Disjoncteur à gaz pour circuits électriques sous haute tension

Abstract

 Disjoncteur pour circuits électriques sous haute tension du type PUFFER contenant de l'hexafluorure de soufre SF₆ pour l'extinction rapide de l'arc. L'électrode fixe de contact d'arc (18) présente une structure modifiée lui permettant d'assurer la connexion d'arc par portée sur l'électrode (22), mobile de contact d'arc, sans interposition d'électrode auxiliaire ce qui permet de réduire le volume de la chambre contenant du gaz ionisé par l'amorçage de l'arc.

Description

[0001] La présente invention est relative à un disjoncteur à gaz et plus particulièrement à un disjoncteur à hexafluorure de soufre SF6 de type"puffer"destiné notamment mais non exclusivement à l'interruption de courants électriques d'au moins 2 kilos ampères sous une tension d'au moins 170 kilo-volts,des courants de tension et d'intensité plus grandes nouvant être coupés en augmentant le nombre de pôles du disjoncteur.

[0002] On sait que lors de l'interruption de tels courants, il s'établit lors de l'éloignement des électrodes un arc électrique s'opposant à l'ouverture du circuit. Il est bien entendu souhaitable que cet arc disparaisse rapidement et il est connu que l'hexafluorure de soufre SF6 convient particulièrement bien pour réaliser l'extinction de l'arc, ce gaz présentant par ailleurs des avantages secondaires notables permettant d'obtenir une structure de disjoncteur relativement simple.

[0003] Dans la technique actuellement mise en oeuvre, un disjoncteur SF6 à haute tension se compose comme cela a été représenté sur la figure 1 d'une chambre de coupure 1 portée par un support isolateur en céramique ou porcelaine 2 lui-même posé sur un socle scellé au sol par l'intermédiaire d'un carter 3 renfermant le mécanisme de commande d'ouverture du disjoncteur, mécanisme le plus habituellement du type oléo-pneumatique ou auto-pneumatique.

[0004] La présente invention se rapporte plus précisément à la chambre de coupure 1 proprement dite telle qu'elle est représentée en coupe partielle sur la figure 2. Sur la figure 2 on voit qu'une chambre de coupure se compose d'un boîtier céramique 4 qui peut être protégé par un carter métallique, ledit boîtier 4 renfermant d'une part un contact fixe 5 et un contact mobile 6, le contact mobile étant susceptible de se déplacer pour venir contre le contact fixe et fermer ainsi le circuit du courant. Dans un souci de simplification, on ne parlera dans la présente description que d'une chambre unique, mais il va de soi que l'invention peut être utilisée dans des disjoncteurs présentant plusieurs chambres de coupure.

[0005] Les figures 3 et 4 représentent le système d'électrodes des disjoncteurs à gaz de type connu respectivement en position fermée (figure 3) et en position ouverte (figure 4). La structure des électrodes fixe 5 et mobile 6 apparaît clairement sur la figure 4. Le contact fixe 5 est constitué par une électrode principale creuse 7 et par une électrode de contact d'arc 8 montée à l'intérieur de l'électrode 7. Le contact mobile 6 se compose quant à lui d'une buse 10 solidaire d'une électrode principale mobile 9 l'électrode 9 étant elle-même solidaire d'un cylindre mobile 13 monté coulissant sur un piston fixe 14. On remarque également à l'intérieur de la buse 10 et de l'électrode principale 9 une pièce de contact auxiliaire 11 et une électrode de contact d'arc 12.

[0006] Lorsque sous l'action du fluide de compression le contact mobile se déplace vers le haut de la figure, l'électrode mobile 9 vient au contact de l'électrode principale fixe 7 ce qui permet le passage du courant (voir figure 3), une partie minime du courant passe également à travers l'électrode de contact auxiliaire 11 et est transmise à l'électrode 8 de contact d'arc. La buse 10 en matière électro-isolante n'a pour but que d'assurer la circulation du SF6.

[0007] Lors de l'ouverture du disjoncteur, les électrodes principales 7 et 9 s'éloignent l'une de l'autre et le courant continue à s'acheminer complètement par l'électrode 8 et l'électrode auxiliaire 11. Au cours du mouvement de descente du cylindre, il se produit une compression de gaz dans l'espace compris entre la partie supérieure du piston 14 et l'extrémité supérieure du cylindre 13. Cette pression se transmet dans la partie concave 15 de la buse 10. Le contact d'arc qui était initialement établi par l'électrode auxiliaire 11 et l'électrode 8 s'établit dès que ces pièces sont mécaniquement séparées entre l'électrode centrale 12 et l'électrode 8. On notera que l'électrode 12 n'est jamais en contact avec l'électrode 8. Le gaz comprimé à l'intérieur du cylindre et dans la partie concave de la buse 10 commence à circuler autour de l'arc électrique et provoque son extinction au cours du passage du courant alternatif à l'une de ces valeurs nulles.

[0008] Comme cela apparaît sur la figure 8 qui est également en coupe, la vue d'un dispositif de l'art antérieur, on voit que l'intérieur de la partie concave 15 de la buse 10 se remplit de gaz ionisé lorsque la valeur du courant n'est pas nulle. L'arc électrique obture presque complètement la gorge de la buse et les ouvertures des contacts d'arc, ce qui empêche la libre circulation du gaz et le refroidissement de l'arc électrique. Par suite, la concentration des particules ionisées dans le plasma formé dans la partie concave de la buse augmente jusqu'à sa valeur maximale. Au voisinage du passage du courant par sa valeur nulle le diamètre de l'arc diminue notablement ce qui dégage les ouvertures de contact et permet la circulation intensive du gaz autour de l'arc. Compte tenu de ce que l'arc est d'abord au contact avec le plasma contenu dans la cavité 15 et de ce que celui-ci est très chaud l'arc n'est pas éteint. Seul le gaz frais qui vient du cylindre de compression est capable de réaliser la déionisation de l'espace défini par les contacts.
Si le gaz frais n'expulse pas à temps le gaz chaud contenu dans la partie inférieure de la buse, l'arc électrique se réamorce.

[0009] La présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient et elle permet d'obtenir une réduction des temps d'arc, l'augmentation du pouvoir de coupure et celle de l'endurance électrique de l'élément de coupure.

[0010] Selon la présente invention, le disjoncteur à gaz pour circuits électriques sous haute tension comprenant au moins une chambre de coupure renfermant un contact fixe et un contact mobile'à l'intérieur desquels circule un gaz sous pression, le contact mobile portant une buse en matière électro-isolante solidaire de l'électrode de contact principale, des électrodes secondaires permettant d'assurer un contact d'arc à l'intérieur de ladite buse est caractérisé en ce que le contact d'arc mobile pénétrant à l'intérieur du contact d'arc fixe, le volume de gaz entourant l'électrode d'arc mobile à l'intérieur de la buse est réduit de façon à permettre un renouvellement plus rapide du gaz échauffé par le passage de l'arc.

[0011] Ainsi, le gaz ionisé peut être remplacé par du gaz comprimé provenant du cylindre, ce gaz frais permettant une extinction rapide de l'arc au cours du passage du courant à l'une de ses valeurs zéro.

[0012] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre d'un mode de réalisation particulier en regard des figures qui représentent :

- la figure 1 un disjoncteur à hexafluorure de soufre ;

- la figure 2 une vue en coupe partielle d'une chambre de coupure ;

- les figures 3 et 4 des coupes des contacts fixe et mobile d'un disjoncteur de l'art antérieur respectivement en position fermée et ouverte;

- les figures 5 et 6 une vue en coupe des éléments fixe et mobile d'un disjoncteur selon l'invention respectivement en position fermée et ouverte ;

- la figure 7 une vue en élévation et sa projection d'une électrode d'arc ;

- la figure 8 une vue en coupe de la buse et de la partie supérieure du contact mobile dan l'art antérieur ; et

- la figure 9 une vue en coupe d'une buse et de la partie supérieure du contact mobile selon l'invention.

[0013] Les figures 1, 2, 3, 4 et 8 ont été décrites en détail précédemment de manière à bien faire apparaître qu'elles sont les différences existant entre l'art antérieur représenté en détail sur ces figures et l'invention.

[0014] Les figures 5 et 6 représentent les contacts fixe et mobile d'un disjoncteur selon l'invention. Comme précédemment, la partie fixe comprend une électrode principale 17 creuse à l'intérieur de laquelle se trouve une électrode d'arc 18 dont la structure a été modifiée. Le contact mobile comprend comme dans l'art antérieur une électrode de contact principal 19 solidaire à sa partie supérieure d'une buse électro-isolante 20 et à sa partie inférieure d'un cylindre mobile 23 pouvant coulisser sur un piston fixe 24. A l'intérieur de la buse 20 fait saillie l'électrode 22 de contact d'arc. Lorsque le disjoncteur est fermé comme cela est représenté sur la figure 5, le contact entre la partie fixe et la partie mobile est assuré simultanément par la portée de l'électrode 19 à l'intérieur de l'électrode 17 et par l'introduction de l'électrode 22 à l'intérieur de l'électrode 18. A l'intérieur de la buse 20 et à la partie inférieure de celle-ci la présence de la partie supérieure de l'électrode 22 définit une chambre d'ionisation 25.
Lors de l'ouverture du disjoncteur, les électrodes principales 17 et 19 cessent les premières d'être en contact, le contact n'étant plus assuré que par les électrodes 18 et 22. On remarquera que par rapport à l'art antérieur tel qu'il a été décrit précédemment l'électrode 18 présente une structure différente qui a été représentée sur la figure 7. Cette électrode de contact d'arc est de forme générale cylindrique et terminée à sa partie supérieure par une bride permettant l'assujettissement de ladite électrode. Cette électrode 18 est constituée en une matière électro-conductrice et élastique, une pastille 26 métallo-céramique étant fixée à l'extrémité inférieure de ladite électrode de manière à accroître la résistance à l'effet de l'arc électrique, ladite électrode présentant par ailleurs à sa partie inférieure au moins deux fentes 27 qui déterminent dans la partie coupée deux secteurs égaux 28. Ainsi, le contact entre les électrodes 18 et 22 peut être réalisé directement alors que dans l'art antérieur tel qu'il apparaît sur les figures 3 et 4, il était nécessaire de prévoir un contact auxiliaire 11. La suppression de l'élément auxiliaire 11 est un avantage considérable en ce qu'elle permet d'obtenir une structure de l'électrode d'arc beaucoup plus simple, ce qui se traduit également par la réduction de la chambre inférieure de circulation de gaz 25. On peut d'ailleurs comparer très simplement la forme des chambres d'ionisation en se reportant aux figures 8 qui représente la chambre 15 de l'art antérieur et 9 qui représente une chambre 25 selon l'invention.

[0015] Lorsque sous l'action du déplacement du cylindre 23 (figure 6) les électrodes 18 et 22 se séparent il se forme un arc et le gaz comprimé par le mouvement de retrait du cylindre pénètre comme précédemment dans la chambre 25 et y circule rapidement.
Bien entendu, la formation de l'arc électrique ionise le gaz (SF6) contenu dans la chambre 25. On remarquera que les fentes 27 sont suffisamment longues pour correspondre aux orifices de circulation de gaz prévus dans l'étranglement de la buse 20. Lorsque la tension du courant passe au voisinage du zéro, le diamètre de l'arc électrique diminue notablement et degage les fentes 17 ce qui permet la circulation rapide de gaz autour de l'arc. Le gaz frais provenant du cylindre de compression est capable de déioniser l'espace inter-électrode. Compte tenu de ce que par rapport à l'art antérieur le volume de la chambre a été considérablement réduit, le remplacement de gaz chaud ionisé par du gaz frais non ionisé s'effectue très rapidement. Il en résulte que lors du passage par zéro de la tension au cours d'un cycle ultérieur, l'arc peut être éteint très rapidement.

[0016] Il apparaît donc que l'avantage essentiel de l'invention consiste dans la réduction importante de la chambre entourant l'électrode d'arc dans la partie mobile du disjoncteur, ce qui permet de palier le défaut de réamorçage mentionné ci-dessus. Cette réduction du volume de la chambre est obtenue par la simplification du système de contacts d'arc. En particulier, les fentes 27 prévues à la partie inférieure de l'électrode 18 permettent non seulement d'assurer un contact d'arc convenable entre les électrodes 18 et 22 mais permettent lors de l'ouverture du disjoncteur et avant l'amorçage de l'arc la commutation efficace du courant des électrodes principales sur les électrodes d'arc sans utilisation de contact auxiliaire (voir électrode 11 sur les figures 3 et 4). L'électrode auxiliaire a été supprimée et le contact d'arc est obtenu directement par les électrodes 18 et 22. La suppression du contact auxiliaire permet de réduire l'espace 25 à l'intérieur de la partie concave de la buse. Outre cet avantage, l'invention permet d'obtenir un meilleur centrage de l'arc électrique et des conditions de refroidissement de l'arc plus uni- formesce qui contribue à l'efficacité de l'extinction. Ainsi, la coupure des courant peut être obtenue pour une large gamme de valeur et on a pu constater une fiabilité électrique accrue du disjoncteur. La suppression de l'électrode auxiliaire a d'autre part permis de réduire notablement le diamètre extérieur de la buse et du contact mobile principal ainsi que le diamètre de la chambre de coupure proprement dite.

[0017] L'élément de coupure haute tension selon l'invention a été essayé expérimentalement avec succès conformément aux règles de la commission électrotechnique internationale (CEI) ce qui a confirmé l'intérêt de l'invention.

[0018] Il va de soi que des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans sortir pour cela du cadre de la présente invention.

Revendications

1 - Disjoncteur à gaz pour circuits électriques sous haute tension comprenant au moins une chambre de coupure renfermant un contact fixe et un contact mobile, les contacts fixe et mobile étant constitués par une électrode principale et par une électrode d'arc, un gaz circulant à l'intérieur et autour desdites électrodes dans une buse entourant les électrodes d'arc, caractérisé en ce que l'électrode mobile d'arcade hauteur supérieure à l'électrode mobile principale_/pénètre à l'intérieur de l'électrode fixe d'arc lorsque le disjoncteur est fermé.

2 - Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la buse précitée comprend à sa partie inférieure une chambre entourant l'extrémité supérieure de l'électrode mobile d'arc et détermine avec celle-ci un volume très réduit de sorte que le remplacement du gaz ionisé par du gaz frais non ionisé s'effectue très rapidement.

3 - Disjoncteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'électrode fixe d'arc est constituée par une tige cylindrique creuse en matière électro-conductrice à bon coefficient d'élasticité présentant à sa partie inférieure au moins deux fentes s'étendant sur une longueur telle qu'en position de fermeture l'extrémité supérieure des fentes arrive en regard des ouvertures de la gorge de la buse.

4 - Disjoncteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une pastille métallo-céramique résistant à l'arc électrique est soudée à la partie inférieure de ladite tige cylindrique.

5 - Disjoncteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, les électrodes d'arc creuses constituent avec le volume réduit de la buse un guide pour l'établissement de l'arc électrique.

6 - Chambre de coupure pour un disjoncteur de circuits électriques à haute tension comprenant un contact fixe et un contact mobile, ledit contact mobile pouvant être amené à l'intérieur du contact fixe pour fermer le circuit par action d'un fluide sur un cylindre mobile monté coulissant sur un piston fixe, lesdits contacts fixe et mobile étant chacun constitué de deux électrodes destinées respectivement à assurer l'écoulement du courant et la formation de l'arc de rupture, caractérisée en ce que les extrémités inférieures des électrodes du contact fixe se trouvant sensiblement dans un même plan horizontal, la hauteur de l'électrode mobile principale est inférieure à la hauteur de l'électrode mobile d'arc de sorte que lors de l'ouverture du circuit la totalité du courant passe dans un premier temps par les électrodes d'arc avant amorçage de celui-ci lors de la séparation mécanique desdites électrodes d'arc.

Dessins