[0001] L'invention porte sur un sectionneur électrique comprenant un premier contact qui
est monté mobile suivant une direction axiale par rapport à un second contact fixe
et qui coopère avec ce dernier pour établir une connexion électrique, une tige qui
s'étend suivant ladite direction axiale et qui est manoeuvrée pour déplacer le premier
contact par rapport au second contact.
[0002] Elle s'applique plus particulièrement à un sectionneur électrique haute tension comprenant
une enveloppe métallique dans laquelle sont disposés les contacts mobile et fixe,
cette enveloppe étant remplie d'un gaz diélectrique comme le SF6. La tige de manoeuvre
du contact mobile traverse de façon étanche l'enveloppe métallique et est déplacée
habituellement en translation par une commande mécanique.
[0003] La demande de brevet EP348645 divulgue un sectionneur à deux contacts mobiles formés
par deux cylindres coaxiaux et déplacés pour se connecter successivement à un contact
d'arc fixe et à un contact permanent fixe (assurant le passage du courant permanent).
Le mécanisme de commande des contacts mobiles utilise deux ressorts hélicoïdaux alignés,
séparés par un collier fixé à une tige de manoeuvre qui leur est coaxiale. L'agencement
de sectionneur divulgué permet d'avoir une vitesse de déplacement des contacts mobiles
bien plus rapide que celle de la tige de manoeuvre pendant les opérations de fermeture
ou d'ouverture de la connexion électrique.
[0004] De façon générale, pendant la manoeuvre d'un sectionneur sur courant capacitif (de
faible ampérage sous très forte tension), des arcs électriques se créent entre le
contact mobile et le contact fixe, et génèrent des surtensions transitoires à très
haute fréquences (de l'ordre du MHz) qui sont dommageables pour le matériel connecté.
Plus un sectionneur est rapide, moins il va y avoir d'amorçages d'arcs. A cet effet,
la demande de brevet citée utilise un contact d'arc mobile, déplacé à grande vitesse
pour connecter ou déconnecter un contact d'arc fixe, lequel peut aussi être appelé
contact de courant transitoire. Juste après la connexion de ces contacts d'arc, les
contacts de courant permanent peuvent être rapprochés sans amorçage d'arc électrique
et connectés.
[0005] Pour autant, la connexion en deux temps assurée par deux contacts mobiles dans un
tel dispositif ne permet pas de faire face à certains problèmes:
[0006] Tout d'abord, malgré la diminution du nombre d'amorçages d'arcs grâce à la vitesse
élevée de commutation, il n'en reste pas moins que chaque front de montée en tension
reste dommageable pour le matériel connecté. Pour réduire la pente et le niveau de
ces fronts, il est connu d'utiliser des résistances connectées au contact d'arc fixe.
Si le courant produit par l'amorçage d'arcs passe entièrement par ces résistances,
les fronts sont considérablement amortis.
[0007] Le dispositif cité, du fait de la disposition de ses contacts fixes, ne permet pas
aux arcs électriques d'amorcer uniquement sur le contact d'arc fixe. En effet, la
distance d'isolement entre le contact d'arc mobile et le contact permanent fixe peut
devenir insuffisante si la tension dépasse un certain seuil, auquel cas il peut se
produire des amorçages d'arcs entre ces contacts, d'où des surtensions dommageables
car non atténuées par d'éventuelles résistances.
[0008] Ensuite, un tel dispositif à deux contacts mobiles implique le passage d'un courant
transitoire en attendant que les contacts de courant permanent soient connectés. Du
fait de la section limitée du contact mobile d'arc, le courant transitoire doit rester
en dessous d'un seuil critique au delà duquel l'échauffement produit serait dommageable
aux contacts d'arc, d'autant plus que la durée de ce courant est importante. Ce problème
se pose particulièrement dans le cas de commutation du sectionneur sur courant de
transfert de barre, où l'intensité peut atteindre des milliers d'Ampères.
[0009] Afin de remédier aux inconvénients de l'état de la technique, l'invention a pour
objet un sectionneur électrique comprenant un premier contact qui est monté mobile
suivant une direction axiale par rapport à un second contact fixe et qui coopère avec
ce dernier pour établir une connexion électrique, une tige qui s'étend suivant ladite
direction axiale et qui est manoeuvrée pour déplacer le contact mobile par rapport
au contact fixe, caractérisé en ce que le contact mobile est un tube creux ayant une
extrémité qui fait face au contact fixe et une seconde extrémité opposée à la première
extrémité, en ce qu'il comprend un piston coulissant à l'intérieur du contact mobile,
le piston étant monté sur la tige et ayant un premier côté orienté du côté du contact
fixe et un second côté opposé au premier côté, en ce qu'un premier ressort est interposé
entre la première extrémité du contact mobile et le premier côté du piston, en ce
qu'un second ressort est interposé entre la seconde extrémité du contact mobile et
le second côté du piston, en ce qu'un premier système de verrouillage est prévu pour
immobiliser le contact mobile suivant la direction axiale pendant une opération de
fermeture en même temps que le premier ressort est comprimé entre le piston et la
première extrémité du contact mobile, ce premier système de verrouillage s'effaçant
après une certaine compression du premier ressort de telle façon que le contact mobile
est connecté au contact fixe sous l'effet de la détente du premier ressort, et en
ce qu'un second système de verrouillage est prévu pour immobiliser le contact mobile
suivant la direction axiale pendant une opération d'ouverture en même temps que le
second ressort est comprimé entre le piston et la seconde extrémité du contact mobile,
ce second système de verrouillage s'effaçant après une certaine compression du second
ressort de telle façon que le contact mobile est déconnecté du contact fixe sous l'effet
de la détente du second ressort.
[0010] Ce dispositif permet notamment la commutation rapide de hautes tensions tout en assurant
le passage de forts courants.
[0011] D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore mieux à la lecture de
la description qui suit d'un exemple de réalisation d'un sectionneur selon l'invention
illustré sur les dessins.
[0012] Les figures 1a à 1e illustrent de façon schématique le fonctionnement du sectionneur
selon l'invention pendant une phase de fermeture de la connexion électrique.
[0013] Les figures 2a à 2e illustrent de façon schématique le fonctionnement du sectionneur
selon l'invention pendant une phase d'ouverture de la connexion électrique.
[0014] La figure 3 est une représentation de détail en coupe longitudinale d'un exemple
de réalisation d'un sectionneur selon l'invention dans lequel la tige de manoeuvre
est une vis sans fin.
[0015] La figure 4 est une représentation de détail en coupe longitudinale d'un exemple
de réalisation d'un sectionneur selon l'invention dans lequel le contact fixe est
équipé de résistances.
[0016] Le sectionneur électrique selon l'invention est un sectionneur haute tension comprenant,
dans une enveloppe métallique cylindrique (non représentée sur les dessins) qui s'étend
suivant une direction axiale A et qui est remplie d'un gaz d'isolement comme le SF6,
un contact 1 qui est monté fixe et qui est par exemple creux et un contact 2 monté
mobile suivant la direction axiale par rapport au contact fixe. Le contact mobile
est par exemple en forme de tige, est coaxial au contact fixe 1 et vient s'insérer
dans le contact fixe creux pour établir une connexion électrique.
[0017] Le sectionneur comprend encore une tige 3 coaxiale aux contacts 1 et 2, qui s'étend
suivant la direction axiale A et qui est manoeuvrée pour déplacer le contact 2 par
rapport au contact 1.
[0018] Sur les figures 1 et 2, le contact mobile 2 est guidé en déplacement suivant la direction
axiale par un tube fixe 4 coaxial à la tige de manoeuvre 3.
[0019] Selon l'invention, le contact mobile 2 est un tube creux cylindrique ayant une première
extrémité 2A qui fait face au contact fixe 1 et une seconde extrémité 2B opposée à
l'extrémité 2A traversée par la tige de manoeuvre 3. Un piston 5 est disposé coulissant
à l'intérieur du contact 2 ; il présente un premier côté 5A orienté du côté du contact
1 et un second côté 5B opposé au côté 5A.
[0020] Sur les figures 1 et 2, le piston 5 est fixé à l'extrémité de la tige 3 qui coulisse
dans le contact 2. Comme on le verra ci-dessous en relation avec la figure 3, la tige
3 peut être une vis sans fin et le piston 5 peut être dans ce cas un écrou.
[0021] Un premier ressort 6, par exemple un ressort à spirales, est interposé entre la première
extrémité 2A du contact 2 et le premier côté 5A du piston. Un second ressort 7, par
exemple à spirales, est interposé entre la seconde extrémité 2B du contact 2 et le
second côté 5B du piston.
[0022] L'autre extrémité de la tige 3 est connectée à la commande du sectionneur (non représentée)
qui agit ici pour déplacer en translation la tige 3 suivant la direction axiale A.
En particulier, lors d'une opération de fermeture du sectionneur, la commande agit
pour déplacer la tige 3 et donc le piston 5 vers le contact fixe 1 et lors d'une opération
d'ouverture du sectionneur, la commande agit pour déplacer la tige 3 et donc le piston
5 en sens contraire.
[0023] Le sectionneur comprend encore un premier système de verrouillage 8, du type à bille
escamotable, qui immobilise le contact 2 suivant la direction axiale quand la tige
3 est manoeuvrée lors d'une opération de fermeture du sectionneur, en même temps que
le premier ressort 6 est comprimé entre le piston et la première extrémité 2A du contact
2. Ce premier système de verrouillage s'efface après une certaine compression du premier
ressort 6 de telle façon que le contact 2 est connecté à grande vitesse avec le contact
1 sous l'effet de la détente du ressort 6 en appui contre le piston 5.
[0024] Le sectionneur comprend encore un second système de verrouillage 9 qui immobilise
le contact 2 suivant la direction axiale quand la tige 3 est manoeuvrée lors d'une
opération d'ouverture du sectionneur, en même temps que le ressort 7 est comprimé
entre le piston 5 et la seconde extrémité 2B du contact 2. Ce second système de verrouillage
s'efface après une certaine compression du ressort 7 de telle façon que le contact
2 est déconnecté du contact 1 à grande vitesse sous l'effet de la détente du ressort
7en appui contre le piston 5.
[0025] Le fonctionnement du sectionneur selon l'invention est décrit ci-après pour une manoeuvre
de fermeture en relation avec les figures 1a à 1e et pour une manoeuvre d'ouverture
en relation avec les figures 2a à 2e.
[0026] Sur la figure 1a, le sectionneur selon l'invention est en position d'ouverture complète.
Le ressort 7 est comprimé entre le piston 5 et l'extrémité 2B du contact 2. Le ressort
6 est complètement détendu entre l'extrémité 2A du contact 2 et le piston 5. Le contact
2 est immobilisé suivant la direction axiale A dans le tube de guidage 4 par le système
de verrouillage à bille escamotable 8 qui est ici armé.
[0027] Figure 1b, la tige 3 est déplacée par une manoeuvre en translation en direction du
contact fixe 1 comme indiquée par la flèche sur le piston 5 ; elle entraîne le piston
5 dans cette direction ce qui fait que le ressort 6 est comprimé par le piston 5 contre
l'extrémité 2A du contact 2 alors que le ressort 7 est détendu.
[0028] Figure 1c, après un certain déplacement du piston 5 dans le contact 2 et donc une
certaine compression du ressort 6, le système de verrouillage à bille 8 est escamoté
ce qui libère le mouvement du contact 2 dans le tube 4.
[0029] Figure 1d, le contact 2 s'insère à grande vitesse dans le contact fixe 1 sous l'action
du ressort 6 qui se détend entre le piston 5 et l'extrémité 2A du contact 2. Le piston
5 continue à être déplacé en direction du contact fixe 1 et le second système de verrouillage
à bille 9 est armé pour immobiliser le contact 2 suivant la direction axiale A dans
le tube de guidage 4.
[0030] Figure 1e, le piston 5 continue à être déplacé en direction du contact fixe 1 ce
qui fait que le ressort 6 est comprimé entre le piston 5 et l'extrémité 2A du contact
2. Le sectionneur est dans sa position complètement fermée assurée de façon positive
parce que la tige 3 et donc le piston 5 ont été déplacés jusqu'à comprimer le ressort
6 et se trouvent donc dans une position où mécaniquement le contact mobile doit être
inséré dans le contact fixe.
[0031] Pendant cette opération de fermeture, le contact mobile 2 s'est donc déplacé indépendamment
de la tige de manoeuvre 3 et du piston 5. La vitesse de déplacement en translation
de la tige de manoeuvre 3 et donc du piston 5 peut donc être beaucoup plus petite
que la vitesse de déplacement du contact mobile 2. La vitesse de déplacement de la
tige de manoeuvre 3 et donc du piston 5 peut également être constante contrairement
à la vitesse de déplacement du contact mobile 2. La fin de l'opération de fermeture
du sectionneur peut être contrôlée par la détection de la position extrême du piston
5 et de la tige 3.
[0032] Sur la figure 2a le sectionneur est dans une position de fermeture complète qui correspond
à celle illustrée sur la figure 1e. Le contact 2 est immobilisé en déplacement suivant
la direction axiale A dans le tube de guidage 4 du fait que le système de verrouillage
9 est armé.
[0033] Figure 2b, la tige 3 est éloignée par translation du contact fixe 1 comme indiquée
par la flèche sur le piston 5 ; elle entraîne le piston 5 dans la même direction ce
qui fait que le ressort 7 est comprimé par le piston 5 contre l'extrémité 2B du contact
2 alors que le ressort 6 est détendu.
[0034] Figure 2c, après un certain déplacement du piston 5 dans le contact 2 et donc une
certaine compression du ressort 7, le système de verrouillage à bille 9 est escamoté
ce qui libère le mouvement du contact 2 dans le tube 4.
[0035] Figure 2d, le contact 2 se dégage à grande vitesse du contact fixe 1 sous l'action
du ressort 7 qui se détend entre le piston 5 et l'extrémité 2B du contact 2. En même
temps le piston 5 continue à être éloigné du contact fixe 1 et le premier système
de verrouillage à bille 8 est armé pour immobiliser le contact 2 suivant la direction
axiale A dans le tube de guidage 4.
[0036] Figure 2e, le piston 5 continue à être éloigné du contact fixe 1 ce qui fait que
le ressort 7 est comprimé entre le piston 5 et l'extrémité 2B du contact 2. Le sectionneur
est dans sa position complètement ouverte assurée de façon positive parce que la tige
3 et donc le piston 5 ont été déplacés jusqu'à comprimer le ressort 7 et se trouvent
donc dans une position où mécaniquement le contact mobile doit être retiré du contact
fixe.
[0037] Pendant cette opération d'ouverture, le contact mobile 2 s'est donc encore déplacé
indépendamment de la tige de manoeuvre 3 et du piston 5. La fin de l'opération d'ouverture
du sectionneur peut être encore contrôlée par la détection de la position extrême
du piston 5 et de la tige 3.
[0038] La figure 3 montre plus en détails en coupe longitudinale suivant la direction axiale
A un exemple de réalisation d'un sectionneur selon l'invention. Dans cet exemple de
réalisation, la tige de manoeuvre 3 est une vis sans fin rotative d'axe de rotation
A. Le piston 5 est un écrou dans lequel est engagée la vis sans fin 3. Suivant le
sens de rotation de la vis sans fin 3, l'écrou 5 se déplace en translation (sans possibilité
de rotation) dans un sens ou dans l'autre suivant la direction axiale A à l'intérieur
du contact mobile 2. De part et d'autre de la tête de l'écrou 5, sont disposés le
ressort 6 et le ressort 7 à spirales. La figure 3 montre le sectionneur en position
d'ouverture complète, le ressort 7 étant comprimé entre l'écrou 5 et l'extrémité 2B
du contact mobile 2.
[0039] Un tiroir cylindrique 10 est disposé à l'intérieur du contact 2 coaxialement à l'écrou
5. Ce tiroir coulisse sur l'écrou 5 et agit sur des billes escamotables 8 et 9 des
systèmes de verrouillage logées dans des ouvertures radiales 11 du contact 2. Il est
constitué plus particulièrement de deux demi-tiroirs 10A et 10B indépendants l'un
de l'autre en déplacement suivant la direction axiale A.
[0040] Le demi-tiroir 10A comporte une nervure radiale d'extrémité 12A sur laquelle vient
en butée l'écrou 5 lorsque celui-ci est déplacé vers le contact fixe 1. Le demi-tiroir
10B comporte aussi une nervure radiale d'extrémité 12B sur laquelle vient en butée
l'écrou 5 lorsque celui-ci est éloigné du contact fixe 1. En plus, un ressort à spirales
13 est disposé entre la nervure d'extrémité 12A du demi-tiroir 10A et un épaulement
2AA prévu à l'extrémité 2A du contact 2 et un autre ressort à spirales 14 est disposé
entre la nervure d'extrémité 12B du demi-tiroir 10B et un épaulement 2BB prévu à l'extrémité
2B du contact 2 ; ces ressorts 13 et 14 servent à rappeler en position les demi-tiroirs
10A et 10B lorsque l'écrou 5 se trouve suivant la direction radiale entre les nervures
12A et 12B.
[0041] Comme cela apparaît sur la figure 3, le tube de guidage 4 comporte un premier évidemment
15 dans lequel peut s'engager la bille 8 et un second évidement 16 dans lequel peut
s'engager la bille 9 ; ces deux évidements 15 et 16 sont distants l'un de l'autre
suivant la direction axiale A. Par ailleurs, le demi-tiroir 10A comporte un premier
évidemment 17 dans lequel peut s'effacer la bille 8 et le demi-tiroir 10B comporte
un second évidemment 18 dans lequel peut s'effacer la bille 9 ; ces deux évidements
17 et 18 sont distants l'un de l'autre suivant la direction axiale A.
[0042] Quand la bille 8 est engagée dans l'évidement 15 du tube 4, elle verrouille le déplacement
du contact 2 suivant la direction axiale A et quand la nervure 12A du demi-tiroir
10A est poussée par l'écrou 5 pendant la phase de fermeture du sectionneur, la bille
8 vient en face de l'évidement 17 dans lequel elle peut s'effacer pour libérer le
déplacement du contact mobile 2. Par ailleurs, quand la bille 9 est engagée dans l'évidement
16 du tube 4, elle verrouille le déplacement du contact 2 suivant la direction axiale
A et quand la nervure 12B du demi-tiroir 10B est poussée par l'écrou 5 pendant la
phase d'ouverture du sectionneur, la bille 9 vient en face de l'évidement 18 dans
lequel elle peut s'effacer pour libérer le déplacement du contact mobile 2.
[0043] Sur la figure 3, la bille 8 est engagée dans l'évidement 15 du tube 4 alors que la
bille 9 est effacée dans l'évidement 18 du demi-tiroir 10B. Cette configuration du
sectionneur correspond à celle illustrée sur la figure 1a.
[0044] Quand l'écrou 5 est déplacé en direction du contact 1 lors d'une opération de fermeture,
l'écrou 5 arrive en butée contre la nervure radiale 12A du demi-tiroir 10A et déplace
le demi-tiroir 10A pour amener l'évidement 17 en regard de la bille 8 de façon à permettre
à cette dernière de s'effacer. Cette position du sectionneur correspond à celle illustrée
sur la figure 1c. Par ailleurs, lorsque la bille 9 arrive en face de l'évidement 16,
le ressort de rappel 14 pousse le demi-tiroir 10B ce qui conduit à ce que la bille
9 s'efface dans l'évidement 16 et à ce que l'évidement 18 dépasse la position de la
bille 9, et donc au verrouillage du contact 2 avec le tube de guidage 4. Cette position
du sectionneur correspond à celle illustrée sur la figure 1d.
[0045] Maintenant, en partant d'une position de fermeture du sectionneur, quand l'écrou
5 est éloigné du contact 1, il arrive en butée contre la nervure 12B du demi-tiroir
10B et déplace le demi-tiroir 10B pour amener l'évidement 18 en regard de la bille
9 de façon à permettre à cette dernière de s'effacer. Cette position du sectionneur
correspond à celle illustrée sur la figure 2c. Par ailleurs, lorsque la bille 8 arrive
en face de l'évidement 15, le ressort de rappel 13 pousse le demi-tiroir 10A ce qui
conduit à ce que la bille 8 s'efface dans l'évidement 15 et à ce que l'évidement 17
dépasse la position de la bille 8, et donc au verrouillage du contact 2 avec le tube
de guidage 4. Cette position du sectionneur correspond à celle illustrée sur la figure
2d.
[0046] Figure 4, dans un mode de réalisation préféré d'un sectionneur selon l'invention,
le contact fixe 1' est équipé de résistances R permettant d'obtenir un appareil particulièrement
efficace pour protéger le matériel connecté contre les surtensions transitoires à
très hautes fréquences lors d'une commutation du sectionneur sur courant capacitif.
Afin de canaliser un arc électrique 20, le contact fixe 1' comprend un contact d'arc
ou capot 21 directement et uniquement connecté à des résistances R. Ce capot possède
des angles arrondis procurant un effet pare-effluve, et un diamètre interne légèrement
supérieur au diamètre du contact mobile 2, de sorte que le contact mobile ne touche
pas le capot à l'insertion. Lorsque un arc électrique 20 s'amorce entre l'extrémité
2A du contact mobile 2 et le capot 21, il est entièrement canalisé vers les résistances
R et le courant i traverse ces dernières pour être évacué vers un conducteur 23 typiquement
relié à une barre. Les arcs 20 sont ainsi guidés par le capot 21 jusqu'à la connexion
avec le contact de courant permanent 22.
[0047] Afin de pouvoir aussi assurer la commutation des courants élevés de transfert de
barres sans risque de fusion des contacts, le contact permanent 22 loge classiquement
le long de son axe de symétrie un contact d'arc rétractable 24 formé d'une tige conductrice
accouplée à un ressort. Cette tige, aussi représentée dans le contact fixe 1 à la
figure 3, est constituée d'un matériau peu sensible à l'échauffement, et peut supporter
un fort courant au moment où le contact mobile 2 vient la pousser. De plus, l'échauffement
produit est limité par le fait que la connexion du contact mobile au contact de courant
permanent 22 est effectuée très peu de temps après.
1. Sectionneur électrique comprenant un premier contact (2) qui est monté mobile suivant
une direction axiale (A) par rapport à un second contact (1) fixe suivant cette direction
et qui coopère avec ce dernier pour établir une connexion électrique, une tige (3)
qui s'étend suivant ladite direction axiale et qui est manoeuvrée pour déplacer le
contact mobile par rapport au contact fixe, caractérisé en ce que le contact mobile
est un tube creux ayant une extrémité (2a) qui fait face au contact fixe et une seconde
extrémité (2b) opposée à la première extrémité, en ce qu'il comprend un piston (5)
coulissant à l'intérieur du contact mobile, le piston (5) étant monté sur la tige
(3) et ayant un premier côté orienté du côté du contact fixe et un second côté opposé
au premier côté, en ce qu'un premier ressort (6) est interposé entre la première extrémité
du contact mobile et le premier côté du piston, en ce qu'un second ressort (7) est
interposé entre la seconde extrémité du contact mobile et le second côté du piston,
en ce qu'un premier système de verrouillage (8) est prévu pour immobiliser le contact
mobile suivant la direction axiale lors d'une opération de fermeture du sectionneur
en même temps que le premier ressort est comprimé entre le piston et la première extrémité
du contact mobile, ce premier système de verrouillage s'effaçant après une certaine
compression du premier ressort de telle façon que le contact mobile est connecté au
contact fixe sous l'effet de la détente du premier ressort, et en ce qu'un second
système de verrouillage (9) est prévu pour immobiliser le contact mobile suivant la
direction axiale lors d'une opération d'ouverture en même temps que le second ressort
est comprimé entre le piston et la seconde extrémité du contact mobile, ce second
système de verrouillage s'effaçant après une certaine compression du second ressort
de telle façon que le contact mobile est déconnecté du contact fixe sous l'effet de
la détente du second ressort.
2. Sectionneur selon la revendication 1, dans lequel le premier et le second système
de verrouillage sont des billes escamotables.
3. Sectionneur selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la tige de manoeuvre
est une vis sans fin et le piston est un écrou dans lequel est engagée la vis sans
fin.
4. Sectionneur selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la tige de manoeuvre
est manoeuvrée en translation et le piston est fixé à une extrémité de la tige.
5. Sectionneur selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le contact fixe comprend
un contact de courant permanent (22) ainsi qu'un contact d'arc (21) connecté à des
résistances, et dans lequel le courant produit par l'amorçage d'arcs électriques (20)
lors du rapprochement du contact mobile passe entièrement par ces résistances.