Brevet FR3030106A1 — publié le 20160617

DISPOSITIF DE COUPURE ELECTRIQUE HAUTE TENSION A AUTOSOUFFLAGE OPTIMISE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne les disjoncteurs isolés au gaz à autosoufflage destinés à des applications de hautes tensions électriques de l'ordre de 72,5 kV à 12000Kv, de tels disjoncteurs étant typiquement du type dit à arc tournant. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Un disjoncteur à arc tournant isolé au gaz comprend un premier contact et un second contact qui est mobile en translation, tous deux tubulaires et qui s'étendent dans le prolongement l'un de l'autre, ainsi qu'un inducteur situés dans une chambre de coupure contenant un gaz isolant tel que du SF6. Dans un tel disjoncteur, lorsqu'un arc électrique s'établit entre les contacts lors de leur séparation durant l'ouverture du disjoncteur, le champ magnétique généré par l'inducteur donne lieu à des forces de Lorentz agissant sur l'arc pour le faire tourner autour de l'axe du disjoncteur afin de favoriser son extinction. Pour favoriser encore l'extinction de l'arc, notamment en cas d'application à fort courant, le disjoncteur est pourvu de moyens dits d'auto soufflage de l'arc. Ce soufflage est obtenu par une montée en pression du gaz isolant situé dans un volume fermé entourant les contacts d'arc en début 3030106 2 d'ouverture, suivie d'un écoulement de ce gaz qui passe dans les contacts tubulaires espacés l'un de l'autre lorsque la valeur instantanée du courant alternatif s'approche de zéro. 5 La montée en pression du gaz est néanmoins pénalisée par le fait que dès le début de l'ouverture du disjoncteur, ce gaz commence à s'écouler dans les contacts tubulaires. Autrement dit, le volume entourant les contacts et dans lequel le gaz se pressurise sous 10 l'effet de l'échauffement généré par l'arc, s'ouvre en fait rapidement par l'écartement des contacts, ce qui atténue significativement sa montée en pression. Comme on le comprend, le fait que la montée en pression est limitée, limite par conséquent le 15 soufflage, et par suite le pouvoir d'extinction de l'arc électrique du disjoncteur. Le but de l'invention est de proposer une solution permettant de remédier à cet inconvénient. EXPOSÉ DE L'INVENTION 20 A cet effet, l'invention concerne un dispositif de coupure électrique à autosoufflage, tel qu'un disjoncteur ou un sectionneur, comprenant : - un premier contact et un second contact s'étendant dans le prolongement l'un de l'autre, au 25 moins l'un des contact étant déplaçable en translation par rapport à l'autre contact entre une position fermée dans laquelle les deux contacts sont en appui l'un contre l'autre et une position ouverte dans laquelle les deux contacts sont espacés l'un de l'autre ; 3030106 3 - une chambre de coupure entourant les deux contacts pour délimiter un espace fermé lorsque les contacts sont en position fermée ; - un canal central dans au moins l'un des 5 contacts, ce canal central s'ouvrant vers l'autre contact tout en étant destiné à permettre l'évacuation de gaz issus de la chambre de coupure en phase d'ouverture du dispositif ; un organe isolant porté par l'autre 10 contact et s'engageant dans le canal en position fermée, cet organe isolant s'étendant entre les deux contacts en position ouverte ; et dans lequel cet organe isolant est en un matériau qui s'ablate sous l'effet de la chaleur 15 générée par un arc s'établissant entre les contacts en phase d'ouverture, pour rendre plus importante l'augmentation de pression s'établissant dans la chambre de coupure en cas d'apparition d'un tel arc en phase d'ouverture du disjoncteur. 20 Avec cet agencement, l'organe isolant s'ablate en cas d'apparition d'un arc lors de l'ouverture, pour faire croître rapidement la pression dans la chambre de coupure, afin de favoriser une extinction rapide de l'arc. Cet organe permet en outre 25 de retarder le soufflage pour obtenir une plus forte augmentation de pression dans la chambre de coupure, ce qui contribue en outre à rendre ce soufflage plus énergique. L'invention concerne également un dispositif ainsi défini, dans lequel l'organe isolant 3030106 4 est fabriqué en un matériau de type polytétrafluoroéthylène. L'invention concerne également un dispositif ainsi défini, dans lequel l'organe isolant 5 présente une forme tubulaire pourvue de trous pour retarder l'évacuation de gaz lors de l'ouverture du dispositif. L'invention concerne également un dispositif ainsi défini, dans lequel les contacts 10 comportent chacun un canal central et ont tous deux un corps tubulaire. L'invention concerne également un dispositif ainsi défini, dans lequel l'organe isolant comporte une paroi centrale fermant la communication 15 entre ses extrémités. L'invention concerne également un dispositif ainsi défini, dans lequel l'organe isolant présente une longueur suffisante pour conserver une extrémité engagée dans le second contact y compris en 20 position ouverte. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue partielle en coupe du disjoncteur selon l'invention lorsqu'il est fermé ; 25 La figure 2 est une vue partielle en coupe d'une partie du disjoncteur selon l'invention lorsqu'il est ouvert. 3030106 5 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'idée à la base de l'invention est d'utiliser un matériau qui s'ablate sous l'effet de la chaleur générée par un arc électrique, c'est-à-dire qui 5 se sublime sous l'effet de cette chaleur pour provoquer une montée en pression rapide et importante au sein de la chambre de coupure afin de favoriser l'extinction de l'arc. Le disjoncteur selon l'invention 1 qui 10 représenté dans les figures 1 et 2 comporte un corps principal 2, à l'intérieur duquel sont montés un premier contact 3 qui est ici fixe et un deuxième contact 4 qui est ici mobile, ces contacts s'étendant dans le prolongement l'un de l'autre. 15 En variante, le premier contact 3 peut aussi être mobile, selon le même axe que le contact 4, et dans le sens opposé au contact 4, ces deux contacts s'étendant dans le prolongement l'un de l'autre. Le corps principal 2 a une forme de 20 révolution autour d'un axe longitudinal AX du disjoncteur, et le premier contact 3 ainsi que le second contact 4 sont aussi des éléments creux ayant des formes de révolution et qui sont coaxiaux avec l'axe longitudinal AX. 25 Le second contact 4 est déplaçable en translation le long de l'axe longitudinal AX entre une position électriquement fermée comme dans la figure 1 et une position électriquement ouverte comme dans la figure 2. 30 Dans la position électriquement fermée qui correspond à la configuration de la figure 1, le second 3030106 6 contact 4 a son extrémité ou touche 7 qui est en appui et en contact avec l'extrémité ou touche 6 du premier contact 3. Le courant peut ainsi traverser le premier et le second contact. 5 Dans la position électriquement ouverte, le second contact 4 a au contraire sa touche 7 espacée de la touche 6 du premier contact, de sorte que le disjoncteur 1 ne peut plus être traversé par un courant électrique. 10 D'une manière générale, ce disjoncteur est rempli de gaz diélectrique tel que du SF6, pour améliorer sa tenue électrique et son pouvoir de coupure. A cet effet, le corps principal 2 comporte 15 dans sa région intérieure deux parois de séparation en forme de couronnes d'orientation normale à l'axe AX, repérées par 8 et 9, et qui entourent respectivement le premier contact 3 et le second contact 4 pour délimiter une chambre de coupure 11. 20 Chaque paroi présente ainsi un diamètre externe correspondant au diamètre interne du corps 2, et un diamètre interne correspondant au diamètre externe du premier contact 3 et du second contact 4. Lorsque le disjoncteur est fermé comme dans la figure 25 1, la chambre de coupure 11 est un espace annulaire entourant les contacts 3 et 4, et qui contient du gaz isolant. Chaque contact 3, 4 comporte un corps tubulaire ayant une extrémité de contact resserrée, 30 portant une touche 6, 7 en forme de couronne, et délimitant une ouverture de diamètre inférieur à celui 3030106 7 du corps tubulaire. Chaque contact creux 3, 4 comporte ainsi un canal central, ces canaux étant repérés respectivement par 12 et 13. Comme visible dans les figures, le premier 5 contact 3 porte un organe isolant 14 qui est engagé dans l'ouverture de son extrémité en y étant rigidement fixé, et qui est également engagé dans l'ouverture de l'extrémité du second contact sans y être solidarisée. L'organe 14 est un élément isolant fabriqué 10 dans un matériau qui s'ablate sous l'effet de la chaleur, en particulier en cas d'apparition d'un arc électrique pour provoquer une montée rapide de la pression au voisinage de l'arc. Cet organe est par exemple fabriqué en PTFE, c'est-à-dire en 15 Polytétrafluoroéthylène. Cet organe isolant 14 a une forme générale tubulaire, son diamètre externe correspond au diamètre interne des ouvertures d'extrémité des contacts 3 et 4. Ainsi, lorsque le second contact 4 est déplacé le long 20 de l'axe AX, il coulisse autour de cet organe isolant 14 pour découvrir sa surface extérieure. Cet organe isolant comporte au niveau de son extrémité située dans le premier contact 3 une collerette 16 formant évasement, qui est en appui sur 25 la face interne de la restriction de l'extrémité du premier contact. La fixation de l'organe isolant 14 au premier contact 3 est assurée par exemple par des vis 17 traversant chacune la collerette 16 pour se visser dans la restriction d'extrémité. 30 Le corps de l'organe 14 comprend encore une paroi centrale 15, optionnelle, normale à l'axe 3030106 8 longitudinal AX, et qui sépare en deux moitiés le canal interne que délimite le corps tubulaire de cet organe 14, de sorte que ces deux moitiés ne communiquent pas l'une avec l'autre. 5 Complémentairement, l'organe 14 comporte des perçages 18, 19 traversant radialement la paroi de son corps tubulaire de façon à mettre en communication la chambre de coupure 11, située autour de l'organe 14, avec les canaux 12 et 13, situés à chaque extrémité de 10 l'organe 14, pour évacuer le gaz isolant durant l'ouverture du disjoncteur. Grâce à l'organe 14, le soufflage du gaz isolant présent dans la chambre de coupure 11 pendant 15 l'ouverture du disjoncteur, est optimisé afin de favoriser l'extinction d'un arc se formant entre les contacts. Plus particulièrement, lors de l'ouverture 20 des contacts alors que le disjoncteur est sous tension, le second contact 4 est déplacé pour s'écarter du premier contact 3, ce qui découvre également l'organe 14. Ce déplacement donne lieu à la formation d'un arc électrique, repéré par A dans la figure 2, qui 25 s'établit entre les touches 6 et 7, en s'étendant longitudinalement, c'est-à-dire à peu près parallèlement à l'axe AX. L'organe 14 a ainsi sa face externe découverte et au voisinage de l'arc électrique se formant entre les deux contacts. 30 Cet arc provoque un échauffement dans son voisinage, ce de sorte que la pression du gaz augmente 3030106 9 dans la chambre 11. Grâce au choix d'un organe 14 fabriqué dans un matériau qui s'ablate, cette augmentation de pression est fortement accentuée : le matériau de l'organe 14 échauffé par l'arc se sublime 5 pour faire croître la pression plus rapidement. Au fur et à mesure que le second contact 4 continue de s'éloigner du premier contact, il continue de s'ablater et de faire croître significativement la pression afin de favoriser l'extinction de l'arc. 10 Durant cette progression, des trous 18, 19 de l'organe 14 continuent de se libérer pour permettre l'évacuation du gaz hors de la chambre de coupure, c'est-à-dire le soufflage. D'une manière générale, l'augmentation 15 rapide de la pression dans la chambre de coupure due à l'ablation du matériau de l'organe isolant, permet d'accroître significativement le soufflage de l'arc au voisinage du passage par zéro du courant alternatif pour favoriser l'extinction d'arc. Elle permet 20 d'accroître par là même le pouvoir de coupure du dispositif. Complémentairement, l'ouverture des contacts découvre l'organe isolant mais également ses trous pour laisser passer le gaz pressurisé afin qu'il 25 s'évacue depuis la chambre 11 vers les canaux 12 et 13. En début d'ouverture du disjoncteur, seuls quelques trous 18 et 19 sont libérés pour laisser passer le gaz, alors qu'en fin d'ouverture, tous les trous sont libérés, ce qui augmente la section de 30 passage du gaz. Ces trous permettent ainsi par eux-mêmes d'accroître l'intensité du soufflage de l'arc A, 3030106 10 ce soufflage étant par ailleurs augmenté aussi du fait de l'accroissement élevé de la pression dû à l'ablation du matériau constituant l'organe 14. Les trous 18, 19 répartis à la surface de 5 l'organe 14, le soufflage atteint son intensité maximale en fin d'ouverture lorsque l'arc A est le plus allongé, c'est-à-dire dans la phase la plus favorable à son extinction. La disposition et l'inclinaison des trous 10 18 et 19 de l'organe 14 est avantageusement optimisée pour aboutir au profil de soufflage le plus efficace de l'arc vis-à-vis de ses caractéristiques au cours de l'ouverture. Ainsi, plus les trous 18 et 19 sont proches 15 de la région centrale de l'organe 14, plus le soufflage est important en début d'ouverture. Au contraire, plus les trous 18 et 19 sont écartés de cette région centrale, plus ils favorisent un soufflage important en fin d'ouverture. 20 Complémentairement, ces trous peuvent aussi être inclinés par rapport à l'axe AX au lieu d'être orientés radialement, de manière à limiter les turbulences qu'ils introduisent afin de favoriser un soufflage intense de l'arc électrique. 25 La paroi de séparation centrale 15 de l'organe 14 permet de séparer le flux de gaz issu de la chambre 11 en une partie s'évacuant vers le canal 12 du premier contact 3, et une autre partie s'évacuant vers le canal 13 du second contact 4. 30 Dans l'exemple des figures, l'organe 14 a une longueur suffisamment importante pour que son 3030106 11 extrémité reste engagée dans le premier contact lorsque le second contact est ouvert. Mais il pourrait aussi être plus court pour que son extrémité soit écartée du second contact en fin d'ouverture, ce qui favoriserait 5 alors un fort accroissement de l'intensité du soufflage en fin d'ouverture. D'une manière générale, l'organe isolant 14 permet d'une part de faire croître plus fortement la 10 pression dans la chambre de coupure par effet d'ablation, et d'autre part de retarder et ajuster le soufflage pour en accroître l'efficacité. La pression de gaz dans la chambre 11 est ainsi plus importante et le souffle est plus énergique 15 et plus tardif, c'est-à-dire plus efficace pour éteindre l'arc. REVENDICATIONS1. Dispositif de coupure électrique (1) à autosoufflage, tel qu'un disjoncteur (1) ou un sectionneur, comprenant : un premier contact (3) et un second contact (4) s'étendant dans le prolongement l'un de l'autre, au moins l'un des contact étant déplaçable en translation par rapport à l'autre contact entre une position fermée dans laquelle les deux contacts sont en appui l'un contre l'autre et une position ouverte dans laquelle les deilx contacts sont espacés l'un de l'autre ; - une chambre de coupure (11) entourant les deux contacts pour délimiter un espace fermé lorsque 15 les contacts sont en position fermée ; - un canal central (12, 13) dans au moins l'un des contacts (3, 4), ce canal central (12, 13) s'ouvrant vers l'autre contact (3, 4) tout en étant destiné à permettre l'éVaCuation de gaz issus de la 20 chambre de coupure (11) en phase d'ouverture du dispositif ; - un organe isolant (14) porté par l'autre contact et s'engageant dans le canal (12, 13) en position fermée, cet organe isolant (14) s'étendant 25 entre les deux contacts (3, 4) en position ouverte ; et dans lequel cet organe isolant (14) est en un matériau qui s'ablate sous l'effet de la chaleur générée par un arc (A) s'établissant entre les contacts (3, 4) en phase d'ouverture, pour rendre plus 30 importante l'augmentation de pression s'établissant 3030106 13 dans la chambre de coupure (11) en cas d'apparition d'un tel arc (A) en phase d'ouverture du disjoncteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, 5 dans lequel l'organe isolant (14) est fabriqué en un matériau de type polytétrafluoroéthylène. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'organe 10 isolant (14) présente une forme tubulaire pourvue de trous pour retarder l'évacuation de gaz lors de l'ouverture du dispositif. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les contacts (3, 4) comportent chacun un canal central (12, 13) et ont tous deux un corps tubulaire. 5. Dispositif selon la revendication 4, 20 dans lequel l'organe isolant (14) comporte une paroi centrale (15) fermant la communication entre ses extrémités. 6. Dispositif selon la revendication 4, 25 dans lequel l'organe isolant (14) présente une longueur suffisante pour conserver une extrémité engagée dans le second contact (4) y compris en position ouverte.