Disjoncteur électrique à autosoufflage par pistonnage ou expansion de gaz isolant

Abstract

 Un disjoncteur à autosoufflage par pistonnage de SF6 comporte une paire de contacts (16,24) séparables avec formation d'un intervalle de coupure (50), un ensemble piston-cylindrique pour comprimer le gaz lors de l'actionnement en ouverture du contact mobile (16), et une buse de soufflage (20) destinée à canaliser l'écoulement gazeux vers l'intervalle de coupure (50) de manière à refroidir l'arc par convection forcée. La buse (20) est totalement ou partiellement en matériau isolant transparent ou translucide pour autoriser l'évacuation d'une partie de l'énergie d'arc par rayonnement.
Application: disjoncteur ou interrupteur pour réseau à moyenne et haute tension.

Description

[0001] L'invention est relative à un disjoncteur électrique à autosoufflage comprenant:
- une enveloppe étanche remplie de gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment de l'hexafluorure de soufre,
- une paire de contacts séparables ayant un contact fixe ou semi-­fixe et un contact mobile destiné à être déplacé par un organe de commande entre une position de fermeture et une position d'ouverture,
- un intervalle de coupure avec formation d'un arc entre les contacts séparés,
- et un dispositif de soufflage susceptible d'engendrer un écoulement de gaz vers l'intervalle de coupure pour refroidir l'arc par convection.

[0002] Dans les disjoncteurs connus à autocompression par pistonnage de SF6, le refroidissement de l'arc avant le zéro de courant s'effectue par convection en remplaçant une certaine quantité de gaz chaud par du gaz froid. Au voisinage du zéro de courant, le refroidissement de l'arc s'opère principalement par conduction radiale. On remarque que la convection et la conduction sont les deux principaux modes d'échange de chaleur. L'échange calorifique par rayonnement est très faible durant la coupure d'un courant d'arc de faible intensité. Pendant la période d'un fort courant d'arc, l'échange calorifique par rayonnement devient important, et soumet la buse de soufflage à des contraintes calorifiques élevées. La buse opaque est généralement réalisée en polytétrafluoréthylène chargée d'alumine. La fabrication d'une telle buse est réalisée par usinage.

[0003] L'objet de l'invention consiste à améliorer les performances de coupure d'un disjoncteur à autosoufflage à SF6.

[0004] Le disjoncteur selon l'invention est caractérisé en ce que le dispositif de soufflage comporte une paroi isolante de confinement de l'arc, réalisée en un matériau transparent ou translucide au rayonnement de l'arc. La transparence de la paroi de confinement de l'arc permet d'évacuer une partie de l'énergie d'arc par rayonnement. Il en résulte une diminution de l'action calorifique de l'arc sur la paroi, et une extinction rapide de l'arc. La matériau transparent de la paroi est formé par un isolant minéral ou plastique comptatible avec le gaz SF6.

[0005] Selon un premier mode de réalisation, le disjoncteur à autosoufflage est du type à compression du gaz par pistonnage au moyen d'un ensemble piston-cylindre, et la buse de soufflage constitue ladite paroi de confinement de l'arc qui canalise l'écoulement gazeux vers l'intervalle de coupure. La buse est totalement ou partiellement en un matériau transparent au rayonnement de l'arc.

[0006] Selon un deuxième mode de réalisation, le disjoncteur à autosoufflage est de type à expansion du gaz avec ou sans rotation de l'arc, et l'enceinte de montée en pression du gaz sous l'action de l'arc présente une paroi transparente laissant passer une partie de l'énergie de l'arc par rayonnement.

[0007] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de deux modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés, dans lesquels:

- la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un disjoncteur à autosoufflage par pistonnage équipée d'une buse selon l'invention, le disjoncteur étant représenté en position de fermeture;

- la figure 2 est une vue partielle de la figure 1, en cours d'ouverture de contacts pendant la période d'arc;

- la figure 3 montre une demi-vue en coupe d'une variante de buse de soufflage;

- la figure 4 représente une vue identique à la figure 1 d'une variante de réalisation.

[0008] Sur les figures 1 et 2, l'invention est appliquée à un disjoncteur ou interrupteur électrique à autosoufflage par pistonnage de gaz du type décrit dans le brevet français 2302581 de la demanderesse. Le disjoncteur peut être utilisé dans un réseau à moyenne ou haute tension, et est logé dans une enveloppe 10 cylindrique, remplie de gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment de l'hexafluorure de soufre. L'enveloppe 10 allongée est divisée en deux compartiments par une cloison transversale 12 fixe. Un piston de soufflage 14, solidaire d'un contact mobile 16 creux, coulisse le long d'un cylindre constitué par la paroi interne de l'enveloppe 10 cylindrique en faisant varier un volume pistonnable 18 compris entre le piston mobile 14 et la cloison 12. Le piston 14 est muni d'une buse 20 de soufflage, présentant une forme de convergent-divergent susceptible de guider l'écoulement gazeux s'établissant à travers des ouvertures 22 ménagées dans le piston 14. Un contact fixe 24 creux est aligné axialement avec le contact mobile 16 et comporte des orifices 26 faisant communiquer l'intérieur du contact creux 24 avec la chambre d'extinction d'arc. Une deuxième série d'orifices 30 relie le volume intérieur du contact mobile 16 creux au compartiment aval 32. Une partie massive isolante 34 isole la tige de manoeuvre 36 du contact mobile 16 et une membrane 38 en élastomère assure l'étanchéité du compartiment 32.

[0009] Le contact mobile 16 du type à tulipe, pourvu de doigts flexibles 40, s'emboîte dans le contact fixe 24 lors de la course de fermeture. L'agencement par emboîtement des contacts 16,24 provoque une précompression du gaz de soufflage au début de l'actionnement de la tige 36 du disjoncteur et avant la séparation des contacts 24,16.

[0010] Un fourreau 42 tubulaire en matériau plastique déformable, recouvre les interstices 46 ménagés entre les doigts 40 flexibles du contact mobile 16. La face terminale 48 du fourreau 42 est disposée axialement en retrait du plan transversal de trace XX′ passant par les extrémités libres des doigts 40.

[0011] Le contact fixe 24 peut coopérer avec un ressort pour être semi-­fixe.

[0012] Selon l'invention, la buse 20 de soufflage est réalisée totalement ou partiellement en un matériau transparent aux rayonnements engendrés par l'arc 49 dans l'intervalle de coupure 50. Le matériau utilisé peut être un isolant minéral translucide, notamment à base de céramique ou de verre, ou un isolant plastique transparent, par exemple un polycarbonate ou un polymétacrylate de méthyle. D'autres matériaux translucides comptatibles avec le gaz SF6 sont bien entendus utilisables.

[0013] La figure 2 montre une buse 20 de soufflage en matériau composite, ayant un convergent 52 opaque en polytétrafluor­éthylène chargée d'alumine, la partie restante comprenant le col 54 et le divergent 56 étant en matériau isolant translucide.

[0014] Le fonctionnement du disjoncteur à autosoufflage selon les figures 1 et 2 est le suivant:

[0015] Après la phase de précompression au cours de laquelle le gaz SF6 est comprimé par la descente du piston 14 dans le volume pistonnable 18, les contacts 16,24 se séparent avec formation d'un arc 49 axial. Pendant la période d'arc s'établissant avant le zéro de courant, l'énergie calorifique développée par l'arc est évacuée grâce au soufflage par autocompression provoquant un écoulement de gaz SF6 canalisé par la buse 20 et guidé à travers les contacts 16,24 creux. Il en résulte un refroidissement de l'arc par convection forcée autorisant le remplacement d'une certaine quantité de gaz chaud par du gaz froid. Au voisinage du zéro de courant, le refroidissement de l'arc s'opère par conductivité thermique radiale. En plus de ces deux modes d'échange de chaleur par convection et conduction, intervient dans le disjoncteur à autocompression un troisième mode d'échange par rayonnement dû principalement à la propagation des radiations lumineuses de l'arc à travers la matière translucide de la buse de soufflage 20. Une partie importante de l'énergie de l'arc 49 est ainsi évacuée de l'intervalle de coupure 50 vers l'enveloppe 10 à l'extérieur de la buse 20. Il en résulte une diminution des contraintes calorifiques de l'arc 49 sur la buse 20, et une extinction rapide de l'arc. Après la coupure réussie au zéro de courant, le contact mobile 16 poursuit sa course jusqu'à la position d'ouverture correspondant au niveau d'isolement du disjoncteur.

[0016] Dans le cas d'un matériau thermoplastique translucide, la buse 20 de soufflage est réalisée avantageusement par moulage. Une telle buse peut également être utilisée dans le disjoncteur faisant l'objet du brevet français n° 2496334.

[0017] Selon la variante de la figure 4, un pôle d'un disjoncteur ou interrupteur à autoexpansion et à arc tournant comporte une enveloppe 100 étanche remplie de SF6 à la pression atmosphérique. L'enveloppe 100 est formée par une paroi latérale cylindrique 102 en matériau isolant obturée à ses extrémités par deux fonds 104,106 en matériau conducteur constituant les plages d'amenée de courant. Le fond supérieur 104 porte un ensemble contact fixe 108 creux et bobine 110 associée à une électrode 112 de mise en rotation de l'arc. Le contact mobile 114 tubulaire s'étend en alignement axial avec le contact fixe à l'intérieur d'une chambre de coupure 116 confinée par une enceinte 118 interne en matériau isolant translucide. L'intervalle de coupure 117 se trouve à l'intérieur de la chambre 116 et le contact mobile 114 traverse l'enceinte 118 avec un jeu prédéterminé, et est accouplé mécaniquement par l'extrémité opposée à une tige de commande 119, traversant le fond inférieur 106. La tige 119 est bien entendu isolée du contact mobile 114. La chambre de coupure 116 communique avec l'enveloppe 100 par des conduits d'écoulements constitués par les contacts 108,114 tubulaires équipés d'orifices 120. L'arc 122 tiré dans la chambre de coupure 116 est mis en rotation par le champ de la bobine 110, provoquant un échauffement et une montée en pression du gaz SF6, lequel s'échappe ensuite par les conduits d'écoulement des contacts 108,114 vers une chambre d'expansion constituée par le volume interne de l'enveloppe 100. Le soufflage pneumatique par autoexpansion provoque un refroidissement de l'arc par convection. L'extinction de l'arc est facilitée par l'effet de rayonnement dû à une évacuation partielle de l'énergie d'arc à travers la paroi de l'enceinte 118 translucide. Les radiations lumineuses émises par l'arc depuis la chambre de coupure 116 restent enfermées à l'intérieur de l'enveloppe 100.

[0018] On remarque que la combinaison des deux effets d'autoexpansion et de rotation de l'arc est complétée par l'effet physique de rayonnement à travers la paroi de la chambre de coupure 116.

[0019] La forme de l'enceinte 118 peut être quelconque par exemple cylindrique, sphérique ou ellipsoïdale. La bobine 110 peut être remplacée par un aimant permanent.

[0020] Dans le cas d'un disjoncteur à autoexpansion ayant des contacts principaux et des contacts d'arc tel que décrit dans la demande de brevet français n°8709524 du 2/07/87, l'enceinte 118 peut également être métallique et comporter une ouverture obturée par un écran transparent au niveau de l'intervalle de coupure 117.

[0021] La forme de l'enceinte 118 translucide de révolution selon la figure 4 peut être dissymétrique pour constituer une lentille optique convergente ou divergente destinée à augmenter l'effet de rayonnement de l'arc.

[0022] L'invention peut s'appliquer à tout autre type d'interrupteur ou de disjoncteur à refroidissement de l'arc par convection ayant au moins une paroi de confinement de l'arc, réalisée en matériau transparent.

Revendications

1. Disjoncteur électrique à autosoufflage comprenant:
- une enveloppe (10,100) étanche remplie de gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment de l'hexafluorure de soufre,
- une paire de contacts séparables ayant un contact fixe ou semi-­fixe (24,108), et un contact mobile (16,114) destiné à être déplacé par un organe de commande (36,119) entre une position de fermeture et une position d'ouverture,
- un intervalle de coupure (50,117) avec formation d'un arc (49,122) entre les contacts séparés,
- et un dispositif de soufflage susceptible d'engendrer un écoulement de gaz vers l'intervalle de coupure pour refroidir l'arc par convection, caractérisé en ce que le dispositif de soufflage comporte une paroi isolante de confinement de l'arc, réalisée en un matériau transparent ou translucide au rayonnement de l'arc.

2. Disjoncteur électrique à autosoufflage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de ladite paroi est un isolant minéral, notamment à base de céramique ou de verre.

3. Disjoncteur électrique à autosoufflage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de ladite paroi est un isolant plastique, notamment un polycarbonate ou un polymétacrylate de méthyle.

4. Disjoncteur électrique à autosoufflage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de soufflage à compression du gaz par pistonnage est équipé d'un ensemble piston cylindre coopérant avec le contact mobile (16) lors de l'ouverture pour assurer la compression du gaz par pistonnage, l'écoulement de gaz étant canalisé vers l'intervalle de coupure (50) au moyen d'une buse (20) de soufflage entourant coaxialement les contacts (16,24) pendant la période d'arc, et que la paroi transparente fait partie intégrante de la buse (20) pour autoriser la propagation des radiations lumineuses de l'arc vers le volume interne de l'enveloppe (10) à l'extérieur de la buse (20).

5. Disjoncteur électrique à autosoufflage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la buse (20) de soufflage est fabriquée par moulage du matériau plastique transparent.

6. Disjoncteur électrique à autosoufflage selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la buse de soufflage (20) est réalisée en matériau composite, comporte un convergent (52) opaque, notamment en polytétrafluoréthylène chargée d'alumine, la partie restante comprenant le col 54 et un divergent 56 étant en matériau isolant translucide.

7. Disjoncteur électrique à autosoufflage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de soufflage par expansion du gaz comporte:
- une enceinte (118) interne disposée à l'intérieur de l'enveloppe (100) en entourant l'intervalle de coupure (117) pour délimiter une chambre de coupure (116) dans laquelle s'effectue une montée en pression du gaz sous l'action de l'arc,
- une chambre d'expansion constituée par le volume interne restant de l'enveloppe (100),
- des conduits d'écoulement ménagés à l'intérieur des contacts creux (108,114) pour faire communiquer la chambre de coupure (116) avec la chambre d'expansion,
- la paroi de ladite enceinte (118) étant réalisée totalement ou partiellement en un matériau transparent.

8. Disjoncteur électrique à autosoufflage selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chambre de coupure (116) renferme de plus une bobine (110) ou un aimant permanent associé à l'un des contacts (108,114) pour la mise en rotation de l'arc (122) sous l'action d'un champ magnétique.

9. Disjoncteur électrique à autosoufflage selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'enceinte (118) translucide présente un profil dissymétrique de révolution conformé en lentille optique convergente ou divergente pour augmenter l'effet de rayonnement de l'arc.

Dessins