Brevet FR3050312A1 — publié le 20171020

Disjoncteur électrique avec système de vaporisation liquide Domaine technique et état de l'art L'invention concerne un système de coupure de courant (ou disjoncteur électrique), du type comprenant une chambre de coupure. De manière connue notamment du document W02016/005435, une chambre de coupure comprend (fig. 1), dans une enceinte fermée 10, une paire de contacts d'arc 4, 5, l'un des contacts étant mobile par rapport à l'autre sous l'action d'un organe de manoeuvre 13. Les contacts se séparent en formant un arc électrique dans une zone d'arc à l'intérieur de l'enceinte. L'enceinte est remplie de gaz, classiquement du SF6 ; grâce aux propriétés diélectriques et aux propriétés d'électronégativité du gaz SF6, le milieu ionisé par l'arc électrique se formant au moment de la séparation des contacts retrouve rapidement de bonnes propriétés isolantes par attachement des électrons libres sur les ions SF6. Le SF6 s'est imposé comme le gaz de référence pour la coupure sur les lignes à haute tension à courant alternatif (HVAC). Mais en raison de l'impact du SF6 sur le réchauffement climatique, des solutions sont recherchées pour remplacer le gaz SF6. Parmi les gaz de substitution possibles plus acceptables sur le plan écologique, des études sont menées sur le gaz carbonique (CO2), l'azote (N2) ou même l'air. Mais ces gaz ont des performances diélectriques, d'électronégativité et / ou thermiques moins intéressantes que le SF6 et, à dimensionnement similaire, les disjoncteurs utilisant ces gaz ne permettent pas de couper des courants aussi élevés que les courants qu'un disjoncteur à SF6 peut couper. Pour compenser cette performance plus faible, il est également connu d'injecter dans la zone d'arc ou à proximité des contacts un liquide dont la vaporisation va aider à la coupure. Pour cela, une pompe 15 remplie de liquide est classiquement positionnée à l'intérieur de la chambre de coupure et l'injection de liquide est réalisée au moment de l'arc, par un piston 14 actionné par l'organe de manoeuvre 11 (fig. 1). Le liquide injecté dans la zone d'arc est vaporisé du fait de la très forte température générée par l'arc. Les ions, notamment H et F, libérés dans la zone d'arc aident à souffler l'arc et à garder le milieu diélectrique après la coupure. Toutefois, l'injection de liquide est difficile à réaliser car elle doit être réalisée sous de très fortes contraintes. La quantité de liquide doit être parfaitement maîtrisée : une quantité trop importante de liquide pourrait se traduire par une surpression dans l'enceinte de la chambre de coupure avec risque d'explosion. De plus, en cas d'injection trop importante de liquide, une quantité de liquide pourrait ne pas être vaporisée mais être carbonisée et venir ensuite "polluer" l'espace inter-électrodes ; ceci entraînerait une dégradation de la tenue diélectrique du milieu. Enfin, certains liquides peuvent avoir un coût non négligeable ; injecter strictement la quantité nécessaire de liquide permet donc aussi de limiter le coût du dispositif. Par ailleurs, l'organe de manoeuvre doit être très rapide pour injecter le liquide dans la zone d'arc et ouvrir les contacts. En effet, la température et la pression sont très importantes dans la zone d'arc au moment de l'ouverture 3050312 2 des contacts et l'arc formé au moment de l'ouverture des contacts est un milieu "visqueux" dans lequel le liquide injecté a beaucoup de mal à pénétrer : généralement, le liquide injecté rebondit sur la surface de l'arc. Enfin, parce qu'il est occasionnellement nécessaire d'ouvrir et fermer les contacts plusieurs fois successivement (cycle O-F-0), par exemple en cas de défaut électrique sur la ligne, il est indispensable de pouvoir réaliser une 5 injection de liquide plusieurs fois, et même plusieurs fois de suite. Or, aucune solution technique simple n'est proposée pour réalimenter le dispositif d'injection en liquide plusieurs fois, éventuellement à des intervalles de temps relativement courts. Description de l'invention 10 L'invention propose un nouveau système de coupure, ne présentant pas tout ou partie des inconvénients des systèmes connus. A cet effet, l'invention propose un système de coupure de courant comprenant une chambre de coupure comprenant, dans une enceinte fermée, une paire de contacts d'arc, l'un des contacts étant mobile par rapport à l'autre sous l'action d'un organe de manoeuvre, les contacts se séparant en formant un arc électrique dans une zone 15 d'arc à l'intérieur de l'enceinte. Le système selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend également un moyen d'injection pour injecter, dans une zone d'injection adjacente à la zone d'arc ou comprenant la zone d'arc, un volume prédéfini de liquide en un premier temps inférieur à un deuxième temps nécessaire à l'organe de manoeuvre pour prendre en compte un signal de commande d'ouverture des contacts et séparer les contacts. 20 Ainsi, selon l'invention, le liquide est injecté dans l'enceinte de la chambre de coupure immédiatement après la fourniture du signal de commande d'ouverture des contacts mais avant l'apparition de l'arc naissant à l'ouverture des contacts. La température et la pression sont encore limitées dans la chambre de coupure, bien inférieures à la température et à la pression générées par l'arc électrique, et le milieu dans lequel le liquide est injecté est encore gazeux, non « visqueux ». Il s'ensuit des conditions d'injection bien plus faciles, avec comme résultat un volume de 25 liquide adéquat totalement injecté immédiatement disponible pour être vaporisé au moment de l'apparition de l'arc à éteindre. De préférence, le premier temps est inférieur à un troisième temps nécessaire à l'organe de manoeuvre pour prendre en compte le signal de commande d'ouverture. Ceci garantit que l'injection est réalisée avant tout mouvement des contacts, donc bien avant la création de l'arc et d'une première montée en pression dans la 30 chambre de coupure. De préférence encore, le premier temps est inférieur à 15 ms, le premier temps étant égal à un temps nécessaire à une prise en compte d'un signal de commande par le moyen d'injection plus un temps nécessaire à l'injection du 3050312 3 volume prédéfini de liquide. Un premier temps aussi court permet de garantir que le liquide est complètement injecté avant que les contacts d'arc n'aient commencé à se séparer. Selon un mode de réalisation, le système de coupure comprend également un dispositif de commande adapté pour produire simultanément le signal de commande d'ouverture pour l'organe de manoeuvre et le signal de commande 5 d'injection pour le moyen d'injection lorsqu'un défaut est détecté. De manière connue, relié au réseau électrique qu'il surveille, un relais de protection peut fournir un ordre d'ouverture au dispositif de commande lorsqu'il détecte un défaut sur le réseau électrique. Ainsi, le liquide est injecté dans la chambre de coupure uniquement lorsque les conditions de coupure sont particulièrement difficiles à cause de la présence d'un courant de défaut généralement bien plus élevé que le courant circulant normalement dans la ligne. En l'absence de courant de défaut, le gaz présent 10 initialement dans la chambre de coupure est suffisant pour souffler l'arc (à énergie bien plus faible) et permettre la coupure. Un réceptacle tel qu'une coupelle peut être positionné dans la zone d'injection, afin de recevoir le liquide injecté. Selon un mode de réalisation, le moyen d'injection selon l'invention comprend une pompe comprenant un corps tubulaire dans lequel un piston définit une chambre d'injection dont une sortie est reliée à la zone d'injection dans la 15 chambre de coupure, le piston étant monté mobile entre : - une position initiale où la chambre d'injection a un volume égal au volume prédéfini de liquide à injecter, - une position finale où la chambre d'injection a un volume nul. Selon une variante, la course totale du piston est fixée et le volume du corps de la pompe détermine le volume prédéfini de liquide injecté à chaque activation du piston pour permettre d'atteindre les performances visées. Selon 20 une autre variante, la position initiale du piston peut être ajustée avec précision en fonction du volume de liquide à injecter. Le moyen d'injection comprend également une première vanne positionnée entre la chambre d'injection et la chambre de coupure et adaptée pour : - autoriser le passage du liquide à injecter depuis la chambre d'injection jusqu'à la chambre de coupure lorsque le 25 piston se déplace depuis sa position initiale jusqu'à sa position finale, et - empêcher un éventuel retour de liquide depuis la chambre de coupure vers la chambre d'injection lorsque le piston se déplace depuis sa position finale jusqu'à sa position initiale. Le moyen d'injection comprend encore un réservoir de liquide à injecter dont une sortie est reliée à une entrée de la chambre d'injection par l'intermédiaire d'une deuxième vanne du moyen d'injection, ladite deuxième vanne étant 30 adaptée pour : - autoriser le passage du liquide à injecter depuis le réservoir jusqu'à la chambre d'injection lorsque le piston se déplace depuis sa position finale jusqu'à sa position initiale, et - empêcher un éventuel retour de liquide depuis la chambre d'injection vers le réservoir lorsque le piston se déplace depuis sa position initiale jusqu'à sa position finale. 3050312 4 La présence d'un réservoir de liquide à injecter permet de remplir à nouveau la chambre d'injection de la pompe immédiatement après une injection. Ainsi le moyen d'injection est prêt à être réutilisé en un temps en pratique très court, similaire au temps nécessaire à injecter le volume prédéfini dans la chambre de coupure. Le moyen d'injection comprend également un organe de purge adapté pour évacuer tout gaz de la chambre 5 d'injection avant ou au moment d'un premier remplissage de la chambre d'injection. L'absence de gaz dans la chambre d'injection permet d'assurer que tout mouvement du piston se traduit immédiatement par un mouvement de liquide (et non une compression de gaz), et permet ainsi de maîtriser avec précision la quantité de liquide à injecter. Le moyen d'injection, et le cas échéant le réservoir, peut (peuvent) être positionné(s) à l'extérieur de la chambre de 10 coupure. Les conditions d'installation et d'entretien du moyen d'injection sont ainsi facilitées, en particulier le remplissage du réservoir pour des usages successifs. De plus, le moyen d'injection à l'extérieur de la chambre de coupure est uniquement soumis à des conditions de température et de pression ambiantes ce qui rend son dimensionnement plus aisé, plus léger ; enfin, le risque d'une vaporisation non souhaitée du liquide d'injection à l'intérieur de la chambre d'injection ou du réservoir est écarté. 15 Enfin, selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, la chambre de coupure est remplie d'un gaz choisi parmi du gaz carbonique, de l'azote, de l'air ou une combinaison de ces gaz ; le liquide injecté peut quant à lui comprendre des composés d'hydrogène et / ou de fluor. L'hydrogène présente des propriétés thermiques très intéressantes pour retirer de la zone d'arc une part importante de l'énergie dégagée au moment de la coupure. Le fluor est très électronégatif et capte ainsi facilement les électrons libérés lors de la coupure. Ainsi le fluor permet de limiter le 20 risque de redémarrage d'un arc électrique dans la deuxième phase de coupure électrique, lorsqu'une tension transitoire de rétablissement très contraignante apparaît aux contacts au moment où le courant est coupé. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de 25 la description qui suit d'un exemple d'un système de coupure selon l'invention. Cet exemple est donné à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 montre une chambre de coupure connue, - la figure 2 est un schéma de principe d'un système de coupure selon l'invention, - les figures 3a, 3b sont une représentation fonctionnelle d'une phase d'injection dans un système de coupure 30 selon l'invention et - les figures 4a, 4b sont une représentation fonctionnelle d'une phase de réalimentation d'un système de coupure selon l'invention. 3050312 5 Description de modes de réalisation de l'invention Comme dit précédemment, l'invention concerne un système de coupure de courant (disjoncteur électrique) comprenant une chambre de coupure ; la chambre de coupure comprend (figs.1-2), dans une enceinte fermée 10, une paire de contacts d'arc 4, 5, l'un des contacts étant mobile par rapport à l'autre (les deux contacts peuvent être 5 mobiles) sous l'action d'un organe de manoeuvre 13. Les contacts se séparent en formant un arc électrique dans une zone d'arc 16 à l'intérieur de l'enceinte 10. L'enceinte est remplie d'un gaz, par exemple du gaz carbonique, de l'azote, de l'air ou une combinaison de tels gaz, en replacement du gaz SF6 communément utilisé. Le système selon l'invention comprend également un moyen d'injection 20 pour injecter dans une zone d'injection 17 adjacente à la zone d'arc 16 (ou la comprenant) un volume prédéfini de liquide. Dans l'exemple 10 représenté fig. 2, le moyen d'injection est positionné à l'extérieur de la chambre de coupure, pour faciliter les opérations de maintenance et de remplissage du moyen d'injection sans ouvrir le disjoncteur (voir même sans le mettre hors service le temps du remplissage). Également, un réceptacle 18 tel qu'une coupelle est prévu dans la zone d'injection pour recevoir le liquide injecté. Le système selon l'invention comprend également un dispositif de commande 40 adapté pour commander 15 simultanément via les signaux de commande 41, 42 l'organe de manoeuvre et le moyen d'injection lorsqu'il reçoit un ordre d'ouverture émis par le relais de protection 50 ayant détecté un défaut électrique sur le réseau électrique 60 qu'il surveille de manière continue. Le dispositif de commande est également adapté pour commander, via un signal 43, uniquement l'organe de manoeuvre pour une ouverture des contacts 4, 5, lorsqu'aucun courant de défaut n'est détecté sur le réseau 60. 20 Dans ce cas en effet, l'énergie de l'arc au moment de la coupure est bien plus faible que dans le cas d'un courant de défaut, le gaz présent dans l'enceinte de la chambre de coupure est suffisant pour souffler l'arc et il n'est pas nécessaire d'injecter du liquide. C'est le cas par exemple lorsque l'ouverture des contacts est déclenchée par un opérateur. Selon l'invention, l'injection du liquide se fait en un premier temps inférieur à un deuxième temps nécessaire à 25 l'organe de manoeuvre pour prendre en compte un signal de commande d'ouverture 41 des contacts 4, 5 et séparer les contacts, et de préférence inférieur à un troisième temps nécessaire à l'organe de manoeuvre pour prendre en compte le signal de commande d'ouverture 41. Le premier temps est égal à un temps nécessaire à une prise en compte d'un signal de commande d'injection 42 par le moyen d'injection 20 plus un temps nécessaire à l'injection du volume prédéfini de liquide. 30 Les figures 3 et 4 montrent un mode de réalisation préféré d'un moyen d'injection selon l'invention comprenant une pompe 21 et un réservoir 27. La pompe comprend un corps 22 tubulaire fermé à une extrémité 22a ; dans le corps 22, un piston 23 monté coulissant définit une chambre d'injection à volume variable ; le piston est entraîné en mouvement par un vérin (non représenté mais dont l'action est schématisée par une flèche sur les figs. 3a, 4a) ; à l'extrémité 22a, une sortie de la chambre d'injection est reliée à la chambre de coupure 10 dans la zone d'injection 3050312 6 17 par l'intermédiaire d'une tuyauterie sur laquelle est montée une première vanne 24 ; sur une tuyauterie reliant une entrée de la chambre d'injection à une sortie du réservoir 27 est montée une deuxième vanne 25. Selon une variante, le moyen d'injection ne comprend pas de réservoir de liquide d'injection et l'entrée de la chambre d'injection est reliée à un réseau de distribution de liquide par exemple. 5 Selon un mode de réalisation, la première vanne et /ou la deuxième vanne sont des clapets anti-retour susceptibles de laisser passer un liquide dans un unique sens sous la pression dudit liquide. Selon un autre mode de réalisation, la première vanne et / ou la deuxième vanne sont des vannes électropneumatiques commandées par le signal de commande d'injection 41, la deuxième vanne étant ouverte après fermeture de la première vanne. Le piston est ici monté mobile entre deux positions extrêmes : 10 - une position initiale (fig. 4b) où la chambre d'injection a un volume égal au volume prédéfini de liquide à injecter ; à titre indicatif, le volume de la chambre d'injection est de l'ordre de quelques millilitres ; par exemple, le volume prédéfini est de l'ordre de 11 ml pour un disjoncteur apte à couper un courant de 50kA; - une position finale (fig. 3b) où la chambre d'injection a un volume nul. La première vanne 24 du moyen d'injection est adaptée pour : 15 - autoriser le passage du liquide à injecter depuis la chambre d'injection jusqu'à la chambre de coupure lorsque le piston se déplace depuis sa position initiale jusqu'à sa position finale (figs 3a, 3b), et - empêcher un éventuel retour de liquide depuis la chambre de coupure vers la chambre d'injection lorsque le piston se déplace depuis sa position finale jusqu'à sa position initiale (figs. 4a, 4b). La deuxième vanne 25 du moyen d'injection est adaptée pour : 20 - autoriser le passage du liquide à injecter depuis le réservoir jusqu'à la chambre d'injection lorsque le piston se déplace depuis sa position finale jusqu'à sa position initiale (figs 4a, 4b), et - empêcher un éventuel retour de liquide depuis la chambre d'injection vers le réservoir lorsque le piston se déplace depuis sa position initiale jusqu'à sa position finale (figs 3a, 3b). Également, la pompe 21 comprend un organe de purge 26 adapté pour évacuer tout gaz de la chambre d'injection 25 avant ou au moment d'un premier remplissage de la chambre d'injection. Enfin, le moyen d'injection et le réservoir sont positionnés à l'extérieur de la chambre de coupure. Le liquide dans le réservoir peut être composé d'atomes d'hydrogène H aux propriétés thermiques très intéressantes pour absorber l'énergie dégagée par l'arc vers les zéros de courant et / ou d'atomes de fluor F très électronégatifs capables de capter facilement les électrons libérés au moment de l'ouverture des contacts et ainsi limiter les risques d'un redémarrage de l'arc. 30 Dans sa version la plus élaborée, le fonctionnement du système de coupure selon l'invention est le suivant. Après installation du système de coupure selon l'invention, les circuits du moyen d'injection sont tout d'abord purgés via l'organe de purge 26 pour chasser tout gaz résiduel susceptible d'être présent dans les circuits du moyen d'injection. Le piston 23 est ensuite amené à sa position initiale (fig. 4b), la première vanne 24 étant fermée et la 3050312 7 deuxième vanne 25 étant ouverte : la chambre d'injection se remplit de liquide d'injection. Le moyen d'injection est ainsi prêt à être utilisé. Lorsque le dispositif de commande détecte un courant de défaut sur la ligne reliée aux contacts 4, 5, le dispositif de commande produit un signal d'ouverture 41 à destination de l'organe de manoeuvre des contacts et un signal 5 d'injection 42 à destination du moyen d'injection. Rapidement, dans le moyen d'injection, le piston de la pompe est mis en mouvement, la première vanne 24 étant ouverte et la deuxième vanne 25 étant fermée. Le liquide est poussé dans la zone d'injection de la chambre de soufflage jusqu'à ce que le piston arrive à sa position finale. L'organe de manoeuvre n'ayant pas encore séparé les contacts, l'arc n'est pas encore formé et la pression dans la chambre de coupure est « faible » ce qui facilite le travail du piston pour injecter le liquide dans la chambre de coupure. 10 Après la fin de l'injection du liquide, l'organe de manoeuvre, moins rapide, commence alors à séparer les contacts. Lorsque les contacts se séparent, un arc se crée, la température et la pression augmentent dans la chambre de coupure, le liquide est vaporisé et le gaz qui en résulte vient aider à souffler l'arc au zéro du courant. Une fois la coupure réalisée, le système d'injection peut être à nouveau rempli en liquide, en faisant déplacer le piston 23 jusqu'à sa position initiale, la première vanne 24 étant fermée et la deuxième vanne 25 étant ouverte. 15 Dans ce cas, une partie du liquide présent dans le réservoir 27 est aspirée pour remplir la chambre d'injection. Le moyen d'injection est alors très rapidement prêt pour une prochaine injection dans le cas d'un cycle d'0-F-0 par exemple, avec des temps de re-remplissage et d'injection conformes à ceux nécessaires pour refermer et rouvrir les contacts. 3050312 s NOMEMCLATURE 4, 5 paire de contacts 10 enceinte fermée 13 organe de manoeuvre des contacts 5 14 piston 15 pompe 16 zone d'arc 17 zone d'injection 18 réceptacle 10 20 moyen d'injection 21 pompe 22 corps 22a extrémité fermée du corps 22 23 piston 15 24 première vanne 25 deuxième vanne 26 organe de purge 27 réservoir 40 dispositif de commande / Bornier CB 20 41 signal de commande de l'organe de manoeuvre en cas de défaut 42 signal de commande du moyen d'injection en cas de défaut 43 signal de commande de l'organe de manoeuvre en l'absence de défaut 50 relais de protection 60 réseau électrique REVENDICATIONS1. Système de coupure de courant à moyenne ou haute tension comprenant une chambre de coupure comprenant, dans une enceinte fermée (10), une paire de contacts d'arc (4, 5), l'un (5) des contacts étant mobile par rapport à l'autre (4) sous l'action d'un organe de manoeuvre (13), les contacts se séparant en formant un arc électrique dans une zone d'arc (16) à l'intérieur de l'enceinte (10), système caractérisé en ce qu'il comprend également un moyen d'injection (20) pour injecter dans une zone d'injection (17) adjacente à la zone d'arc ou comprenant la zone d'arc (16) un volume prédéfini de liquide en un premier temps inférieur à un deuxième temps nécessaire à l'organe de manoeuvre pour prendre en compte un signal de commande d'ouverture (41) des contacts (4, 5) et séparer les contacts. 2. Système de coupure selon la revendication 1 dans lequel le premier temps est inférieur à un troisième temps nécessaire à l'organe de manoeuvre pour prendre en compte le signal de commande d'ouverture (41). 3. Système de coupure selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier temps est inférieur à 15 ms, le premier temps étant égal à un temps nécessaire à une prise en compte d'un signal de commande d'injection (42) par le moyen d'injection plus un temps nécessaire à l'injection du volume prédéfini de liquide. 4. Système de coupure selon la revendication précédente comprenant également un dispositif de commande (40) adapté pour produire simultanément le signal de commande d'ouverture (41) pour l'organe de manoeuvre et le signal de commande d'injection (42) pour le moyen d'injection lorsqu'un courant de défaut est détecté sur un réseau électrique (60) surveillé. 5. Système selon l'une des revendications précédentes comprenant également un réceptacle (18) tel qu'une coupelle pour recevoir le liquide injecté, ledit réceptacle étant positionné dans là zone d'injection (17). 6. Système de coupure selon l'une des revendications précédentes dans lequel le moyen d'injection comprend une pompe (21) comprenant un corps (22) tubulaire dans lequel un piston (23) définit une chambre d'injection dont une sortie est reliée à la chambre de coupure dans la zone d'injection, le piston étant monté mobile entre : - une position initiale où la chambre d'injection a un volume égal au volume prédéfini de liquide à injecter, - une position finale où la chambre d'injection a un volume nul. 7. Système selon la revendication 6 dans lequel le moyen d'injection comprend également une première vanne (24) positionnée entre la chambre d'injection et la chambre de coupure et adaptée pour : - autoriser le passage du liquide à injecter depuis la chambre d'injection jusqu'à la chambre de coupure lorsque le piston se déplace depuis sa position initiale jusqu'à sa position finale, et - empêcher un éventuel retour de liquide depuis la chambre de coupure vers la chambre d'injection lorsque le piston se déplace depuis sa position finale jusqu'à sa position initiale. 3050312 10 8. Système selon l'une des revendications 6 ou 7 dans lequel le moyen d'injection comprend également un réservoir (27) de liquide à injecter dont une sortie est reliée à une entrée de la chambre d'injection par l'intermédiaire d'une deuxième vanne (25) du moyen d'injection, ladite deuxième vanne étant adaptée pour : - autoriser le passage du liquide à injecter depuis le réservoir jusqu'à la chambre d'injection lorsque le piston se 5 déplace depuis sa position finale jusqu'à sa position initiale, et - empêcher un éventuel retour de liquide depuis la chambre d'injection vers le réservoir lorsque le piston se déplace depuis sa position initiale jusqu'à sa position finale. 9. Système selon l'une des revendications 6 à 8 dans lequel le moyen d'injection comprend également un organe de purge (26) adapté pour évacuer tout gaz de la chambre d'injection avant ou au moment d'un premier remplissage de 10 la chambre d'injection. 10. Système selon l'une des revendications 8 à 9 dans lequel le moyen d'injection, et le cas échéant le réservoir, est (sont) positionné(s) à l'extérieur de la chambre de coupure.