isolante (25b) de l'écran (25) étant montée contre une 25 extrémité (22a) du deuxième contact d'arc (22) disposée du côté du premier contact d'arc, la pastille isolante (25b) étant arrangée pour être au contact de l'arc électrique et à en allonger la longueur. 30 7. Sectionneur selon la revendication 6, la pastille isolante (25b) étant réalisée en unmatériau polymère fluoré pur ou copolymère fluoré pur ou en un matériau comportant 70% minimum en masse de polymère fluoré. 8. Sectionneur selon la revendication précédente, la pastille isolante (25b) étant réalisée à 70% minimum en masse en polymère fluoré auquel est ajouté au moins une charge solide d'oxyde, de sulfure, de nitrure ou de calcium ou un matériau de type MoS2 ou Si02 ou BN ou CaF2. 9. Sectionneur selon l'une des revendications précédentes, la buse isolante (24 ; 124 ; 224) et le deuxième contact d'arc (22 ; 122 ; 222) délimitant une chambre confinée (26') arrangée pour favoriser la montée en pression et l'extinction de l'arc électrique par soufflage. 10. Sectionneur selon l'une des revendications 1 à 9, le premier contact d'arc (20 ; 120) étant le contact d'arc fixe, le deuxième contact d'arc (22 ; 122) étant le contact d'arc mobile. 11. Sectionneur selon l'une des revendications 1 à 9, le premier contact d'arc (220) étant le contact d'arc mobile, le deuxième contact d'arc (222) étant le contact d'arc fixe. 12. Poste sous enveloppe métallique comportant un sectionneur selon l'une des revendications précédentes.