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(11) | EP 0 240 397 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Disjoncteur électrique à autoexpansion et à arc tournant |
| (57) L'invention est relative à un disjoncteur électrique à autoexpansion et à arc tournant
isolé au SF 6. Le contact d'arc fixe est solidarisé à la face frontale antérieure (30) de la bobine (32) de soufflage magnétique. Une électrode (50) est isolée électriquement du contact d'arc fixe (20) et coiffe la face frontale antérieure (30) en étant connectée à l'extrémité opposée de la bobine (32) par un circuit de dérivation (52). L'électrode (50) est agencée pour capter une fraction du courant d'arc, de manière à ce que le champ magnétique engendré dans la zone de coupure (54) par la bobine (32) reste sensiblement constant lorsque la valeur de l'intensité du courant de court-circuit dépasse un seuil prédéterminé. |
[0001] L'invention est relative à un disjoncteur électrique à autoexpansion et à arc tournant, logé dans une enveloppe étanche remplie d'un gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment d'hexafluorure de soufre, et comprenant un dispositif d'extinction d'arc disposé dans une première chambre de coupure, susceptible de communiquer par des voies d'échappement avec une deuxième chambre adjacente d'expansion, ledit dispositif d'extinction d'arc de chaque pôle comportant :
- un système de contacts séparables ayant une pièce de contact d'arc mobile montée à coulissement dans la première chambre et susceptible de coopérer en position de fermeture avec une pièce de contact d'arc fixe ou semi-fixe,
- une bobine de soufflage magnétique agencée dans la première chambre pour engendrer un champ magnétique dans la zone de coupure, engendrant la rotation de l'arc lors de la séparation des pièces de contacts d'arc,
- des conduits de communication à l'intérieur des pièces de contact d'arc creuses pour constituer lesdites voies d'échappement du gaz comprimé de la première chambre vers la deuxième chambre d'expansion,
- et une électrode de captation de l'arc électrique dans la zone de coupure.
[0002] Dans un disjoncteur connu du genre mentionné, l'électrode de captation de l'arc est accolée à la face frontale antérieure de la bobine, et le contact d'arc fixe ou semi-fixe tubulaire se trouve en retrait de l'électrode à l'intérieur de la bobine. La commutation de l'arc sur l'électrode provoque l'excitation de la bobine de soufflage après la séparation des contacts. L'effet de centrage de l'arc par l'action du champ est accentué par le soufflage pneumatique pendant la phase d'échappement des gaz par les conduits de communication entre la chambre de coupure et la chambre d'expansion. Il en résulte une possibilité de réamorçage de la racine d'arc ancrée sur l'électrode vers le contact d'arc fixe, entraînant un shuntage presque total de la bobine. La diminution du champ magnétique dans la zone d'arc provoque l'arrêt de la rotation des racines d'arc. L'extinction de l'arc est alors compromise.
[0003] La bobine est parcourue généralement par la totalité du courant d'arc lors d'un court-circuit engendrant un champ magnétique important dans la zone de coupure. Une rotation trop rapide de l'arc sous l'action de ce champ peut entraver le refroidissement de l'arc.
[0004] L'objet de l'invention consiste à réaliser un disjoncteur à autoexpansion et à arc tournant ayant un dispositif d'extinction d'arc fiable, sans risque de desexcitation de la bobine de soufflage magnétique.
[0005] Le disjoncteur selon l'invention est caractérisé en ce que la pièce de contact d'arc fixe ou semi-fixe est entourée coaxialement par la bobine en étant raccordée électriquement à l'une de ses extrémités en liaison avec la face frontale antérieure, et que l'électrode est isolée électriquement du contact d'arc fixe et de ladite face frontale antérieure par un intervalle en étant connectée d'autre part à l'extrémité opposée de la bobine par un circuit de dérivation, disposé dans la chambre de coupure, à l'extérieur de la bobine, ladite électrode étant agencée pour capter une fraction du courant d'arc, de manière à ce que le champ magnétique engendré par la bobine dans la zone de coupure reste sensiblement constant, lorsque la valeur de l'intensité du courant de court-circuit dépasse un seuil prédéterminé.
[0006] L'électrode coiffe la face frontale antérieure de la bobine, avec interposition dudit intervalle d'isolement, et présente un rebord annulaire de captation de l'arc, autorisant le passage axial de la pièce de contact d'arc mobile vers la position de fermeture, la pièce de contact d'arc fixe se trouvant légèrement en retrait par rapport audit rebord de l'électrode.
[0007] Lorsque le courant d'arc n'est pas très important, l'arc reste ancré entre les pièces de contact d'arc fixe et mobile, et se déplace en rotation sous l'action du champ magnétique crée par l'excitation permanente de la bobine. L'arc ne migre pas sur l'électrode, entraînant l'absence de courant dans le circuit de dérivation. Un dépassement d'un seuil prédéterminé, dans le cas d'un court-circuit important provoque une répartition automatique du courant dans la bobine et le circuit de dérivation. Le courant d'excitation de la bobine est limité à une certaine valeur permettant d'ajuster l'amplitude maximum du champ magnétique dans la zone d'arc. L'excédent de courant est shunté par le circuit de dérivation.
[0008] Le rebord annulaire de l'électrode est avantageusement équipé d'une extension métallique de révolution, notamment cylindrique ou incurvée, faisant saillie de la pièce de contact d'arc fixe en direction du premier tube support de la pièce de contact d'arc mobile.
[0009] L'électrode peut également jouer le rôle d'un élément refroidisseur participant à la désionisation de l'arc dans la zone de coupure.
[0010] D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif et représenté au dessin annexé dans lequel :
- la figure 1 est une vue en élévation en coupe axiale d'une partie d'un pôle de disjoncteur à autoexpansion selon l'invention, représenté sur la demi-vue supérieure en position de fermeture, et sur la demi-vue inférieure en position d'ouverture ;
- la figure 2 est une vue partielle à échelle agrandie de la figure 1, montrant l'agencement du dispositif d'extinction d'arc ;
- la figure 3 est une variante de la figure 2.
- la figure 4 est une autre variante de la figure 2.
[0011] Sur les figures 1 et 2, un pôle d'un disjoncteur électrique comporte un dispositif d'extinction d'arc 10 à autosoufflage par expansion thermique et à arc tournant. Le pôle est logé dans une enveloppe 12 étanche et cylindrique, remplie de gaz isolant électronégatif à rigidité diélectrique élevée, notamment d'hexafluorure de soufre SF 6, sous une pression approprié. L'enveloppe 12 en matériau isolant est subdivisée intérieurement en une première chambre de coupure 14 renfermant le dispositif d'extinction d'arc 10, et au moins une deuxième chambre d'expansion 16 autorisant l'échappement des gaz de coupure en provenance de la première chambre 14. Le disjoncteur comprend une paire de contacts d'arc séparables 18, 20, creux, agencés à l'intérieur de la première chambre 14 en alignement avec la direction axiale de l'enveloppe 12. Le système de contacts principaux pour le passage du courant nominal en l'absence de défaut n'est pas représenté sur les figures.
[0012] Le contact d'arc mobile 1 8 est porté par un premier tube support 22 en matériau conducteur traversant à coulissement axial une paroi 24 radiale cylindrique de la chambre de coupure 1 4. Le tube 22 est solidarisé mécaniquement à une tige de commande d'un mécanisme de manoeuvre (non représenté), et est doté d'un conduit 26 axial qui communique avec la deuxième chambre d'expansion 16 par des orifices 28.
[0013] Le contact d'arc fixe 20 est formé par une piste annulaire conductrice ayant un diamètre intérieur égal à celui du contact d'arc mobile 18 pour permettre un aboutement des contacts 18, 20, en position de fermeture. La piste du contact d'arc fixe 20 constitue une bague en court-circuit fixée par soudage à la face frontale 30 antérieure d'une bobine 32 électromagnétique de mise en rotation de l'arc électrique tiré lors de la séparation des contacts d'arc 18, 20. La bobine 32 cylindrique est fixe et se trouve dans la première chambre 14 en étant portée par un deuxième tube support 34 fixe en matériau conducteur, lequel traverse une paroi 36 de la chambre 14 à l'opposé de l'autre paroi 24. Un conduit 38 axial est ménagé dans le deuxième tube support 34, et communique avec la chambre d'expansion 16 par des orifices 40. Une cloison 42 cylindrique entoure les deux parois 24, 36, radiales pour délimiter la première chambre 14 de.coupure du pôle. La cloison 42 peut avoir toute autre forme appropriée, par exemple sphérique ou ellipsoidale. Le contact d'arc fixe 20 est accolé d'autre part à une douille 44 interne creuse, en, matériau ferromagnétique, entouré coaxialement par la bobine 32 avec interposition d'un fourreau 46 isolant. L'une des extrémités de la bobine 32 est connectée électriquement à la queue de la piste du contact d'arc fixe 20, et l'extrémité opposée est reliée à un manchon 48 conducteur en liaison avec le deuxième tube 34 support. Des boulons 49 d'assemblage assurent la fixation mécanique de la bobine 32 au manchon 48.
[0014] Une électrode 50 annulaire est connectée au manchon 48 par un conducteur 52 de dérivation qui entoure extérieurement la bobine 32 à l'intérieur de la chambre 14. L'électrode 50 est formée par un anneau conducteur s'étendant radialement le long de la face frontale 30 antérieure de la bobine 32, et séparé de cette dernière par un intervalle 54 axial de faible épaisseur. Le diamètre intérieur de l'électrode 50 annulaire est supérieur au diamètre extérieur du contact d'arc 18 coulissant pour autoriser l'aboutement de ce dernier avec le contact d'arc fixe 20 en position de fermeture. Le contact d'arc fixe 20 se trouve en léger retrait axial par rapport à l'extrémité libre de l'électrode 50.
[0015] Le fonctionnement du dispositif d'extinction d'arc 10 du disjoncteur selon les figures 1 et 2 est le suivant :
- après ouverture des contacts principaux (non représentés) lors de la phase de déclenchement du disjoncteur, le courant de défaut est commuté dans le circuit des contacts d'arc 18, 20, après passage dans la bobine 32. La séparation des contacts d'arc 18, 20, engendre un arc X dans la zone de coupure 56, située sensiblement au centre de la première chambre 14. Le champ magnétique B, crée par la bobine 32 dans la zone de coupure 56, provoque la rotation rapide de l'arc X sur la piste annulaire du contact d'arc fixe 20. L'échauffement du gaz SF 6 par l'arc tournant engendre une augmentation de pression à l'intérieur de la première chambre 14, et un écoulement axial en sens opposé du gaz comprimé à travers les conduits 26, 38, d'échappement en direction de la deuxième chambre 16 d'expansion. Le mouvement de rotation de l'arc X, combiné au double soufflage gazeux inversé assurent une extinction rapide de l'arc après une course déterminée du contact d'arc mobile 18 à l'intérieur de la chambre de coupure 14.
[0016] Sur la figure 2, on remarque que la rotation de l'arc X dans la zone de coupure 56 est due à l'action de la composante radiale BR du champ magnétique B (voir diagramme au point M). La composante axiale Ba du champ magnétique B tend à maintenir l'arc X au voisinage du centre pour renforcer l'ancrage des racines d'arc sur les contacts d'arc fixe 20 et mobile 18. Cet effet de centrage de l'arc X est accentué par le soufflage gazeux centripète, lors de la phase d'autoexpansion, engendrant un double écoulement inversé des gaz à travers les conduits 26, 38, d'échappement. L'action combinée du champ magnétique B et du soufflage gazeux sur l'arc assure une excitation permanente de la bobine 32.
[0017] Pour des courants de court-circuit très importants, une fraction Y de l'arc est captée par l'électrode 50, de manière à provoquer une répartition du courant d'arc à travers la bobine 32 et le circuit de dérivation 52 extérieur. L'excitation de la bobine 32 n'est pas interrompue durant la phase de coupure et résulte de la fraction X du courant d'arc se trouvant en parallèle sur la fraction Y. L'intensité du champ magnétique B dans la zone de coupure 56 est limitée de ce fait à un seuil prédéterminé, indépendamment de la valeur du courant de court-circuit. Le seuil de migration de l'arc sur l'électrode 50 du circuit de dérivation 52 dépend de l'épaisseur de l'intervalle 54 axial, de la forme et de la position spatiale de l'électrode 50 dans la chambre de coupure 14, ainsi que de la résistivité électrique du matériau conducteur constituant le circuit de dérivation 52. La fraction supplémentaire Y du courant d'arc est écoulé dans le circuit de dérivation 52 pour shunter la bobine 32. L'arc partiel Y se déplace également en rotation sous l'action du champ B et disparaît dès que l'intensité du courant d'arc tombe en-dessous d'une valeur prédéterminée.
[0018] En plus de sa fonction de modulateur du champ magnétique, la présence de l'électrode 50 métallique annulaire dans la chambre de coupure 14 permet de refroidir les racines d'arc pour favoriser son extinction. Le matériau de l'électrode 50 est en cuivre, ou en alliage de cuivre.
[0019] L'électrode 50 peut également jouer le rôle d'un anneau de déphasage entre le champ magnétique B, engendré par la bobine 32 et le courant d'arc, de manière à améliorer le soufflage, notamment au passage à zéro du courant. Elle peut ainsi être dotée d'une fente radiale, si on ne désire pas de déphasage entre champ magnétique et courant.
[0020] L'électrode 50 d'amorçage peut posséder différentes formes telles que représentées à la figure 3, notamment une douille 50a cylindrique axiale (demi-vue inférieure) prolongeant l'anneau radial conducteur du circuit de dérivation 52, ou une extension 50 b incurvée en matériau conducteur faisant saillie du contact d'arc fixe 20 (demi-vue supérieure).
[0021] Selon une variante (non représentée), le contact d'arc mobile 18 en translation peut également coopérer avec un contact d'arc 20 semi-fixe soumis à l'action d'un ressort de rappel, ou avec un contact d'arc 20 fixe en forme de pince.
[0022] Un anneau 60 intercalaire, en matériau isolant, peut être inséré dans l'intervalle 54 axial ménagé entre l'électrode 50 et la face frontale antérieure 30 de la bobine 32.
[0023] Selon une autre variante, représentée à la figure 4, une deuxième électrode 62 annulaire peut être associée à l'électrode 50 du circuit de dérivation 52. Un décalage axial, déterminé par une entretoise 64, sépare les deux électrodes 50, 62, coaxiales, et la deuxième électrode 62 présente un diamètre intérieur supérieur à celui de la première électrode 50.
- un système de contacts (22, 18, 20, 48, 34) séparables ayant une pièce de contact d'arc (18) mobile montée à coulissement dans la première chambre (14), et susceptible de coopérer en position de fermeture avec une pièce de contact d'arc (20) fixe ou semi-fixe,
- une bobine (32) de soufflage magnétique agencée dans la 'première chambre (14) pour engendrer un champ magnétique dans la zone de coupure 56, engendrant la rotation de l'arc lors de la séparation des pièces de contacts d'arc (18, 20),
- des conduits (26, 38) de communication à l'intérieur des pièces de contacts d'arc (18, 20) creuses pour constituer lesdites voies d'échappement du gaz comprimé de la première chambre (14) vers la deuxième chambre (16) d'expansion,
- une électrode (50, 50 a, 50 b) de captation de l'arc électrique dans la zone de coupure (56), ladite pièce de contact d'arc (20) fixe ou semi-fixe étant entourée coaxialement par la bobine 32 en étant raccordée électriquement à l'une de ses extrémités en liaison avec la face frontale antérieure (30),
- un intervalle destiné à isoler l'électrode du contact d'arc fixe (20) et de ladite face frontale antérieure (30),
- et un circuit de dérivation (52) disposé dans la chambre de coupure (14) à l'extérieur de la bobine 32, de manière à relier électriquement l'électrode à l'extrémité opposée de la bobine, ladite électrode (50 , 50 a, 50 b) étant agencée pour capter une fraction du courant d'arc de manière à ce que le champ magnétique engendré par la bobine 32 dans la zone de coupure 54 reste sensiblement constant lorsque la valeur de l'intensité du courant de court-circuit dépasse un seuil prédéterminé.