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CA 02344256 2001-04-17
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INTERRUPTEUR Ä SOUFFLAGE D'ARC POSSÉDANT UNE CHAMBRE DE
COUPURE Ä COMPRESSION DE GAZ RÉDUITE ET UN MOUVEMENT
ALTERNATIF DU PISTON
L'invention porte de façon générale sur un interrupteur, et plus
particulièrement sur un disjoncteur, possédant une chambre de coupure
à compression de gaz réduite. L'invention peut s'appliquer aussi bien aux
disjoncteurs à simple mouvement de contact qu'aux disjoncteurs à double
mouvement des contacts. En particulier, la fonctionnalité du double
1o mouvement des contacts et celle de la compression de gaz réduite sont
connues séparément depuis de nombreuses années, mais leur
association présente des inconvénients expliqués plus loin. Concernant la
compression de gaz réduite, un dispositif a notamment fait l'objet du
brevet FR 2 696 274.,
II convient de rappeler que le principe de la compression réduite
signifie que dans la chambre de coupure, la compression du gaz n'est
effectuée que pendant une partie de la course des contacts,
généralement inférieure à 50% de .celle-ci. Cette première partie de
l'opération d'ouverture du disjoncteur correspond au déplacement des
2o contacts depuis la position fermée jusqu'au début du soufflage de l'arc
qui suit leur séparation. La compression du gaz est maximale au moment
de la séparation des contacts, et chute rapidement avec le soufflage de
l'arc. L'énergie nécessaire pour l'ouverture du disjoncteur est donc
réduite pendant la deuxième partie de la course des contacts.
Le principe du double mouvement des contacts est appliqué depuis
plus longtemps (voir brevet FR 2 491 675), car il consiste simplement à
entraîner simultanément chacun des deux contacts dans des directions
opposées, soit à des vitesses instantanées égales, ce qui revient à un
déplacement symétrique par rapport à la position de fermeture, soit à des
3o vitesses différentes. L'entraînement peut être réalisé par un système à
bielles de renvoi ou à crémaillères. L'intérêt de ce type de dispositif par
rapport à un dispositif à simple mouvement est de permettre de diminuer
le temps de séparation des contacts, sans augmenter la vitesse du
contact mobile. En effet, le temps de séparation des contacts dépend de
leur vitesse moyenne relative et de leur distance de recouvrement R.
Ainsi, pour un dispositif à double mouvement symétrique, le temps de
séparation des contacts est environ divisé par deux par rapport à un
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la
dispositif à simple mouvement, à distance de recouvrement R et vitesse
moyenne des contacts identiques. De plus, à la séparation des contacts,
chaque contact s'est déplacé seulement d'une distance R/2 dans
l'enveloppe du disjoncteur à double mouvement symétrique, alors que le
contact mobile s'est déplacé d'une distance R dans l'enveloppe du
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disjoncteur à simple mouvement. Enfin, la vitesse réduite des contacts
mobiles dans un dispositif à double mouvement présente un avantage
certain en matière d'énergie cinétique totale consommée qui peut être
réduite de l'ordre de 50% (schématiquement, les masses en mouvement
doublent mais la vitesse moyenne des contacts diminue de moitié, d'où
une énergie cinétique environ divisée par 2).
La fonctionnalité du double mouvement des contacts n'apporte
pourtant pas que des avantages, notamment si elle est associée à une
chambre de coupure à compression de gaz réduite. En effet, du fait du
déplacement réduit des contacts, la longueur L (course relative du piston
dans la chambre de compression) du volume de compression est
diminuée de moitié, d'où une pression de soufflage aussi diminuée de
moitié.
II convient de rappeler que dans la plupart des disjoncteurs à
compression de gaz réduite, le piston de la chambre de coupure est en
général maintenu fixe dans l'enveloppe pendant la première partie de
l'ouverture du disjoncteur. C'est en fait la chambre de compression qui
est solidaire du contact portant la buse de soufflage, et qui se rapproche
du piston pour obtenir la compression du gaz (voir le brevet FR 2 696 274
cité plus haut). Pour un disjoncteur à simple mouvement, on obtient alors
une longueur de compression L égale à la course du contact mobile
pendant la première phase de l'ouverture, c'est à dire aussi égale à la
distance de recouvrement R des contacts. On considère pour simplifier
que le volume de compression Vc est égal à L x S, S étant la section
(l'alésage) du piston.
En comparaison, un disjoncteur à double mouvement des contacts
implique une longueur de compression L égale à R/2. Ainsi, pour obtenir
un volume de compression Vc équivalent à celui du disjoncteur à simple
mouvement sans augmenter la distance de recouvrement R des contacts,
il faut doubler la section S du piston. Cette solution présente des
inconvénients de trois ordres:
- elle oblige à augmenter le diamètre de l'enveloppe, et donc son
encombrement,
- elle impose de doubler l'effort nécessaire à la compression pour
obtenir une même pression de gaz,
- elle aboutit à quasiment doubler la masse des éléments mobiles, ce
qui annule le gain en énergie cinétique consommée procuré par la
fonctionnalité du double mouvement.
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Afin d'augmenter le volume de compression sans augmenter la
section du piston, certains dispositifs à simple mouvement permettent
d'obtenir une longueur de compression L supérieure à la distance de
recouvrement R des contacts, typiquement 1,1 x R à 1,25 x R. A cet effet,
le piston n'est plus fixe pendant la phase de compression, mais se
déplace quelque peu dans l'enveloppe en direction de la chambre de
compression grâce à un système de renvoi à bielles reliées au piston et
au contact portant la chambre de compression. On trouve par exemple un
tel système dans le brevet EP 664 552. On parle alors de mouvement
alternatif du piston, puisque celui ci se déplace dans un sens pendant la
phase de compression, et dans l'autre sens après la séparation des
contacts. Ce déplacement pendant la première phase du mouvement est
égal à la différence L - R et ne représente que 10% à 20% de la longueur
L du volume de compression dans les dispositifs connus:
Appliqué à un disjoncteur à double mouvement des contacts, un tel
système de mouvement alternatif du piston peut permettre d'obtenir une
longueur de compression L typiquement comprise entre 1,1 x R/2 à 1,25
x R/2, au lieu de L égale à R/2 pour un piston fixe. La pression de
soufflage reste donc nettement inférieure à celle obtenue dans un
disjoncteur analogue à simple mouvement.
Un but de l'invention est de proposer une solution qui remédie à ces
inconvénients, et pouvant s'appliquer à tous les types de disjoncteurs à
chambre de coupure à compression de gaz réduite, qu'ils soient à simple
ou à double mouvement des contacts.
Notamment, l'invention permet de cumuler, dans un disjoncteur à
double mouvement des contacts, les avantages des disjoncteurs à simple
mouvement avec ceux des disjoncteurs à double mouvement sans en
avoir les inconvénients. En particulier, l'invention propose un dispositif
possédant la même longueur de compression L qu'un dispositif à simple
mouvement, à distance R de recouvrement des contacts identique.
L'invention permet aussi d'améliorer les performances des disjoncteurs à
simple mouvement de contact. Les dispositifs connus de l'art antérieur ne
permettent d'obtenir que L typiquement compris entre R et 1,25 x R. En
comparaison, un dispositif proposé dans le cadre de l'invention permet
d'obtenir L au moins égale à 2 x R.
A cet effet, l'invention a pour objet un interrupteur à soufflage d'arc,
possédant une chambre de coupure à compression de gaz réduite,
comprenant un premier contact et un second contact, le premier contact
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étant mobile selon une direction longitudinale (A) et solidaire de la
chambre de coupure dans laquelle du gaz est comprimé par un piston,
des moyens de déplacement dudit piston étant agencés pour que son
mouvement change de sens dans l'enveloppe de l'interrupteur après la
phase de compression du gaz, caractérisé en ce que lesdits moyens de
déplacement comprennent une liaison télescopique reliée audit piston et
en ce que la longueur du déplacement dudit piston dans ladite enveloppe
pendant ladite phase de compression est au moins égale à la longueur
du déplacement dudit premier contact pendant cette méme phase de
compression.
Selon un premier mode de réalisation de l'interrupteur d'après
l'invention, ledit second contact est mobile selon ladite direction
longitudinale en sens contraire dudit premier contact.
Selon un mode de réalisation particulier de l'interrupteur d'après
l'invention, ledit piston est alternativement en liaison avec le second et le
premier contact durant l'opération d'ouverture de l'interrupteur.
Selon un mode de réalisation particulier de l'interrupteur d'après
l'invention, ledit piston est solidaire du second contact mobile pendant
toute la phase de compression du gaz, et s'en désolidarise après la
séparation desdits premier et second contacts pour devenir solidaire
dudit premier contact. Cette liaison solidaire permet d'obtenir une
longueur de compression L égale à ladite distance R.
Selon un mode de réalisation particulier de l'interrupteur selon
l'invention, la liaison télescopique est formée d'un premier cylindre
prolongeant le piston et entouré d'un second cylindre, ce dernier étant
fixé à une liaison périphérique solidaire en permanence du second
contact mobile. Cette liaison télescopique comprend un ensemble de
blocage se débloquant en fin de compression du gaz pour permettre au
mouvement du piston de changer de sens et de suivre le mouvement du
premier contact après la séparation des premier et second contacts.
Selon un mode de réalisation particulier de l'interrupteur selon
l'invention, ledit ensemble de blocage est constitué par des billes
disposées dans des ouvertures ménagées dans le premier cylindre,
lesdites billes étant engagées dans des gorges périphériques internes au
second cylindre durant la phase de compression du gaz afin de bloquer
ladite liaison télescopique.
La figure 1 est une représentation très schématique, en demi-coupe
axiale, d'un disjoncteur selon l'invention dans sa position de fermeture.
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La figure 2 est une représentation très schématique, en demi-coupe
axiale, d'un disjoncteur selon l'invention dans une position intermédiaire
d'ouverture.
La figure 3 est une représentation très schématique, en demi-coupe
5 axiale, d'un disjoncteur selon l'invention dans sa position d'ouverture.
La figure 4 est une représentation très schématique, en demi-coupe
axiale, d'un ensemble de blocage utilisé dans le dispositif selon
l'invention. L'ensemble est représenté en phase de compression du gaz.
La figure 5 est une représentation dudit ensemble de blocage en fin
TO de compression du gaz, dans une position correspondant à celle décrite
par la figure 2.
La figure 6 est une représentation dudit ensemble de blocage juste
après la position décrite par la figure 5. Ce moment correspond à
l'inversion du mouvement du piston.
La figure 7 est une représentation très schématique, en demi-coupe
axiale, d'un mode de réalisation particulier d'un disjoncteur selon
l'invention. Des inserts télescopiques introduisant un débattement D
permettent que la course L du piston dans le volume de compression
durant la phase de compression du gaz soit supérieure à la distance R de
recouvrement des premier et second contacts.
La figure 8 est une représentation très schématique, en demi-coupe
axiale, d'un disjoncteur selon l'invention possédant des moyens de
manoeuvre du second contact qui sont séparés de ceux du premier
contact.
La figure 9 est une représentation très schématique, en demi-coupe
axiale, d'un système d'inserts à ressorts introduisant un débattement 0
permettant un résultat équivalent à celui procuré par le dispositif décrit à
la figure 7.
Sur les figures, un disjoncteur selon l'invention est montré en demi
coupe axiale selon son axe de révolution A. II comprend une enveloppe,
de forme généralement cylïndrique non représentée sur les figures, à
l'intérieur de laquelle est disposé un premier contact 1 qui est creux et qui
est mobile en translation suivant la direction A avec une chambre de
coupure cylindrique 2 entourant coaxialement le contact 1. La chambre
de coupure 2 forme un volume de soufflage 3 et un volume de
compression 4 séparés par une couronne 5 coaxiale au contact 1, qui
s'étend radialement depuis le contact 1 et qui est solidaire de celui-ci .
Le volume de soufflage est fermé par une buse 6 et communique à
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travers la couronne 5 par un clapet unidirectionnel 7 avec le volume de
compression 4 qui est fermé par un piston 8.
Le disjoncteur comprend encore dans l'enveloppe un second
contact 9 en forme de tige qui vient s'insérer dans le contact creux 1 en
position de fermeture du disjoncteur. Ce contact 9 est coaxial au contact
1 et traverse le col de la buse 6 en position de fermeture du disjoncteur
comme visible sur la figure 1. En fonction du positionnement du
mécanisme de manoeuvre, non représenté sur les figures, le contact 9 ou
le contact 1 est déplacé en translation suivant la direction A pour être
inséré dans l'autre contact ou être séparé de ce dernier.
Le mouvement du contact 9 est renvoyé en sens contraire au
contact 1 par un mécanisme pivotant fixe dans l'enveloppe du
disjoncteur, illustré par 10 et qui peut être un système de crémaillères ou
de leviers de renvoi de sorte que les deux contacts se déplacent toujours
en sens contraire selon la direction A.
Le piston 8 est solidaire en mouvement du contact 9 par
l'intermédiaire notamment d'une liaison mécanique 11 téléscopique qui
s'étend suivant la direction A et qui est formée d'un premier cylindre 12
prolongeant l'arrière du piston 8 et d'un second cylindre 13 coulissant sur
le cylindre 12. Une liaison périphérique (14), pouvant être constituée d'un
troisième cylindre ou de bielles de liaison disposées autour de l'axe A,
entoure le second cylindre 13 et y est fixée de même qu'au second
contact 9 par des moyens de fixations connus. Cette liaison périphérique
(14) comporte avantagement un tronçon cylindrique en matière isolante
15. Le contact 1 comporte sur une partie de sa longueur un bourrelet
périphérique 16 sur lequel prennent appui des billes 17 disposées dans
des ouvertures 18 ménagées dans le cylindre 12 et venant s'engager
dans une gorge périphérique interne 19 du second cylindre 13 dans la
phase de compression de gaz, c'est-à-dire en début d'ouverture.
Figure 1, dans la position de fermeture du disjoncteur, le piston 8
est écarté de la culasse formée par la couronne 5 à l'extrémité de la
chambre de compression opposée au piston, et les billes 17 en appui sur
le bourrelet 16 sont engagées dans les gorges 19 du second cylindre 13.
La liaison télescopique 11 est alors verrouillée dans sa position déployée.
Lors d'une première partie d'une opération d'ouverture, le contact 1 est
déplacé dans un certain sens suivant la direction A, ici vers la droite, et le
contact 9 est déplacé dans le sens opposé suivant la direction A, ici vers
la gauche comme indiqué par les flèches. On peut noter que ce
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déplacement mutuel des contacts peut aussi être assuré par une
poussée du mécanisme de manoeuvre, non représenté sur les figures,
sur le second cylindre 13. La liaison télescopique 11 est alors verrouillée
par les billes 17 qui transmettent la poussée du second cylindre 13 à la
partie 12A du premier cylindre 12 qui se prolonge par le piston 8. De ce
fait, le piston 8 est déplacé en sens contraire du contact 1 et donc de la
culasse 5 de sorte qu'en se rapprochant l'un de l'autre, la culasse 5 et le
piston 8 compriment le gaz dans le volume de compression 4. On peut
noter, comme illustré sur la figure 4, que la petite partie annulaire 12B du
premier cylindre 12, située à l'extrémité du cylindre opposée au piston, ne
subit aucun effort venant des billes, de sorte qu'un jeu peut exister entre
les billes et ladite partie annulaire 12B. Quant à la partie 12A du premier
cylindre 12, elle comporte au niveau des ouvertures 18 des logements
présentant chacun une portion de surface sphérique complémentaire à la
surface de la bille en appui contre ce logement, afin de limiter les
pressions de contact exercées par les billes sur ladite partie 12A lors de
la compression du gaz. Afin de limiter les contraintes subies par la liaison
télescopique 11 au niveau des billes 17, la profondeur des gorges 19 du
second cylindre 13 est typiquement comprise entre 30% et 50% du
diamètre D des billes. La partie 12A du premier cylindre 12 peut donc
avoir une épaisseur jusqu'à 70% du diamètre D des billes. II peut n'y
avoir qu'un faible espace entre ladite partie 12A et le bourrelet
périphérique 16 sur lequel prennent appui les billes 17. Comme illustré
sur la figure 4, le jeu entre les billes et la partie annulaire 12B permet que
le diamètre minimal G de l'auverture 18 soit supérieur au diamètre D des
billes, même lorsque l' espace entre la partie 12A du premier cylindre 12
et le bourrelet périphérique 16 est réduit au minimum.
Figure 2, quand le piston 8 arrive en butée contre la culasse 5 à
la fin de la compression du gaz, les billes 17 sont positionnées à une
extrémité du bourrelet 16 et s'effacent de la gorge 19 pour libérer le
verrouillage de la liaison télescopique 11 qui peut se rétracter, comme
illustré sur les figures 5 et 6, Ainsi, après la fin de la compression du gaz,
le piston 8 est poussé par la culasse 5 et est déplacé dans le même sens
que le contact 1, c'est à dire en sens contraire du contact 9.
Figure 3, le disjoncteur est en fin d'ouverture et la distance
d'isolement d entre les deux contacts 1 et 9 est atteinte.
La longueur L du volume de compression 4 suivant la direction A
est sensiblement égale à la longueur R de la zone de recouvrement des
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contacts, ainsi qu'à la longueur du déplacement des billes 17 sur le
bourrelet 16. La distance d'isolement d entre les deux contacts 1 et 9 est
par ailleurs sensiblement égale à la longueur du déplacement relatif du
second cylindre 13 par rapport au cylindre 12 suivant la direction A.
La figure 7 illustre une variante de réalisation d'un disjoncteur à
double mouvement des contacts d'après l'invention. Une partie de
l'opération de compression du gaz du volume de compression s'effectue
avant le commencement de la phase de mise en mouvement des premier
et second contacts, laquelle est retardée par rapport au déclenchement
de l'ouverture de l'interrupteur pour permettre au piston d'avoir parcouru
une distance 0 lorsque le mouvement des contacts est enclenché. Le
retard au déplacement des premier et second contacts est procuré par
deux systèmes d'inserts télescopiques 20 et 21 qui séparent
respectivement le premier contact 1 et la liaison périphérique 14 chacun
en deux parties selon la direction longitudinale (A). Chaque système
d'insert permet ainsi d'introduire un certain débattement longitudinal entre
les deux parties du même élément qu'il sépare. Pour la compréhension
du principe, la figure 7 est représentée avec un jeu O constitué d'un
espace de gaz, mais d'autres variantes peuvent être envisagées. Par
exemple, les inserts 20 et 21 peuvent consister chacun en un ressort
joignant les deux parties qu'il sépare. Des systèmes de blocage des
premier et second contacts doivent alors être mis en place de façon à
maintenir immobiles ces contacts tant que le déplacement du piston 8
dans le volume 4 n'a pas atteint la longueur O souhaitée. Un système de
renvoi de mouvement, par exemple depuis les cylindres 12 ou 13 de la
liaison télescopique 11, peut déverrouiller ces systèmes de blocage dès
que la longueur o est atteinte, les ressorts étant alors comprimés, pour
permettre la mise en mouvement des premier et second contacts avec
une accélération importante.
Ce dispositif permet d'augmenter le volume de compression, au
détriment du temps de séparation des contacts qui augmente, ainsi que
la masse des éléments mobiles. A volume de compression équivalent, on
peut diminuer la distance R de recouvrement des premier et second
contacts en augmentant D.
Figure 9, le retard au déplacement des premier et second contacts
est ici procuré par des moyens consistant en un seul système d'inserts
télescopiques, tels que des ressorts 26, permettant d'introduire un certain
débattement longitudinal entre le second cylindre 13 et la liaison
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périphérique 14. Cette dernière peut être prolongée par une partie
cylindrique 14A entourant le second cylindre 13 et pouvant coulisser le
long de celui-ci, par exemple grâce à des roulements à billes. Le
mécanisme pivotant 10 permettant de coordonner les mouvements des
premier et second contacts traverse le second cylindre 13 par des
ouvertures longitudinales prévues à cet effet. Dans ce dispositif, le
mécanisme de manceuvre du disjoncteur, non représenté, est relié au
second cylindre 13 et agit en poussée dans le sens de la flèche sur la
figure lors de l'ouverture du disjoncteur. Le système de blocage des
premier et second contacts peut ici être réalisé par un dispositif unique
30, consistant par exemple en un bras pivotant verrouillable 31 retenant
la liaison périphérique 14 par un ergot, ce bras pouvant être déverrouillé
de façon connue par la poussée du second cylindre 13 sur un élément 32
commandant le mouvement dudit bras, dès que ledit second cylindre a
parcouru une distance 0.
La figure 8 représente un disjoncteur dont les moyens constitutifs
sont équivalent à ceux du disjoncteur décrit aux figures 1 et 3, à
l'exception des moyens de manoeuvre 25 du second contact qui sont
séparés des moyens 24 manoeuvrant le premier contact. Dans le
dispositif représenté, la course L du piston 8 durant la phase de
compression du gaz est égale à la distance R de recouvrement des
premier et second contacts. II est aussi possible d'obtenir une longueur
de compression L supérieure à R en séparant le premier contact 1 en
deux parties par un système d'inserts télescopiques 20 tel que représenté
à la figure 7. Les moyens de manoeuvre 25 seront alors actionnés avec
un certain retard par rapport aux moyens 24, en fonction du débattement
procuré par ledit système d'inserts, de façon à synchroniser les
déplacements des premier et second contacts.
Enfin, il est aussi possible de réaliser un disjoncteur possédant un
simple mouvement de contact et tel que la course L dudit piston dans le
volume de compression durant la phase de compression du gaz soit au
moins égale à deux fois la distance R de recouvrement du contact mobile
avec le contact fixe. En effet, au vu du dispositif à double mouvement des
contacts décrit figure 8, les moyens de manoeuvre 25 peuvent être
supprimés pour rendre le second contact fixe. Ainsi, la séparation des
contacts a lieu lorsque le premier contact s'est déplacé d'une distance
égale à la distance R de recouvrement, c'est à dire aussi lorsque le
piston s'est déplacé d'une distance R. Le déplacement relatif du piston 8
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par rapport à la culasse 5 du volume de compression, c'est à dire la
longueur L de compression, est alors égal à deux fois à la distance R de
recouvrement, voire supérieur à 2 x R si le contact 1 est séparé en deux
parties par un système d'inserts télescopiques 20 tel que représenté à la
5 figure 7.
En comparaison, comme mentionné dans le préambule, les
dispositifs connus de l'art antérieur ne permettent d'obtenir que L
typiquement compris entre R et 1,25 x R.
