Brevet FR3067870A1 — publié le 20181221

APPAREIL DE PROTECTION ELECTRIQUE COMPORTANT UN DISPOSITIF LIMITEUR DE COURANT. DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un appareil de protection électrique comprenant au moins un conducteur principal et, pour le ou chaque conducteur principal, au moins un dispositif limiteur de courant connecté en série avec ledit conducteur principal pour limiter le courant lorsqu'un seuil de courant ou de température est dépassé, ledit dispositif limiteur comportant un élément réalisé en un matériau à coefficient de température positif dit CTP, et étant apte à commander des moyens de déclenchement du mécanisme d'ouverture des contacts de l'appareil de protection, de manière à entraîner l'ouverture des contacts de l'appareil lorsque le seuil précité est dépassé entraînant un changement d'état dudit élément entre un état de résistance faible et un état de résistance élevée. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Les disjoncteurs dits faible calibre utilisent usuellement une bobine magnétique composée d'un grand nombre de tours ainsi qu'un élément dit chauffeur associé à un bilame, la bobine servant à la fois de moyen de détection des court-circuits et de moyen d'actionnement du mécanisme d'ouverture du disjoncteur, tandis que le chauffeur permet la déflection du bilame en cas de surcharge de courant et constitue également un moyen d'actionnement du mécanisme d'ouverture précité. Cette architecture est à l'origine d'une valeur importante de la résistance totale du disjoncteur et donc d'une perte Joule dissipée importante (Typiquement supérieure à 2W au courant nominal). 2 On connaît le document US 5 999 384 décrivant un disjoncteur miniature dans lequel un composant CTP remplace le bilame, la bobine, ainsi que la chambre de coupure. Le composant CTP assure la fonction de détection des défauts (surcharge ou court-circuit), limite le courant de défaut, et coopère 5 avec une bobine pour réaliser le déclenchement d'un mécanisme d'ouverture des contacts de l'appareil. Ainsi, lors de l'apparition d'un défaut de court-circuit, le courant de court-circuit important chauffe le composant CTP très rapidement (en quelques millisecondes), ce qui génère l'augmentation de résistance du composant 10 CTP, augmentant de ce fait la valeur du courant à travers la bobine afin d'ouvrir les contacts de l'appareil, de la même manière que lors de l'apparition d'une surcharge électrique, mais plus rapidement. EXPOSE DE L'INVENTION 15 La présente invention propose un appareil de protection électrique comportant un dispositif de limitation du courant, ledit appareil étant de conception simplifiée, ceci permettant de réduire son coût, et dans lequel les pertes Joules dissipées sont réduites de manière significative. 20 A cet effet, la présente invention a pour objet un appareil de protection électrique du genre précédemment mentionné, cet appareil étant caractérisé en ce que ledit élément CTP comporte les moyens de déclenchement précités, de telle manière que cet élément assure lui-même les fonctions de 25 limitation du courant de défaut et de déclenchement du mécanisme d'ouverture des contacts. Selon une caractéristique particulière, ledit élément CTP comporte en outre des moyens de détection de défauts de surcharge et des moyens de 30 détection de défauts de court-circuit. Selon une autre caractéristique, les moyens de déclenchement précités sont commandés par les variations de dimension, suivant une direction 3 préférentielle, de l'élément CTP précité, durant le changement d'état précité, cette variation de dimension étant apte à engendrer le déplacement d'une portion de l'élément CTP en direction d'une barre de déclenchement appartenant aux moyens de déclenchement précités. 5 Selon une autre caractéristique, les moyens de déclenchement précités sont commandés par la variation de l'épaisseur de l'élément CTP durant le changement d'état précité. 10 Selon une autre caractéristique, cet appareil comporte des moyens dits d'amplification permettant d'exercer, à partir d'un petit déplacement d'une portion de l'élément précité, une force d'intensité élevée. Selon une autre caractéristique, le dispositif limiteur précité comporte 15 plusieurs éléments CTP empilés suivant la direction préférentielle précitée et montés électriquement en parallèle. Selon une autre caractéristique, le nombre d'éléments empilés est compris entre deux et dix. 20 Avantageusement, le nombre d'éléments empilés est de quatre. Selon une autre caractéristique, cet appareil comporte des moyens pour limiter la dilatation volumique suivant au moins une direction autre que la 25 direction préférentielle. Selon une autre caractéristique, les moyens précités comportent une métallisation réalisée sur au moins une face dudit élément, cette métallisation étant de nature à favoriser l'adhérence du polymère chargé, 30 par exemple par une structure de type dendritique ou la réalisation de micro-porosités par gravure chimique. Selon une autre caractéristique, l'épaisseur de cette métallisation est supérieure à 50 pm lorsque celle-ci est réalisée en cuivre, et supérieure à 35 pm, lorsque celle-ci est réalisée en nickel. 4 Selon une autre caractéristique, le dispositif limiteur précité comporte en outre au moins un shunt connecté en parallèle avec respectivement au moins un élément CTP, et permettant de fixer la valeur maximale du 5 courant limité après la transition de l'élément CTP. Selon une autre caractéristique, la valeur résistive du (ou de chaque) shunt est comprise entre dix fois et vingt fois la valeur de la résistance CTP correspondante à température ambiante. 10 Selon une autre caractéristique, le dispositif limiteur précité comporte en outre au moins un composant dit protecteur contre les surtensions, connecté en parallèle avec respectivement au moins un élément CTP, et destiné à limiter d'éventuelles surtensions susceptibles d'endommager le 15 composant CTP. Selon une autre caractéristique, le ou chaque élément CTP est réalisé à base d'un polymère semi-cristallin, tel que le polyéthylène, le polypropylène, etc.... 20 Selon une autre caractéristique, cet appareil est un disjoncteur miniature. Mais d'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins 25 annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels : -La figure 1 est une vue en plan d'un disjoncteur selon l'invention, dont on a retiré le couvercle de manière à montrer sa partie intérieure, 30 -La figure 2 est une représentation schématique, illustrant le fonctionnement d'un dispositif de limitation selon l'invention, -La figure 3 est une représentation graphique illustrant l'évolution de la résistance du composant CTP (échelle de gauche) et de la dilatation 5 volumique en pourcentage (échelle de droite), en fonction de la température, -La figure 4 est une représentation graphique illustrant la dilatation 5 volumique d'un matériau CTP en fonction de la température pour différentes charges appliquées sur le matériau, -La figure 5 illustre la courbe de déclenchement typique d'un disjoncteur standard 2A, représentant graphiquement le temps nécessaire à l'ouverture 10 des contacts en fonction de l'intensité, -Les figures 6 et 7 représentent graphiquement respectivement la valeur de la contrainte thermique et le courant crête, en fonction du courant, dans le cas d'un disjoncteur classique pour l'une des courbes, et dans le cas d'un 15 disjoncteur selon l'invention, pour l'autre des courbes, et -La figure 8 représente graphiquement en fonction du temps, le courant de défaut traversant un appareil selon l'invention avant limitation par le CTP, ce même courant de défaut après limitation par le CTP, et la tension d'arc, 20 dans le cas d'un disjoncteur selon l'invention. Sur la figure 1, on voit un disjoncteur basse tension A comportant de manière connue en soi, logé dans un boîtier B de forme sensiblement parallélépipédique, deux contacts 1,2 dont l'un 1 fixe, est relié 25 électriquement à l'une des bornes 3, dite d'entrée, de l'appareil, tandis que l'autre 2, dit mobile, est relié électriquement à l'autre 4, dite de sortie, des deux bornes 3,4. Ce contact mobile 2 est apte à être déplacé entre une position fermée des deux contacts 1,2 et une position de séparation de ces mêmes contacts, par l'intermédiaire d'un mécanisme M d'ouverture et 30 fermeture apte à être commandé soit manuellement soit automatiquement. La commande manuelle est réalisée par l'intermédiaire d'une manette m apte à être actionnée par un utilisateur. L'ouverture automatique des contacts 1,2 est réalisée par l'intermédiaire de moyens de déclenchement d 6 commandés soit par des moyens de détection d'un défaut d'origine thermique signalant une surcharge électrique, soit par des moyens de détection d'un défaut d'origine magnétique, signalant un défaut de court-circuit. Ces moyens de déclenchement sont destinés à coopérer avec une 5 barre de déclenchement 5 apte, lorsque celle-ci est actionnée, à libérer un accrochage mécanique, cette libération ayant pour effet d'entraîner l'ouverture automatique des contacts d'arc 1,2. Cet appareil comporte en outre un dispositif de limitation du courant, placé sur la ligne de courant entre la borne dite d'entrée 3 de l'appareil et le 10 contact fixe 1, ce dispositif étant destiné à limiter la valeur du courant de défaut avant l'ouverture des contacts 1,2. Selon la réalisation décrite, ce dispositif de limitation comporte un ensemble de plusieurs composants 6,7,8,9 constitués chacun par un matériau à coefficient de température positif, dit matériau CTP. De manière 15 connue en soi, à la température normale d'utilisation, la résistance électrique de ce type de matériau est très faible. En cas d'une surintensité traversant ce matériau, la montée en température du matériau au-delà d'une valeur critique génère une augmentation rapide de la résistance électrique dudit matériau permettant de limiter l'augmentation de courant. 20 Cette augmentation de la résistance est générée par un changement d'état du matériau de l'élément entre un état dit non transité et un état dit transité. Selon cette réalisation particulière de l'invention, ce dispositif de limitation est constitué par l'empilement de quatre composants CTP 6,7,8,9, chacun de ces composants présentant une forme sensiblement parallélépipédique, 25 ces éléments étant accolés par leur face présentant la plus grande surface. Cet ensemble de composants forme un bloc L de forme sensiblement parallélépipédique, ce bloc étant fixé par l'une a de ses faces latérales, sur un élément de support fixe 10 par rapport au boîtier de l'appareil. De manière connue en soi, chaque composant subit lors du changement 30 d'état précité une dilatation, cette dilatation conduisant à une expansion volumique pouvant aller jusqu'à +10% à 20% du volume initial. Selon l'invention, cette expansion volumique des composants est utilisée pour déclencher le mécanisme M d'ouverture des contacts précités, tel 7 qu'illustré schématiquement sur la figure 2. Sur la figure1, on voit que la face b du bloc L de composants précité, qui est opposée à celle a qui est fixée au support précité 10, coopère avec la barre de déclenchement 5, de sorte qu'une expansion volumique de l'ensemble des composants en 5 direction de cette barre de déclenchement 5 entraîne l'actionnement de ladite barre, et donc le déclenchement du mécanisme M d'ouverture des contacts. Ainsi, selon cette réalisation particulière de l'invention, ce dispositif de limitation assure à la fois les fonctions de détection des défauts d'origine 10 thermique, de détection des défauts d'origine magnétique, de chambre de coupure, de limitation du courant de défaut et de moyens d de déclenchement du mécanisme d'ouverture des contacts. La figure 3 illustre, pour un composant CTP à base de polyéthylène chargé noir de carbone, l'évolution de la résistance R du composant CTP (échelle 15 de gauche) et de la dilatation volumique D en % (échelle de droite) en fonction de la température T. La mise en oeuvre de la fonction actionneur (déclenchement du disjoncteur) fait appel à la dilatation du composant suivant une direction préférentielle, par exemple dans le sens de l'épaisseur du composant. Afin d'obtenir une 20 dilatation maximale suivant cette direction, il est souhaitable de limiter la dilatation volumique suivant les deux autres directions : ceci peut être obtenu par exemple par différents moyens tels que la métallisation dendritique (technologie connue pour l'obtention d'une bonne résistance de contact de la métallisation assurée par l'accrochage des dendrites dans le 25 matériau CTP). L'épaisseur de cette métallisation doit être suffisante (typiquement supérieure à 50pm pour du cuivre ou 35pm pour du nickel) pour ne pas se rompre lors de la dilatation volumique du composant. Tel que ceci est le cas pour la réalisation particulière décrite sur la figure 1, afin d'obtenir une dilatation directement exploitable par le mécanisme 30 d'ouverture du disjoncteur, il est possible d'empiler les composants suivant la direction préférentielle (ce qui correspond à une mise en série mécanique des composants). La juxtaposition de deux à dix composants, de préférence quatre, permet d'obtenir une dilatation suffisante en distance 8 (typiquement de l'ordre de 1 à 2mm) et en effort. La figure 4 montre l'évolution de la dilatation volumique D en % d'un matériau CTP à base de polyéthylène en fonction de la température T et pour différentes charges appliquées (MPa) (OMPa,15MPa,40MPa) sur le matériau. Ces valeurs de 5 charge correspondent aux efforts par unité de surface fournis par le composant CTP pour une dilatation donnée. La figure 5 illustre la courbe de déclenchement typique d'un disjoncteur CB 2A (les deux courbes en traits pleins correspondant respectivement aux courbes mini et maxi). 10 La transition du composant CTP est gouvernée uniquement par les phénomènes d'échange thermique (à la manière d'un bilame) et est caractérisée par l'équation 121=Constante (courbe en pointillés) en mode adiabatique, c'est-à-dire pour des temps inférieurs à quelques secondes (pour lesquels les échanges thermiques sont négligeables). 15 Pour des temps très courts, typiquement inférieurs à 10ms, le temps nécessaire à l'ouverture des contacts après déclenchement du mécanisme impose une valeur minimale au temps de déclenchement, représenté sur le graphe ci-contre par l'asymptote vers 3-4ms. L'arrangement particulier consistant en une mise en parallèle électrique et 20 une mise en série mécanique des composants CTP, montré sur la figure 1, permet d'obtenir à la fois une faible résistance du disjoncteur et une dilatation résultante suffisante pour actionner le mécanisme de déclenchement. Afin de ne pas entraver la dilatation des composants CTP, le raccordement électrique sera réalisé avantageusement au moyen de 25 connexions souples, dont l'épaisseur sera de l'ordre de 0.2mm à 0,4mm. Les contraintes de déclenchement (I2.t) et de résistance à température ambiante du CTP (pertes Joules maxi) permettent de dimensionner le composant CTP. Un exemple de dimensionnement pour les calibres 1A,2A et 6A est donné ci-dessous. 30 Calibre Résistance 12t.t Energie Résistivité Surface Epaisseur Nombre Rshunt Résistance (A) CB (m0) Cste Transition CTP CTP CTP (mm) CTP en (0) CB-PTC (A2.$) CTP (J) (0.cm) (cm2) parallèle (m0) 9 1 2121 120 18 6 0,25 2 4 20 1132 2 624 480 70 6 1 2 4 5 283 6 88.6 4320 630 6 9 2 4 1 32 Dans ce tableau, l'appareil selon l'invention comporte 4 CTP en parallèle électriquement. Afin d'optimiser l'effet actionneur, ces CTP sont montées en série mécaniquement. 5 L'exemple de dimensionnement donné ci-dessus montre qu'il est possible, grâce à l'invention, de réduire, par exemple, d'un facteur 2 la résistance totale du disjoncteur, et donc les pertes Joules. Tel qu'illustré sur la figure 1, un shunt 11 est connecté en parallèle avec le bloc L de composants CTP, et permet de fixer la valeur maximale du 10 courant limité après la transition du CTP. La valeur résistive de ce shunt est typiquement de 10 à 20 fois la valeur de la résistance du bloc CTP à température ambiante. Enfin, il est avantageux d'associer, non illustré sur la figure1, en parallèle au bloc L de composants CTP, un composant protecteur de surtension 15 (type MOV) afin de limiter les éventuelles surtensions qui peuvent endommager les composants CTP, notamment lors d'une transition rapide de ceux-ci. Les figures 6 et 7 sont des représentations graphiques donnant la valeur de la contrainte thermique I2.t et du courant crête (Â) correspondant à un 20 composant CTP dimensionné pour un calibre 2A, et associé à un shunt de 5 Ci Les valeurs du composant CTP et du shunt ont été déterminées pour obtenir une valeur maximale du courant crête similaire à celle obtenue par le disjoncteur standard. On remarque sur ces deux courbes que la contrainte thermique I2.t est 25 pratiquement constante pour tous les courants de court-circuit entre 200A et 10000A. L'énergie maximale vue par le shunt est de l'ordre de 200J, valeur qui sera prise en compte pour le dimensionnement de ce même shunt. Les avantages conférés par l'invention sont les suivants : 10 Quel que soit le type de défaut électrique (surcharge ou court-circuit) survenant dans le circuit, l'ouverture des contacts du disjoncteur est réalisée sous courant limité (typiquement quelques msec après la transition des CTP, ce temps correspondant au temps nécessaire au mécanisme 5 pour l'ouverture des contacts). La valeur de ce courant limité est déterminée simplement par la valeur résistive du shunt placé en parallèle aux composants CTP (voir figure 8, disjoncteur CTP 2A, court-circuit 1 kA/240V, shunt 50). Ce résultat permet d'augmenter sensiblement la durabilité des contacts du disjoncteur. Une autre option consiste à utiliser 10 des matériaux de contact moins nobles, et donc moins couteux. La valeur de la contrainte thermique vue par le disjoncteur et le circuit électrique en cas de défaut (surcharge ou court-circuit) est pratiquement constante, et ce quel que soit la valeur du courant de défaut. Cette caractéristique garantit la sélectivité amont de la solution proposée. 15 Les disjoncteurs à faible calibre (typiquement de courant nominal inférieur ou égal à 6A) font appel à une bobine magnétique composée d'un grand nombre de tours et à un chauffeur pour permettre la déflection du bilame en cas de surcharge de courant. Cette architecture est à l'origine d'une valeur importante de la résistance totale du disjoncteur et donc d'une perte 20 Joule dissipée importante (typiquement supérieure à 2W au courant nominal) comme le montre le tableau ci-dessous. Le tableau ci-dessous indique la perte de puissance en watts pour chaque calibre, par pôle : Cal.(A) 0,5 0,75 1 1,2 1,5 2 3 4 5 6 W/pole 2,2 2,96 2,3 2,4 2,1 2,5 2.2 2.4 2.5 2.7 Le tableau ci-dessous indique la chute de tension du dispositif en mV pour chaque calibre, par pôle : Cal.(A) 0,5 0,75 1 1,2 1,5 2 3 4 5 6 25 30 11 mV/pole 4400 3950 2300 2000 1400 1276 745 600 500 480 On voit ainsi que la solution proposée permet de réduire de manière significative la résistance du disjoncteur. Par exemple, la perte Joule 5 dissipée peut être divisée par 2. Les valeurs de puissance dissipée (perte Joule) sont données dans les catalogues des produits. Le client peut donc comparer ces données qui sont importantes pour l'installateur. Moins il y a de pertes Joules, plus il y a d'équipements dans un même espace, plus faible sera la ventilation dans 10 cet espace. En outre, la simplicité proposée permet de réduire sensiblement le coût du disjoncteur. 15 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Ainsi si, selon la réalisation décrite, un composant assure seul les deux fonctions de limitation du courant (effet CTP) et de déclenchement (effet 20 actionneur), ceci permettant notamment une quasi-simultanéité des deux fonctions, l'invention couvre également le cas où ces deux fonctions sont dissociées, par exemple lorsque l'actionneur est chauffé indirectement par un élément CTP. Cette solution présenterait cependant l'inconvénient d'un temps de déclenchement plus long compte tenu du transfert thermique. 25 L'optimisation du bloc de composants CTP nécessite une mise en série mécanique associée à une mise en parallèle électrique. Cependant l'invention couvre également toute autre combinaison de mise en série et en parallèle des éléments, telle une mise en série et une mise en parallèle mécaniques. 30 Au contraire, l'invention REVENDICATIONS1. Appareil de protection électrique comprenant au moins un conducteur principal et, pour le ou chaque conducteur principal, au moins un dispositif limiteur de courant connecté en série avec ledit conducteur principal pour limiter le courant lorsqu'un seuil de courant ou de température est dépassé, ledit dispositif limiteur comportant un élément réalisé en un matériau à coefficient de température positif dit CTP, et étant apte à commander des moyens de déclenchement du mécanisme d'ouverture des contacts de l'appareil de protection, de manière à entraîner l'ouverture des contacts de l'appareil lorsque le seuil précité est dépassé entraînant un changement d'état dudit élément entre un état de résistance faible et un état de résistance élevée, caractérisé en ce que ledit élément CTP précité (6,7,8,9) comporte les moyens de déclenchement précités (d), de telle manière que cet élément assure lui-même les fonctions de limitation du courant de défaut et de déclenchement du mécanisme M d'ouverture des contacts (1,2). 2. Appareil de protection électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément CTP (6,7,8,9) comporte en outre des moyens de détection de défauts de surcharge et des moyens de détection de défauts de court-circuit. 3. Appareil de protection électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de déclenchement précités (d) sont commandés par les variations de dimension, suivant une direction préférentielle de l'élément CTP précité (6 à 9), durant le changement d'état précité, cette variation de dimension étant apte à engendrer le déplacement d'une portion de l'élément CTP en direction d'une barre de déclenchement (5) appartenant aux moyens de déclenchement précités (d). 13 4. Appareil de protection selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de déclenchement précités (d) sont commandés par la variation de l'épaisseur de l'élément CTP durant le changement d'état précité. 5 5. Appareil de protection électrique selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'amplification permettant d'exercer, à partir d'un petit déplacement d'une portion de l'élément précité (6 à 9), une force appliquée d'intensité élevée. 10 6. Appareil de protection électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif limiteur précité comporte plusieurs éléments CTP (6 à 9) empilés suivant la direction préférentielle précitée et montés électriquement en parallèle. 15 7. Appareil de protection électrique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le nombre d'éléments empilés (6 à 9) est compris entre deux et dix. 8. Appareil de protection électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce 20 que le nombre d'éléments empilés (6 à 9) est de quatre. 9. Appareil de protection électrique selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour limiter la dilatation volumique suivant au moins une direction autre que la direction 25 préférentielle. 10. Appareil de protection électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens précités comportent une métallisation réalisée sur au moins une face dudit élément, de nature à favoriser l'adhérence du 30 polymère chargé. 11. Appareil de protection électrique selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'épaisseur de cette métallisation est supérieure à 50 um lorsque celle-ci est réalisée en cuivre, et supérieure à 35 um, lorsque celle-ci est réalisée en nickel. 14 12. Appareil de protection électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le dispositif limiteur précité comporte en outre au moins un shunt (11) connecté en parallèle avec 5 respectivement au moins un élément CTP, et permettant de fixer la valeur maximale du courant limité après la transition de l'élément CTP. 13. Appareil de protection électrique selon la revendication 12, caractérisé en ce que la valeur résistive du (ou de chaque) shunt (11) est comprise entre 10 dix fois et vingt fois la valeur de la résistance CTP correspondante à température ambiante. 14. Appareil de protection électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le dispositif limiteur précité 15 comporte en outre au moins un composant dit protecteur contre les surtensions, connecté en parallèle avec respectivement au moins un élément CTP, et destiné à limiter d'éventuelles surtensions susceptibles d'endommager le composant CTP. 20 15. Appareil de protection électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou chaque élément CTP est réalisé à base d'un polymère semi-cristallin. 16. Appareil de protection électrique selon la revendication 15, caractérisé en 25 ce que c'est un disjoncteur miniature. 30