[0001] La présente invention concerne un dispositif de disjonction.
[0002] Les véhicules ferroviaires alimentés électriquement comportent des disjoncteurs permettant
d'ouvrir ou de fermer le circuit d'alimentation principal.
[0003] En cas de surintensité, un tel disjoncteur ouvre automatiquement le circuit d'alimentation
principal qui est fermé en situation normale.
[0004] Ces disjoncteurs sont montés dans des boîtiers de plus en plus petits dans lesquels
les opérations de coupure peuvent générer des arcs électriques qui induisent des pressions
très élevées et peuvent entraîner une explosion.
[0005] De plus, ces boîtiers sont souvent installés en extérieur, comme par exemple sur
le toit ou sous la caisse du véhicule ferroviaire, pouvant ainsi être infiltrés par
des éléments extérieurs tels que de l'eau ou des poussières qui créent des risques
de détérioration des organes électriques du disjoncteur.
[0006] Le document
US 3 780 249 décrit un disjoncteur muni d'un volet pour évacuer les fortes pressions tout en empêchant
la pénétration de poussières.
[0007] D'autres dispositifs de disjonction ainsi équipés de volets d'obturation mobiles
sont décrits dans le document
JP 09-271119.
[0008] Cependant, les opérations de coupure d'un disjoncteur seul peuvent s'avérer relativement
délicates du fait de l'instabilité de l'arc électrique.
[0009] La présente invention a pour but de proposer un dispositif de disjonction qui permet
de fractionner et d'accélérer l'arc électrique et donc d'améliorer les opérations
de coupure du disjoncteur.
[0010] A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de disjonction comprenant un
boîtier ayant une première paroi délimitant une enceinte principale et un disjoncteur
logé dans l'enceinte principale, le disjoncteur comprenant un corps muni d'un organe
de commutation et une cheminée d'extinction de l'arc électrique produit lors d'une
disjonction, la cheminée comportant des organes d'extinction de l'arc et la première
paroi étant percée d'une ouverture d'évacuation munie d'au moins un volet mobile déplaçable
entre une position d'obturation qui permet de limiter la pénétration d'éléments extérieurs
au travers de l'ouverture et une position d'ouverture qui permet de faciliter l'évacuation
d'air au travers de l'ouverture, caractérisé en ce que la cheminée comporte un conduit
central rectiligne définissant l'axe privilégié de propagation de l'arc, lequel conduit
central est délimité par les organes d'extinction de l'arc disposés latéralement autour
du conduit central, et en ce qu'au moins un volet de la première paroi et l'organe
de commutation sont disposés suivant l'axe de la cheminée.
[0011] Le dispositif selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques
suivantes :
- les organes d'extinction de l'arc sont des organes de fractionnement de l'arc disposés
successivement le long du conduit central ;
- les organes d'extinction de l'arc sont disposés successivement à partir du conduit
central et s'étendent parallèlement à l'axe de la cheminée ;
- le boîtier délimite une enceinte d'évacuation séparée de l'enceinte principale par
la première paroi et comportant une deuxième paroi, la deuxième paroi étant percée
d'une ouverture d'évacuation munie d'au moins un volet mobile disposé dans le prolongement
de la cheminée et déplaçable entre une position d'obturation qui permet de limiter
la pénétration d'éléments extérieurs au travers de l'ouverture et une position d'ouverture
qui permet de faciliter l'évacuation d'air au travers de l'ouverture, les première
et deuxième parois étant sensiblement parallèles entre elles et sensiblement perpendiculaires
à l'axe de la cheminée ;
- les première et deuxième parois sont respectivement munies d'au moins une première
rangée de volets et d'au moins une deuxième rangée de volets ;
- le ou chaque volet comprend une plaque comportant une première extrémité et une deuxième
extrémité, le ou chaque volet étant articulé au niveau de sa première extrémité autour
d'un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe de la cheminée, et la deuxième extrémité
du ou de chaque volet étant coudée vers l'intérieur du dispositif ;
- les volets de la première rangée ont une position sur la première paroi qui est décalée
par rapport à la position des volets de la deuxième rangée sur la deuxième paroi suivant
une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de la cheminée ;
- le décalage entre les positions des volets des première et deuxième rangées sur respectivement
les première et deuxième parois est d'environ un demi-volet ;
- le ou chaque volet est monté mobile suivant un agencement tel qu'il est sollicité
vers sa position d'obturation uniquement sous l'action de son propre poids ;
- le ou chaque volet est articulé et amené vers une position d'ouverture à 45° par une
pression générée dans le dispositif comprise entre 1 mb et 2,5 mb ;
- la cheminée est propre à guider suivant son axe un arc électrique produit dans le
corps du disjoncteur ; et
- la cheminée comprend une pluralité de plaques métalliques.
[0012] L'invention a également pour objet un véhicule ferroviaire, caractérisé en ce qu'il
comprend un dispositif de disjonction tel que décrit précédemment.
[0013] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée
uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels
:
- la Figure 1 est une vue schématique en coupe verticale longitudinale d'un train équipé
d'un dispositif de disjonction selon un premier mode de réalisation de l'invention
;
- la Figure 2 est une vue en coupe verticale transversale selon la ligne II-II de la
Figure 1 ;
- la Figure 3 est une vue en coupe horizontale longitudinale selon la ligne III-III
de la Figure 2 ;
- la Figure 4 est une vue en coupe verticale transversale montrant en détail un volet
du dispositif de disjonction de la Figure 1 ;
- la Figure 5 est une vue analogue à celle de la Figure 2 montrant le dispositif de
disjonction en cas d'opérations normales de coupure ;
- la Figure 6 est une vue analogue à celle de la Figure 2 montrant le dispositif de
disjonction en cas d'opérations anormales de coupure ; et
- la Figure 7 est une vue analogue à celle de la Figure 3 montrant un disjoncteur d'un
dispositif de disjonction selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
[0014] Un train 10, représenté sur la Figure 1, est équipé sur son toit 12 d'un dispositif
de disjonction 14 d'un premier mode de réalisation de l'invention.
[0015] Comme on le voit mieux sur la Figure 2, le dispositif de disjonction 14 comprend
un boîtier 16 qui délimite une enceinte principale 18 renfermant un disjoncteur 19,
une enceinte d'évacuation 20 et une enceinte de commande 22 disposées suivant un même
axe.
[0016] De façon générale, le boîtier 16 a la forme d'un parallélépipède rectangle ayant
un volume d'environ 1 m
3, avec par exemple une hauteur de 0,5 m, une longueur de 1,2 m et une largeur de 1
m.
[0017] Le disjoncteur 19 disposé dans l'enceinte principale 18 est représenté seul sur la
Figure 3. Il comprend un corps 26 et une cheminée 28 d'extinction, d'un arc électrique
produit lors d'une disjonction. Cette cheminée 28 présente un axe X-X privilégié de
propagation et d'extinction par fractionnement de l'arc, c'est-à-dire un axe suivant
lequel l'extinction de l'arc s'y propageant est optimale.
[0018] L'axe X-X privilégié correspond également à un axe de symétrie de la cheminée 28
comme cela sera expliqué plus en détail ultérieurement.
[0019] Le corps 26 du disjoncteur 19 est muni d'un organe de commutation 30 comportant deux
surfaces 32 conductrices de courant, dont au moins l'une est mobile entre un état
accolé et un état écarté, qui permettent d'établir entre elles un contact électrique
et de le couper.
[0020] La cheminée 28 du disjoncteur comporte une pluralité de plaques métalliques 34 sensiblement
parallèles entre elles et disposées en deux rangées 36, les plaques 34 étant espacées
entre elles par des lames d'air 37 sensiblement transversales à l'axe X-X. Les plaques
34 s'étendent sensiblement perpendiculairement à l'axe X-X et assurent une fragmentation
ou fractionnement de l'arc produit, conduisant à son extinction. Ainsi, les plaques
34 constituent des organes successifs disposés le long de l'axe X-X assurant le fractionnement
de l'arc électrique en de multiples tronçons.
[0021] Les deux rangées 36 s'étendent suivant l'axe X-X de la cheminée 28 et sont situées
de part et d'autre de cet axe X-X, de sorte qu'elles sont séparées pour former entre
elles un conduit central 38 rectiligne d'axe X-X formant une zone de circulation et
d'extinction de l'arc électrique.
[0022] L'axe X-X constitue ainsi un axe de symétrie de la cheminée 28.
[0023] En revenant à la Figure 2, l'enceinte de commande 22, délimitée par le boîtier 16
et disposée dans le prolongement du corps 26 du disjoncteur, est totalement étanche
pour contenir un système électronique destiné à être raccordé au disjoncteur 19.
[0024] L'enceinte principale 18 et l'enceinte d'évacuation 20 sont délimitées par une paroi
pleine inférieure 39 ou paroi de fond du boîtier 16, par une paroi pleine supérieure
40 ou paroi de couvercle du boîtier 16 et par trois parois latérales pleines 41.
[0025] L'enceinte principale 18 est séparée de la enceinte d'évacuation 20 par une paroi
de séparation 42 munie d'une ouverture 42A.
[0026] L'enceinte d'évacuation 20 s'ouvre vers l'extérieur par une ouverture 43A ménagée
au travers d'une paroi d'extrémité 43.
[0027] Les parois intermédiaires 42 et d'extrémité 43 sont parallèles entre elles et s'étendent
verticalement. Elles sont situées dans le prolongement de la cheminée 28, dans des
plans perpendiculaires à l'axe X-X de la cheminée 28 et entre la paroi de fond 39
et la paroi de couvercle 40.
[0028] Les ouvertures 42A, 43A et l'organe de commutation 30 sont disposés sensiblement
alignés suivant l'axe X-X de la cheminée, les ouvertures 42A, 43A et l'organe de commutation
30 étant placés de part et d'autre de la cheminée 28.
[0029] Les parois intermédiaire 42 et d'extrémité 43 sont respectivement munies d'une première
rangée 44 de cinq volets 46 et d'une deuxième rangée 48 de cinq volets 46. Ces volets
sont mobiles et propres à obturer respectivement les ouvertures 42A et 43A.
[0030] Les volets 46 des parois intermédiaire 42 et d'extrémité 43, ainsi disposés dans
le prolongement de la cheminée 28, sont tous identiques et agencés de la même manière
suivant les première et deuxième rangées 44, 48.
[0031] Comme on le voit mieux sur la Figure 4, chaque volet 46 est constitué par une plaque
50 comprenant une première extrémité supérieure 52 d'articulation et une deuxième
extrémité inférieure 54.
[0032] La première extrémité 52 est repliée sur elle-même et fixée à la paroi verticale
correspondante, par exemple 42, de sorte que le volet 46 est articulé par rapport
à la paroi autour d'un axe Y-Y perpendiculaire à l'axe X-X de la cheminée 28, sans
rappel élastique, le volet n'étant sollicité que par son propre poids.
[0033] La deuxième extrémité 54 est coudée vers l'intérieur du dispositif 14 et se rabat
sur la première extrémité supérieure 52 d'un volet 46 situé directement en dessous.
[0034] Les première et deuxième rangées 44, 48 sont décalées en hauteur suivant une direction
Z perpendiculaire à l'axe X-X de la cheminée 28 d'une quantité égale à la hauteur
h d'un demi-volet (Figure 2).
[0035] Lors du fonctionnement du dispositif de disjonction 14, le disjoncteur 19 joue le
rôle d'un organe de sécurité qui interrompt un courant électrique en cas d'incident
sur un circuit électrique.
[0036] La coupure du courant électrique est obtenue en séparant les deux surfaces 32 conductrices
de courant (Figure 3) de l'organe de commutation 30 dans le corps 26 du disjoncteur
19.
[0037] Après séparation des deux surfaces 32, le courant continue de circuler temporairement
dans le circuit à travers un arc électrique 56 qui s'est établi entre les deux surfaces
32.
[0038] En se référant à la Figure 5, l'arc électrique 56 se propage dans la cheminée 28,
poussé par la surpression interne et les phénomènes électromagnétiques et par la différence
de pression depuis le corps 26 du disjoncteur 19 vers la première paroi verticale
42.
[0039] Le long de cette propagation, l'arc électrique 56 chauffe l'air, créant ainsi une
surpression à la sortie de la cheminée 28 en direction de la première paroi verticale
42.
[0040] Cette surpression soulève les volets 46 de la première rangée 44, expulsant ainsi
l'air vers l'enceinte d'évacuation 20.
[0041] Dans des conditions normales de coupure, c'est-à-dire lorsque la suppression n'est
pas trop élevée, l'ouverture des volets 46 de la première rangée 44 uniquement suffit
à créer un gradient de pression à l'intérieur du dispositif 14 qui facilite les opérations
de coupure du disjoncteur 19.
[0042] L'arc est aspiré dans la cheminée suivant son axe X-X par le gradient de pression
et se trouve fractionné en un grand nombre de segments par les plaques 34.
[0043] Ce gradient de pression est dû à la différence de pression entre la pression atmosphérique
à l'intérieur de l'enceinte d'évacuation 20 et la pression plus élevée régnant à l'intérieur
de l'enceinte principale 18.
[0044] Dans des conditions extrêmes de coupure représentées sur la Figure 6, l'arc électrique
56 est plus puissant donc la pression à l'intérieur de l'enceinte principale 18 est
plus importante. Les conditions extrêmes de coupure correspondent à un court-circuit
interne dans le train engendrant un courant de plusieurs dizaines de kiloampères.
[0045] Pour éviter une explosion, les volets 46 des première et deuxième rangées 44, 48
se soulèvent.
[0046] L'ouverture des volets 46 des première et deuxième rangées 44, 48 crée un gradient
de pression à l'intérieur du dispositif 14 qui facilite les opérations de coupure
du disjoncteur 19.
[0047] Ce gradient de pression est dû à la différence de pression entre la pression atmosphérique
à l'extérieur du dispositif 14 et la pression plus élevée régnant à l'intérieur du
dispositif 14.
[0048] Plus précisément, le gradient de pression aspire l'arc électrique 56 suivant l'axe
X-X de la cheminée 28 de façon à ce qu'il occupe entièrement la cheminée 28. La cheminée
28 est dimensionnée de manière à ce que l'arc ne sorte pas de la cheminée 28.
[0049] A cela s'ajoutent des phénomènes magnétiques qui aident à souffler l'arc électrique
56 à l'intérieur de la cheminée 28.
[0050] Ainsi, en revenant à la Figure 4, lorsque les gaz liés à la coupure circulent dans
la direction de la flèche A, chaque volet 46 se déplace dans une position d'ouverture
en se soulevant dans le sens de la flèche F.
[0051] La pression nécessaire pour soulever les volets 46 est de l'ordre du millibar, et
plus précisément comprise entre 1 mb et 2,5 mb.
[0052] Lorsqu'il n'y a pas d'expulsion de gaz du dispositif 14, chaque volet 46 est sollicité
seulement par son propre poids et se trouve dans une position d'obturation dans laquelle
chaque volet 46 repose sur un volet 46 directement adjacent, sauf les volets inférieurs
extrêmes qui reposent sur un renfoncement 58 aménagé dans la paroi verticale correspondante
42, 43 (Figure 2).
[0053] Cet agencement permet, dans la position d'obturation des volets 46, d'empêcher des
éléments extérieurs, tels que de la pluie (représentée en pointillés) ou de la poussière,
de pénétrer à l'intérieur du dispositif 14.
[0054] De plus lorsque les volets se soulèvent, vers le haut, l'eau ne pénètre pas dans
le boîtier 16.
[0055] Dans le cas de la pluie, ou de jets d'eau externes destinés à nettoyer le train 10,
l'eau exerce une force qui plaque les volets 46 dans leur position d'obturation quelle
que soit la direction du jet et ruisselle le long de la rangée de volets 46, ne pouvant
pas s'introduire dans le boîtier 16 du fait de l'absence d'interstice.
[0056] Le dispositif de disjonction selon l'invention permet donc non seulement de faciliter
l'évacuation d'air vers l'extérieur du dispositif et de limiter les risques de pénétration
d'éléments extérieurs à l'intérieur du dispositif, mais surtout d'améliorer les opérations
de coupure par un contrôle de l'arc électrique généré par le disjoncteur.
[0057] Grâce à l'alignement de l'axe de la cheminée, de l'organe de commutation et de l'ouverture
munie de volets, un gradient de pression est créé dans l'axe de la cheminée ce qui
permet d'améliorer la pénétration de l'arc dans la cheminée suivant la direction de
ce gradient. L'arc s'étire alors facilement dans la cheminée au travers du maximum
de plaques de fragmentation. Ceci permet de fragmenter l'arc au maximum et donc de
faciliter son extinction. La cheminée est d'autant plus performante que le nombre
de plaques métalliques traversées par l'arc est important.
[0058] Grâce aux deux rangées de volets sur les parois 42 et 43, lorsque la pression créée
par l'arc est peu importante, seule la première rangée de volets s'ouvre, la seconde
rangée étant fermée, elle protège le disjoncteur contre l'intrusion des éléments extérieurs
et assure l'étanchéité du dispositif.
[0059] Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention illustré à la Figure 7, l'axe
X-X privilégié de la cheminée 28 du disjoncteur 19 est un axe de propagation et d'extinction
de l'arc par accélération et refroidissement de ce dernier.
[0060] La cheminée 28 comporte une pluralité de plaques métalliques 60 sensiblement parallèles
entre elles, s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe X-X et disposées en deux
rangées 62 de part et d'autre du conduit 38, les plaques se succédant en partant de
l'axe X-X.
[0061] Les plaques 60, disposées successivement à partir du conduit central 38 dans une
direction transversale au conduit central 38, sont espacées entre elles par des lames
d'air 64 sensiblement parallèles à l'axe X-X qui forment des zones de circulation
et d'extinction de l'arc électrique.
[0062] Grâce au gradient de pression, l'arc produit circule plus rapidement le long des
plaques 60 et se refroidit au contact de ces mêmes plaques. Ainsi, les plaques constituent
des organes disposés de façon sensiblement parallèle à l'axe X-X assurant l'extinction
plus rapide de l'arc dans la cheminée 28.
[0063] Dans une variante à ces deux modes de réalisation décrits précédemment, l'axe X-X
de la cheminée 28 n'est pas un axe de symétrie pour cette cheminée, le nombre de plaques
étant différent de part et d'autre du conduit central.
[0064] En variante, le dispositif de disjonction 14 comporte, sur chacune des parois intermédiaire
42 et d'extrémité 43, plus d'une rangée respective 44, 46 de volets 46, par exemple
deux rangées de volets comme représenté sur la Figure 1 et chaque rangée 44, 48 de
volets 46 comprend plus ou moins de cinq volets 46.
[0065] En variante également, le dispositif de disjonction 14 est disposé sous la caisse
du train 10 et le train 10 est remplacé par n'importe quel autre véhicule ferroviaire,
tel qu'un TGV, un métro ou encore un tramway.
1. Dispositif de disjonction (14) comprenant un boîtier (16) ayant une première paroi
(42) délimitant une enceinte principale (18) et un disjoncteur (19) logé dans l'enceinte
principale (18), le disjoncteur (19) comprenant un corps (26) muni d'un organe de
commutation (30) et une cheminée (28) d'extinction de l'arc électrique (56) produit
lors d'une disjonction, la cheminée (28) comportant des organes (34, 60) d'extinction
de l'arc (56) et la première paroi (42) étant percée d'une ouverture d'évacuation
(42A) munie d'au moins un volet (46) mobile déplaçable entre une position d'obturation
qui permet de limiter la pénétration d'éléments extérieurs au travers de l'ouverture
(42A) et une position d'ouverture qui permet de faciliter l'évacuation d'air au travers
de l'ouverture (42A),
caractérisé en ce que la cheminée (28) comporte un conduit central (38) rectiligne définissant l'axe (X-X)
privilégié de propagation de l'arc (56), lequel conduit central (38) est délimité
par les organes (34, 60) d'extinction de l'arc (56) disposés latéralement autour du
conduit central (38), et en ce qu'au moins un volet (46) de la première paroi (42) et l'organe de commutation (30) sont
disposés suivant l'axe (X-X) de la cheminée (28).
2. Dispositif de disjonction (14) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les organes (34) d'extinction de l'arc (56) sont des organes de fractionnement de
l'arc disposés successivement le long du conduit central (38).
3. Dispositif de disjonction (14) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les organes (60) d'extinction de l'arc (56) sont disposés successivement à partir
du conduit central (38) et s'étendent parallèlement à l'axe (X-X) de la cheminée (28).
4. Dispositif de disjonction (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que le boîtier (16) délimite une enceinte d'évacuation (20) séparée de l'enceinte principale
(18) par la première paroi (42) et comportant une deuxième paroi (43), la deuxième
paroi (43) étant percée d'une ouverture d'évacuation (43A) munie d'au moins un volet
(46) mobile disposé dans le prolongement de la cheminée (28) et déplaçable entre une
position d'obturation qui permet de limiter la pénétration d'éléments extérieurs au
travers de l'ouverture (43A) et une position d'ouverture qui permet de faciliter l'évacuation
d'air au travers de l'ouverture (43A), les première et deuxième parois (42, 43) étant
sensiblement parallèles entre elles et sensiblement perpendiculaires à l'axe (X-X)
de la cheminée (28).
5. Dispositif de disjonction (14) selon la revendication 4, caractérisé en ce que les première et deuxième parois (42, 43) sont respectivement munies d'au moins une
première rangée (44) de volets (46) et d'au moins une deuxième rangée (48) de volets
(46).
6. Dispositif de disjonction (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que le ou chaque volet (46) comprend une plaque (50) comportant une première extrémité
(52) et une deuxième extrémité (54), le ou chaque volet (46) étant articulé au niveau
de sa première extrémité (52) autour d'un axe (Y-Y) sensiblement perpendiculaire à
l'axe (X-X) de la cheminée (28), et la deuxième extrémité (54) du ou de chaque volet
(46) étant coudée vers l'intérieur du dispositif (14).
7. Dispositif de disjonction (14) selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les volets (46) de la première rangée (44) ont une position sur la première paroi
(42) qui est décalée par rapport à la position des volets (46) de la deuxième rangée
(48) sur la deuxième paroi (43) suivant une direction (Z) sensiblement perpendiculaire
à l'axe (X-X) de la cheminée (28).
8. Dispositif de disjonction (14) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le décalage (h) entre les positions des volets (46) des première et deuxième rangées
(44, 48) sur respectivement les première et deuxième parois (42, 43) est d'environ
un demi-volet.
9. Dispositif de disjonction (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que le ou chaque volet (46) est monté mobile suivant un agencement tel qu'il est sollicité
vers sa position d'obturation uniquement sous l'action de son propre poids.
10. Dispositif de disjonction (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que le ou chaque volet (46) est articulé et amené vers une position d'ouverture à 45°
par une pression générée dans le dispositif (14) comprise entre 1 mb et 2,5 mb.
11. Dispositif de disjonction (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que la cheminée (28) est propre à guider suivant son axe (X-X) un arc électrique (56)
produit dans le corps (26) du disjoncteur (19).
12. Dispositif de disjonction (14) selon la revendication 11, caractérisé en ce que la cheminée (28) comprend une pluralité de plaques métalliques (34, 60).
13. Véhicule ferroviaire, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de disjonction (14) selon l'une quelconque des revendications
précédentes.