Disjoncteur électrique à autoexpansion à volume de chambre d'extinction variable

Abstract

 Un disjoncteur électrique à auto-expansion comprend une chambre d'extinction d'arc (20) de volume variable par refoulement d'un piston (18), par la pression du gaz régnant dans la chambre d'extinction (20). Au piston (18) est solidarisé un contact semi-fixe (24) de façon à accroître la distance de séparation des contacts (24,28) simultanément à l'augmentation du volume de la chambre d'extinction 20.

Description

[0001] L'invention est relative à un disjoncteur électrique à auto-­expansion comprenant:
- une enceinte étanche remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée,
- une chambre d'extinction d'arc disposée à l'intérieur de ladite enceinte et ayant un orifice de communication avec l'enceinte et une paroi agencée en piston, dont le déplacement provoque une variation du volume de la chambre d'extinction, ledit piston étant sollicité en position de volume minimal de la chambre d'extinction et se déplaçant sous l'action d'une augmentation de la pression dans la chambre d'extinction pour accroître le volume de cette dernière,
- une paire de contacts disposée dans la chambre d'extinction d'arc, ledit orifice de communication étant obturé en position fermé de ladite paire de contacts et s'ouvrant lors de la séparation des contacts pour permettre un écoulement du gaz comprimé de soufflage de l'arc tiré entre les contacts de la chambre d'extinction vers l'enceinte.

[0002] Un disjoncteur électrique du genre mentionné, notamment à moyenne ou à haute tension, nécessite une énergie de manoeuvre relativement faible et permet la coupure du courant en dérivant l'energie de soufflage de l'arc, de l'échauffement dû à l'arc. L'effet du soufflage n'est plus obtenu par une action mécanique de pistonnage, mais par un échauffement sous l'action de l'arc qui dépend de nombreux facteurs, notamment de l'intensité du courant parcourant le disjoncteur, du volume de la chambre d'extinction et de la vitesse de séparation des contacts. Il est difficile de concevoir un disjoncteur à auto-expansion capable de couper correctement à la fois des courants de faible intensité, et des courant de courts-circuits de très forte intensité. Une chambre de faible volume est adaptée à la coupure de faible courant mais lors d'un courant de court-circuit, le volume du gaz de soufflage est insuffisant. En utilisant une chambre d'extinction de volume important adaptée à la coupure de fort courant, la montée en pression est insuffisante pour souffler les arcs de faible courant.

[0003] La présente invention a pour but de permettre la réalisation d'un disjoncteur à auto-expansion ayant une chambre d'extinction d'arc de volume s'adaptant à l'intensité de l'arc à éteindre.

[0004] Le disjoncteur selon l'invention est caractérisé en ce que lesdits contacts sont des contacts d'arc sur lesquels l'arc tiré lors de la séparation desdits contacts reste ancré jusqu'à son extinction et que l'un semi-fixe des contacts est solidaire dudit piston, de manière à accroître la distance de séparation des contacts lorsque le piston se déplace sous l'action de la pression dans la chambre d'extinction due à l'arc, tiré entre les contacts.

[0005] La montée en pression du gaz dans la chambre d'extinction et, de ce fait le déplacement du piston avec une augmentation du volume de la chambre, sont directement liés à l'intensité du courant alimentant l'arc et cette disposition adapte l'intensité de soufflage à celle de l'arc. En solidarisant le contact semi-fixe et le piston, la distance d'écartement des deux contacts augmente en même temps que le volume de la chambre d'extinction pour atteindre une valeur maximale au moment du passage au zéro du courant où l'arc s'éteint normalement. Par la suite, le gaz contenu dans la chambre d'extinction s'échappe et se refroidit, entraînant une baisse de la pression et un déplacement en direction inverse du piston et du contact semi-fixe en alimentant la zone d'arc en gaz frais de soufflage, permettant d'assurer une tenue diélectrique suffisante pour éviter tout réamorçage.

[0006] Selon une forme d'exécution de l'invention, les contacts allongés sont montés à coulissement axial, l'un des contacts étant mobile et l'autre contact étant monté semi-fixe en étant rigidement assujetti au piston confinant la chambre d'extinction d'arc. Au moins l'un et de préférence les deux contacts sont tubulaires pour constituer des orifices d'échapppement des gaz de soufflage à travers les contacts, ces orifices de soufflage étant obturés en position de fermeture et d'aboutement des contacts. Le montage semi-fixe de l'un des contacts assure une fermeture correcte, indépendante des tolérances de fabrication et le ressort sollicitant le piston en position de volume minimal de la chambre d'extinction assure simultanément la pression de fermeture des contacts. En position fermé des contacts, le piston est maintenu par les contacts aboutés en une position intermédiaire voisine de la position de volume minimal. Lors d'une manoeuvre d'ouverture du disjoncteur engendré par un coulissement du contact mobile en direction d'ouverture, le contact semi-fixe accompagne en un premier temps, le contact mobile dans son mouvement en engendrant une compression du gaz dans la chambre d'extinction, du fait du déplacement du piston en direction de la position de volume minimal. Ce déplacement du contact semi-fixe et du piston est engendré par le ressort qui maintient le contact semi-fixe en aboutement du contact mobile. Après cette phase de précompression et lors d'un mouvement poursuivi du contact mobile, le contact semi-fixe vient en butée et se sépare du contact mobile en tirant un arc. Cette précompression des gaz de soufflage, bien connue des spécialistes, favorise l'extinc­tion rapide de l'arc. En fonction de l'intensité de l'arc, le piston reste dans la position de volume minimal ou se déplace pour accroître le volume de la chambre d'extinction. Dès la séparation des contacts, le gaz comprimé dans la chambre d'extinction s'échappe à travers les contacts tubulaires vers l'enceinte du disjoncteur.

[0007] L'augmentation et la réduction du volume de la chambre d'extinction peuvent résulter du simple déplacement du piston dans l'une ou l'autre direction, mais selon un développement de l'invention, la chambre d'extinction peut être subdivisée en deux compartiments lorsque le piston se trouve dans la position de volume minimal, seul l'un des compartiment constituant la chambre d'extinction tant que le piston reste dans cette position. Lors d'une augmentation de la pression dans la chambre d'extinction, suffisante au refoulement du piston, les deux compartiments sont mis en communication pour augmenter le volume de la chambre d'extinction. La paroi de séparation des deux compartiments peut être une collerette cylindrique solidaire du piston et entourant coaxialement le contact semi-fixe, cette collerette venant en butée pour maintenir le piston en position de volume minimal. En position de butée, la collerette cylindrique confine une chambre restreinte d'extinction d'arc de volume suffisant pour la coupure de faible courant. L'effet de soufflage dû au pistonnage après l'extinction de l'arc peut être modulé en freinant le déplacement du piston, par exemple pneumatiquement en limitant l'entrée de gaz dans un espace confiné par le piston. Un clapet de shuntage de l'orifice limité permet le libre déplacement du piston en direction de séparation des contacts. L'espace ou volume de freinage est confiné par le cylindre de la chambre d'extinction et par deux fonds, l'un constitué par la face du piston opposée à la chambre d'extinction d'arc, et l'autre par un fond fixe obturant le cylindre.

[0008] D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif et représenté aux dessins annexés dans lesquels:

- la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un pôle d'un disjoncteur à auto-expansion selon l'invention représenté en position fermé;

- la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1, sur laquelle l'enceinte n'est pas représentée, le pôle étant en cours d'ouverture pour la coupure d'un faible courant;

- la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2, montrant le pôle en position d'extinction de l'arc lors d'un fort courant;

- la figure 4 est une vue analogue aux figures 1 à 3, montrant le pôle en position ouvert.

[0009] Sur les figures, le pôle comporte une enceinte étanche 10 remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée tel que l'hexafluorure de soufre sous faible pression ou à la pression atmosphérique. A l'intérieur de l'enceinte 10 est fixé un cylindre 12 obturé par des fonds fixes 14 et 16. A l'intérieur du cylindre 12 est monté à coulissement, un piston 18 délimitant du côté du fond fixe 16, une chambre de formation et d'extinction d'arc 20 et du côté opposé une chambre de freinage 22. Au piston 18, est assujetti un contact tubulaire semi-fixe 24 qui traverse le piston 18 et le fond 14. Le fond opposé 16 de la chambre d'extinction d'arc 20 est traversé par un contact mobile tubulaire 28, prolongé à l'extérieur de l'enceinte 10 par une tige de commande 30. Le cylindre 12 et la tige de commande 30 sont en un matériau isolant, tandis que le fond 14 métallique est agencé en plage d'amenée de courant au contact semi-fixe 24. L'autre plage d'amenée de courant (non représentée) coopère par l'intermédiaire de contacts frottants avec le contact mobile 28. L'intérieur du contact semi-fixe 24 communique librement avec l'enceinte 10 et l'intérieur du contact mobile 28 communique avec cette enceinte 10 par l'intermédiaire d'orifices 32,34, respectivement ménagés dans le contact mobile 28 et dans un fourreau de guidage solidaire du cylindre 12, ces orifices 32,34 venant en regard l'un de l'autre pour constituer un orifice d'échappement de gaz vers l'enceinte 10.

[0010] En position de fermeture du disjoncteur représentée à la figure 1, les extrémités des contacts 24,28 sont aboutées et disposées à l'intérieur de la chambre d'extinction d'arc 20. Un ressort 36 intercalé entre le piston mobile 18 et le fond 14 sollicite les contacts en aboutement en fournissant la pression de contact. La face du piston 18 délimitant la chambre d'extinction d'arc 20 porte une collerette cylindrique 38 dont le bord libre 40 est au voisinage de l'extrémité du contact semi-fixe 24. Lors d'un coulissement vers le bas sur la figure 1 du piston 18, le bord 40 de la collerette 38 vient buter sur le fond 16 en confinant une chambre d'extinction de volume réduit. Le volume de freinage 22 communique avec l'enceinte 10, d'une part par un orifice limité 42 et, d'autre part par un clapet unidirectionnel 44 autorisant le libre échappement du gaz du volume de freinage 22 vers l'enceinte 10.

[0011] Le disjoncteur selon l'invention fonctionne de la manière suivante:

[0012] En position fermé représentée à la figure 1, les contacts 24,28 sont aboutés et le piston 18 est maintenu par les contacts 24,28 en une position intermédiaire dans laquelle le bord 40 est écarté du fond 16. La pression est uniforme dans l'ensemble de l'enceinte 10. Une commande d'ouverture du disjoncteur par coulissement vers le bas de la tige de commande 30, provoque le coulissement du contact mobile 28 vers le bas. En un premier temps le contact semi-fixe 24 abouté au contact mobile 28 suit ce dernier dans son mouvement sous l'action du ressort 36 jusqu'à la venue en butée du bord 40 sur le fond 16 qui immobilise le contact semi-fixe 24. Un mouvement poursuivi du contact mobile 28 provoque la séparation des contacts 24,28 et la formation d'un arc entre les contacts séparés. En un premier temps, la chambre d'extinction d'arc 20 est limitée à un compartiment 46 entouré par la collerette 38. Lors d'une coupure d'un courant de faible intensité, la montée en pression dans le compartiment 46 due à l'action de l'arc, est insuffisante pour refouler le piston 18 à l'encontre de la force du ressort 36. Le gaz comprimé dans le compartiment 46 s'échappe à travers les contacts tubulaires 24,28 vers l'enceinte 10 en soufflant l'arc tiré entre les contacts séparés 24,28. Le volume réduit de la chambre d'extinction d'arc 20 constitué par le compartiment 46 permet une augmentation en pression et un soufflage suffisant pour l'extinction de l'arc de faible intensité. (figure 2)

[0013] Lors d'une coupure d'un courant de forte intensité, notamment d'un courant de court-circuit, l'arc de forte intensité chauffe le gaz dans le compartiment 46, suffisamment pour déplacer le piston 18 en direction d'accroissement du volume de la chambre d'extinction d'arc 20. Dès la séparation du bord 40 du fond 16, l'ensemble du volume de la chambre d'extinction 20 est soumis à l'action de l'arc et, le piston 18 est refoulé vers une position de volume maximal de la chambre d'extinction 20, représentée à la figure 3. L'ouverture du clapet 44 permet le libre déplacement du piston 18 en autorisant en échappement du gaz contenu dans le volume de freinage 22 vers l'enceinte 10. Le grand volume de gaz stocké sous pression dans la chambre d'extinction d'arc 20 grâce au déplacement du piston 18, permet d'assurer un soufflage de l'arc ou plus exactement de la zone de séparation des contacts 24,28, après extinction de l'arc au passage au zéro du courant. Dès l'extraction de l'arc, la pression dans la chambre d'extinction 20 diminue et le piston 18, est refoulé par le ressort 36 en provoquant un soufflage des gaz à travers les contacts 24,28, pour amener des gaz frais dans la zone de séparation des contacts et empêcher tout réamorçage de l'arc. La vitesse de déplacement du piston 18 et de ce fait l'intensité de soufflage dépend de la force différentielle entre le ressort 36 et la pression régnant dans la chambre d'extinction d'arc 20, et cette vitesse de déplacement peut être modulée en limitant l'entrée de gaz dans le volume de freinage 22 à travers l'orifice limité 42. En choisissant une section de l'orifice limité 42 suffisamment faible, le soufflage peut être maintenu pendant une durée suffisante à la régénération de la rigidité diélectrique dans la zone de séparation des contacts. Le déplacement du piston 18 pendant la durée de persistance de l'arc entraîne le contact semi-fixe 24 vers une position d'écartement du contact mobile 28 qui favorise l'extinction de l'arc lors du passage au zéro du courant. Cet espacement diminue bien entendu avec le retour du piston 18 vers la position d'ouverture représentée à la figure 4, mais cette réduction intervient après extinction de l'arc et rétablissement de la rigidité diélectrique. L'effet combiné selon l'invention d'un stockage de gaz de soufflage et de séparation accrue des contacts favorise l'extinction des arcs de forte intensité, tandis que le volume réduit de la chambre d'extinction d'arc est favorable à la coupure des faibles courants. L'ensemble est particulièrement simple et l'adaptation à l'intensité du courant à couper est entièrement automatique. L'emploi d'un effet d'auto-soufflage par expansion permet un effort de commande extrèmement faible, toute l'énergie de soufflage et de stockage de gaz étant dérivée de l'énergie de l'arc.

[0014] L'invention est bien entendu nullement limitée au mode de mise en oeuvre plus particulièrement décrit.

Revendications

1. Disjoncteur électrique à auto-expansion comprenant:
- une enceinte (10) étanche remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée,
- une chambre (20) d'extinction d'arc disposée à l'intérieur de ladite enceinte (10) et ayant un orifice de communication avec l'enceinte et une paroi agencée en piston (18), dont le déplacement provoque une variation du volume de la chambre d'extinction, ledit piston (18) étant sollicité en position de volume minimal de la chambre (20) d'extinction et se déplaçant sous l'action d'une augmentation de la pression dans la chambre d'extinction pour accroître le volume de cette dernière,
- une paire de contacts (24,28) disposée dans la chambre d'extinction d'arc , ledit orifice de communication étant obturé en position fermé de ladite paire de contacts et s'ouvrant lors de la séparation des contacts pour permettre un écoulement du gaz comprimé de soufflage de l'arc tiré entre les contacts de la chambre (20) d'extinction vers l'enceinte (10),
caractérisé en ce que lesdits contacts (24, 28) sont des contacts d'arc sur lesquels l'arc tiré lors de la séparation desdits contacts reste ancré jusqu'à son extinction et que l'un semi-­fixe (24) des contacts est solidaire dudit piston (18), de manière à accroître la distance de séparation des contacts (24,28) lorsque le piston (18) se déplace sous l'action de la pression dans la chambre d'extinction due à l'arc, tiré entre les contacts.

2. Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits contacts (24,28) s'étendent dans l'axe de la chambre (20) d'extinction, l'un (28) étant mobile et l'autre semi-fixe (24), ce dernier contact étant solidaire dudit piston (18) mobile dans la direction dudit axe.

3. Disjoncteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'en position fermé des contacts (24,28), les contacts sont aboutés et maintiennent le piston (18) en une position intermédiaire pour permettre un déplacement du piston vers la position de volume minimal en accompagnant le contact mobile (28) dans sa course initiale d'ouverture et une précompression du gaz contenu dans la chambre (20) d'extinction.

4. Disjoncteur selon la revendication 1,2 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins l'un desdits contacts (24,28) est tubulaire et constitue ledit orifice de communication entre la chambre (20) d'extinction et l'enceinte (10), obturé en position d'aboutement des contacts et ouvert lors d'une séparation des contacts.

5. Disjoncteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un ressort (36) sollicite le piston (18) dans ladite position de volume minimal et que ce ressort fournit la pression de contact.

6. Disjoncteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en ladite position de volume minimal la chambre (20) d'extinction est subdivisée en deux compartiments, lesquels sont mis en communication par le déplacement du piston sous l'action de la pression.

7. Disjoncteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le piston (18) porte coaxialement en sa partie centrale le contact semi-fixe (24) et circonférentiellement autour de ce contact semi-fixe une collerette (38) cylindrique formant d'une part, une butée de limitation de la course du piston dans ladite position de volume minimal et, d'autre part une cloison de séparation desdits deux compartiments.

8. Disjoncteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (42) de freinage du déplacement du piston (18) en direction de la position de volume minimal pour étaler le pistonnage de gaz sur une plus longue durée.

9. Disjoncteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit dispositif de freînage comporte un espace (22) délimité par ledit piston (18) et ayant un orifice (42) de passage de gaz de section réduite et un clapet (44) de shuntage dudit orifice dans le sens de déplacement du piston vers la position de volume maximal.

Dessins