Brevet FR3092705A1 — publié le 20200814

Description Titre de l'invention : Dispositif de protection d'au moins deux câbles électriques contre un arc électrique [0001] La présente invention concerne un dispositif de protection d'au moins deux câbles électriques contre un arc électrique. La présente invention concerne également un système (l'alimentation. [0002] Plus particulièrement, la présente invention concerne le domaine de l'alimentation électrique des véhicules ferroviaires et plus précisément la protection des équipements électriques. [0003] On connaît déjà, dans l'état de la technique, des systèmes d'alimentation de véhicules ferroviaires comprenant une connexion électrique reliant unc unité d'alimentation et un moteur électrique, par exemple un moteur de traction. Par exemple, l'unité d'alimentation est fixée sur le toit du véhicule ferroviaire et le moteur électrique est disposé dans un bogie du véhicule ferroviaire. [0004] La connexion électrique comprend des câbles d'alimentation comprenant des bornes électriques et des interrupteurs. [0005] Lors d'une génération d'une tension dans les câbles d'alimentation, un arc électrique peut se générer entre les câbles. Plusieurs sources d'arcs électriques sont connues. [0006] Par exemple, le moteur électrique peut être un moteur comprenant des aimants permanents. Les aimants permanents génèrent à chaque instant un champ magnétique. Lorsque le stator du moteur électrique est en rotation, une tension est induite dans des bornes électriques du moteur. Cette tension est susceptible de provoquer un arc électrique dans le système d'alimentation et notamment entre les câbles. [0007] De tels arcs électriques sont très destructifs pour les systèmes d'alimentation, notamment pour les câbles d'alimentation de ces systèmes. [0008] Afin de protéger les systèmes d'alimentation contre la propagation de tels arcs dans le système d'alimentation, des dispositifs de protection sont connus. Typiquement, des matériaux protecteurs sont interposés entre les câbles ainsi qu'entre les câbles et l'environnement. [0009] Cependant, lorsque les matériaux protecteurs sont exposés pendant une durée élevée aux arcs électriques, ces matériaux sont dégradés et ne protègent ainsi plus le système d'alimentation. En conséquence, pour éviter une progression des arcs électriques, les matériaux protecteurs doivent être remplacés fréquemment [0010] De tels dispositifs de protection ne sont donc pas entièrement satisfaisants. [0011] Un but de l'invention est donc proposer un dispositif de protection et un système d'alimentation présentant une meilleure capacité de résistance contre des arcs 2 électriques, tout en garantissant une protection suffisante du système d'alimentation ainsi qu'une opération simple du système d'alimentation. [0012] À cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de protection d'au moins deux câbles électriques contre un arc électrique, chaque câble électrique comprenant au moins une borne électrique. Le dispositif de protection comprend : [0013] un corps comprenant : [0014] - une face avant dans laquelle sont ménagés des orifices destinés à recevoir chacun la borne électrique de l'un respectif des câbles électriques, des première et deuxième faces disposées de part et d'autre de la face avant, [0015] - au moins un élément magnétique, chaque élément magnétique étant fixé sur la première face ou la deuxième face, le ou les éléments magnétiques générant ensemble un champ magnétique ; et [0016] - un premier élément de guidage du champ magnétique fixé à la première face, et un second élément de guidage du champ magnétique fixé à la deuxième face, les premier et second éléments de guidage étant configurés pour canaliser le champ magnétique entre eux, les éléments de guidage s'étendant de préférence au-delà du corps de sorte que les bornes électriques sont intercalées entre les éléments de guidage lorsqu'elles sont reçues dans les orifices. [0017] Le dispositif de protection permet d'obtenir une meilleure protection des câbles contre un arc électrique, en exposant l'arc électrique au champ magnétique et ainsi en modifiant la direction de propagation de l'arc électrique. En particulier, les éléments de guidage permettent de canaliser le champ magnétique de manière à ce que l'arc électrique soit dévié. En conséquence, les câbles sont moins exposés aux arcs électriques. [0018] Lorsque l'arc électrique est dévié vers le corps du dispositif de protection, les ailettes permettent de fragmenter un arc électrique s'étendant entre deux câbles en plusieurs arcs fragmentés d'intensité réduite. Par exemple, ces arcs fragmentés s'éteignent entre les ailettes. Les ailettes contribuent ainsi à la capacité de résistance du dispositif de protection. [0019] Le dispositif de protection selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible : [0020] - Le corps comprend plusieurs éléments magnétiques comprenant au moins un premier élément magnétique, fixé sur la première face, et au moins un second élément magnétique, fixé sur la deuxième face, les premiers et seconds éléments magnétiques générant ensemble le champ magnétique. [0021] - Chaque orifice s'étend selon un axe d'orifice, le corps comprenant en outre, sur sa face avant, des ailettes configurées pour fragmenter l'arc électrique, les ailettes 3 s'étendant selon une direction parallèle à chaque axe d'orifice. [0022] - Le corps comprend au moins une paire d'orifices, le corps comporte un groupement d'au moins deux ailettes agencé entre les orifices de chaque paire d'orifices. [0023] - Chaque ailette est couverte, au moins partiellement, par un revêtement comprenant un métal inoxydable. [0024] - Le ou les éléments magnétiques sont orientés de manière à générer le champ ma- gnétique selon une direction perpendiculaire aux première et deuxième faces. [0025] - Chaque orifice s'étend selon un axe d'orifice, les axes d'orifices s'étendant paral- lèlement aux première et deuxième faces. [0026] - Le dispositif de protection présente au moins trois orifices alignés dans une direction parallèle aux première et deuxième faces. [0027] - Le corps présente des premières cavités sur la première face et deuxièmes cavités sur la deuxième face, les premiers éléments magnétiques étant reçus dans les premières cavités et les seconds éléments magnétiques étant reçus dans les deuxièmes cavités. [0028] L'invention a également pour objet un système d'alimentation pour un véhicule fer- roviaire comprenant au moins un moteur électrique de traction et une connexion électrique configurée pour alimenter électriquement le moteur électrique. La connexion électrique comprend au moins un dispositif de protection tel que décrit ci-dessus. [0029] De manière optionnelle, le moteur électrique est un moteur à aimants permanents. [0030] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : [0031] - [fig.1] la figure 1 est une représentation schématique d'un système d'alimentation selon un exemple de mode de réalisation de l'invention ; [0032] - [fig.2] la figure 2 est une représentation schématique en perspective d'un dispositif de protection du système d'alimentation de la figure 1; [0033] - [fig.3] la figure 3 est une représentation schématique en perspective du dispositif de protection de la figure 2 montrant la déviation d'un arc électrique ; [0034] - [fig.4] la figure 4 est une représentation schématique en perspective du dispositif de protection de la figure 2 montrant la déviation d'un arc électrique ; [0035] - [fig.5] la figure 5 est une représentation schématique en coupe d'une partie du dispositif de protection de la figure 4. [0036] On a représenté, sur la figure 1, un système d'alimentation 1 pour un véhicule fer- roviaire. Le système d'alimentation 1 comprend une unité d'alimentation 10, deux moteurs électriques 12 et deux connexions électriques 14 connectant chacune l'unité d'alimentation 10 à l'un respectif des moteurs 12. [0037] En variante, non représentée, le système d'alimentation comprend une seule connexion électrique et un seul moteur électrique. [0038] En variante encore, non représentée, le système d'alimentation comprend au moins trois moteurs, et trois connexions électriques connectant chacune l'unité d'alimentation à un moteur électrique respectif. [0039] L'unité d'alimentation 10 est par exemple disposée sur un toit du véhicule ferroviaire (non représenté). Par exemple, l'unité d'alimentation 10 est connectée d'une part à unc caténaire (non représentée) et d'autre part aux connexions électriques 14. [0040] L'unité d'alimentation 10 est configurée pour transférer une puissance électrique depuis la caténaire vers la connexion électrique 14. [0041] Chaque moteur électrique 12 est destiné à être alimenté par la connexion électrique 14 correspondante. Chaque moteur électrique 12 est, par exemple, un moteur à courant alternatif. Plus particulièrement, dans l'exemple représenté, chaque moteur électrique 12 est un moteur triphasé. Il est configure pour être alimenté par un courant circulant dans trois câbles électriques 16. [0042] Chaque moteur électrique 12 est, par exemple, un moteur de traction du véhicule fer- roviaire. [0043] Chaque moteur électrique 12 comprend, par exemple, des aimants permanents. Lors d'un déplacement du train en absence d'une alimentation électrique du moteur 12, les aimants permanents génèrent une tension dans la connexion électrique 14. Une telle tension est susceptible de provoquer des arcs électriques. [0044] Chaque connexion électrique 14 comprend, dans l'exemple de la figure 1, un connecteur 18, un interrupteur 22 et un dispositif de protection 20, connectés en série par les câbles électriques 16. [0045] Dans ce qui suit, l'une des connexions électriques 14 va être décrite plus en détails, les autres connexions électriques 14 étant identiques. [0046] Dans l'exemple de la figure 1, la connexion électrique 14 comprend trois câbles 16 connectant l'unité d'alimentation 10 et le moteur 12 correspondant. Les trois câbles 16 sont configurés pour alimenter le moteur électrique 12 correspondant. [0047] Chaque câble 16 comprend une âme conductrice 24 et une gaine 26 de câble, et présente des extrémités formant des bornes électriques 28 (dont l'une de chaque câble est visible en particulier sur les figures 3 et 4). [0048] Le connecteur 18 est par exemple un contact male. Le connecteur 18 est destiné à connecter l'unité d'alimentation 10 au câble électrique 16. [0049] L'interrupteur 22 est destiné à permettre d'interrompre la liaison électrique entre l'unité d'alimentation 10 et le moteur 12 correspondant. Un tel interrupteur 22 est connu par l'homme du métier. Il est à noter qu'un arc électrique est susceptible de se former dans l'interrupteur 22 ou entre les bornes électriques 28. [0050] Le dispositif de protection 20 est notamment destiné à arrêter la propagation de l'arc électrique le long des câbles 16. [0051] Le dispositif de protection 20, représenté plus en détail sur la figure 2, comprend un corps 30, des éléments magnétiques 32 et des premier et second éléments de guidage 34a, 34h. [0052] Selon un exemple, non représentée, le dispositif de protection 20 comprend un seul élément magnétique 32. [0053] Le corps 30 comprend un matériau isolant séparant les câbles électriques 16 l'un de l'autre. [0054] Le corps 30 présente une forme générale de parallélépipède comprenant une première face, par exemple appelée face supérieure 40, et une deuxième face, par exemple appelée face inférieure 42 opposée à la face supérieure 40. La face supérieure 40 et la face inférieure 42 sont disposées de part et d'autre de la face avant 45. [0055] Les faces supérieure 40 et inférieure 42 sont notamment parallèles entre elles. Le corps 30 comprend en outre des faces latérales 43, 44 et des faces avant 45 (visible par exemple sur la figure 2) et arrière 46. Les faces latérales 43, 44 et les faces avant 45 et arrière 46 sont perpendiculaires aux faces supérieure 40 et inférieure 42. Les faces latérales 43, 44 sont, en outre, perpendiculaires aux faces avant 45 et arrière 46. [0056] On notera que les appellations « supérieure », « inférieure », « latérale », « avant » et « arrière » sont arbitrairement basées sur la figure 2, sans présumer d'une quelconque orientation dans le système d'alimentation. [0057] Dans l'exemple de la figure 1, la face avant 45 est orientée vers l'unité d'alimentation 10 et la face arrière 46 est orientée vers le moteur électrique 12. [0058] Le corps 30 présente, dans l'exemple représenté, des orifices 47, configurés pour recevoir un câble électrique 16 respectif, les orifices 47 étant ménagés dans la face avant 45. [0059] Le corps 30 comprend au moins une paire d'orifices 47. Dans l'exemple représenté, le corps 30 présente trois orifices 47 alignés parallèlement aux faces supérieure 40 et inférieure 42. [0060] Chaque orifice 47 s'étend selon un axe d'office 48. Par exemple, chaque axe d'orifice 48 s'étend parallèlement aux faces supérieure 40 et inférieure 42 du corps 30 et perpendiculairement à la face avant 45. L'ensemble des axes d'orifices 48 est, par exemple, compris dans un plan d'axes. Le plan d'axes est, par exemple, parallèle aux première et seconde faces 40, 42. [0061] Le corps 30 présente, en outre, par exemple des premières cavités 49 sur la face su- périeure 40, et des secondes cavités sur la face inférieure 42. Sur l'exemple des figures, uniquement les premières cavités 49 sont visibles. [0062] Les premières et secondes cavités 49 sont notamment configurées pour recevoir un ou plusieurs éléments magnétiques 32. Plus précisément, les premières cavités 49 sont configurées pour recevoir des premiers éléments magnétiques 32 et les secondes cavités sont configurées pour recevoir des seconds éléments magnétiques 32. 6 [0063] De préférence, les premiers éléments magnétiques 32 sont identiques aux seconds éléments magnétiques 32. [0064] Les éléments magnétiques 32 sont, par exemple, des aimants permanents. Les éléments magnétiques 32 sont, dans l'exemple représenté, orientés de manière à générer un champ magnétique selon une direction perpendiculaire à l'axe d'orifice 48 et perpendiculaire aux faces supérieure 40 et inférieure 42. [0065] De préférence, le premier élément de guidage 34a est identique au second élément de guidage 34h. Chaque premier et second élément de guidage 34a, 34h est en outre désigné par la référence générale 34 sur les figures. [0066] Les éléments de guidage 34 sont, dans l'exemple représenté, des tôles. Par exemple, les éléments de guidage 34 sont des tôles métalliques. [0067] Le premier élément de guidage 34a du champ magnétique est par exemple fixé sur la face supérieure 40 et le second élément de guidage 34h du champ magnétique est fixé sur la face inférieure 42. Chaque élément de guidage 34 s'étend par exemple dans un plan parallèle à la face supérieure 40 ou inférieure 42 respectivement sur laquelle il est fixé. Chaque élément de guidage 34 s'étend de préférence au-delà du corps 30, notamment au-delà de la face avant 45. Plus particulièrement, chaque élément de guidage 34 s'étend au-delà du corps 30 de sorte que les bornes électriques 28 sont intercalées entre les éléments de guidage 34 lorsqu'elles sont reçues dans les orifices 47. [0068] Les éléments de guidage 34 guident le champ magnétique généré par les éléments magnétiques 32 de sorte que le champ magnétique soit sensiblement maintenu entre le premier 34a et second 34b élément de guidage. [0069] En d'autres termes, les premier et second éléments de guidage 34a, 34b sont configurés pour canaliser le champ magnétique B entre eux [0070] Le corps 30 comprend en outre des ailettes 50 configurées pour fragmenter l'arc électrique. Les ailettes 50 font saillie de la face avant 45 et s'étendent selon une direction parallèle aux axes d'orifice 48 et perpendiculaire à cette face avant 45. [0071] Les ailettes 50 comprennent des faces latérales 52 parallèles entre elles. La face latérale 52 d'une ailette 50 est, par exemple, orientée vers la face latérale 52 d'une ailette 50 voisine. [0072] Les ailettes 50 sont, par exemple, espacées entre elles d'une distance égale à environ 5 mm [0073] Plus particulièrement, le corps 30 comporte un groupement d'au moins deux ailettes 50 agencé entre les orifices 47 de chaque paire d'orifices. [0074] Dans l'exemple représenté sur les figures, trois ailettes 50 sont fixés sur la face avant 45 entre les orifices 47 de chaque paire d'orifices. Dans un autre exemple, quatre ailettes 50 sont fixés sur la face avant 45 entre les orifices 47 de chaque paire d'orifices. 7 [0075] Les ailettes 50 sont, par exemple, munis de cavaliers conducteurs visibles sur la figure 5 qui sont configurés pour favoriser le passage du courant électrique de l'arc électrique. Un cavalier conducteur est un élément conducteur comprenant deux parois latérales en regard l'une de l'autre, propre à recouvrir au moins partiellement une face latérale 52 respective d'une ailette 50, et un élément de liaison reliant les deux parois latérales. [0076] Selon l'exemple représenté sur la figure 5, chaque ailette 50 est couverte par un re- vêtement conducteur 54. [0077] Le revêtement 54 est par exemple formé par un cavalier. [0078] Le revêtement 54 comprend par exemple un matériau présentant une résistance élevée contre des arcs électriques. Le matériau est par exemple un métal inoxydable. [0079] Le revêtement 54 couvre par exemple une extrémité de l'ailette 50 ainsi qu'au moins la moitié de chaque face latérale 52. Dans l'exemple de la figure 5, chaque revêtement 54 couvre environ deux tiers de la face latérale 52. [0080] Les ailettes 50 sont configurées pour fragmenter un arc électrique susceptible de s'établir entre deux bornes électriques 28, comme cela est montré par exemple sur la figure 5. [0081] En référence aux figures 3 à 5, le fonctionnement du système d'alimentation 1, et en particulier du dispositif de protection 20, va maintenant être décrit. [0082] Lorsqu'un arc électrique se forme, il se propage dans le système d'alimentation 1. Par exemple, lorsqu'un arc électrique se forme dans l'interrupteur 22, l'arc électrique se propage dans les câbles électriques 16 en direction du dispositif de protection 20 disposé entre l'interrupteur 22 et le moteur 12. [0083] Les éléments magnétiques 32 génèrent un champ magnétique selon une direction perpendiculaire aux faces supérieure 40 et inférieure 42. [0084] Un premier exemple d'établissement d'arc est montré sur la figure 3. Lorsque le courant circule dans les âmes conductrices 24 selon une première direction, un arc électrique s'établit à partir de la borne électrique 28A vers la borne électrique 28B. L'arc électrique présente une direction de courant Il. [0085] L'arc électrique est dévié par le champ magnétique B orthogonal au courant électrique de l'arc électrique par une force résultante FI. La direction de la force résultante Fl est perpendiculaire à un plan formé par le champ magnétique B et le courant II. La force résultante Fl est calculée comme suit : [0086] F=B-1-L [0087] avec : [0088] B: valeur du champ magnétique ; [0089] I : valeur du courant de l'arc électrique ; [0090] et L : longueur de l'arc électrique soumis au champ magnétique. 8 [0091] Le vecteur de la force résultante Fl est le produit vectoriel du champ magnétique par la valeur du vecteur courant, multiplié par la longueur de l'arc électrique soumise au champ magnétique. [0092] L'arc électrique, dévié par la force résultante Fl, suit une courbe Cl, comme visible dans la figure 3. L'arc électrique est éloigné du corps 30. La déviation de l'arc électrique est également appelée « soufflage ». [0093] La courbe Cl présente une longueur plus importante qu'une distance minimale entre les bornes électriques 28A et 28B. La tension de l'arc électrique est augmentée par rapport à un arc électrique non-dévié. Le courant de l'arc électrique est réduit. [0094] Par exemple, lorsque le courant est un courant alternatif, l'arc électrique s'éteint lors du passage par zéro du courant dans les âmes conductrices 24. [0095] Par « passage par zéro du courant », il est entendu un changement de la direction du courant dans les âmes conductrices 24. [0096] Un second exemple d'établissement d'arc est montré sur la figure 4. [0097] Lorsque le courant circule dans les âmes conductrices 24 selon une seconde direction, opposée à la première direction, l'arc électrique s'établit à partir de la borne électrique 28A vers la home électrique 28B (voir figure 4), selon une direction de courant 12 de l'arc électrique. Lors de l'établissement de l'arc électrique, l'arc est dévié par le champ magnétique B, et plus précisément par une force résultante F2, électrique selon une courbe C2. L'arc électrique est dévié vers les ailettes 50. [0098] La force résultante F2 est par exemple parallèle aux axes d'orifices 48. La force ré- sultante F2 est perpendiculaire à un plan formé par le champ magnétique B et le courant de l'arc 12. Le calcul de la force résultante F2 correspond au calcul de la force résultante Fl. [0099] La déviation de l'arc électrique vers les ailettes 50 est également appelée aspiration ». [0100] Lorsque l'arc électrique entre en contact avec une ailette 50, l'arc est fragmenté en plusieurs arcs électriques qui présentent une intensité réduite. Le fait qu'un arc électrique est fragmenté est montré sur la figure 5 par des flashs de taille réduite. [0101] L'arc électrique est ensuite transmis d'une ailette 50 à l'autre. Lors de la transmission, l'arc électrique est atténué par décharge électrique sur les ailettes 50 et sur les revêtements 54. Dans l'exemple de la figure 5, l'arc électrique est ensuite transmis à la borne électrique 28A. [0102] Par exemple, lorsque le courant est un courant alternatif, l'arc électrique fractionné entre les ailettes 50 s'éteint lors du passage par zéro du courant dans les âmes conductrices 24. [0103] Le système d'alimentation 1 et le dispositif de protection 20 présentent plusieurs avantages. 9 [0104] Le fait d'utiliser un moteur à aimants permanents permet de réduire la niasse du moteur et du volume du moteur. Lorsque le moteur est un moteur à aimants permanents, le moteur est susceptible d'induire une tension dans les câbles électriques 16 lors d'un déplacement du véhicule ferroviaire, ce qui peut former un arc électrique. [0105] Le dispositif de protection 20 permet notamment de protéger des éléments disposés en aval du dispositif de protection 20 contre l'arc électrique dans le système d'alimentation 1, c'est-à-dire des éléments du système d'alimentation 1 qui sont disposés entre le dispositif de protection 20 et le moteur électrique 12. [0106] Le dispositif de protection 20 permet en outre de prolonger l'arc électrique entre les bornes électriques 28, ce qui réduit le courant de l'arc électrique. Une prolongation présente plusieurs avantages. [0107] Le fait de réduire le courant de l'arc électrique réduit les capacités destructrices de l'arc électrique. Les câbles électriques 16 sont mieux protégés. Le dispositif de protection 20 permet d'éviter un réamorçage de l'arc électrique. [0108] En outre, l'éloignement du flash contribue en outre à mieux protéger le matériau du corps 30 contre des effets thermiques de l'arc électrique. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]