Brevet FR3104807A1 — publié le 20210618

Dispositif d’appareillage électrique pour les réseaux de distribution électrique supérieurs à 3,6KV, à coupure et fermeture des courants dans une ampoule à vide et isolement sans SF6. L’invention s’applique à la réalisation d’appareillages électriques de distribution en particulier secondaire, interrupteur-sectionneur et disjoncteur-sectionneur sans SF6, utilisant un fluide isolant à faible pouvoir à effet de serres pour l’isolation et une ampoule à vide utilisée transitoirement pour la fonction interruption et enclenchement des courants. L’invention consiste, pendant le changement d’état de la position du sectionneur, à insérer temporairement une ampoule à vide externe au dispositif sectionneur au travers d’une électrode de commutation, et l’exclure du circuit dans les deux positions stables de l’appareil. La fonction sectionneur est réalisée par des solutions à base de couteaux conducteurs mobiles en rotation ou par un tube mobile en translation dans l’air ou tout autre diélectrique dans une enceinte étanche. Figure pour l’abrégé: Fig 2 Interrupteur/disjoncteur-sectionneur pour les réseaux de distribution électrique supérieurs à 3,6KV, à coupure et fermeture des courants dans une ampoule à vide et isolement sans SF6. Dans le cadre de la réduction de l’utilisation des gaz à effets de serres, les appareillages de distribution électrique, utilisant très majoritairement le gaz SF6 comme agent d’isolation et d’extinction de l’arc, devront dans un avenir proche, être remplacés par de nouvelles solutions sans SF6. L’invention a pour but d’apporter une solution à cette problématique par des appareillages électriques disjoncteurs, interrupteurs en général triphasés dont la coupure et fermeture des courants de court- circuit et permanent sont réalisées par une ampoule à vide et le passage du courant permanent et l’isolation entre entrée-sortie par un sectionneur, l’ampoule à vide étant insérée temporairement pendant le changement d’état du sectionneur et isolée du circuit dans les deux positions stables ouvert / fermé du disjoncteur-sectionneur. Tous les arcs de puissance sont cantonnés dans l’ampoule à vide, les commutations dans le fluide d’isolement sont réalisées à iso-potentiel ou sans courant, n’influent pas sur la qualité des solutions d’isolation tant des matériaux que fluide utilisés. Dans la suite, on notera disjoncteur-sectionneur pour toutes les différentes fonctions réalisables disjoncteur, disjoncteur-sectionneur, interrupteur, interrupteur-sectionneur. Les descriptions se limitent à une phase du dispositif qui peut être multipolaire. Etat de l’art Les disjoncteurs à vide actuel sont mal adaptés à ces architectures car nécessitent d’ajouter un sectionneur en série nécessitant deux mécanismes et leur verrouillage de sécurité pour assurer la fonction d’isolation entrée-sortie, fonction électrique qui ne peut pas être assurée par une solution de continuité dans le vide suivant les normes IEC ou autres. Des solutions ont déjà fait l’objet de dépôt de brevet en particulier pour des applications de disjoncteur (brevets DE1265815B et JPS54183671) ou comme le brevet français FR 2980632 adapté uniquement à des fonctions interrupteur, mais limitant l’utilisation de l’ampoule à vide uniquement à la coupure des courants et laissant des arcs de puissance dans le fluide isolant et les contraintes environnementales associées. L’invention, adaptée pour les disjoncteur-sectionneur de distribution électrique primaire et secondaire, complète et enrichie celle du brevet français FR 3077921 basé sur un mouvement rectiligne de l’équipage mobile cylindrique de la fonction sectionneur, pouvant intégrer concentriquement l’ampoule à vide solution adaptée aux appareils de fortes intensité comme pour les disjoncteurs de générateur ou très haute tension . Exposé L’invention est relative à des disjoncteurs-sectionneur dont la fonction sectionneur est réalisée par un mouvement rotatif de l’équipage mobile (11) de la fonction sectionneur et [Fig 2], et pour des applications où l’ampoule à vide (5) est placée extérieurement à la fonction sectionneur, en particulier dans le cas d’un mouvement rectiligne de l’équipage mobile de la fonction sectionneur [Fig 3]. L’invention utilise une fonction sectionneur classique du domaine de l’art avec des couteaux conducteurs composant l’équipage mobile (11) de la fonction sectionneur. Les couteaux conducteurs composant l’équipage mobile (11) sont en rotation autour d’un point fixe lié à l’entrée de courant (4) assurant, en position ouverte, une solution de continuité dans le fluide isolant entre l’entrée de courant (3) et les couteaux (11) pour assurer la fonction d’isolation du sectionneur et en position fermé, la liaison électrique entre les deux entrées courant (3) et (4) au travers de leurs contacts glissants (6) et (12) avec les couteaux conducteurs de l’équipage mobile (11) assurant le transport de l’énergie électrique. Pendant la période transitoire de passage d’un état à l’autre lors d’une opération d’ouverture ou de fermeture, les couteaux conducteurs de l’équipage mobile (11) vont se connecter à l’électrode de commutation (9) permettant d’insérer, dans le circuit, l’ampoule à vide (5) et réaliser les schémas électriques avec le contact mobile de l’ampoule à vide, (Ampoule à vide ouverte) et (Ampoule à vide fermée) de la . Le profil de la came (16) permet d’assurer le synchronisme entre l’ouverture et fermeture des contacts de l’ampoule à vide (5) avec la position de l’équipage mobile (11) de la fonction sectionneur comme décrit par les 2 courbes espace-temps de la [Fig 4]. L’électrode de commutation (9) fixe, a un profil spécifique en croissant pour assurer les tenues diélectriques pendant la période transitoire d’insertion de l’ampoule à vide entre l’électrode de commutation (9) et l’entrée de courant (3) et des sections déterminées pour assurer les diverses contraintes électriques de passage de courant. Dans la [Fig 2], l’électrode de commutation (9) a des sections variables permettant d’assurer les contacts électriques entre l’équipage mobile (11) et l’électrode dans sa zone (9a) et de se déconnecter dans la zone (9b) permettant de réduire les efforts mécaniques et assurer uniquement le contact électrique entre les couteaux conducteurs de l’équipage mobile (11) avec l’entrée de courant (3). L’entrainement de la came (16) manœuvrant le contact mobile de l’ampoule à vide et celui de l’équipage mobile (11) est réalisé par un seul arbre moteur (20) relié à l’organe de manœuvre, mais il est envisageable d’utiliser un arbre secondaire pour manœuvrer la came (16) relié à l’arbre moteur (20) par un système bielle manivelle classique ou un système d’engrenage. L’invention permet d’assurer le cantonnement des arcs de puissance tant à la fermeture qu’à l’ouverture du disjoncteur-sectionneur dans l’ampoule à vide, toutes les phases de commutation de la fonction sectionneur à la fonction disjoncteur sont réalisées à même potentiel ou sans courant dans le fluide d’isolation. Les figures représentent le schéma d’une phase de chaque type de disjoncteur-sectionneur. La représente un disjoncteur-sectionneur à mouvement rotatif du sectionneur avec un arbre isolant monobloc (20) supportant et entrainant en rotation les couteaux conducteur de l’équipage mobile (11) de la fonction sectionneur et intégrant la came (16) qui au travers de la bielle isolante (13) actionne le contact mobile de l’ampoule à vide (5). La représente, un disjoncteur-sectionneur à mouvement rotatif du sectionneur, les couteaux mobiles du sectionneur (11) sont manœuvrés par un système bielle manivelle (18) et (19) monté sur l’arbre moteur (20) qui supporte et entraine la came (16). La représente une solution avec mouvement rectiligne de l’équipage mobile (11) de la fonction sectionneur et l’ampoule à vide (5) externe à la fonction sectionneur avec une électrode de commutation (9) concentrique extérieurement à l’équipage mobile (11), fixée sur le support isolant (8) et reliée au contact mobile de l’ampoule à vide (5) par le contact mobile (7). La chambre active suivant l’invention peut fonctionner dans un diélectrique isolant comme l’air ou tout autre fluide isolant (gaz ou liquide) dans une enveloppe fermée étanche. Description détaillée En référence aux dessins des & [Fig 2], l’invention comporte un premier dispositif qui assure la fonction sectionneur, composé des entrées de courant (3) et (4) isolées du châssis par des supports isolants (1) et (2), d’un équipage mobile (11) en rotation autour d’un point fixe lié à l’entrée courant (4), entrainé par un arbre monobloc (20) dans le cas de la [Fig 1] ou par un levier(18) et bielle (19) isolants dans le cas de la [Fig 2] , reliés à un arbre moteur (20) connecté à l’organe de manœuvre non représenté. Un deuxième dispositif assurant la fonction disjoncteur, comprenant une ampoule à vide (5) supportée mécaniquement par un dispositif isolant (8) lié au support isolant (1), reliée à l’entrée courant (3) pour son contact fixe, et pour son contact mobile au travers du contact mobile (7) à une électrode de commutation ( 9) fixée au support isolant (8), cette électrode de commutation (9) assure plusieurs fonctions, suivant la position de l’équipage mobile (11) : La commutation du courant de l’entrée courant (3) dans l’ampoule à vide (5) Le passage du courant de l’ampoule à vide (5) dans l’équipage mobile (11) au travers de contacts glissants (9a) Le court-circuitage de l’ampoule à vide (5) en position disjoncteur-sectionneur fermé Les deux dispositifs sont manœuvrés par un arbre moteur unique (20) qui entraine l’équipage mobile (11) et une came (16) dont le profil adapté permet de synchroniser le mouvement du contact mobile de l’ampoule à vide (5) avec les positions de l’équipage mobile (11) pour obtenir les schémas électriques de la , grâce au déplacement linéaire de la bielle isolante (13) reliant cette came (16) au contact mobile de l’ampoule à vide (5) guidée en translation par le support (8). La montre les positions fermé et ouvert du disjoncteur, ainsi que les positions transitoires de l’équipage mobile (11) lors d’une opération de changement d’état pour assurer le transfert du courant dans l’ampoule à vide (5) au travers de l’électrode de commutation (9) En position ouverte, la fonction sectionneur et l’isolation sont assurées par une solution de continuité du fluide isolant au travers de la distance entre les pièces (11),( 9), (3). Il est à noter que l’électrode de commutation (9) pourra être à un potentiel flottant ou au potentiel de la prise de courant (3) suivant la courbe espace/temps choisie de l’ampoule à vide. En position fermé, l’équipage mobile (11) relie les entrées- sorties (3) et (4) au travers des contacts glissants (6) et (12). L’ampoule à vide est totalement court-circuitée par l’équipage mobile (11) par la liaison électrique entre les contacts (6) et l’électrode de commutation(9), et supporte aucune contrainte électrique et mécanique en fonctionnement normal. En positions transitoires, sur une opération de fermeture, l’équipage mobile vient se connecter à l’électrode de commutation (9) , le profil de la came(16) va permettre à cet instant, de fermer les contacts de l’ampoule à vide (5), enclenchant le courant dans l’ampoule à vide, l’équipage mobile continuant sa course jusqu’à entrer en contact avec l’entrée courant (3), le courant est commuté dans la fonction sectionneur, l’ampoule à vide (5) est court-circuitée par les couteaux conducteurs de l’équipage mobile (11) dans la position stable disjoncteur-sectionneur fermé. Dans la , l’électrode de commutation (9) a des sections variables pour permettre de réduire les efforts de frottement en supprimant le contact entre l’électrode de commutation (9) et les couteaux conducteurs de l’équipage mobile (11) en fin de course de fermeture, permettant de déconnecter l’ampoule à vide du circuit et d’assurer les pressions de contact des contacts glissants (6) entre les couteaux conducteurs de l’équipage mobile et l’entrée de courant (3). La forme de l’électrode de commutation en croissant est définie pour conserver un champ électrique entre l’entrée de courant (3) et le contour de l’électrode de commutation (9) permettant d’assurer la tenue diélectrique des tensions transitoires de rétablissement (TTR) des normes de l’appareillage électrique entre l’entrée de courant (3) et l’électrode de commutation (9) en fonction de la position de l’équipage mobile(11). La donne une représentation de l’invention sur une base de sectionneur avec un mouvement rectiligne de l’équipage mobile (11), l’ampoule à vide (5) externe au dispositif sectionneur est solidaire d’un support isolant (8) qui assure les même fonctions que décrites précédemment, idem pour la came (16), l’arbre moteur (20) et l’électrode de commutation (9). La came (16) permet aussi, grâce à un profil adapté d’intégrer une fonction sectionneur de terre à la fonction sectionneur, en augmentant la rotation de la fonction sectionneur sans faire intervenir l’ampoule à vide. On voit rapidement l’intérêt d’une telle solution, elle permet de réaliser des disjoncteurs-sectionneurs utilisant tout fluide isolant sans pouvoir électronégatif en cantonnant les fonctions d’enclenchement et de coupure des courants dans une ampoule à vide définie uniquement par les conditions transitoires et non par les conditions de puissance nominale et d’isolement, limitant le nombre de type d’ampoule qui maximise le volume de production et optimise le coût. L’invention permet de réaliser des fonctions interrupteurs et disjoncteurs-sectionneurs avec le même dimensionnement dont la seule variante sera l’ampoule à vide, la fonction sectionneur restant un invariant tant en composants que dimensionnement simplifiant l’architecture des postes et l’utilisation d’un seul organe de manœuvre pour concevoir la fonction disjoncteur-sectionneur. Un disjoncteur-sectionneur à coupure et fermeture des courants dans une ampoule à vide opérant dans l’air ou tout autre fluide isolant (gaz ou liquide) dans une enceinte étanche, caractérisé -par un premier dispositif assurant la fonction sectionneur comprenant un équipage mobile (11) unique lié électriquement à l’entrée de courant (4) du sectionneur, qui en position disjoncteur-sectionneur fermé, relie les deux entrées de courant de la fonction sectionneur (3) et (4) ; qui en position disjoncteur-sectionneur ouvert, assure la tenue diélectrique grâce à une solution de continuité dans le fluide isolant utilisé, entre l’équipage mobile (11) et l’entrée de courant (3) de la fonction sectionneur; qui en position transitoire sera connecté à une électrode fixe de commutation (9). -par un second dispositif assurant la fonction interrupteur/disjoncteur, extérieur à la fonction sectionneur, composé par une ampoule à vide (5) dont le contact fixe est relié électriquement à l’entrée de courant (3) de la fonction sectionneur, et par un support isolant (8) assurant, le positionnement et l’ isolation de l’ampoule à vide (5) par rapport aux éléments du sectionneur et le positionnement mécanique de l’électrode de commutation (9) liée électriquement au contact mobile (7) de l’ampoule à vide (5). -par une électrode de commutation (9) fixe qui assure transitoirement la liaison mécanique et électrique entre le premier dispositif avec le second dispositif en fonction de la position relative de l’équipage mobile (11). -par un système mécanique de synchronisation des mouvements, de l’équipage mobile (11) de la fonction sectionneur et du contact mobile de l’ampoule à vide (5) par l’intermédiaire d’une came (16) liée à l’arbre moteur (20) du sectionneur. Un disjoncteur-sectionneur suivant la revendication 1 caractérisé par le système mécanique de synchronisation, qui est lié à un organe de manœuvre, composé d’un arbre moteur (20), monobloc ou équipé d’un système bielle manivelle (18) (19), entrainant en rotation l’équipage mobile (11) de la fonction sectionneur et la came (16) dont le profil adapté permet de manœuvrer, par le mouvement linéaire d’une bielle isolante (13), le contact mobile de l’ampoule à vide (5) en fonction de la position de l’équipage mobile (11). Un disjoncteur-sectionneur suivant les revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l’électrode de commutation (9) est en forme de croissant, déterminée pour assurer un champ électrique minimal de tenue entre l’entrée de courant (3) et l’électrode de commutation (9) permettant d’assurer la tenue de tension transitoire de rétablissement lors de la coupure des courants. Un dispositif disjoncteur-sectionneur suivant l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’électrode de commutation (9) a des sections variables pour permettre d’assurer pour une première zone (9a) le contact entre l’électrode de commutation (9) et les couteaux conducteurs de l’équipage mobile(11) et une déconnexion de ces même couteaux conducteurs dans la deuxième zone (9b) pour assurer la qualité de leurs contacts électriques avec l’entrée de courant(3) . Un dispositif disjoncteur-sectionneur suivant l’une des revendications 1à 4 caractérisé par un premier arbre moteur lié à l’organe de manœuvre qui entraine l’équipage mobile (11) de la fonction sectionneur et un arbre secondaire lié à cet arbre moteur par un système bielle manivelle ou engrenages qui entraine en rotation la came (16).