Brevet FR3027728A1 — publié le 20160429

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne le domaine des dispositifs de coupure d'arcs électriques. Lors d'une manoeuvre de coupure, un arc électrique nait entre les contacts électriques. Cet arc crée une force contre-électromotrice dans le réseau qui tend à s'opposer à la source du réseau. Dans un réseau à courant alternatif, l'intensité du courant aux bornes de l'appareillage de coupure passe périodiquement par zéro. Par exemple, ces passages de l'intensité par zéro s'effectuent toutes les 10ms sur un réseau 50Hz. Lorsque le courant passe par zéro, l'arc conducteur refroidit brutalement et les ions du plasma de l'arc se recombinent alors. Cette recombinaison s'opère plus ou moins rapidement suivant la technique de coupure (fractionnement ou allongement), le degré de pollution et le type de plasma. Cette recombinaison permet à la coupure de résister à la tension réseau encore présente à ses bornes. Si tel n'est pas le cas, un claquage diélectrique réamorce un arc dans la coupure, jusqu'au prochain passage du courant par zéro. Une tension d'arc supérieure à la tension réseau permet de démarrer ce phénomène de recombinaison diélectrique plus tôt que le passage naturel du courant par zéro, ce qui augmente les chances de couper le courant. Toutefois, un problème se pose pour les dispositifs de coupure existants du fait de l'érosion possible des contacts électriques par l'arc électrique généré. Cette érosion peut affecter la durée de vie des dispositifs de coupure. Il existe donc un besoin pour disposer de nouveaux dispositifs de coupure à durée de vie améliorée dans lesquels l'érosion des contacts due à l'arc électrique est limitée.35 Objet et résumé de l'invention A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un dispositif de coupure d'arc électrique comportant : - une zone de contact dans laquelle sont présents au moins un contact fixe et au moins un contact mobile par rapport au contact fixe, les contacts pouvant être mis en contact et séparés l'un de l'autre, et - une corne d'arc présente en regard du contact fixe, la hauteur de la corne d'arc étant supérieure ou égale à la hauteur du contact fixe et la corne d'arc présentant une portion de commutation d'arc rabattue s'étendant dans une direction opposée au contact fixe. Du fait de la présence d'une portion de commutation rabattue, la corne d'arc permet de repousser l'arc dans le fond du dispositif de coupure, d'améliorer son fractionnement et d'éloigner l'arc du contact fixe. Le déplacement de l'arc du contact fixe vers la corne d'arc permet aussi de réduire l'érosion du contact fixe du fait d'un contact limité entre l'arc électrique et le contact fixe, ce qui permet d'améliorer la durée de vie du dispositif de coupure. La portion de commutation d'arc constitue un élément sacrificiel qui va être consommé par l'arc à la place du contact fixe permettant ainsi d'améliorer la durée de vie du contact fixe et donc d'augmenter la durée de vie du dispositif de coupure. Dans un exemple de réalisation, le matériau formant la portion de commutation d'arc peut avoir une température de changement d'état supérieure à la température de changement d'état du matériau formant le contact fixe. C'est le cas par exemple lorsque la corne d'arc est en acier et le contact fixe en cuivre. Ainsi, le matériau formant la portion de commutation d'arc peut avoir une température de fusion, respectivement de vaporisation, supérieure à la température de fusion, respectivement de vaporisation, du matériau formant le contact fixe. La mise en oeuvre d'une telle corne d'arc est avantageuse afin de réduire l'érosion due à l'arc du contact fixe et de la corne d'arc puisque celle-ci est faite d'un matériau résistant à l'érosion due à l'arc. Une telle configuration permet, par conséquent, d'encore plus rallonger la durée de vie du dispositif de coupure. 3 02 7 72 8 3 Dans un exemple de réalisation, le dispositif de coupure peut être présent dans un boitier, la corne d'arc ayant une largeur égale à la largeur interne dudit boitier. La mise en oeuvre d'une telle corne d'arc permet de réduire, 5 voire d'éviter, son contournement latéral par les gaz de plasma. Ce faisant, elle permet de rallonger le chemin parcouru par les gaz et ainsi de mieux refroidir ces derniers avant leur évacuation à l'extérieur du dispositif de coupure. Une telle configuration permet avantageusement de minimiser les potentiels amorçages à l'extérieur du dispositif de coupure. 10 Dans un exemple de réalisation, le dispositif de coupure peut, en outre, comporter une chambre de coupure comportant un empilement de tôles de fractionnement d'arc électrique présent en regard de la corne d'arc. Un tel dispositif permet d'améliorer encore le pouvoir de 15 coupure du dispositif et ainsi de limiter encore plus l'érosion des contacts électriques due à l'arc. En variante, le dispositif de coupure peut être dépourvu d'un empilement de tôles de fractionnement d'arc électrique. Un tel dispositif permet avantageusement de disposer d'une 20 solution de coupure d'arc électrique simple et peu coûteuse. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront 25 de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - les figures 1 à 3 représentent un premier exemple de dispositif de coupure selon l'invention, 30 - la figure 4 représente un détail du dispositif de coupure illustré aux figures 1 à 3, - les figures 5 à 8 représentent l'évolution d'un arc électrique dans le dispositif de coupure des figures 1 à 3, et - la figure 9 représente une variante de dispositif de coupure 35 selon l'invention. 302 7 72 8 4 Description détaillée de modes de réalisation La figure 1 représente un exemple de dispositif de coupure d'arc électrique 1 selon l'invention. Le dispositif de coupure illustré permet 5 de réaliser une coupure d'arc électrique dans l'air. Le dispositif de coupure 1 comporte une zone de contact 2 dans laquelle sont présents au moins un contact fixe 3 et au moins un contact 4 mobile par rapport au contact fixe 3. Les contacts 3 et 4 peuvent être mis en contact et séparés l'un de l'autre, le contact mobile 4 étant configuré dans l'exemple illustré pour 10 effectuer un mouvement de rotation autour d'un axe de rotation lorsque les contacts sont séparés. La tête de contact 3 et le support fixe 15 forment un sous-ensemble fixe permettant le raccordement du dispositif de coupure 1 dans une installation électrique. La tête de contact 3 peut être formée d'un matériau métallique, par exemple de cuivre. Lorsque le 15 contact mobile 4 est en contact avec la tête de contact 3 un courant peut circuler entre ces éléments. Lorsque le contact mobile 4 est séparé de la tête de contact 3 un courant ne peut circuler entre ces éléments. Le dispositif de coupure illustré est un dispositif de coupure rotative à deux couteaux, double coupure (voir figure 2). On ne sort pas 20 du cadre de l'invention lorsque le dispositif de coupure est d'un autre type, par exemple du type simple coupure rotative à couteaux ou double coupure translative à couteaux. Le dispositif de coupure 1 comporte, en outre, une corne d'arc 10 présente en regard de la tête de contact 3 sur le support fixe 15. La 25 corne d'arc 10 est fixée au support fixe 15 par une liaison mécanique. La corne d'arc 10 comporte une patte 14 ainsi qu'une portion de commutation d'arc 12. La corne d'arc est faite d'un matériau conducteur de l'électricité, la corne d'arc 10 pouvant par exemple être formée d'un matériau métallique, par exemple d'acier. La patte 14 est dans l'exemple 30 illustré en contact avec le support fixe 15 mais on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque la corne d'arc 10 n'est pas en contact avec le support fixe 15 mais est fixée au boitier constituant l'enveloppe extérieure du dispositif de coupure. Dans ce dernier cas, la distance séparant la corne d'arc 10 du support fixe 15 peut, par exemple, être inférieure ou égale à 1 35 mm. Un arc électrique généré à partir du contact mobile 4 est destiné à se 302 7 72 8 5 déplacer sur la portion de commutation d'arc 12 comme cela va être détaillé plus bas. Comme illustré, la hauteur hc de la corne d'arc 10, correspondant à la hauteur à laquelle l'extrémité 13 de la portion de 5 commutation d'arc 12 est présente, est supérieure à la hauteur ht de la tête de contact 3. La portion de commutation d'arc 12 est rabattue et s'étend dans une direction opposée au contact fixe 3 (i.e. s'étend en s'éloignant du contact fixe 3). La portion de commutation 12 forme, comme illustré, un coude 12a. La hauteur hc de la corne d'arc 10 ainsi que 10 la hauteur h' à laquelle est présent le coude 12a sont, dans l'exemple illustré, supérieures à la hauteur ht de la tête de contact 3. Les hauteurs hc, h' et ht sont mesurées à partir de la surface S du support fixe 15 en regard duquel la corne d'arc 10 est présente et perpendiculairement à cette surface S. 15 Le dispositif de coupure 1 est présent dans un boitier 35. Dans l'exemple illustré, le boitier correspond à la réunion de deux demi-boitiers (voir figures 2 et 3). Le demi-boitier forme avec l'autre demi-boitier (non représenté), l'enveloppe extérieure du dispositif de coupure. Cette enveloppe permet la fixation du dispositif de coupure dans l'installation 20 électrique. La corne d'arc 10 a une largeur égale à la largeur interne du boitier 35 pour réduire, voire empêcher, le contournement latéral de ladite corne d'arc 10 par les gaz de plasma. La figure 4 montre la corne d'arc et illustre le fait que celle-ci présente une largeur suffisante pour limiter son contournement latéral par les gaz. La largeur L de la corne d'arc 10 25 correspond à sa plus grande dimension mesurée perpendiculairement à sa hauteur. Le dispositif de coupure 1 comporte, en outre, dans l'exemple illustré à la figure 1 une chambre de coupure 20 comportant un empilement de tôles de fractionnement 21. Les tôles de fractionnement 21 30 d'arc électrique sont montées sur un support de tôles 22 (voir figure 3). Le montage des tôles de fractionnement 21 sur le support de tôles 22 permet de former une chambre de coupure 20 rigide. Les tôles de fractionnement 21 sont par exemple en acier doux. Le support de tôles 22 peut, par exemple, être en carton vulcanisé. Les tôles de fractionnement peuvent en 35 variante être directement montées sur le boitier constituant l'enveloppe extérieure du dispositif de coupure. La chambre de coupure 20 illustrée comporte une pluralité de tôles de fractionnement 21 empilées, par exemple au moins trois tôles de fractionnement 21 empilées, par exemple au moins cinq tôles de fractionnement 21 empilées. Les tôles de fractionnement peuvent par exemple avoir une forme en V ou en U lorsqu'elles sont observées dans une direction perpendiculaire à leur plan d'élongation. Comme illustré à la figure 1 notamment, un arc électrique 30 est formé après ouverture des contacts 3 et 4. L'arc 30 naît à l'endroit du dernier contact électrique. Cet arc 30 est soumis à la force de Laplace induite par la circulation du courant, cette circulation est matérialisée par les courbes 31. L'arc 30 se trouve dans une boucle de courant et les forces Laplace qui s'exercent sur cette boucle tendent à ouvrir la boucle. Cet effet est couramment nommé effet de boucle. La force de Laplace s'appliquant sur l'arc 30 tend à pousser l'arc 30 vers le fond du dispositif de coupure 1. Nous allons à présent décrire l'évolution de l'arc 30 généré entre les contacts 3 et 4. Les contacts continuent leur mouvement d'ouverture. L'arc 30 se déplace alors jusqu'à l'extrémité 3a de la tête de contact 3 et jusqu'à l'extrémité 4a du contact mobile 4 (voir figure 5). Le plasma issu de l'arc refroidi peut suivre un chemin prédéterminé matérialisé par les flèches 32. Du fait de la mise en oeuvre d'une corne d'arc 10 de largeur suffisante, les gaz parcourent un chemin plus long et sont donc mieux refroidis avant leur évacuation à l'extérieur du dispositif de coupure. Cela peut avantageusement permettre de minimiser les potentiels amorçages à l'extérieur du dispositif de coupure. La majorité du volume de ces gaz de plasma est déviée vers un orifice d'échappement 40 et circule dans le volume délimité par la portion de commutation 12 et la tôle de fractionnement la plus proche de cette portion. Ces gaz permettent au milieu proche de la corne d'arc d'être dans des conditions plus optimales de claquage diélectrique (la rigidité diélectrique décroit quand la température augmente). Les contacts continuent leur mouvement d'ouverture. L'arc en bout de tête de contact (configuration P1 schématisée à la figure 6) commute alors sur la portion de commutation 12 de la corne d'arc 10 (configuration P2) car sa longueur est plus courte après commutation. Une telle commutation peut s'expliquer par le fait qu'il est préférable pour l'arc électrique de s'étendre selon un chemin le moins « impédant » que possible, correspondant ici à un chemin ayant la plus courte longueur que possible. Cette commutation résulte d'un phénomène de claquage diélectrique. En outre, l'arc dans la configuration P1, subit aussi l'effet de boucle de la circulation du courant qui tend à le déformer et à lui donner une forme recourbée (voir configuration P' en pointillés à la figure 6). Cette déformation permet de faciliter encore plus la commutation de l'arc sur la corne d'arc. Dans l'exemple illustré où il y a rotation du contact mobile 4 lors de l'ouverture des contacts, l'arc se déplace radialement lors de la commutation sur la corne d'arc c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe de rotation du contact mobile. Après commutation, le pied d'arc côté corne d'arc voit une force de Laplace (flèche indiquée à la figure 6) due à l'effet de boucle (circulation du courant 31), qui le pousse vers le fond du dispositif de coupure. Ce faisant, le pied d'arc, du fait de sa très forte température, érode la portion de commutation 12. Ainsi, la portion de commutation 12 constitue une partie sacrificielle du dispositif de coupure laquelle va être consommée à la place du contact fixe 3. Cela permet de rallonger la durée pendant laquelle les contacts du dispositif de coupure peuvent être utilisés et ainsi d'améliorer la durée de vie du dispositif de coupure. Les contacts continuent toujours leur mouvement d'ouverture. L'arc pénètre dans la chambre de coupure et se fractionne. Ce faisant, il maintient un certain niveau de tension fixe (chutes de tension cathodique et anodique au niveau des différents pieds d'arc) et se refroidit (échange entre l'arc et les tôles de fractionnement ce qui augmente l'impédance). Après ouverture complète des contacts, l'arc est totalement fractionné dans la chambre de coupure (voir figures 7 et 8). Ce principe de coupure peut aussi être décliné sans tôles de fractionnement, ce qui permet une simplification du dispositif de coupure 50, comme illustré à la figure 9. La commutation de l'arc de la tête de contact 3 sur la corne d'arc 10 se réalise comme avec la chambre de coupure. Après commutation, l'arc ne se stabilise plus dans la chambre de coupure, mais s'allonge jusqu'au fond du dispositif de coupure 50. Cet allongement résulte des efforts de Laplace conséquence de l'effet de boucle. L'allongement permet à l'arc d'augmenter son impédance. L'arc s'allonge le long de la paroi interne du boitier, ce qui tend à refroidir l'arc et aussi à augmenter son impédance. Le pied d'arc se stabilise au niveau de l'extrémité de la portion de commutation 12, cette zone étant une zone sacrificielle comme décrit précédemment. Les dispositifs de coupure selon l'invention peuvent être utilisés pour réaliser la coupure d'un courant continu (« DC ») ou alternatif (« AC »). Les dispositifs de coupure selon l'invention peuvent être employés dans le domaine de la basse tension (U_AC1000V et U_DC. 1500V). L'expression « comportant/contenant/comprenant un(e) » doit se comprendre comme « comportant/contenant/comprenant au moins un(e) ». L'expression « compris(e) entre ... et ... » ou « allant de ... à » doit se comprendre comme incluant les bornes. REVENDICATIONS1. Dispositif de coupure d'arc électrique (1; 50) comportant : une zone de contact (2) dans laquelle sont présents au moins un contact fixe (3) et au moins un contact (4) mobile par rapport au contact fixe (3), les contacts (3 ; 4) pouvant être mis en contact et séparés l'un de l'autre, et - une corne d'arc (10) présente en regard du contact fixe (3), la hauteur hc de la corne d'arc (10) étant supérieure ou égale à la hauteur ht du contact fixe (3) et la corne d'arc (10) présentant une portion de commutation d'arc (12) rabattue s'étendant dans une direction opposée au contact fixe (3). 2. Dispositif (1; 50) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est présent dans un boitier, la corne d'arc (10) ayant une largeur L égale à la largeur interne dudit boitier. 3. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une chambre de coupure (20) comportant un empilement de tôles de fractionnement (21) d'arc électrique présent en regard de la corne d'arc (10). 4. Dispositif (50) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est dépourvu d'un empilement de tôles de fractionnement d'arc électrique. 5. Dispositif (1; 50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau formant la portion de commutation d'arc (12) a une température de changement d'état supérieure à la température de changement d'état du matériau formant le contact fixe (3).