Brevet FR3060195A1 — publié le 20180615

APPAREIL DE CONNEXION ELECTRIQUE A DERIVATION DE COUPURE D'ARC, ET PROCEDE D'OUVERTURE DE CET APPAREIL DESCRIPTION Le sujet de l'invention présente est un appareil de connexion électrique à dérivation de coupure d'arc, et un procédé d'ouverture de cet appareil de connexion électrique. Les appareils de connexion électrique dont il est question ici comprennent deux contacts, dont un premier contact habituellement fixe, et un contact mobile sur une course pouvant le placer à une position de connexion au premier contact, fermant alors un circuit sur lequel l'appareil de connexion est placé, et une position de déconnexion de ce contact, ainsi qu'optionnellement une position à la terre où le contact mobile est mis à la terre par exemple. Dans le présent document, le terme appareil de connexion électrique regroupe indifféremment plusieurs types d'appareils électriques comme un interrupteur, un disjoncteur, un contacteur, un interrupteur fusible, un réenclencheur (recloser), etc. De plus, une dérivation du circuit est installée à partir du premier contact et possède une extrémité libre qui rentre en contact avec le contact mobile dans sa course de la position de connexion à la position de déconnexion. Le courant électrique passe par la dérivation quand le contact mobile a été déconnecté du premier contact. Dans des dispositifs connus, dont celui décrit dans le document EP2182536A, un dispositif de coupure tel qu'une ampoule à vide est installé sur la dérivation, et le contact mobile déplace l'extrémité de la dérivation qui ouvre l'ampoule à vide en se rapprochant de la position de déconnexion. L'ampoule à vide a la faculté de couper complètement le courant électrique à travers la dérivation. De tels dispositifs concernent habituellement les moyennes tensions et hautes tensions, c'est-à-dire des tensions supérieures à 1000V. L'invention n'est toutefois pas limitée à une catégorie particulière d'appareils de connexion électrique ni à une plage de tensions. 3060195 2 Les ampoules à vide ont cependant les inconvénients d'être des constituants relativement coûteux et sujets à l'usure, et d'avoir aussi des limites pour certains types de courants, notamment ceux fortement capacitifs. D'autres inconvénients proviennent de ce qu'il est nécessaire de construire la dérivation avec une extrémité libre 5 mobile qui actionne l'ouverture de l'ampoule à vide, de relâcher cette extrémité libre du contact mobile avant que celui-ci n'atteigne la position de déconnexion et d'éviter la formation d'un courant électrique à travers la dérivation pendant la refermeture de l'interrupteur, lorsque le contact mobile rentre en contact de nouveau avec l'extrémité de la dérivation, afin d'éviter une charge inutile de l'ampoule à vide pouvant accélérer son 10 usure ou conduire à sa destruction. Les contraintes de conception sur la dérivation sont donc importantes. Ainsi qu'on le verra, cette construction d'extrémité libre mobile de la dérivation est absente de nombreuses réalisations de l'invention. Un objet de l'invention est donc d'améliorer les interrupteurs électriques de ce genre, au moyen d'une dérivation conçue de manière à être plus simple, 15 notamment moins coûteuse et moins encombrante, et moins sujette à l'usure. Selon l'invention, l'ampoule à vide est remplacée par un dispositif électronique de commutation permettant de rendre la dérivation bloquante ou passante, grâce à un dispositif de commande approprié du dispositif électronique. Ce dispositif électronique de commutation peut comprendre deux 20 thyristors montés en parallèle et en sens opposés. En variante, et selon le niveau de tension dans l'appareil, le dispositif électronique de commutation peut comprendre deux groupes de thyristors montés en parallèle et en sens opposés, chaque groupe de thyristors pouvant comporter plusieurs thyristors montés en série. Le dispositif de commande est avantageusement synchronisé au contact 25 mobile, notamment en lui étant relié mécaniquement, afin de déterminer les instants de commande du dispositif électronique de commutation avec une grande précision. Les composants électroniques tels que les thyristors sont fiables, peu sujets à l'usure, capables de couper le courant un grand nombre de fois sans usure, ne subissant qu'un échauffement réduit puisqu'ils sont traversés par un courant uniquement pendant la phase de commutation. De plus, ils voient leurs coûts baisser régulièrement et 3060195 3 leurs niveaux de tension augmenter. Un autre avantage est que la dérivation est rendue entièrement statique dans certains modes de réalisation, au lieu de comporter forcément des parties mobiles, nécessaires lorsqu'une ampoule à vide est employée. Le contact mobile peut être tournant ou coulissant (glissant). 5 Un autre aspect de l'invention est un procédé d'ouverture d'un appareil de connexion comprenant un premier contact, un contact mobile, une dérivation entre le premier contact et un contact auxiliaire, dans lequel le contact mobile est déplacé à une position de connexion au premier contact et au contact auxiliaire, puis à une position de déconnexion du premier contact, puis à une position de déconnexion du contact 10 auxiliaire, caractérisé en ce que, la dérivation comprenant un dispositif électronique de commutation apte à rendre la dérivation soit passante d'un courant électrique, soit bloquante d'un courant électrique, le procédé consiste à commander le dispositif électronique de commutation pour que la dérivation soit rendue passante pendant la connexion simultanée du premier contact au contact mobile et au contact auxiliaire, 15 maintenue passante après la position de déconnexion du premier contact, puis rendue bloquante lorsqu'une distance de non-réamorçage d'arc est atteinte entre le premier contact et le contact mobile. Ensuite le contact mobile doit rester en contact avec le contact auxiliaire pendant au moins une demi-période du courant électrique circulant dans la dérivation, afin d'avoir l'assurance d'un passage à zéro du courant avant la 20 séparation du contact mobile et du contact auxiliaire. L'invention sera maintenant décrite en détail au moyen des figures suivantes : les figures 1 (1A à 1G), 2 (2A à 2G), 3 (3A à 3G) et 4 (4A à 4G) représentent quatre 25 modes possibles de réalisation de l'invention au cours de séquences d'ouverture du circuit, et la figure 5 est un mécanisme de commande possible du dispositif électronique de commutation. D'une façon générale, les constituants de ces dispositifs de l'invention 30 peuvent ne pas être à l'échelle pour des raisons de clarté. 3060195 4 La figure 1 représente un appareil de connexion électrique conforme à l'invention, comprenant un premier contact qui est un contact fixe 1, un contact mobile 2, tournant autour d'une articulation 3 et dont l'extrémité 4 libre est mobile sur une course circulaire entre une position où elle frotte sur le contact fixe 1 (représentée à la figure 5 1A), correspondant à une position fermée du circuit sur lequel l'appareil de connexion est situé, et une position de déconnexion ou position ouverte (représentée à la figure 1F) dans laquelle l'extrémité libre 4 est déconnectée, et une position dite à la terre lorsque cette extrémité libre 4 vient frotter sur un contact de mise à la terre 5 (représentée à la figure 1G). Certains appareils ne comportent toutefois pas le contact de mise à la terre 5, 10 et donc pas de position correspondant à la figure 1G. Quoique l'invention ait été décrite en comparaison à des appareils à trois états tels que celui des figures 1, elle pourrait donc être appliquée à des appareils à deux états seulement (connexion et déconnexion). Il est à noter que le passage de l'état de la figure 1A à celui de la figure 1G n'est pas continu, puisque deux mécanismes de commande différents existent sur les appareils usuels pour 15 passer respectivement entre l'état fermé et l'état ouvert, puis entre l'état ouvert et l'état de mise à la terre. L'appareil de connexion comprend encore une dérivation 6, reliée au contact fixe 1 à une extrémité et dont l'extrémité opposée est une extrémité libre porteuse d'un contact auxiliaire 7. Le contact auxiliaire 7 est mobile en rotation autour d'une articulation 8 par laquelle il est relié au reste de la dérivation 6, et il est rappelé à 20 une position de repos, vers le contact fixe 1, par un ressort 9. La partie fixe de la dérivation 6 porte un dispositif électronique de commutation 10, composé de deux thyristors 11 et 12, montés en parallèle et disposés en sens opposés l'un de l'autre sur les deux branches de la dérivation 6. Chacun des thyristors 11 et 12 pourrait être remplacé par un groupe de thyristors montés en série, 25 selon le niveau de tension aux bornes de l'appareil. Un dispositif de commande, qui n'est pas représenté sur ces premières figures, les fait passer simultanément à un état potentiellement passant. Les deux thyristors 11, 12 tête-bêche sont commandés en leur injectant du courant dans la gâchette, mais un seul des thyristors est traversé par un courant dans le sens anode à cathode et devient passant à un instant donné ; l'autre 30 deviendra passant seulement quand le courant circulera dans l'autre sens. Ensuite, 3060195 5 lorsque l'on stoppe l'injection de courant dans les gâchettes, le thyristor qui est passant le reste jusqu'au passage à zéro du courant le traversant. A l'état de la figure 1A, qui représente l'appareil de connexion à l'état fermé stable, le dispositif électronique de commutation 10 est avantageusement 5 bloquant, et le courant électrique passe exclusivement par le contact fixe 1 et le contact mobile 2, le contact auxiliaire 7 étant de toute façon séparé des autres conducteurs. Quand un mouvement de déconnexion de l'appareil de coupure est décidé, le contact mobile 2 commence sa rotation et, au même instant ou non, le dispositif de commande rend les deux thyristors 11 et 12 potentiellement passants, sans 10 que les conditions de circulation du courant électrique soient encore modifiées (figure 1B). L'extrémité 4 du contact mobile 2 rentre ensuite en contact avec l'extrémité du contact auxiliaire 7 (figure 1C), et le courant est progressivement transféré sur la dérivation 6, le transfert étant complet quand l'extrémité 4 s'est déconnectée du contact fixe 1; aucun arc électrique n'est alors créé entre le contact fixe 1 et le contact mobile 2 à 15 cause de l'évanouissement progressif du courant entre eux et la très faible tension lors de la séparation des contacts qui correspond à la chute de tension dans le circuit de dérivation. Quand la distance entre le contact fixe 1 et le contact mobile 2 excède un seuil de réamorçage d'arc (figure 1D), le dispositif de commande est désactivé, le 20 dispositif électronique de commutation 10 rendu bloquant, et le courant est interrompu lors de son passage à zéro. Le seuil de réamorçage d'arc est la distance minimale permettant d'éviter un réamorçage entre contact fixe et contact mobile, correspondant à une tension appelée Tension Transitoire de Rétablissement TTR (ou Transient Recovery Voltage TRV en anglais). Pendant ce temps, l'extrémité libre 4 en contact avec le contact 25 auxiliaire 7 continue à l'entraîner en rotation, en étirant le ressort 9. Cette situation dure pendant au moins une demi-période du courant alternatif afin d'être sûr d'avoir un passage à zéro du courant et donc son interruption avant que le contact mobile 2 se sépare du contact auxiliaire 7. Quand le courant est passé par un zéro, il s'éteint définitivement, le blocage des thyristors 11 et 12 l'empêchant de réapparaître (figure 1E). 30 L'extrémité libre 4 du contact mobile 2 passe ensuite au-delà du contact auxiliaire 7, qui 3060195 6 est relâché et revient à sa position initiale (figure 1F), et la distance entre le contact fixe 1 et le contact mobile 2 doit être supérieure à la distance d'isolement requise pour l'appareil en position ouverte ou sectionnée, ce qui empêche aussi une reconnexion accidentelle à cet instant. La course du contact mobile 2 peut aussi aller en position terre 5 lorsque le contact mobile 2 touche le contact de mise à la terre 5 (figure 1G). Le mouvement de refermeture s'effectue dans un sens opposé. Afin d'éviter les conséquences d'une interférence entre l'extrémité libre 4 et le contact auxiliaire 7 à ce moment, le contact auxiliaire 7 peut être pourvu d'une articulation permettant d'escamoter son extrémité pour faciliter mécaniquement la fermeture, et sa 10 face postérieure peut être rendue électriquement isolante afin de ne pas solliciter l'isolement des thyristors 11 et 12. Un autre mode de réalisation va maintenant être décrit, au moyen des figures 2 (2A à 2G). On retrouve un appareil de connexion à trois positions (connexion, déconnexion et mise à la terre), avec un contact fixe 101, un contact mobile 102, un 15 contact de mise à la terre 105, mais ici le contact mobile 102 est une tige coulissante, le contact fixe 101 et le contact de mise à la terre 105 sont alignés avec l'axe de la tige, et le contact mobile 102 se déplace dans une bague 20 d'un contact coulissant 21, qui est donc en liaison électrique constante avec le contact mobile 102. Une dérivation 106, comprenant comme précédemment un dispositif électronique de commutation 110 20 composé de deux thyristors 111 et 112 montés en parallèle et dans des sens opposés, est établie entre le contact fixe 101 et une autre bague de contact glissant, constituant un contact auxiliaire 107. Alors que le contact mobile 2 de la réalisation précédente pouvait être entraîné autour de son articulation 3, également isolante, celui-ci (102) est muni d'un 25 manchon isolant 22 qui l'entoure entre la bague 20 et le contact de mise à la terre 105 et permet de le tirer par un mécanisme qui est électriquement isolé. A l'état de la figure 2A, le circuit est fermé, et le courant circule entre le contact fixe 101 et le contact coulissant 21, par le contact mobile 102 et la bague 20, la dérivation 106 étant inactive, le contact auxiliaire 107 étant séparé des autres 3060195 7 conducteurs, et le dispositif électronique de commutation 110 étant d'ailleurs en position bloquée. La figure 2B représente le début de l'ouverture de l'interrupteur, marqué par le commencement du mouvement du contact mobile 102 et par le 5 basculement du dispositif électronique de commutation 110 à l'état potentiellement passant. L'alternance de courant qui va de l'anode vers la cathode va rendre passant l'un des thyristors, l'autre thyristor restant bloqué. Le passage à zéro du courant va mettre les thyristors à l'état bloquant et ainsi arrêter le courant électrique alternatif dans la dérivation 6. 10 Lorsque le contact mobile 102 quitte cependant le contact fixe 101, le courant est transféré vers la dérivation 106 (figure 2C). Quand l'extrémité du contact mobile 102 dirigée vers le contact fixe 101 a atteint une distance supérieure à la TTR (figure 2D), le dispositif électronique 110 est remis à l'état bloquant, et le courant sera interrompu lors de son premier passage à zéro, sans réamorçage d'arc, puisque la 15 distance entre le contact fixe 1 et le contact auxiliaire est choisie assez grande pour résister à la TTR. Une demi-période après, le courant sera passé par zéro de façon certaine et aura été interrompu dans la dérivation 106. Lorsque le contact mobile 102 se séparera du contact auxiliaire 107 (figure 2E), il n'y aura donc pas d'arc électrique. A l'étape suivante (figure 2F), le contact mobile 102 et le contact auxiliaire 107 sont séparés 20 d'une distance supérieure à la distance d'isolement requise pour l'appareil en position ouverte ou sectionnée. Enfin la position de mise à la terre peut être effectuée, le contact mobile 102 reliant la bague 20 au contact de mise à la terre 105 (figure 2G). Le fonctionnement ressemble donc à celui de la réalisation précédente ; on notera cependant la caractéristique favorable que la dérivation 106 est statique, c'est- 25 à-dire dépourvue de toute partie mobile. D'autres modes de réalisation peuvent être adoptés, et les figures 3 et 4 montrent respectivement l'association d'un contact mobile tournant avec une dérivation statique et d'un contact coulissant avec une dérivation à partie mobile. La réalisation de la figure 3 se distingue donc de celle de la figure 1 en ce 30 que le contact auxiliaire 7 tournant est remplacé par un contact auxiliaire 207 statique, en 3060195 8 forme de palette s'allongeant à peu près dans la direction de mouvement de l'extrémité libre, ici 204, du contact mobile, ici 202 ; et que cette dernière est munie d'une palette 30 perpendiculaire au reste du contact mobile 202, et s'allongeant vers l'arrière du sens de mouvement de déconnexion. Le dispositif électronique de commutation 210 de la 5 dérivation 206 reste le même que précédemment et est commandé de la même manière. Les figures 3A à 3G représentent des étapes d'ouverture de l'interrupteur et fermeture à la terre analogues à celles des figures 1A à 1G. Les particularités de la réalisation se manifestent à la figure 3C, qui montre que l'extrémité libre 204 frotte sur le contact auxiliaire 207 en établissant une connexion électrique avec 10 lui sans le déplacer, avant que la palette 30 ne se détache du contact fixe, ici 201. Ici encore, le contact auxiliaire 207 est trop éloigné du contact fixe 201 pour permettre une reconnexion par réamorçage d'un arc, le courant reste dans la dérivation 206, et à son passage à zéro, au plus une demi-période après la remise du circuit électronique 10 à l'état bloquant, il s'éteint (figure 3E). La palette 30 peut alors quitter le contact auxiliaire 15 207 (figure 3F), toujours sans qu'un arc puisse se réamorcer. Et le dispositif de la figure 4 diffère de celui de la figure 2 en ce que le contact auxiliaire 307 de la dérivation 306 n'est plus une bague où le contact mobile 102 coulisse, mais une barrette perpendiculaire au mouvement de ce contact mobile 102 et rappelée par un ressort, de manière analogue au contact auxiliaire 7 de la figure 1. Et le 20 contact mobile est muni d'un doigt 31 apte à rentrer en contact avec l'extrémité du contact auxiliaire 307. Cela est accompli, d'après la figure 4C, juste avant que le contact mobile 102 ne se détache du contact fixe 101. Le courant passe alors par la dérivation 306. Quand le contact mobile 102 est suffisamment distant du contact fixe 101 (figure 4D), le 25 dispositif électronique de commutation 310 est remis à l'état bloquant, le courant s'éteint après au plus une demi-période comme précédemment (figure 4E), puis le contact auxiliaire 307 s'échappe ensuite du doigt 31 et revient en place. Les figures 4A à 4G correspondent aux étapes des figures 2A à 2G. Ici encore, le dispositif électronique de commutation 310 sur la dérivation 306 est le même que précédemment et est commandé 30 de la même manière. 3060195 9 On aborde maintenant la figure 5. Elle décrit un dispositif de commande du dispositif électronique de commutation tel que 10 dans le cas d'un contact mobile tournant, tel que 2 ; mais la transposition à un contact mobile coulissant sera évidente au 5 vu des explications données ici. Les thyristors 11 et 12 ont leurs gâchettes 32 reliées à un circuit électrique 33 comprenant une alimentation électrique 34, par exemple du type générateur de tension, d'un côté, connectée à un levier 35 solidaire mécaniquement (mais pas électriquement) du contact mobile 2, ici par exemple fixé à son articulation 3 et s'étendant dans un plan perpendiculaire à l'axe de cette articulation 3. Le circuit 10 électrique 33 comprend une palette conductrice 36 à son autre extrémité. Des transformateurs d'isolement 41 sont toutefois intercalés entre les gâchettes 32 et l'alimentation électrique 34 pour tenir compte des tensions très différentes qui existent aux bornes de celle-ci et des thyristors 11 et 12. Le levier 37 du mécanisme de manoeuvre, lui aussi perpendiculaire à 15 l'axe de l'articulation 3 et fixé à elle, définit les positions extrêmes de la course du contact mobile 2, en s'appuyant tour à tour à deux butées 38 et 39 et repoussé vers elles par son ressort de compression 40. La commutation du contact mobile 2 revient à faire passer le levier 37 de la butée 38 à la butée 39 ou inversement, et l'extrémité du levier 35 frotte sur la palette conductrice 36 pendant une portion de ce mouvement de rotation, qui 20 correspond à l'instauration du potentiel électrique suffisant pour exciter les gâchettes 32 et rendre les thyristors 11 et 12 potentiellement passants, puisque le circuit électrique 33 est alors fermé et du courant circule de l'alimentation 34 à la palette conductrice 36 et au levier 35. En d'autres termes, l'extension angulaire de la palette conductrice 36 sur le trajet circulaire de l'extrémité du levier 35, et sa position le long de ce trajet, déterminent 25 les phases du mouvement du contact mobile où le dispositif électronique de commutation 10 et la dérivation 6 sont potentiellement passants. En variante, l'énergie d'excitation des thyristors 11 et 12 pourrait être produite par un générateur transformant l'énergie mécanique du mouvement du levier 37 en énergie électrique, donc en se passant de source de courant ou tension. 30 REVENDICATIONS1. Appareil de connexion électrique comprenant un premier contact fixe (1, 101, 201), un contact mobile (2, 102, 202) sur une course entre une position de connexion au premier contact et une position de déconnexion du premier contact, un contact auxiliaire (7, 107, 207, 307) connecté au contact mobile pendant une partie de la course entre la position de connexion et la position de déconnexion, et une dérivation (6, 106, 206, 306) reliant le premier contact au contact auxiliaire, caractérisé en ce que la dérivation comporte un dispositif électronique de commutation (10, 110, 210, 310) commandé par un dispositif de commande (33-40). 2. Appareil de connexion électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif électronique de commutation comprend deux thyristors (11, 12, 111, 112) montés en parallèle et en sens opposés. 3. Appareil de connexion électrique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif de commande est synchronisé, et relié mécaniquement, au contact mobile. 4. Appareil de connexion électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de commande comporte un circuit électrique comprenant une alimentation électrique (34) connectée à une gâchette (32) des thyristors, le circuit électrique étant fermé pendant une partie de la course du contact mobile. 5. Appareil de connexion électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le contact mobile est tournant. 6. Appareil de connexion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le contact mobile est coulissant. 7. Appareil de connexion électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le contact auxiliaire (7, 307) est mobile et déplacé par le contact mobile. 8. Appareil de connexion électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le contact auxiliaire (107, 207) est immobile. 3060195 11 9. Procédé d'ouverture d'un appareil de connexion électrique comprenant un premier contact (1, 101, 201), un contact mobile (2, 102, 202), une dérivation (6, 106, 206, 306) entre le premier contact et un contact auxiliaire (7, 107, 207, 307), dans lequel le contact mobile est déplacé d'une position de connexion au premier 5 contact à une position de connexion simultanée au premier contact et au contact auxiliaire, puis à une position de déconnexion du premier contact, puis à une position de déconnexion du contact auxiliaire, caractérisé en ce que, la dérivation comprenant un dispositif électronique de commutation apte à rendre la dérivation soit passante d'un courants électriques, soit bloquante d'un courant électrique, le procédé consiste à 10 commander le dispositif électronique de commutation pour que la dérivation soit rendue passante pendant la connexion simultanée du premier contact au contact mobile et au contact auxiliaire, maintenue passante après la position de déconnexion du premier contact, puis rendue bloquante lorsqu'une distance de non-réamorçage d'arc est atteinte entre le premier contact et le contact mobile, le contact mobile devant rester ensuite en 15 contact avec le contact auxiliaire pendant au moins une demi-période du courant électrique circulant dans la dérivation.