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DISJONCT~;UK LIMITEUR DE SURT~NSIONS
La présente invention est relative ~ un disjoncteur
limiteur de surtensions.
Il est connu de disposer en parallele sur la chambre
de coupure d'un disjoncteur une resistance variable avec
la tension à ses bornes, appelée varistance. Cette
varistance, généralement à base d'oxydes de zinc, permet
d'éviter les amorçages sur les contact du disjoncteur et
éviter ainsi leur usure prématurée: dans le cas où le
disjoncteur est en série avec un circuit inductif tels que
transformateur à vide, réactance ou moteur, la
varistance protège un tel circuit contre les surtensions
pouvant survenir lors de la manoeuvre d'ouverture du
disjoncteur.
Un tel emploi de varistance est décrit par exemple
dans la collection Techniques de l'Ingénieur, Tome E 2llO,
Varistances, page 13 et dans le brevet américain N 4
831 487.
Lorsque le disjoncteur est utilisé pour protéger
une ligne, il est soumis ~ des surtensions qui peuvent
i! être élev~es, en particulier lors de la coupure des lignes
vide ou en opposition de phases. Pour éviter un
fonctionnement presque permanent de la varistance, il
j! est nécessaire de disposer en série avec celle-ci un
interrupteur qui l'isole du circuit lorsque le disjoncteur
est en position "ouvert". Cette mesure conduit à réaliser
pour les appareils du type conventionnel un dispositif
additionnel encombrant et peu économique.
` Un but de l'invention est de réaliser d'une façon
économique un disjoncteur limiteur de tension par
varistance dans lequel l'insertion de la varistance se
fait automatiquement à l'ouverture du disjoncteur, sa
désinsertion se ~aisant également de manière automatique.
Habituellement, une varistance associée ~ une
`, 35 chambre de coupure d'un disjoncteur est placée dans une
~ colonne en porcelaine isolante disposee parallèlement ~ la
;~ chambre de coupure, dans l'air atmosphérique. Cette
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colonne est sujette à la pollution; l'apparition de
pollution sur un ou plusieurs endroits de la porcelaine
entraine une modification de la répartition du potentiel,
pouvant créer des zones de contrainte et d'échauffement
S avec possibilite d'emballement thermique et de destruction
de la varistance.
Un autre but de l'invention est de réaliser un
disjoncteur limiteur de tension par varistance, dans
lequel la varistance n'est soumise a aucune pollution.
Un autre but de l'invention est de realiser un
`~ disjoncteur limiteur de tension par varistance dans. lequel la taille de la varistance est diminuée par
- rapport ~ la taille des varistances de l'art antérieur.
. Tous les objectifs précités sont atteints par un
: 15 disjoncteur comprenant pour chaque phase au moins une
chambre de coupure constituée d'une enveloppe isolante
étanche remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée et
comprenant des contacts principaux et des contacts d'arc,
- caractéris~ en ce que ladite enveloppe enferme une
:' 20 varistance et des moyens pour:
- ~ l'ouverture du disjoncteur, insérer la
varistance en parallèle sur les contacts ~ la separation
des contacts principaux et déconnecter la varistance avant
la fin de course du contact d'arc mobile,
- ~ la fermeture du disjoncteur, insérer la
varistance, en parallèle sur les contacts, avant la
mise en contact des contacts d'arc et court-circuiter la
I varistance ~ la mise en contact de ces derniers.
Y~ ~ .
L'invention sera bien comprise par la description
d'un mode pr~f~ré de réalisation de l'invention, donné à
titre d'exemple nullement limitatif, en référence au
dessin annexé dans lequel:
~`! la figure 1 est une vue groupée en coupe axiale ~ :
d'un disjoncteur selon l'invention représente en position -~:
'~j3 35 enclenchée, ~:`
- la figure 2 est une vue groupée en coupe axiale du
même disjoncteur en position d~clench~e,
. i
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- la figure 3 est une vue partielle en coupe de
l'extrémité d'un bras d'insertion de varistance,
- la figure 4 est une vue partielle en coupe de
l'extrémité d'un bras d'insertion de varistance selon
5 une variante,
- la figure 5 est une vue schematique d'un
dispositif d'accrochage du bras d'insertion selon une
variante.
Le disjoncteur de la figure l comprend une
enveloppe isolante l, de préférence en porcelaine,
d~limitant un volume intérieur 2 rempli d'un gaz a
rigidité diélectrique élevée, tel que l'hexafluorure de
soufre, sous une pression de quelques bars.
Le disjoncteur comprend un contact principal fixe
formé d'un tube 3 relié mécaniguement et électriquement
par des bras 4 à une prise de courant 5 du disjoncteur. Le
contact 3 est solidaire d'un contact d'arc fixe 6
constitué également d'une pièce tubulaire; ce contact 6
est électriquement relié au contact 3. - -
L'équipage mobile du disjoncteur comprend un contact -
principal mobile formé de doigts de contact 9, protégés
~ par un capot pare-effluves l0 et coopérant avec le tube 3.
y Il comprend ~galement un contact d'arc forme de doigts ll,
y cooperant avec une buse de soufflage 12. Les moyens de
soufflage, qui ne font pas partie de la présente
invention, n'on' pas été représentés. Ils sont réalisés de
manière bien connue de l'homme du metier. L'équipage
mobile est reli~ ~ une tringle de manoeuvre non
représentée. Les contacts ~lectriques mobiles sont reliés
à une seconde prise de courant non représentée.
! Conformément à l'une des caractéristiques de la
présente invention, une varistance 20 est placée à
- l'intérieur de la chambre de coupure; cette varistance
est formée de préférence par un empilage de pastilles à
~- 35 oxyde métallique ~ ba~e d'oxyde de zinc ( ZnO ).
L'empilage est pressé, à la partie supérieure de la
. chambre, par un ressort 21 s'appuyant par ailleurs contre
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2~2~2
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un capot métallique 22 fermant la chambre et
électriquement relié à la prise de courant 5. Une tresse
metallique 19 assure la continuite électrique entre la
varistance 20 et le capot 22.
Les pastilles sont maintenues et guidées dans un
tube isolant 23 fermé a sa partie inférieure par une pi~ce
d'extrémité métallique 24.
Le mécanisme d'insertion et de désinsertion de la
varistance est décrit maintenant. Il comprend une tige
axiale de guidage 25, fixée à la pièce 24 et terminée par
une butée 26 munie d'un amortisseur 27, par exemple une
; plaque d'élastomère. Cette tige sert à guider un
équipage semi-mobile comprenant un coulisseau 30 munis
de plusieurs bras 31 (de preférence deux bras) servant de
lS support à un anneau de contact 32, de préférence en
cuivre. Des pastilles aimants 33 sont insérées dans
l'anneau 32. Le coulisseau 30 est pousse vers le bas de
~l la figure par un ressort 35 s'appuyant contre la pièce
;I d'extrémité 24. Une tige métallique 37 relie la pi~ce
d'extrémité 24 et la butée 26. Le coulisseau 30 traverse
cette tige et porte des contacts glissants 38 qui
permettent la liaison électrique entre la varistance 20
et le bras 31.
Le disjoncteur est complété par un anneau 42 muni de
pastilles aimant 43 et porté par des bras métallique 44 en
liaison ~lectrique avec les contacts mobiles.
, Par construction, les bras 31 et 44 ont une longueur
tellQ que, lorsque le disjoncteur est en position
déclenchée (figure 2), la distance B entre les anneaux 32
et 42 soit inférieure à la distance C entre les contacts
d'arc 6 et 11.
` Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant:
~-~ 1/ Fermeture du dis~oncteur
On se référera à la figure 2.
A la fermeture, l'équipage mobile est poussé vers le
haut de la figure.
.
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; - - 5 -
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Il y a successivement contact entre les anneaux 32
et 42, puis entre les contacts d'arc 6 et 11 et enfin
entre les contacts principaux 3 et 9. Pendant la course de
ferm.eture, le ressort 35 est comprimé progressivement. Au
contact entre les anneaux 32 et 42, la varistance est
insérée dans le circuit electrigue et le courant passe
par l'anneau 42, l'anneau 32, les bras 31, le contact
glissant 38, la tige 37, la pièce d'extrémité 24, la
varistance 20, la tresse 19, le capot 22 et la prise 5.
Au contact entre les contacts d'arc 6 et 11, la
varistance est court-circuitee.
2/ Ouverture du dis~oncteur
A l'ouverture du disjoncteur, l'équipage mobile est
tiré vers le bas de la figure.
La détente du ressort 38 et l'attraction des aimants
33 et 43 permettent aux bras 31 de suivre le mouvement du
- contact mobile.
Grâce à l'attraction des aimants, la position de
repos, représentée dans la figure 1, est dépassée, de
sorte que le coulisseau 30 atteint l'amortisseur 27 de
f la butée 26, en tirant le ressort 35. Le disjoncteur est
réglé pour que le contact coulisseau 30-amortisseur 27
ait lieu environ deux millisecondes avant la fin de
~ course d'ouverture. L'équipage mobile poursuivant sa
v~ 25 course, les anneaux 32 et 42 se séparent et le
~, coulisseau 30 revient a sa position de repos (position
'` représent~e dans la figure 2 sous l'action du ressort 35).
;; Lors de la coupure des courants, quand l'arc
` s'éteint sur les contacts d'arc, la tension rétablie est
alors appliquée sur la varistance 20. Si cette tension
` dépasse la tension nominale de fonctionnement de la
varistance 20, un courant s'établira entre les anneau 32
et 42. Par contre, si cette tension devient inférieure à
la tension nominale de la varistance 20, la varistance
ne conduit plus et redevient isolante.
Quand le coulisseau 30 arrive à sa position -de
repos (figure 2), la distance entre les anneaux 32 et 42
. :~
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est suffisante pour tenir la tension appliquee, sans faire
fonctionner la varistance.
Comme le montre la figure 3, on disposera les
aimants dans les anneaux 32 et 42 de manière qu'au contact
des anneaux, un léger espace 49 subsiste entre les aimants
33 et 43; de la sorte, l'arc s'établit plutôt sur les
parties de cuivre des anneaux.
Pour augmenter la tenue diélectrique de
I l'intervalle de coupure B, on peut créer une surpression
1 10 dans l'espace compris entre les anneaux. Pour cela, comme
le montre la figure 4, l'anneau 42 est rendu solidaire
d'un cylindre annulaire 50 qui se déplace donc avec
l'équipage mobile. Un piston 51, lié aux pièces fixes du
disjoncteur, permet d'injecter, par des trous 52 pratiqués
dans l'anneau 43, des jets de gaz comprimé.
La figure 5 montre un autre dispositif d'accrochage
en position enclenchée des contacts.
Au bras 44 est fixé un capot pare-effluves 73
portant un pivot 72 sur lequel est articulé un doigt
d'accrochage terminé par un embout 76. Un ressort 71
presse l'embout contre l'anneau 32 et assure ainsi son
accrochage. Un cerceau 74 sert de butée pour l'embout 76.
~¦ Avant la fin de course d'ouverture, une tige; isolante 75 vient s'appuyer sur le doigt 70 pour écarter
~ 25 l'embout 76 de l'anneau 32, libérant ainsi les bras 31 qui
'I retournent ~ leur position de repos.
Il est ~ noter que dans le cas de la coupure des
: circuits passifs tels que banc de condensateur,
reactance, transformateur à vide, dans lesquels la
; 3D tension rétablie ne dépasse pas 1 p.u., l'intervalle de
coupure et d'isolement B ne sera plus nécessaire. On peut
rendre les anneaux 32 et 42 solidaires l'un de l'autre en
les remplaçant par un tube unique. Le ressort 35 et
l'amortisseur 27 ne seront plus nécessaires.
On peut aussi relier directement et électriquement
l'extr~mité 24 à la prise de courant côté contact mobile,
.,i
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- ~ - 7 -
.: .
:
par une pièce formée de deux bras 31 terminés par un tube
enveloppant le pare-effluves 10.
Le fait de mettre la varistance dans le gaz
diélectrique sous pression et à l'intérieur d'une
S enveloppe métallique 22 permet de reduire les dimensions
de la varistance, et d'eviter la pollution atmosphérique.
L'invention présente les avantages suivants:
1/ A la coupure:
A la coupure, on limite la tension apparaissant aux
bornes du dis~oncteur à une valeur predéterminée, par
exemple 1,6 p.u. , c'est-ib-dire 1,6 Un 2/ 3 , Un étant la
tension nominale du réseau.
;j Dan~ le rapport N 146 de la Conférence
, Internationale des Grands Réseaux Electriques (CIGRE),
session de 1958, les auteurs ont propose de limiter la
surtension à 1,9p.u. ~ l'aide de disjoncteurs équipes de
'~1 résistance d'ouverture.
On sait qu'en coupure de défaut triphasé, le premier
pôle qui coupe aura une tension transitoire de
~ 20 rétablissement qui peut atteindre 1,5x 1,5 p.u. La
`'2 varistance limite alors toute surtension au dessus de
~i 1,6 p.u.
`;y En opposition de phases ou en coupure de ligne à
j vide, la tension rétablie aux bornes du disjoncteur peut
`~ 25 atteindre 2 p.u. ou plus.
`, En coupure de réactance, la surtension peut
dépasser 2 p.u.
:~ Dans tous les cas, la présence de la varistance
` empêche la tension aux bornes de dépasser 1,6 p.u. et
évite, dans bien des cas, l'amorçage direct sur les
contacts d'arc, sources d'usure et de surtension à front
~ raide sur le réseau.
-l Un autre avantage de la présence d'une varistance
est que, lors de la coupure d'une ligne en cycle -
;` 35 O 0,3s F O, lors de la première ouverture, grâce au
fonctionnement de la varistance, la ligne reste chargée ~;~
" :! ,
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seulement à une valeur plus faible egale à 0,5 p.u.
environ, au lieu de 1 p.u.
De la sorte, à la fermeture survenant 0,3 seconde
après, la surtension "aval" est plus faible. Dans
certaines conditions, on peut supprimer alors la
i résistance de fermeture habituellement utilisée sur les
réseaux à très haute tension ou éviter la fermeture
synchronisée.
En très haute tension, les disjoncteurs sont tous à
multichambres en série. On peur réduire encore la
surtension au moment de la refermeture sur les lignes à
vide, en faisant fonctionner les varistances.
Pour cela, on retarde d'environ 1 à 2
millisecondes la fermeture d'une chambre ou de deux
; 15 chambres selon le nombre de chambres par phase, de telle
; sorte que la varistance (ou les varistances) qui
s'insere en dernier voit une tension appliquée élevee
d~passant sa valeur nominale de fonctionnement.
On insère ainsi une résistance dans le circuit
permettant de réduire la surtension.
Le temps d'insertion de la varistance à la
fermeture dépend de la différence de distance entre B et C
et de la vitesse d'enclenchement du contact mobile.
-~ 2/ En ~osition ouverte du disioncteur:
Comme la tenue au choc de foudre ou au choc de
manoeuvre de 1'intervalle de coupure B est plus faible que
la tenue des contacts d'arc, en cas de surtension
; d~passant la valeur normalisée, la présence de la
;~ varistance permet de limiter la surtension en absorbant
; 30 l'énergie.
n 3/ Pollution:
Les d~gâts occasionnés par la pollution des
porcelaines utilisées pour les varistances de l'art
antérieur sont supprimés.
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