|
(11) | EP 0 025 375 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
| (54) | Interrupteur à soufflage magnétique en rotation de l'arc |
| (57) L'invention est relative à un interrupteur à arc tournant. Une bobine de soufflage (44) est traversée par un noyau ferromagnétique (38) d'accroissement de la force de soufflage de l'arc tiré sur une électrode (42) en forme de piste annulaire. La bobine est entourée par des contacts principaux (16,46), de telle manière qu'elle exerce sur l'arc de commutation tiré entre les contacts principaux un champ magnétique de soufflage en rotation, et le noyau (38) est au potentiel de l'électrode (42) pour maintenir l'alimentation de la bobine (44) lors d'un amorçage de l'arc sur le noyau (38). |
[0001] L'invention est relative à un interrupteur à soufflage magnétique en rotation de l'arc comprenant :
- une paire de contacts séparables ayant chacun une électrode annulaire formant une piste de rotation de la racine d'un arc tiré lors de la séparation desdits contacts,
- une bobine tubulaire coaxiale auxdites électrodes et ayant une face terminale accolée à l'une desdites électrodes annulaires du côté opposé à ladite piste, ladite bobine étant reliée électriquement d'une part à l'une des bornes de l'interrupteur et d'autre part à l'électrcde accolée, de manière à être alimentée électriquement en série d'un arc ancré sur l'électrode accolée et engendrer un champ magnétique radial dans la zone d'extension dudit arc,
- un noyau ferromagnétique conducteur s'étendant coaxialement à l'intérieur de la bobine et présentant une face frontale voisine de ladite électrode accolée pour renforcer le champ magnétique de soufflage de l'arc.
[0002] On connaît des interrupteurs à arc tournant, notamment par le brevet français N° 2.339.244 de la demanderesse, qui présentent l'avantage sur les interrupteurs à autosoufflage de ne pas nécessiter des efforts importants de commande d'ouverture. Le succès commercial de ces interrupteurs a confirmé la validité de cette technique et la présente invention concerne des perfectionnements permettant un accroissement des performances, notamment du pouvoir de coupure de ces interrupteurs.
[0003] Il est également connu (brevet britannique N° 479.097) de renforcer le champ magnétique de soufflage en rotation de l'arc par un noyau ferromagnétique inséré dans la bobine de soufflage. Pour assurer le bon fonctionnement de l'interrupteur il est essentiel de guider le déplacement de l'arc pour le maintenir dans la zone de soufflage magnétique optimale, l'arc étant sensiblement perpendiculaire au champ de soufflage. Pour ce faire l'arc doit être maintenu sur une piste, relativement étroite, de migration de la racine d'arc en regard et accolée à la face terminale de la bobine. L'interrupteur décrit dans le brevet britannique précité N° 479.097 comporte une piste large en forme de disque coiffant la bobine et le noyau et l'arc peut migrer vers la zone centrale à soufflage réduit. Le noyau est connecté en série de la bobine en permanence ce qui diminue l'intensité du courant dans la bobine.
[0004] Pour éviter un amorçage de l'arc sur le noyau voisin de l'électrode annulaire, il a été proposé de coiffer ce noyau par un capuchon isolant (brevet US N° 2.439.952). La présence d'un matériau isolant dans la zone d'arc est néfaste à la désionisation.
[0006] L'interrupteur selon la présente invention est caractérisé par le fait que ladite face frontale du noyau est une face libre séparée de ladite électrode accolée par un espace libre s'opposant à la migration de l'arc de l'électrode accolée vers le noyau et que ledit noyau est connecté électriquement à ladite électrode accolée de manière à maintenir en circuit la bobine en cas d'amorçage de l'arc sur le noyau.
[0007] La présence d'un noyau ferromagnétique, formant une culasse, permet un accroissement du champ magnétique de soufflage de l'arc tiré entre les contacts et une rotation accélérée des racines de l'arc évitant toute érosion des pistes de contact. Le noyau est espacé et au potentiel de la piste d'arc évitant une migration et un ancrage de l'arc sur le noyau. En cas d'amorçage sur ce noyau le soufflage magnétique par la bobine est maintenu, permettant une coupure de l'arc. La bobine de soufflage est connectée directement en série avec les contacts d'arc et elle est parcourue par le courant de défaut, notamment de court-circuit. Les efforts électrodynamiques s'exerçant sur les spires successives sont dans ce cas fort importants et peuvent provoquer l'éclatement de la bobine. Selon un développement de la présente invention, la bobine comporte :
- un empilage de disques conducteurs annulaires fendus, formant chacun une spire de la bobine et d'intercalaires isolants, assurant l'isolation électrique entre les disques successifs, les fentes des disques successifs étant décalées angulairement en hélice,
- des ponts de contact insérés entre les disques successifs en étant encadrés par les fentes des disques adjacents, et
- des moyens de serrage dudit empilage pour assurer par pression le contact électrique entre les disques et lesdits ponts de contact.
[0008] L'effort de répulsion entre les disques et l'électrode d'arc est repris par des tirants en forme de tige, qui traversent des orifices ménagés dans l'empilage constitutif de la bobine. Ces tirants sont solidarisés à l'une de leurs extrémités à l'électrode annulaire appliquée contre la face frontale de la bobine. Ils sont reliés mécaniquement et électriquement par leurs extrémités opposées au support du noyau ferromagnétique et ils appartiennent à la liaison électrique entre l'électrode annulaire et le noyau pour porter ces derniers au même potentiel. Des fourreaux isolants entourent les tiges au passage de la bobine.
[0009] Selon un autre perfectionnement, un anneau de déphasage de section importante est intercalé entre l'électrode annulaire et la face terminale de la bobine pour conserver un champ magnétique de soufflage au moment du passage au zéro du courant,suffisant, pour maintenir la rotation de l'arc et faciliter son extinction.
[0010] Dans les interrupteurs de calibre important il est avantageux de prévoir des contacts principaux de shuntage des contacts d'arc, et selon un perfectionnement de la pré- sentc invention, les contacts principaux sont disposés à l'extérieur des contacts d'arc et présentent également une piste annulaire de rotation de l'arc disposée dans la zone d'action du champ magnétique de la bobine. En position de fermeture de l'interrupteur, la quasi-totalité du courant passe par les contacts principaux qui shuntent la bobine de soufflage. Les contacts principaux s'ouvrent avant les contacts d'arc en mettant en circuit la bobine de soufflage, ce qui cause l'apparition d'un arc de commutation, lequel est soumis au champ magnétique de soufflage lui imposant une rotation rapide sur les pistes annulaires des contacts principaux. Après commutation du courant et séparation des contacts d'arc le champ engendré par la bobine provoque la rotation des racines d'arc tiré entre les contacts d'arc.
[0011] Selon un autre développement de l'invention, une culasse entoure extérieurement la bobine de soufflage, de manière à accroître le champ magnétique de soufflage dans la zone de formation et d'extinction de l'arc. L'action combinée du noyau interne et de la culasse externe permet d'obtenir un champ de soufflage suffisant même lors d'une coupure de faible courant. L'intensité des courants induits dans l'anneau de déphasage est également augmentée ce qui favorise la coupure du courant.
[0012] L'ouverture décalée des contacts d'arc et des contacts principaux est réalisée par un montage semi-fixe du contact d'arc sur un contact principal en forme de cuvette. Selon un perfectionnement de la présente invention, la connexion électrique entre le contact d'arc et le contact principal en forme de cuvette est réalisée par une ou plusieurs tresses s'étendant sur une portion de la périphérie interne du contact principal en cuvette qui fait office de frette, limitant la déformation de la tresse sous l'effet de boucle lors d'un passage d'un courant important.
[0013] La combinaison de ces perfectionnements et développements permet la réalisation d'un interrupteur de calibre élevé susceptible de performances accrues.
[0014] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre de l'invention, donné à titre d'exemple et représenté aux dessins annexés, dans lesquels:
la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale partiellement arrachée d'un pôle d'un interrupteur selon la présente invention, la vue de gauche représentant l'interrupteur en position fermée et la vue de droite représentant l'interrupteur en position ouverte;
la figure 2 est une vue éclatée en perspective de l'empilage constitutif de la bobine de soufflage selon la fig. 1;
la figure 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la fig. 1.
[0015] Sur les figures, un interrupteur comporte une enveloppe isolante étanche allongée 10 remplie d'hexafluorure de soufre sous pression, par exemple de quelques bars. A l'intérieur de l'enveloppe 10 sont logés un ensemble 12 de contacts fixes et un ensemble de contacts mobiles 14 monté à coulissement axial et commandé par un bras oscillant 15 solidaire d'un mécanisme de commande (non représenté sur la fig. 1), mais pouvant être du type décrit dans le brevet français précité ? 2.339.244, auquel on se reportera avantageusement pour de plus amples détails.
[0016] L'ensemble de contacts mobiles 14 comporte un contact principal mobile 16 en forme de cuvette, dont l'extrémité annulaire 18 faisant face à l'ensemble de contacts fixes 12 est agencée en piste de migration d'une racine d'arc. La cuvette 16 est assujettie à sa base à une tige coulissante de commande 20 solidarisée par un coulisseau 22 au bras de commande 15. A l'intérieur du contact en cuvette 16 est monté semi-fixe un contact d'arc 24 ayant une électrode annulaire 26 formant une piste annulaire de migration d'arc. Le contact d'arc 24 est sollicité en position de butée contre un collet 28 en direction de l'ensemble de contacts fixes 12 par un ressort 30. En position de butée la piste de contact 26 du contact d'arc 24 est sensiblement au niveau de celle 18 du contact principal mobile 16.
[0017] L'ensemble de contacts fixes 12 est solidarisé au fond 32 de l'enveloppe isolante 10 par un étrier 34 ayant une plaque de fixation 36, qui présente un orifice central de passage d'un noyau ferromagnétique 38 et des orifices répartis sur une circonférence entourant le noyau 38. L'ensemble de contacts fixes 12 comporte essentiellement un contact d'arc fixe 42 en forme de piste annulaire susceptible de coopérer par aboutement avec le contact d'arc mobile 24 de même configuration, une bobine de soufflage tubulaire 44 et un contact principal fixe 46 présentant une face annulaire de contact susceptible de coopérer par aboutement avec le contact mobile principal 16. A l'intérieur du contact fixe principal 46 en forme de coupelle est disposée une culasse 48 en matériau ferromagnétique, qui épouse la forme du contact principal 46 en entourant latéralement la bobine 44. La face terminale 50 du noyau 38 est sensiblement au niveau du contact d'arc fixe 42, les extrémités du contact fixe principal 46 et de la culasse 48 étant légèrement en retrait par rapport au contact d'arc 42. Il est facile de voir que la culasse 48 et le noyau 38, qui la traverse, constituent un circuit magnétique de gainage de la bobine tubulaire 44 présentant un entrefer dans la zone de contact entre les contacts d'arc 24 et 42.
[0018] La bobine 44 est nonstituée par un empilage, décrit en détail ci-dessous en référence aux figures 2 et 3, traversé par les tiges de serrage ou tirants 40. Ces derniers sont fixés par une de leurs extrémités à la piste annulaire 42, par exemple par soudage et traversent successivement des orifices ménagés dans un anneau de déphasage 52, dans la bobine 44, dans la culasse 48, dans le contact principal 46, dans l'étrier 34 et dans une plaque 54 de support du noyau 38. Des écrous 56 vissés sur les extrémités filetées des tirants 40 maintiennent-assemblées les pièces constitutives de l'ensemble de contacts fixes 12. L'anneau de déphasage 52 de grande section recouvre la quasi-totalité de la face frontale de la bobine 44 contre laquelle il est appliqué en étant inséré entre cette face frontale et la piste annulaire 42. Le bord externe 58 de l'anneau de déphasage 52 est chanfreiné pour limiter les risques d'amorçage de l'arc sur le contact principal 46 adjacent. Les tirants 40 et la plaque de support 54 sont isolés électriquement de la bobine 44, du contact principal fixe 46 et de l'étrier 34 par des fourreaux isolants 60 à collerette 62 enfilés sur les tirants 40.
[0019] L'enveloppe isolante 10 présente à sa partie supérieure une traversée de connexion 64 reliée électriquement à l'étrier 34 et à sa partie inférieure une traversée 66 reliée électriquement par un conducteur souple 68 à l'ensemble de contacts mobiles 14. Des tresses 70, décrites ci-dessous, relient électriquement le contact d'arc mobile 24 au contact principal mobile 16.
[0020] L'interrupteur selon l'invention fonctionne de la manière suivante :
En position fermée, représentée sur la demi-vue de gauche de la fig. 1, l'ensemble de contacts mobiles 14 est maintenu au contact de l'ensemble de contacts fixes 12, les pistes annulaires d'arc 26, 42 étant aboutées ainsi que les contacts principaux 16, 46. Le courant entrant par exemple par la traversée 64 parcourt l'étrier 34, le contact principal 46, pressé par les tirants 40 contre l'étrier 34, le contact principal 16, le conducteur souple 68 et la traversée 66. Parallèlement, aux contacts principaux 46, 16, le courant peut parcourir un circuit dérivé constitué par la bobine 44, l'anneau de déphasage 52, le contact mobile d'arc 42, le contact semi-fixe d'arc 24, les tresses 70 pour aboutir au contact principal 16. L'impédance de ce circuit dérivé étant notablement supérieure à celle du circuit principal, la quasi-totalité du courant parcourt ce dernier circuit principal en fonctionnement normal. L'ouverture de l'interrupteur est commandée par un dispositif de déclenchement usuel ne faisant pas partie de la présente invention et pouvant être du type décrit dans le brevet français précité N° 2.339.244. Le pivotement du bras de commande 16 vers le bas sur la fig. 1 provoque le coulissement de la tige 20 qui entraîne dans son déplacement l'ensemble 14 des contacts mobiles. En une première phase les contacts principaux 16, 46 se séparent en tirant un arc de commuta-. tion, les contacts d'arc 24, 42 restant temporairement en aboutement sous l'action du ressort 30. La séparation des contacts principaux 16, 46 provoque la commutation du courant dans le circuit dérivé à travers la bobine 44,'qui engendre un champ magnétique de soufflage. Le champ magnétique radial engendré par la bobine 44 dans la zone de séparation des contacts principaux 16, 46 provoque une rotation de l'arc de commutation facilitant son extinction. Dans une deuxième phase d'ouverture de l'interrupteur le contact d'arc mobile 24 vient en butée du collet 28 et est entraîné vers le bas, de manière à séparer les pistes annulaires 26, 42 en tirant un arc entre ces dernières (demi-vue de droite de la fig. 1). L'arc tiré entre les pistes 26, 42 s'étend dans l'entrefer ménagé entre la culasse 48 et le noyau 38 et est soumis à un champ de soufflage particulièrement intense qui provoque une rotation rapide sur les pistes annulaires 26, 42. L'anneau de déphasage 52, disposé dans cet entrefer et à proximité immédiatede la piste 42, entretient ce champ magnétique au passaqe au zéro dit courant pour favoriser l'extinction de l'arc à cet instant. Dès l'interruption du courant, la bobine 44 n'est plus alimentée.
[0021] Le noyau 38, solidarisé mécaniquement et électriquement par la plaque 54 et les tirants 40 à la piste annulaire 42, est au même potentiel de cette dernière et en cas d'amorçage de l'arc sur la face terminale 50 du noyau 38 le courant emprunte un circuit constitué par le noyau 38, la plaque 54, les tirants 40, la piste de contact 42 et la bobine 44, maintenant cette dernière excitée. Tout amorçage de l'arc sur le noyau 38 maintient le soufflage en rotation de l'arc favorisant son extinction. Le chanfrein 58 de l'anneau de déphasage 52 empêche toute migration de l'arc vers le contact principal 46 et tout amorçage sur ce dernier. La bobine 44 engendre à la fois un champ de soufflage de l'arc de commutation tiré entre les contacts principaux 16, 46 et de l'arc de coupure tiré entre les pistes annulaires 26, 42.
[0022] La présence de fer, due au noyau 38, à l'intérieur de la bobine 44 augmente l'efficacité de cette dernière. La présence de la culasse 48 gainant extérieurement la bobine 44 accroît cette action et est particulièrement avantageuse lors de la coupure de faible courant.
[0023] En se référant plus particulièrement aux figures 2 et 3, qui montrent la bobine 44, on reconnaît la piste annulaire 42, l'anneau de déphasage 52 et les tirants 40, sur lesquels sont empilés alternativement des intercalaires isolants 72 et des disques conducteurs fendus 74. Les intercalaires 72 et les disques fendus 74 présentent des orifices de passage des tirants 40 et ils sont mis en place de manière à décaler angulairement les fentes 76 des disques conducteurs successifs 74. Dans l'exemple représenté sur la fig. 2, la bobine 44 est traversée par six tirants 40 répartis régulièrement et chaque disque conducteur 74 est décalé angulairement d'un sixième de tour, en l'occurrence de 60° par rapport au disque 74 adjacent. Dans chaque intercalaire isolant 72 est insérée une rondelle métallique 78 susceptible d'assurer un pont de contact entre les disques conducteurs adjacents 74. Les rondelles 78 des intercalaires successifs sont décalées du même angle que le décalage des fentes 76, une rondelle 78 étant toujours encadrée par les fentes 76 des deux disques conducteurs adjacents 74. On voit qu'en position assemblée et comprimée des disques 74 et intercalaires 72 le courant passe d'un disque 74 vers le disque suivant par les rondelles 78 formant un pont de contact, ce courant décrivant une hélice dont les spires successives sont chacune constituée par l'un des disques conducteurs 74. La bobine 44 peut comporter un nombre quelconque de disques 74 et d'intercalaires 72. Les rondelles 78 et notamment la rondelle intercalée entre le dernier disque 74 et l'anneau de déphasage 52 peuvent présenter une certaine élasticité, conférée par leur structure du type Belleville. L'élasticité des rondelles Belleville 78 permet une compensation des dilatations thermiques, notamment de l'allongement des tirants 40 et évite toute interruption de la continuité électrique entre les disques successifs 74. La réalisation d'une telle bobine est particulièrement simple et les tirants 40 s'opposent efficacement aux forces de répulsion qui s'exercent entre les spires et l'anneau de déphasage 52 lorsque la bobine 44 est parcourue par un courant intense, notamment un court-circuit.
[0024] La fig. 4 illustre le mode de connexion électrique entre le contact d'arc mobile 24 et le contact principal mobile 16 en forme de cuvette. Les tresses de connexion, dans l'exemple représenté sur la fig. 4, la paire de tresses 70, sont d'une part fixées par l'une de leurs extrémités à la paroi interne de la cuvette 16, par exemple par des vis 80, l'extrémité opposée étant fixée à un doigt 82 porté par le contact mobile 24. Les tresses 70 s'étendent le long du pourtour de la cuvette 16 avec un jeu suffisant au mouvement relatif du contact mobile d'arc 24. Il est facile de voir que les tresses 70 viennent s'appliquer sous l'effet de boucle contre la paroi interne du contact principal 16, lorsqu'elles sont parcourues par un courant, le contact 16 limitant la déformation de ces tresses70. Le contact 16 constitue une frette empêchant toute déformation excessive.
- une paire de contacts séparables (24, 42) ayant chacun un électrode annulaire formant une piste de rotation de la racine d'un arc tiré lors de la séparation desdits contacts,
- une bobine tubulaire (44) coaxiale auxdites électrodes (24, 42) et ayant une face terminale (50) accolée à l'une (42) desdites électrodes annulaires du côté opposé à ladite piste, ladite bobine (44) étant reliée électriquement d'une part à l'une (64) des bornes de l'interrupteur, et d'autre part à l'électrode accolée (24) de manière à être alimentée électriquement en série d'un arc ancré sur l'électrode acco lée (24) et engendrer un champ magnétique radial dans la zone d'extension dudit arc,
- un noyau ferromagnétique (38) conducteur s'étendant coaxialement à l'intérieur de la bobine (44) et présentant une face frontale 60)voisine de ladite électrode accolée (42) pour renforcer le champ magnétique de soufflage de l'arc,
caractérisé par le fait que ladite face frontale (50) du noyau (38) est une face libre séparée de ladite électrode accolée (42) par un espace libre s'opposant à la migration de l'arc de l'électrode accolée vers le noyau et que ledit noyau (38) est connecté électriquement à ladite électrode accolée (42) de manière à maintenir en circuit la bobine (44) en cas d'amorçage de l'arc sur le noyau (38).
- un empilage de disques conducteurs (74) annulaires fendus formant chacun une spire de la bobine et d'intercalaires isolants (72) assurant l'isolation électrique entre les disques successifs (74), les fentes (76) des disques (74) successifs étant décalées angulairement en hélice,
- des ponts de contact (78) insérés entre les disques successifs (74) en étant encadrés par les fentes (76) des disques adjacents et
- des moyens de serrage (40) dudit empilage pour assurer par pression le contact électrique entre les disques (74) et lesdits ponts de contact (78).