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DISJONCTEUR ~YPE~ RAPIDE ASSISTE PAR
UN CX~CUIT DE COMMA~DE
05 Objet de l'invention
____________________
Cette invention est relative à un disjoncteur hy-
per rapide limiteur de courant utilisable en moyenne
tension et plus particulièrement adapté à la traction
électrique, dans le matériel roulant ou le matériel fi-
xe.
Résumé de l'état de la technique
__________________._____________
Il est bien connu que les réseaux électriques
tels que ceux utilisés en traction comme en industrie
deviennent de plus en plus complexes et puissants. La
conception des appareils de coupure doit évoluer pour
couper des courants de plus en plus grands et réduire 20 les frais de maintenance. Un appareil de coupure de la
nouvelle génération doit être rapide pour limiter le
courant et diminuer les sollicitations mécaniques et
thermiques de toute l'installation ainsi que l'usure de
ses contacts et de sa boîte de soufflage. Actuellement,
les appareils de coupure comportent des mécanismes ul-
tra-rapides pour l'ouverture des contacts et une boîte
de soufflage dans la~uelle l'arc créé est confiné et re-
froidi. Ces appareils entraînent des frais significatifs
dus aux interventions d'entretien et aux remplacements
des pièces d'usure.
Diverses associations entre des mécanismes et des
circuits de commande à semi-conducteurs ont été propo-
sées.
Les brevets US 3723922 et US 3764944 décrivent un
mécanisme destiné à un appareil de coupure synchrone,
pour réseau alternatif, dans lequel le déplacement axial
d'un disque relié à un pont de contact mobile par un ar-
SB 1995
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bre central est obtenu par répulsion à l'aide de bobines deforme spirale excitées par un courant important provenant de la
décharge d'un condensateur spécialement prévu pour cet usage.
Cet appareil, concu pour la haute tension en courant alternatif,
travaille sous un vide poussé. Il utilise des bobines
d'excitation de fabrication complexe et des dispositifs
particuliers de décélération de l'arbre central.
Le brevet Canadian No. 1,250,942 (émis le 7 mars 1989)
décrit un appareil dans lequel la coupure, sans arc
significatif, est obtenue grace à l'adjonction d'un circuit
oscillant, commandé par semi-conducteurs et dont la self est
utilisée comme bobine de répulsion, à un mécanisme hyper rapide
à maintien électromagnétique dans lequel un meme élément fait à
la fois office de disque de répulsion et de pont de contact
mobile.
Le mécanisme est associé à un circuit oscillant par
l'intermédiaire de semi-conducteurs de puissance et comprend
notamment:
- une bobine de répulsion de forme spirale, située dans
une masse isolante et faisant office de self du circuit
oscillant,
- un disque métallique faisant office de pont de contact
et collaborant avec la bobine de répulsion,
- un ensemble mobile à mouvement alternatif,
- un aimant permanent ou un bobinage de maintien et une
culasse magnétique insérés dans cet ensemble mobile,
- une armature collaborant avec la culasse magnétique en
liaison avec le disque.
Dans le cas de l'appareillage qui y est décrit, on
obtient un effort de répulsion qui prend très vite une important
considérable sans pour cela nécessiter un stockage important
d'énergie sous forme mécanique (par exemple la déformation de
ressorts ou la mise sous pression d'un fluide).
On a ensuite tenté d'améliorer l'efficacité à la
coupure de ce type d'appareillage par un circuit de com-
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mande plus performant qui empêche essentiellement la
formation d'arc et qui permet, de ce fait, une durée de
vie prolongée et/ou un espacement prolongé des entre-
tiens.
05 Il est toutefois apparu que dans certains cas
d'application, la partie mécanique du disjoncteur hyper
rapide accuse un retard à l'ouverture trop inportant et
une vitesse d'ouverture trop peu élevéeO Le retard à
l'ouverture se définit comme étan~ le laps de temps qui
s'écoule entre le début de l'ordre d'ouverture et l'in-
stant où les contacts mobiles commencent à s'écarter des
contacts fixes.
La vitesse d'ouverture doit surtout être impor-
tante en début de course pour obtenir rapidement une
distance suffisante.
Cet inconvénient du disjoncteur du type susmen-
tionné est essentiellement dû au fait que la partie mo-
bile présente un moment d'inertie assez important puis-
qu'elle doit être magnétique afin de tenir sur un aimant
permanent ou un électro-aimant pour le maintien des con~
tacts à l'état fermé et assurer une pression de contact
déterminée entre le pont portant les contacts mobiles et
les contacts fixes.
Buts de l'invention
___________________
Le but de la présente invention consiste à four-
nir un disjoncteur hyper rapide convenant pour les
moyennes et hautes tensions, assisté par un circuit de
commande, qui compor.e une partie mécanique particulie-
rement performante.
Un but complémentaire de la présente invention
consiste à fournir un disjoncteur hyper rapide du type
susmentionné dont les parties mobiles présentant un mo-
ment d'inertie réduit par rapport à ce qui est connudans l'état de la technique. Un autre but complémentaire de la présente inven-
,:
~31~32~
tion vise à fournir un disjoncteur hyper rapide perfor-
mant, de construction particulièrement simple qui est
robuste et malgré tout peu onereux.
05 Principe de l'invention
___.____________________
Selon la présente invention, le disjoncteur hyper
rapide assité par un circuit de commande à semi-conduc-
teurs, comportant une bobine de répulsion, un disque de
répulsion associé à un pont de contact portant les con-
tacts mobiles, ledit disque de repulsion collaborant
avec ladite bobine de répulsion, et un moyen de maintien
des contacts à l'état fermé, est caractérisé en ce que
le moyen de maintien consiste en un ressort de maintien
agissant sur la disque de répulsion associé au pont de
contact via un moyen de retenue agissant sur ledit dis-
que de répulsion, moyen de retenue qui exerce une pres-
sion suffisante pour résister à une pression de contact
imposée et qui est agencé de manière rétractable lors de
la répulsion du disque sous l'effet de la bobine de ré-
pulsion.
Lors de l'armement le ressort de maintien est
écrasé et le disjoncteur est armé par l'action d'air
comprimé. Dès la fin de l'armement, le ressort de main-
tien peut libérer toute son énergie pour appliquer lepont de contact et donc les contacts mobiles contre les
contacts fixes. Il est bien évident que pour vaincre la
répulsion électro-dynamique et en vue de limiter la for-
mation de pré-arcs entre les contacts fixes et mobiles,
il y a lieu de prévoir un ressort, de préférence pre-
comprimé, suffisamment puissant.
Selon une forme d'exécution de la présente inven-
tion, le disque de répulsion comporte, du côté opposé à
celui qui est associé au pont de contact, une queue sur
laquelle agit le moyen de retenue.
Avantageusement, le moyen de retenue consiste en
une pluralité de billes ou galets, de préférence deux ou
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quatre billes ou galets, appliqués sous pression, éven-
tuellement à l'aide d'un ressort, contre ladite queue
solidaire du disque de répulsion de préférence selon des
axes orientés perpendiculairement à l'axe de la queue.
05 Selon une forme d'exécution préférée, la queue
comporte une surface tronconique allant en augmentant en
s'écartant du disque de répulsion, ou des plans inclinés
s'écartant de l'axe de ladite queue en s'éloignant du
disque de répulsion, l'extrémité de la surface tronconi-
que ou des plans inclinés, proche du disque de répulsion
étant munie d'un épaulement servant de butée de logement
des billes ou galets, et l'extrémité de la surface tron-
conique ou des plans inclinés, éloignée du disque de ré-
pulsion comportant une gorge de logement des billes ou
galets, la distance séparant l'épaulement de la gorge
correspondant essentiellement à la course des contacts
mobiles.
On constate aisément que la pièce mobile qui doit
être soumise à des accélérations importantes lors de la 20 rupture des contacts, par exemple en cas de court-cir-
cuit, se réduit à une pièce légère de faible moment d'i-
nertie comportant simplement le disque de répulsion as-
socié au pont de contact et à la queue. On peut évidem-
ment encore améliorer la comportement de cette pièce mo-
bile en choisissant un matériau métallique léger appro-
prié.
Avantageusement, le dispositif selon la présente
invention comporte un moyen d'amortissement qui amortit
le mouvement brusque du disque de répulsion associé à sa
queue, lors de la coupure du circuit électrique, c'est-
à-dire lors de la répulsion par la bobine de répulsion.
En effet, si avec les disjoncteurs du type connu, on at-
teignait des accélérations importantes de la partie mo-
bile, on a atteint, lors d'essais prélmiminaires du dis
joncteur conforme à la présente invention, des accéléra-
tions supérieures à 30.000 g. On comprend alors aisément
que, en vue d'éviter une destruction de l'appareil, il
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est nécessaire de prévoir au moins un amortisseur adé-
quat.
A l'état de repos, c'est-à-dire contacts ouverts
disjoncteur non armé, le ressort de maintien est précom-
~ primé alors que le disque de répulsion se trouve en po-
sition écartée des contacts fixes, c'est-à-dire que les
billes ou galets sont appliqués sur la queue, à proximi-
té du disque de répulsion, à savoir contre l'épaulement
servant de butée de logement. Pour armer le disjoncteur
représenté à titre exemplatif dans les figures, on in-
troduit de l'air sous pression dans une chambre adéqua-
te, qui comprime le ressort de maintien et déplace les
billes ou galets de retenue le long de la surface tron-
conique ou le long des plans inclinés, le disque de ré~15 pulsion étant retenu par une butée, jusqu'à ce que cel-
les-ci ou ceux-ci s'engagent dans la gorge de logement à
l'extrémité libre de la queue solidaire dudit disque de
répulsion.
La fermeture du circuit électrique, c'est-à-dire
la fermeture du disjoncteur doit s'effectuer de manière
rapide et avec une force relativement importante en vue
d'éviter la formation de pré-arcs et en vue de vaincre
les forces de répulsion électro-dynamiques. Grâce à la
libération de l'air comprimé, de préférence par mise à
l'atmosphère, le ressort de maintien libère tout son é-
nergie et applique le pont de contact avec ses contacts
mobiles contre les contacts fixes par l'intermdiaire des
billes ou galets logées dans ladite gorge de logement en
bout de queue.
Lorsque la bobine de répulsion est excitée, les
contacts fixes et mobiles sont séparés brusquement grâce
à l'écartement brusque du disque de répulsion dont la
queue s'appuie sur un moyen d'amortissement, les billes
ou galets étant brusquement écartés et délogés de la
gorge pour venir se loger, en fin de course du disque
contre l'épaulement proche du disque de répulsion. Le
ressort de maintien n'est pas sollicité par la répulsion
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car la partie mobile s'echappe du systeme de maintien dela pression. L'inertie des parties en mouvement est donc
différente selon le sens du mouvement; grande lorsque
les contacts se ferment, minimale à leur ouverture.
05
Brève description des figures
_____________________________
- la figure l représente le disjoncteur conforme à la
présente invention, en coupe longitudina-
le, en positio de repos; et
- la figure 2 est une coupe longitudinale analogue à la
précédente, la partie gauche étant repré-
sentée à L'état armé et la partie droite à
l'état ferme.
Description détaillée d'une forme d'exécution préférée
______________________________________________________
Dans les figures, des repères de réferences iden-
tiques représentent des éléments identiques ou analo-
- 20 gUeS-
Le disjoncteur l conforme à la présente inventioncomporte un cylindre 3 obturé à une extrémité par un
couvercle de fond 5 qui y est fixé par l'intermédiaire
d'une bride 7, d'une bague 9 logée dans une gorge cor-
respondante ll dudit cylindre, le couvercle étant serré
moyennant des vis ou adéquats 13, et obturé à l'autre
extrémité par un deuxième couvercle 15 qui y est fixé de
manière analogue par une bride 17, une bague l9 et des
vis ou boulons 21.
Ledit cyclindre 3 comporte, à l'intérieur, un
piston 25 qui peut coulisser dans celui-~i, et une res-
sort de maintien 27 qui s'appuie sur le couvercle de
fond 5 et sur un épaulement 29 pratiqué dans ledit pis-
ton. Ledit piston est surmonté d'un fourreau 31 qui tra-
verse le couvercle 15 dans son ouverture centrale cor-
respondante 16. Ledit fourreau 31 est surmonté, a son
extrémité libre, du moyen de retenue portant le repère
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général 33.
Le disjoncteur conforrne à la présente invention
est surmonté d'une bobine de répulsion 35 avantageuse-
ment coulée dans une résine 35', le tout étant assemblé
05 par des boulons ou tiges filetées 36.
Il comporte encore un disque de répulsion 37 as-
socié à un pont de contact 39 portant les contacts mobi-
les 41, et à une queue 43 décrite plus en détail ci-
après.
Le moyen de retenue 33 monté sur l'extrémité du
fourreau 31 par vissage par exemple comporte une plura~
lité de billes ou galets 51 qui sont appliqués contre la
queue 43 du disque de répulsion 37 moyennant une pres-
sion réglable. En effet, un pousseur 53 actionné par un
ressort 55 logé dans un guide 57, de préférence cylin-
drique, obturé par un couvercle 59, et muni d'une butée
61 empêchant l'enfoncement du pousseur, appuie sur une
bille ou galet 51.
La queue 43 es~ rendue solidaire du disque de ré-
- 20 pulsion 37. Selon une première forme d'exécution, la
queue 43 se présente sous forme d'une surface tronconi-
que 61 munie à l'extrémité proche du disque de répulsion
37 d'un épaulement 63 et, à l'extrémité libre, d'une
gorge 65. Dans cette forme d'exécution utilisee en asso-
ciation avec des billes 51, le disque de répulsion est
libre de tourner autour de son axe 38, ce qui permet de
réduire l'usure locale des contacts mobiles 41.
Selon une autre forme d'exécution, la queue 43
comporte de préférence 4 plans inclinés 61 qui s'écar-
tent de l'axe 3~ en s'éloignant du disque de répulsion
37. Dans cette forme d'exécution utilisée en association
avec des galets 51, la pression spécifique par le mo~en
de retenue est diminée. Si, en outre, on désire réduire
l'usure des contacts mobiles, on peut, après un certain
nombre de manoeuvre tourner le disque de 90 par exem-
ple, si quatre galets ont été prévus.
Dans la forme d'exécution représentée, le dis
~ 3 ~
joncteur comporte encore un amortisseur monté à l'inté-
rieur d'un guide axial 69 solidarisé au couvercle de
fond 5.
A l'état de repos (figure 1), le ressort 27 qui
05 est de préférence précomprimé maintient le piston 23 et,
de ce fait, le fourreau 31 en position haute, le disque
de répulsion se trouvant en position basse, éloigné de
la bobine de répulsion, en s'appuyant sur les billes ou
galets 51 moyennant l'épaulement 63.
Pour armer le disjoncteur conforme à la présente
in~ention (partie gauche de la figure 2), il y a lieu
d'introduire de l'air sous pression par le ou les con-
duits 75 pratiqués dans le couvercle 15. La chambre de-
limitée par la paroi du cylindre 3, le couvercle 15 et
le piston 25 se remplit d'air comprimé et sous la pres-
sion ainsi exercée, le ressort de maintien 27 se compri-
me et le piston 25 est abaissé entraînant avec lui le
fourreau 31 et le moyen de retenue 33. Un joint d'étan-
chéité 77 maintient l'étanchéité en~re le fourreau 31 et
le couvercle 15. Vn autre joint d'étancheité 79 est des-
tiné à maintenir l'étanchéité entre le piston 25 et le
cylindre 3.
Afin d'empêcher que le moyen de retenue 33 n'en-
traîne avec lui le disque de répulsion 37, vu la pres-
sion des billes ou galets 51 sur une surface inclinée 61par rapport à l'axe 38, ledit disque 37 est retenu par
des butées fixes 83.
Il y a lieu de noter que la paroi cylindrique du
piston 25 joue également le rôle de butée mécanique du
ressort 27 empêchant que celui-ci soit comprimé à spires
jointives. La paroi cylindrique est encore dimensionnée
de manière telle que, lorsque le ressort 27 est comprimé
au maximum, les billes ou galets 51 s'engagent dans la
gorge annulaire 65.
Pour fermer le disjoncteur 1 conforme à la pré-
sente invention dans les meilleures conditions, c'est-
à-dire relativement rapidement, il y a lieu de veiller à
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ce que le ressort de maintien 27 puisse rapidement libé-
rer l'énergie emmagasinée. Pour ce faire, on pe~t mettre
l'air comprimé à l'atmosphère par des conduits d'échap-
pement 85. Dans ce cas, on limite la formation de pré-
05 arcs.
Le fourreau 31 solidaire dudit piston 25 entraîneavec lui, via le moyen de retenue, et plus particuliere-
ment les billes ou galets 51, la queue 43 et, partant,
le disque de répulsion 37 jusqu'à ce que le pont de con-
tact portant les contacts mobiles entre en contact avecles contacts fixes.
La force du ressort 55 doit donc être suffissan~e
pour maintenir les billes ou galets 51 dans la gorge 65
durant cette étape et pour assurer une pression de con-
tact optimale.
Supposons à présent que le courant croît de ma-
nière inadmissible dans le circuit électrique dans le-
quel est inséré le disjoncteur conforme a la presente
invention. Dans ce cas, le circuit éléctrique de comman-
20 de envoie une ogive de courant dans la bobine de répul-
sion 35. Il en résulte l'établissement d'une force de
répulsion particulièrement élevée agissant sur le disque
37. Cette force élevée permet de déloger les billes ou
galets 51 de la gorge 65 par écrasement du ressort 55.
Le disque de répulsion associé au pont de contact 39 et
à la queue 43 subit ainsi une accélération particulière-
ment élevée; ce qui réduit le risque de formation d'arc
et d'usure des contacts.
Le disque de répulsion ainsi accéleré doit égale-
ment être freiné. ~e rôle de freinage est joué par l'a-
mortisseur 67 et par les billes ou galets 51 qui permet-
tent également un logement du disque 37 dans la position
de repos de la figure 1 grâce à l'épaulement 63.
Dans les figures, on a representé un pont de con-
tact associé au disque de répulsion moyennant un pied91. Dans ce cas, la bobine de répulsion 35 présente
avantageusement un diamètre proche de celui du disque de
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répulsion. Dans la mesure où l'on désire une self plus
importante, on peut prévoir une bobine 35 surdimension-
née par rappor~ au diamètre du disque de répulsion 37.
On peut toutefois également prévoir que le pont
05 de contact et le disque de répulsion ne font qu'une seu-
le pièce, les contacts mobils étant alors agences sur la
périphérie du disque de répulsion.
Il y a évidemment lieu de prévoir les tolérances
et jeu nécessaires à un bon fonctionnement. Dans cet or-
dre d'idée, on peut citer un jeu 93 destiné à rattraperl'usure des contacts.
Le disjoncteur conforme à la présente invention
peut être associé à tout circuit de commande électroni-
que comportant une self servant de bobine de répulsion.
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