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La présente invention concerne un disjoncteur à
haute tension dans lequel la chambre de coupure est remplie
de gaz diélectrique tel que l'hexafluorure de soufre (SF6),
et dans lequel l'énergie de l'arc est utilisée, grâce à
l'augmentation de pression qu'elle confère au gaz, d'une
part pour souffler l'arc qui s'établit au moment de
l'ouverture du disjoncteur et, d'autre part, pour apporter
un complément d'énergie au mécanisme d'ouverture du
disjoncteur.
10Ces objectifs sont atteints par exemple en dotant
le disjoncteur d'une paire de contacts supplémentaires
capables de générer, lors de l'ouverture du disjoncteur, un
arc secondaire.
Un disjoncteur de ce type a été décrit par exemple
15dans le brevet canadien N 1,309,443 délivré le 27 octobre
1992.
Un but de l'invention est de réaliser un
disjoncteur du type précité qui, tout en gardant ses
qualités de faible énergie de manoeuvre à l'ouverture
associée à une excellente efficacité dans le soufflage de
l'arc, ait une faible énergie de manoeuvre à la fermeture et
soit muni de moyens pour éviter les amor~ages et claquages
intempestifs à l'intérieur de la chambre de coupure.
L'invention a pour objet un disjoncteur à haute
tension à isolement par gaz diélectrique à auto-soufflage
d'arc incluant, à l'intérieur d'une enveloppe isolante
étanche:
- un ensemble fixe incluant un contact principal fixe et un
contact d'arc fixe,
A
201780~
-
- un ensemble mobile entraîné par une tringle de manoeuvre
et comportant un contact principal mobile et un contact
d'arc mobile,
- un volume de soufflage prolongé par une buse de soufflage,
- un piston de soufflage,
- une paire de contacts secondaires disposés dans un premier
volume et destinés à générer un arc secondaire, caractérisé
en ce qu'il inclut des premiers moyens pour réduire les
risques d'amorçages intempestifs dus à l'arc secondaire,
constitués par une chemise en matériau isolant, s'étendant
au droit des premier et deuxième contacts secondaires et en
contact glissant avec une partie au moins du premier des
contacts secondaires, ladite chemise portant des rainures
longitudinales du côté dudit premier contact secondaire.
Le disjoncteur peut comprendre en outre un moyen
pour limiter la longueur de l'arc secondaire.
Avantageusement, ce moyen comprend un plot
métallique fixe disposé sur le trajet de l'extrémité du
contact secondaire mobile.
Le disjoncteur peut comporter des seconds moyens
pour apporter une énergie d'appoint à la fermeture par
préamorçage des contacts secondaires.
De préférence, ces seconds moyens comprennent une
communication entre ledit premier volume et ledit volume de
soufflage, obturable par un clapet différentiel disposé dans
le volume de soufflage.
Dans un mode particulier de réalisation, ledit
piston de soufflage sépare ledit volume de soufflage et
ledit premier volume, ladite communication étant pratiquée
à travers ledit piston.
Ledit piston de soufflage peut comprendre une
seconde communication obturable par un autre piston poussé
par un ressort entre ledit volume de soufflage et un second
~'
-3 - 2017804
volume extérieur audit premier volume et audit volume de
soufflage, ledit autre piston étant asujetti à ne se déplacer
que lors de la coupure des courants de faible intensite.
Avantageusement, lesdits contacts secondaires sont
munis de cornes pour l'allongement de l'arc secondaire.
De préférence, lesdits contacts secondaires sont mis
au même potentiel en fin de manoeuvre de déclenchement.
L'invention sera bien comprise par la description
donnée ci-après d'un mode préféré de réalisation de
l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel:
- la figure 1 est une vue schématique partielle en
demi-coupe axiale d'un disjoncteur selon l'invention,
représenté en position enclenchée,
- la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne
II-II de la figure 1,
- la figure 3 est une vue du même disjoncteur au
cours d'une manoeuvre de déclenchement pour la coupure
d'un courant de faible intensité,
- la figure 4 est une vue du même disjoncteur au
cours d'une manoeuvre de déclenchement pour la coupure
d'un courant de forte intensité,
- la figure 5 est une vue du même disjoncteur au
cours d'une manoeuvre de fermeture.
- la figure 6 est une vue schématique en demi-coupe
axiale d'un disjoncteur selon une variante de réalisation
de l'invention, représenté en position enclenchée,
- la figure 7 est une vue du même disjoncteur au
début d'une manoeuvre de déclenchement,
- la figure 8 est une vue du même disjoncteur en fin
de manoeuvre de déclenchement.
Dans la figure 1, la référence 1 désigne une
enveloppe cylindrique, d'axe xx, en matériau isolant tel
que la céramique, délimitant un volume intérieur 2 rempli
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d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que
l'hexafluorure de soufre (SF6).
Le disjoncteur comprend un contact principal fixe 3
constitué de doigts de contact disposés en tulipe; ce
contact est entouré d'un capot pare-effluves 4. Le contact
principal 3 est associé à un contact d'arc fixe constitué
d'un tube métallique 5 terminé par une pièce 5A résistant
aux effets de l'arc et réalisé par exemple en tunstène pur
ou allié. Les deux contacts fixes précités sont reliés à
une première prise de courant non représentée.
L'équipage mobile du disjoncteur comprend un tube
métallique 6, terminé par une pièce d'usure 6A,
constituant le contact d'arc mobile. Ce tube est relié,
par une pièce métallique 7, à une tringle axiale 8 en
matériau isolant, utilisée pour les manoeuvres d'ouverture
et de fermeture du disjoncteur.
L'équipage mobile comprend en outre une pièce 9
ayant la forme de deux cylindres 9A et 9B, adjacents,
coaxiaux et de diamètre inégaux: le cylindre 9A de plus
faible diamètre sert de contact permanent mobile et
coopère à cet effet avec les doigts de contact 3; le
cylindre 9B, de plus grand diamètre, délimite, avec le
tube 6, un volume de soufflage lO. Les pièces 9 et 6 sont
solidarisées par une pièce annulaire en matériau isolant
11, percée de passages llA. Le tube 9A porte une buse de
soufflage 12 en matériau isolant.
L'ensemble fixe comprend, à son extrémité opposée
par rapport à la zone de soufflage située à l'extrémité de
la buse, un bloc métallique fixe 15 relié électriquement à
une seconde prise de courant non représentée. Le bloc 15
porte un couronne de doigts de contact 15A coopérant avec
le tube 9 pour assurer la continuité du passage du courant
entre le tube 9 et le bloc 15.
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Le bloc 15 porte en outre une pièce tubulaire métallique
16, définissant avec le tube 6 un volume annulaire 20. Ce
volume est fermé à une première extrémité par une pièce
annulaire isolante 21 munie d'ouvertures 22 pouvant être
obturées par des clapets unidirectionnels 23 interdisant
le passage du gaz de l'intérieur vers l'extérieur du
volume 20. La pièce 21 est solidaire du tube mobile 6 et
glisse le long du tube 16 de manière étanche grâce à un
joint dynamique 24. L'autre extrémité du volume 20 est
fermée par une pièce 25, en matériau isolant, qui sert de
piston de soufflage en coopérant avec le cylindre 9. Cette
pièce 25 est fixée au tube 16. Elle porte un joint
d'étanchéité dynamique 26 coopérant avec le tube 9B et un
joint glissant 27 coopérant avec le tube 6. La pièce 25 a
une forme globalement tubulaire, avec une épaisseur
suffisante pour permettre de comporter d'une part des
premiers conduits 28 et des seconds conduits 29,
parallèles à l'axe xx et mettant chacun en communication
les volumes 10 et 20. Les conduits 28 sont obturables par
un piston 30 coulissant dans un volume 31 pratiqué dans la
pièce 25 du côté du volume 20 ; le piston 30 est poussé,
dans un sens tendant à fermer les conduits 28, par un
ressort 32 s'appuyant sur une partie fixe du disjoncteur
qui sera précisée plus loin. Les conduits 29 peuvent être
fermés, du côté du volume 10, par un clapet différentiel
35 constitué par une simple rondelle annulaire dont la
course est limitée par une butée 36. Les conduits 29 se
prolongent au-delà de la zone de recouvrement des pièces
25 et du tube 16; des trous 37 dans ce dernier permettent
3~ la communication entre les conduits 29 et 1'intérieur du
volume 20.
Le tube 16 porte un premier contact 41 de la paire
de contacts secondaires. Ce contact 41 sert de butée au
- z~
ressort 32. Ce contact 41, terminé par une pièce d'usure
41A est de forme tubulaire.
Le tube 6 porte le second contact 42 de la paire de
contacts secondaires. Ce contact 42, également tubulaire
et terminé par une pièce d'usure 42 A, est coaxial au
contact 41. Lorsque le disjoncteur est en position fermée
(cas de la figure 1), les contacts 41 et 42 ont une grande
portion en vis-à-vis.
La pièce 25 présente des canaux 44 mettant en
communication, lorsque le piston 30 n~obture pas les
canaux 28, le volume lO et le volume 2. La majeure partie
44A de ces canaux 44 est parallèle à l'axe xx; ils
présentent une partie radiale 44B débouchant au voisinage
de la sortie des canaux 28.
Selon une caractéristique importante de l'invention,
la pièce 25 est prolongée, du côté de l'axe xx, par une
portion tubulaire ou chemise 25A en matériau isolant, en
contact glissant avec une partie du contact secondaire 41.
La chemise 25A porte, du côté du contact 41, des rainures
longitudinales, c'est-à-dire parallèles à l'axe xx,
visibles dans la figure 2. Dans l'exemple représenté, la
pièce isolante 25 et la chemise 25A constitue une seule et
même pièce venue d'usinage.
La pièce 25 porte, à son extrémité située le plus
près de la tringle de manoeuvre, un bloc métallique 47,
coopérant électriquement avec le tube 6 par des contacts
électriques glissants 48. Ce bloc porte une couronne 49 en
matériau résistant aux effets de l'arc, de diamètre
sensiblement égal à celui du tube 41 et tourné du côté de
la pièce d'usure de ce dernier.
Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant:
- en position enclenchée (figure 1), le courant
circule par les doigts 3 du contact principal, le tube 9,
les doigts de contact 15A et le bloc métallique 15.
20~7B~4
Coupure des courants de faible intensité.
Il s'agit des courants de valeur inférieure ou égale
à l'intensité nominale de la ligne dans laquelle est
inséré le disjoncteur.
Au moment du déclenchement, la tringle de manoeuvre
8 est déplacée vers la droite de la figure et entraîne
l'équipage mobile. Les contacts principaux se séparent et
le courant est commuté sur les contacts d'arc. Il passe
alors par le tube 5, le tube 6, le tube 42, le tube 41, le
tube 16 et le bloc 15.
A la séparation des contacts d'arc 5 et 6, qui
coïncide avec la séparation des contacts secondaires 41 et
42, un arc 51 jaillit entre les contacts 5 et 6, et un arc
52 jaillit entre les contacts 41 et 42.(Voir figure 3).
lS Comme le courant à couper est faible, la puissance
calorifique de l'arc 52 est faible. Le clapet 23 est
ouvert et autorise le remplissage du volume 20.
L'augmentation de pression dans le volume de soufflage 10
est due principalement à l'effet de compression produite
par le déplacement du piston 25 dans le cylindre 10. Cette
augmentation de pression provoque le soufflage de l'arc
51; l'excédent de pression est évacuée, par les conduits
28, 44B et 44A, vers le volume 2; en effet, l'augmentation
de pression dans le volume 10 a provoqué le déplacement du
piston 30 contre l'action du ressort 31 et malgré la
légère surpression provoquée par l'arc secondaire 52. Le
clapet 35 est également fermé par la surpression dans le
volume 10 au cours de la manoeuvre d'ouverture du
disjoncteur. La surpression à l'intérieur du tube 6 peut
s'évacuer par des trous 53 pratiqués dans ce dernier
au-delà de la pièce 21.
En fin de manoeuvre le tube 6 est mis
au potentiel du bloc 15 au moyen de doigts de contact 60.
20178~4
Grâce à la présence du bloc métallique 47, l'arc
secondaire 52 ne s'étire pas au-delà d'une longueur
donnée, égale à la distance séparant les pièces 41A et 49;
on évite ainsi les risques d'amorçage sur les parois
métalliques environnantes. On évite les amorçages
intempestifs grâce à la chemise 25A. le frottement avec la
pièce de contact 41 produire une certaine usure et une
légère carbonisation du matériau isolant qui favorise
l'ionisation du milieu proche et, par suite, le
0 cheminement de l'arc et sa canalisation dans les rainures
45.
Cou~ure des courants de forte intensité
Il s'agit des courants de court-circuit.
L'arc secondaire 52 (figure 4) possède une forte
énergie calorifique qui provoque une élévation importante
de la pression P3 dans le volume 20. Le clapet 23 se
ferme. Les gaz chauds du volume 20 cheminent à travers les
rainures 45 et provoquent la fermeture des canaux par le
piston 30. Le clapet différentiel 35 se ferme également
car l'action de la pression P2 du volume 10 sur la section
totale Sl du clapet 35 est plus forte que l'action de la
pression P3 du volume 20 sur la section S2 des conduits
29. La pression dans le volume de soufflage devient donc
très importante puisque le gaz ne peut s'en échapper. Au
premier passage par zéro du courant, le gaz du volume 10
se détend et produit un soufflage extrêmement énergique de
l'arc 51 qui s'éteint, ce qui provoque l'extinction de
l'arc secondaire 52. Au cours du déplacement de l'équipage
mobile, la pression P3 dans le volume 20 s'applique sur la
~0 surface de la pièce 21, apportant ainsi une contribution
importante à l'énergie de manoeuvre.
Fermeture du disjoncteur
On se reportera à la figure 5.
20~78~
L'ensemble mobile est déplacé de la droite vers la
gauche de la figure. Lorsque les contacts d'arc principal
et les contacts d'arc secondaire se rapprochent au-delà de
la distance d'isolement, des arcs de préamorçage 61 et 62
apparaissent. Le clapet 23 est fermé. L'augmentation de
pression engendrée par l'arc secondaire 62 provoque la
fermeture du piston 30 et l'ouverture du clapet
différentiel 35. La pression P4 du volume 20 se transmet
donc, à travers les conduits 29, sur la pièce 11 et la
portion de liaison des tubes 9A et 9B, et contribue ainsi
à l'énergie de fermeture.
Le disjoncteur, dont un mode de réalisation vient
d'être décrit, présente une grande sûreté de
fonctionnement grâce aux mesures prises pour éviter les
amorçages intérieurs; les dispositions prises pour utiliser
les effets de l'arc secondaire permettent une contribution
importante à l'énergie de manoeuvre nécessaire à la
coupure des courants de forte intensité; l'amorçage est
autorisé à la fermeture, mais il contribue également à
l'énergie de manoeuvre.
Les figures 6 à 8 illustrent une variante de
réalisation de l'invention, de construction simple. Les
éléments communs à ces figures et aux figures précédentes
ont reçu les mêmes numéros de référence et ne seront pas
décrits à nouveau.
Le contact d'arc mobile est un tube métallique 106,
prolongé par un tube isolant 107 lui-même prolongé par un
tube métallique 108 relié à la tringle de manoeuvre.
L'un des contacts secondaires, 141, est fixé au
piston 36 et est en contact électrique avec le tube 106
par un contact glissant 143.
L'autre contact secondaire, 142, est solidaire du
tube 16 et coopère électriquement avec le tube 108 par un
contact électrique glissant 144.
--10
20~ 4
Les ouvertures du piston 36 sont obturables au moyen
d'un clapet constitué d'un anneau 136.
Selon une caractéristique de cette variante de
réalisation, les extrémités des contacts secondaires sont
5 munis de cornes 151 et 152 dont le rôle est expliqué plus
loin.
En position enclenchée du disjoncteur (figure 6), le
courant traverse les pièces 3, 9 et 15A.
Au cours du déclenchement, et après séparation des
contacts d'arc, (figure 7) un arc principal 51 et un arc
secondaire 52 se développent. L'arc secondaire 52, sous
l'action des forces électromagnétiques, monte le long des
cornes en s'allongeant, ce qui accroît l'échauffement du
gaz environnant et la montée en pression dans le volume.
L'énergie apportée par l'arc secondaire est ainsi accrue
et favorise le déclenchement.
A la fin de l'opération de déclenchement, (figure
8), les contacts secondaires 151 et 152 viennent en
contact, par leurs extrémités arrondies 141A et 142A, avec
le tube 106, de sorte qu'ils se trouvent mis au même
potentiel.
La variante qui vient d'être décrite est de
construction simple et robuste et s'applique, comme la
variante précédente, aux disjoncteurs à haute tension.
La présence du tube isolant 107 favorise le
cheminement de l'arc secondaire et évite les amorçages
intempestifs.
