Brevet FR3074607A1 — publié le 20190607

Ampoule a vide pour appareil electrique de coupure Domaine technique de ('invention La presente invention concerne une ampoule a vide destinee a assurer la coupure d'un circuit electrique dans un appareil electrique de coupure operant en moyenne tension ou haute tension, c'est-a-dire operant a une tension superieure a 1000v. L'invention concerne egalement un appareil electrique de coupure comportant une telle ampoule a vide pour au moins une de ses phases. Dans le present document, le terme appareil electrique de coupure regroupe indifferemment plusieurs types d'appareils electriques comme un interrupteur, un disjoncteur, un contacteur, un interrupteur fusible, un sectionneur, un recloser, etc. Etat de la technique Un appareil electrique de coupure moyenne tension ou haute tension du type de celui decrit par exemple dans le document EP2182536, qui est incorpore par reference dans le present document, comporte une ampoule a vide qui est placee non pas dans le circuit principal de l'interrupteur principal d'une phase de ('appareil electrique de coupure, mais dans une derivation en parallele de ce circuit principal. En fonctionnement normal lorsque l'interrupteur principal est ferme, it ne passe aucun courant dans la derivation contenant l'ampoule a vide. Celle-ci n'est sollicitee que durant une operation d'ouverture du circuit principal, a l'aide d'un mecanisme d'ouverture de l'interrupteur principal qui permet de basculer le courant progressivement du circuit principal vers la derivation, de fawn a ouvrir l'interrupteur principal pendant que le courant circule integralement dans l'ampoule a vide. Ce n'est qu'une fois l'interrupteur principal ouvert que l'ampoule a vide passe alors a son tour de la position fermee a la position ouverte a l'aide du mecanisme d'ouverture. On evite ainsi ('apparition d'un arc electrique de coupure au niveau de l'interrupteur principal lors de ('operation d'ouverture. Grace a cette architecture, l'ampoule a vide est donc traversee par un courant uniquement durant la phase d'ouverture du circuit principal de phase, et non pas lorsque l'interrupteur principal est ferme. De plus, l'ampoule n'est pas sollicitee durant une operation de fermeture du circuit principal et elle n'a pas a supporter non plus un eventuel courant de court-circuit. Elle doit juste etre capable de supporter une tension transitoire 2 de retablissement (Transient Recovery Voltage - TRV) apres la coupure du courant dans le circuit principal. II en resulte que, dans une telle architecture, l'ampoule a vide peut avantageusement etre simplifiee et concue d'une taille bien inferieure par rapport a une 5 architecture classique dans laquelle l'ampoule a vide est par exemple placee dans le circuit principal de l'appareil electrique de coupure. A titre d'exemple, une telle ampoule a vide pourrait avoir un diametre transversal de l'ordre de 50 mm environ pour une tension de 24kV et la distance d'ouverture entre les electrodes serait de l'ordre de 7 a 12 mm. Cependant, la reduction de taille de l'ampoule a vide entraine potentiellement 10 des contraintes dielectriques plus importantes que sur une ampoule a vide de plus grande taille. L'invention a donc pour but de concevoir une ampoule a vide de taille reduite qui soit capable de surmonter les contraintes dielectriques dues a la reduction de ses dimensions. L'invention a egalement pour but de concevoir une ampoule a vide qui soit 15 la plus simple et economique possible. Exposé de ('invention Ces buts sont atteints par une ampoule a vide destinee a un appareil electrique de coupure, comprenant un corps cylindrique en materiau isolant ferme a chaque 20 extremite par respectivement un premier couvercle et un second couvercle metallique, l'ampoule a vide comprenant une electrode mobile qui traverse le premier couvercle et qui coopere avec une electrode fixe entre une position fermee dans laquelle les deux electrodes sont en contact l'une avec l'autre et une position ouverte dans laquelle les deux electrodes sont separees. Selon ('invention, le second couvercle correspond a 25 ('electrode fixe de l'ampoule a vide. Selon une caracteristique, le second couvercle comporte une zone de contact fixe centrale ayant une forme d'une calotte spherique tournee vers l'interieur de l'ampoule a vide. Selon une autre caracteristique, ('electrode mobile comporte une zone de contact mobile de forme arrondie situee en vis-a-vis de la zone de contact fixe. La 30 zone de contact fixe presente un rayon de courbure superieur a celui de la zone de contact mobile. Selon une autre caracteristique, le second couvercle se prolonge par des avancees destinees a etre directement raccordees avec une barre conductrice appartenant au circuit de derivation d'un pole de l'appareil electrique de coupure. 3 Selon une autre caracteristique, le second couvercle est realise en acier inoxydable. Selon une autre caracteristique, l'ampoule a vide comporte une bride de fixation metallique entre le tube cylindrique et le second couvercle. Selon une autre caracteristique, l'ampoule a vide comprend un ecran metallique 5 de section transversale circulaire entourant la zone de contact mobile et qui comporte une extremite fixee au second couvercle et une extremite opposee qui est libre. L'extremite libre de l'ecran presente une boucle orientee vers l'interieur de l'ampoule a vide. L'invention se rapporte egalement un appareil electrique de coupure 10 comportant une telle ampoule a vide pour au moins une des phases, l'ampoule a vide etant placee en derivation d'un circuit principal d'au moins une phase de ('appareil electrique de coupure. Description cletaillee 15 D'autres caracteristiques vont apparaitre dans la description detainee qui suit faite en regard des dessins annexes dans lesquels : - la figure 1 montre une vue simplifiee d'un mode de realisation d'une ampoule a vide en position fermee conforme a ('invention, selon une coupe dans un plan longitudinal, 20 - la figure 2 montre une coupe en perspective de cette ampoule a vide. En reference a la figure 1, une ampoule a vide 10 comporte un corps en forme de tube sensiblement cylindrique 11 en materiau isolant, de preference en ceramique, dont les deux extremites sont fermees par respectivement une premier couvercle 14 metallique et un second couvercle 20 metallique. Le tube 11 et les couvercles 14, 20 25 delimitent une chambre de coupure 15 interne dans laquelle it est possible de faire le vide. L'ampoule a vide 10 comporte une electrode 12 conductrice (appelee aussi tige conductrice) qui traverse le premier couvercle 14 et se termine dans la chambre de coupure 15 par une premiere zone de contact 13. Cette electrode 12 est mobile selon 30 un axe longitudinal X de l'ampoule a vide 10 et, de fawn connue, est entrainee par un mecanisme non represents dans les figures. Un soufflet d'etancheite 16 entoure partiellement ('electrode mobile 12 pour permettre le deplacement longitudinal de ('electrode 12 tout en preservant l'etancheite de la chambre de coupure 15 vis-a-vis de l'exterieur. 4 Habituellement, une ampoule a vide comporte egalement dans la chambre de coupure 15 une electrode fixe comportant une zone de contact fixe, qui est agencee de telle sorte que ('electrode mobile 12 peut se deplacer entre une position dite fermee dans laquelle ('electrode fixe et ('electrode mobile sont en contact l'une avec l'autre via leur 5 zone de contact respective pour qu'un courant puisse traverser l'ampoule a vide 10, et une position dite ouverte dans laquelle les deux electrodes sont separees. Selon l'invention, le second couvercle 20 correspond a ('electrode fixe de l'ampoule a vide 10. C'est le second couvercle 20 qui fait office d'electrode fixe et qui est donc directement en contact avec ('electrode mobile 12 quand l'ampoule a vide est en 10 position fermee. Ainsi, le second couvercle 20 remplit avantageusement une double fonction : assurer l'etancheite d'une des deux extremites de l'ampoule a vide 10 et assurer le contact electrique avec ('electrode mobile 12. Grace a l'invention, on diminue ainsi le nombre de pieces entrant dans la fabrication de l'ampoule a vide 10, puisqu'il n'y a plus besoin d'electrode fixe en tant que telle. Cette solution est donc plus simple et 15 plus economique. Durant la phase d'ouverture, ('apparition d'une tension transitoire de retablissement (TRV) entraine un champ electrique eleve dans certaines regions d'une ampoule a vide comportant des aretes. Dans le cas present, ce probleme est accru du 20 fait des faibles dimensions de l'ampoule a vide. C'est pourquoi la zone de contact mobile 13 de ('electrode mobile 12 nest pas plane comme dans les solutions habituelles mais est de forme arrondie, de fawn a eviter les angles et aretes trop marques. Cette solution permet d'eviter les pointes et donne une meilleure repartition du champ electrique sur une plus grande partie de la zone de contact mobile 13. La zone de contact mobile 13 25 presente par exemple un dome qui peut etre partiellement spherique ou elliptique, comme indique dans les figures. De plus, le diametre transversal de la zone de contact mobile 13, c'est-a-dire le diametre d'une section transversale selon un plan perpendiculaire a l'axe longitudinal X, est globalement superieur au diametre transversal du reste de ('electrode mobile 12, ce qui fait que la zone de contact mobile 13 forme une 30 sorte d'excroissance (ou une boule) a l'extremite de ('electrode mobile 12. De meme, le second couvercle 20 comprend une zone de contact 23, appelee zone de contact fixe, qui peut etre sensiblement circulaire et qui occupe la partie centrale du second couvercle 20 autour de l'axe longitudinal X. Cette zone de contact fixe 23 est situee en vis-a-vis de la zone de contact mobile 13 de ('electrode mobile 12 de fawn a pouvoir ouvrir et fermer l'ampoule a vide 10. Selon un mode de realisation, la zone de 5 contact fixe 23 presente une forme arrondie tournee vers l'interieur de l'ampoule a vide 10, par exemple une forme de calotte spherique dont le rayon de courbure, c'est-a-dire le rayon d'une section longitudinale selon un plan passant par l'axe longitudinal X, est important et superieur au rayon de courbure de la zone de contact mobile 13 lui faisant 5 face, ce qui permet une meilleure tenue dielectrique. A titre d'exemple, on peut envisager un rayon de courbure d'environ 50 mm pour la calotte de la zone de contact fixe 23 et d'environ 15 mm pour l'extremite de la zone de contact mobile 13. Pour reduire au maximum le champ electrique, des formes arrondies plus sophistiquees sont possibles pour les zones de contact 13 et 23, par exemple en 10 associant plusieurs rayons de courbure (profils de type Rogowski, Borda), comme indique dans les figures pour la zone de contact mobile 13. Le fait d'avoir les deux zones de contact 13, 23 qui ne soient pas planes entraine en theorie une diminution des surfaces qui sont en contact et augmente donc la resistance de contact lorsque l'ampoule 10 est en position fermee. Ceci est neanmoins 15 acceptable dans le cas present car l'ampoule a vide est placee dans un circuit en derivation et non dans un circuit principal de l'appareil electrique de coupure et elle n'est donc utilisee que pendant les operations d'ouverture, comme indique precedemment. Elle ne doit donc supporter des courants que pendant un temps beaucoup plus court. 20 Selon un mode de realisation, le second couvercle 20 est realise en acier inoxydable qui est un metal conducteur, economique, et qui de plus presente une resistance aux chocs qui est superieure a celle du cuivre et suffisante pour pouvoir bien absorber les chocs lors des contacts avec ('electrode mobile 12. L'electrode mobile 12 peut egalement etre realisee en acier inoxydable. Le second couvercle 20 peut par 25 ailleurs presenter des formes particulieres, comme un renfoncement 22 dirige vers l'interieur de l'ampoule a vide 10 et par exemple sensiblement en forme en V tel qu'indique dans les figures. Ce renfoncement 22 est concentrique, place entre la zone de contact fixe 23 centrale autour de l'axe longitudinal X et la zone externe de fixation du couvercle 20 au tube cylindrique 11. II permet de bien centrer le couvercle 20 par 30 rapport au tube cylindrique 11 grace a la bride de fixation 25 torique (voir paragraphe suivant), et de mieux resister a la difference de pression entre le vide de l'interieur de l'ampoule 10 et la pression a l'exterieur de l'ampoule 10 dans la cuve de l'appareil electrique de coupure. 6 II est cependant difficile de braser directement le couvercle 20 en acier inoxydable sur la ceramique du tube cylindrique 11 parce que, lors du refroidissement, les contraintes au niveau du joint de brasage seraient trop importantes et pourraient provoquer une fissuration de la ceramique du tube. Pour eviter ce probleme et ameliorer 5 la fixation du second couvercle 20 au tube cylindrique 11, l'ampoule a vide 10 peut comporter une bride de fixation 25 qui est placee entre une extremite du cylindre 11 et le second couvercle 20. Cette bride de fixation 25 est en forme de tore et est realisee preferentiellement en cuivre, ce qui permet d'une part de la fixer par brasure au tube 11 et d'autre part de la braser facilement contre le pourtour exterieur du second couvercle 10 20 sans induire de contrainte, du fait de la ductilite du cuivre apres passage a haute temperature dans le four. Comme indique ci-dessus, la bride de fixation 25 permet aussi de bien centrer le couvercle 20 grace au renfoncement 22 qui est agence pour venir se positionner juste a l'interieur de la bride 25. L'ampoule a vide 10 comprend egalement un ecran metallique de protection 17 15 dont une des extremites est fixee au second couvercle 20. Cet ecran de protection 17 possede une section transversale circulaire et s'etend le long de l'axe longitudinal X de fawn a entourer la zone de contact mobile 13. II comprend d'un cote une premiere extremite qui est donc fixee par brasure a la bride 25 et au tube 11 et du cote oppose une extremite qui est libre. D'autres ecrans secondaires non representes sont egalement 20 envisageables, comme par exemple un ecran protegeant le soufflet 16. De plus, pour ameliorer la repartition du champ electrique, ('invention prevoit egalement que ('extremite libre de ('ecran 17 se termine par une boucle 19 ce qui evite d'avoir une arete sur cette extremite libre. Cette boucle 19 est orientee de preference vers l'interieur de l'ampoule. 25 Le second couvercle 20 se prolonge sur deux cotes opposes par des avancees 21 qui sont destinees a etre directement en contact avec une barre conductrice 29 appartenant au circuit de derivation d'un pole de l'appareil electrique de coupure dans lequel l'ampoule a vide 10 est installee. Dans le mode de realisation presente, les 30 avancees 21 sont perpendiculaires au couvercle 20 et la barre metallique 29 est fixee aux avancees 21 du second couvercle 20 par exemple grace a une vis 27 traversant la barre 29 et introduite par deux orifices 24 des avancees 21. L'ampoule a vide 10 peut donc ainsi etre tres facilement raccordee electriquement en derivation du circuit principal d'au moins une des phases de l'appareil REVENDICATIONS1. Ampoule a vide (10) destinee a un appareil electrique de coupure, cornprenant un corps cylindrique (11) en materiau isolant ferme a cheque extremite par respectivement un premier couvercle (14) et un second couvercle (20) metallique, ('ampoule a vide (10) comprenant une electrode mobile (12) qui traverse le premier couvercle (14) et qui coopere avec une electrode fixe entre une position fermee dans laquelle les deux electrodes sont en contact ('une avec I'autre et une position ouverte dans laquelle les deux electrodes sont separees, caracterisee en ce que le second couvercle (20) correspond a ('electrode fixe de ('ampoule a vide (10). 2. Ampoule a vide selon la revendication 1, caracterisee en ce que le second couvercle (20) comporte une zone de contact fixe (23) centrale ayant la forme d'une calotte spherique tournee vers l'interieur de ('ampoule a vide (10). 3. Ampoule a vide selon la revendication 2, caracterisee en ce que ('electrode mobile (12) comporte une zone de contact mobile (13) de forme arrondie situee en vis-a-vis de la zone de contact fixe (23). 4. Ampoule a vide selon la revendication 3, caracterisee en ce que la zone de contact fixe (23) presente un rayon de courbure superieur a celui de la zone de contact mobile (13). 5. Ampoule a vide selon la revendication 1, caracterisee en ce que le second couvercle (20) se prolonge par des avancees (21) destinees a etre directement raccordees avec une barre conductrice (29) appartenant au circuit de derivation d'un pole de ('appareil electrique de coupure. 6. Ampoule a vide selon la revendication 1, caracterisee en ce que ('ampoule a vide (10) comporte une bride de fixation (25) metallique entre le tube cylindrique (11) et le second couvercle (20). 7. Ampoule a vide selon la revendication 6, caracterisee en ce que la bride de fixation (25) est realisee en cuivre et le second couvercle (20) est realise en acier inoxydable. 8 8. Ampoule a vide selon la revendication 4, caracterisee en ce que ('ampoule a vide (10) comprend un ecran metallique (17) de section transversale circulaire entourant la zone de contact mobile (13) et qui comporte une extremite fixee au second couvercle (20) et une extremite opposee qui est libre. 5 9. Ampoule a vide selon la revendication 8, caracterisee en ce que ('extremite libre de l'ecran (17) presente une boucle (19) orientee vers l'interieur de ('ampoule a vide (10). 10. Appareil electrique de coupure caracterise en ce qu'il comporte au moins une ampoule a vide (10) selon ('une des revendications precedentes, ('ampoule a 10 vide etant placee en derivation d'un circuit principal d'au moins une phase de I'appareil electrique de coupure.