CA2007397C - Disjoncteur a haute ou moyenne tension - Google Patents

Abstract

Disjoncteur à moyenne ou haute tension comprenant, dans une enveloppe remplie de gaz diélectrique sous pression, un contact principal fixe, et un contact principal mobile ainsi qu'un contact fixe d'arc et un contact mobile d'arc entre lesquels s'établit un arc lors de leur séparation. Le disjoncteur comprend des moyens pour fractionner l'arc en un grand nombre d'arc élémentaires, chaque arc élémentaire s'établissant entre deux plaques métalliques.

Description

2~73!9~
Disjoncteur à haute ou moyenne tension.
La présente invention concerne un disjoncteur à haute ou moyenne tension.
La coupure des courants à moyenne et haute tension s'effectue communément au moyen de disjoncteurs dans lesquels la chambre de coupure est remplie de gaz diélectrique tel que l~héxafluorure de soufre (SF6).
Au moment de l'ouverture des contacts, l'arc qui se développe entre les contacts est soumis à un violent soufflage de gaz compri-mé ; ceci assure son extinction au moment du passage par zérodu courant.
Ces disjoncteurs sont de construction onéreuse car ils doivent comporter des moyens pour comprimer le gaz de soufflage et des moyens pour emmagasiner une énergie de commande parfois importante.
Un but de l'invention est de réaliser un disjoncteur qui ne nécessite pas de dispositif de compression de gaz et dont l'énergie de manoeuvre est très faible.
Le principe de coupure utilisé dans le disjoncteur de l'inven-tion, consiste à créer une tension d~arc supérieure à la tensiondu réseau.
Le principe est utilisé en basse tension avec des chambres de coupure dans l'air. Mais ce principe n'est pas directement applicable en moyenne et haute tension, car la tenue diélectrique de l'air est trop faible et sa constante de temps de désionisation trop importante pour assurer une tension de rétablissement, et l'arc ge rallume après chaque passage par zéro-du courant à couper.
On a donc songé à utiliser le gaz SF6 dont la tenue diélectrique élevée et la constante de temps de désionisation faible peuvent permettre d'assurer un rètablissement facile de la tension après coupure.
Une difficulté de mige en oeuvre de SF6 résulte toutefois du fait que les tensions d'arc dans le SF6 sont très inférieures aux tensions d~arc dans l'air et qu'il est difficile et industrielle-

- 2 _ 2007397 ment imposqible de créer, en moyenne et haute ten~ion, une tenqion drarc ~uffiqante dan3 le SF6 par simple étirement de l'arc.
Cette difficulté est résolue par l'invention en fractionnant sur des plaques métalliques l'arc initial en un nombre trè~ élevé
d'arc~ élémentaireq. La tension d~arc de chaque arc.élémentaire e~t due aux chute~ de tension des racine~ de 1'arc et eqt comprise entre 20 et 40 Volts suivant la nature du métal On connalt, par le document US-A-3 72~ 503, un disjoncteur dans lequel l'arc est fractionné au moyen de plaques métalliques disposées parallèlement entre elles et séparées par des espaceurs décalés alternativement, de manière ~ donner à l'arc un chemin sinueux.
Cette solution ne permet pas de d'étirer l'arc suffisamment lorsque le milieu isolant est un gaz diélectrique.
Un but de l'invention est de donner à l'arc un chemin en forme de soléno~de dont l'auto-expansion permettra d'allonger l'arc suffisamment pour assurer une coupure.
L'invention a pour objet un disjoncteur à moyenne ou haute tension comprenant, dans une enveloppe remplie de gaz di~lectrique tel que le SF6, sous pression, un contact principal fixe (2) et un contact mobile (3), ainsi qu'un contact fixe d'arc (6) et un contact mobile d'arc (7) entre lesquels s'établit un arc lors de leur séparation, comprenant, pour fractionner l'arc en arcs élémentaires, une pluralité de compartiments adjacents (g) comportant chacun une pluralité de plaques métalliques (12) parallèles entre elles et parall~les ~ la ligne passant par les contacts, lesdits compartiments étant ouverts sur la zone d'arc, caract~risé en ce que la cloison commune ~ deux compartiments adjacents est . équipée d'une électrode métallique (13) dont une partie chevauche ladite cloison et ayant deux ailes (13B, 13C) 8 1 ~tendant dan~ chacun des compartiments adjacents, lesdites ailes étant planes, leur plan étant perpendiculaire au plan des plaques du compartiment où elles se trouvent, lesdites ailes faisant entre elles un angle voisin de 90 degrés.
Selon une caractéristique de l'invention, le~ disjoncteur comprend:pour une tension nominale égale à 12 kV, entre 300 et 900 plaques, pour une tension nominale égale ~ 24 kV, entre 600 et 1400 plaques, pour une tension nominale égale à 36 kV, entre 900 et 1800 plaques.
De pr~f~rence, les plaques sont en matériau magnétique.
Avantageusement, les plaques ont une épaisseur comprise entre 0,8 et 2 mm et sont distantes d'une longueur comprise entre 0,8 et 1,5 mm.
L'invention sera bien comprise par la description ci-après d'un mode préféré de réalisation de l'invention, en ré~érence au dessin annexé dans lequel: -- la figure 1 est une vue schématique en perspective de la partie active d'un disjoncteur selon l'invention.
- la figure 2 est une v,ue en coupe transversale de la chambre de coupure du dis~oncteur.
- la figure 3A et 3B représentent respectivement de face et de côté une électrode reliant deux compartiments de la chambre.
- la figure 4 est un schéma illustrant le déplacement de l'arc au cours d'une manoeuvre de coupure.
- la figure 5 est une vue en coupe longitudinale.
- la figure 6 est une vue schématique de la partie centrale d'un dis~oncteur limiteur selon le principe de l'invention.
- la figure 7 est une vue schématique en coupe du disjoncteur limiteur de la figure 6.
2007~97 - 3a -Dan~ la figure 1, on distingue l'intérieur d'un di~oncteur en vue qchématique.
L'enveloppe extérieure du di~oncteur n'a pa~ été repré~entée.
Cette enveloppe est remplie de gaz diélectrique tel que l'héxafluoru-re de qoufre~ 90u8 une pre~sion de quelque~ bars.
Le dis~oncteur comprend un circuit de courant permanent et un circuit de coupure.
Le circuit de courant permanent comprend des traver~ées 1 et 5 amenant le courant à travers l'enveloppe (non représentée), un contaot fixe supérieur 2 formé d'un profilé ¢onducteur et un contact fixe inférieur 4 formé d'un profilé conducteur. De~
couteaux mobiles 3 autour d'un axe 10 sont entraînés en rotation par un dispositif connu, tel que bielle-manivelle, non représenté.
Les couteaux sont associés à des moyens non représentés, de type connu, pour assurer une pression de contact ~uffisante.
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~ .

- une corne d'amorçage d~arc fixe 6 terminée par un plot de contact 6A en matériau à haut point de fusion tel qu'un alliage de tungstène, - deux couteaux de coupure 7 protégés par une pastille 7A en matériau à haut point de fusion ; ces couteaux, articulés autour de l'axe 10, sont entraînés simultanément avec les couteaux 3.
Ils sont légèrement décalés angulairement de telle sorte que la séparation des contacts 7 et 6 s'effectue avec un retard par rapport à la séparation des contacts 2 et 3.
- Une corne d'amorçage 8 protégée par une pastille 8A.
- Une chambre de coupure 9.
La chambre de coupure est décrite en regard des figures 1 (perspective), 2 (coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe 10) et 5 (coupe transversale).
La chambre de coupure comprend un boitier 11 en matière plastique.
Ce boitier comprend des cloisons 11A séparant la chambre en divers compartimentq. Ce boitier peut être :
- soit réalisé en une seule pièce, - soit constitué d'un empilage de pièces identiques si cette construction facilite le montage des pièces internes.
Ce boitier porte à sa partie supérieure des trous 15 d'éva-cuation des gaz dégagés par l'arc.
A l'intérieur de chacun des compartiments est placée une pluralité de plaques métalliques 12, disposées parallèlement entre elle~ et parallèlement à la ligne passant par les contacts.
Les plaques métalliques 12 ont une encoche 12a augmentant la vitesse de montée de l'arc en concentrant le champ magnétique du courant.
Elles sont en matériau magnétique d'une épaisseur comprise entre 0,8 et 2 mm et distantes d'une longueur de 0,8 à 1,5 mm.
Des électrodes 13 (~igure 3A, 3B) métalliques, comprennent une partie 13A en U venant chevaucher la cloison 11A séparant deux compartiments adjacents.
Ces électrodes comprennent deux ailes 13B et 13C, qui viennent _ - 5 - ~07397 se placer respectivement dans l'un ou l'autre des compartiments voisins.
Les ailes font entre elles un angle voisin de 90 degrés.
Les ailes sont planes et leur plan est perpendiculaire à celui des plaques de leur compartiment respectif.
Des cloisons en céramique réfractaire 14 à l'arc peuvent être éventuellement montées pour les disjoncteurs de grande puissance pour protéger le boitier 11.
Une manoeuvre d'ouverture s'effectue de la façon suivante :
sous l'action d'un méc~n; ~ extérieur les couteaux 3 pivotent et se séparent du contact fixe 2 ; le courant passe alors dans le plot 6 et le couteau 7.
En continuant sa course de pivotement le couteau 7 se sépare du plot 6.
L'arc s'amorce en a1 (figure 4) sur les éléments 6a, 7a. Sous l'action du champ magnétique créé par la boucle de courant l'arc - se déplace en a2 et s'amorce sur les cornes 6 et 8.
Des dispositifs connu~ tels que des bobines de soufflage (non représentées) parcourues par le courant de court-circuit, ou des tôles magnétiques telles qu 8b placées autour des électrodes 6 et 8, peuvent être mis en oeuvre pour augmenter le champ magnétique ~g;ss~nt sur l'arc.
Celui_ci s'étire et vient en a3 à l'entrée de la chambre de coupure.
Sur les électrodes intercloisons 13 il se divise en arcs élémentaires a4.
Chacune des racines de l'arc a4 se déplace sur une électrode 13. L'arc a4 s'allonge et pivote de 90~ créant avec les deux cornes de~ électrodes 13 une nouvelle boucle de courant. Chacun des arcs a4 ~e déplaçant de façon identique l~ensemble des boucles de courant mis en série crée un solénoide.
Le champ magnétique produit par ce soléno~de force les arcs a4 à s'insérer dans les plaques métalliques 12, chaque arc a4 se subdivise en un grand nombre d'arcs entrainant un brusque accroisse-ment de la tension d'arc, la limitation du courant de coupure, et l'extinction du courant.

L'arc est stabilisé à l'intérieur des plaques du fait :
. De la faible distance entre les plaques métalliques 12.
. Du matelas de gaz créé en haut de chaque compartiment de la chambre 9 par l'énergie fournie par l'arc lui-même.
La décompression s'effectue à l'aide de trous calibrés 15.
Eventuellement la partie supérieure des plaques peut être rendue isolante empêchant le déplacement des racines de l'arc soit par un dépôt de matière isolante plastique, soit par un dépôt de céramique (alumine par exemple).
L'ensemble des couteaux 3 et 7 continue sa rotation et arrive en position disjoncteur ouvert nécessaire à la tenue de la tension.
Pour la fermeture, le couteau 7 vient en contact avec 6 assurant l'établissement du courant sur les éléments 6a 7a ;
les couteaux 3 arrivent ensuite en contact sur 2.
Il est possible de réaliser selon le principe décrit ci-dessus un disjoncteur limiteur, à haute ou moyenne tension, limitant la crête de courant de court-circuit à des valeurs équivalentes ou inférieures à celles obtenues avec des fusibles limiteurs.
Un tel disjoncteur limiteur est représenté, sans son enveloppe remplie de gaz diélectrique, dans la figure 6.
Le contact mobile décrit précédemment est remplacé par un contact de type répulsif ; les autres éléments du disjoncteur : les traversée 1 et 5, les contacts 6 et 4, la chambre de coupure 9 avec l'électrode 8, la tr~n! ;ssion mécanique et l'enveloppe, sont inchangés.
Ce contact mobile répulsif comprend :
- un contact 15 fixé sur le contact 2 et présentant une partie rectiligne 15a ;
- un porte-contact 19 en matière isolante moulé, entrainé en rotation autour de l'axe 10 par une bielle 20 ;
- un contact 16, situé dans le porte-contact 19, et mobile autour d'un axe 22, il est relié au contact 4 par une tresse déformable 18.
- un re~sort 17 prenant appui ~ur les éléments 19 et 16 et donnant une pression de contact suffisante pour le passage du couvrant permanent.
Des plaques magnétiques 21 sont fixées sur le porte-contact 19.
Elles ont pour but d'augmenter le champ magnétique sur le contact 16 pour accroitre l'effort de répulsion. Lors de l'apparition d'un courant de court-circuit d'intensité importante des forces électrody-namiques très importantes apparaissent entre le doigt 16 et le contact 15.
Le doigt 16 est violemment repoussé.
L'arc apparaissant entre 15 et 16 commute de manière quasi instantanée sur les électrodes 6 et 8. Le reste du processus de coupure se déroule alors conformément à ce qui a été décrit précédemment.
La figure 7 montre en coupe le disjoncteur limiteur dans son ensemble avec son enveloppe isolante 30.
Des tores basse tension 23 (figure 7) situés sur les traversées de l'enveloppe ont enregistré la brusque variation du courant, et par l'intermédiaire d'un relais électronique 24 et d'un percuteur à bas niveau d'énergie 25 (éléments connus) ont donné un ordre d~ouverture à la commande 26. Celle-ci entraîne, par l'arbre 31, la manivelle 32 et la bielle 20, les doigts 16 ainsi que les portes-contacts 19 en position d'ouverture avant que le doigt 16 sous l'action du ressort 17 revienne en contact de l'élément 15.
Le doigt 16 vient en arrêt sur une butée 19a solidaire du porte-contact 19.
L'ensemble du disjoncteur, des tores basse tension, du relais électronique et de la commande, constituent un ensemble de protection autonome. Le relais électronique permet également de détecter les courant~ de défaut intermédiaires, et de créer une image thermique de l'appareil à protéger.
Cet ensemble est donc particulièrement bien adapté à la protection des transformateurs moyenne tension de distribution publique, et à la protection des moteurs de forte puissance.
La figure 8 représente en coupe transversale la chambre de coupure d'un disjoncteur qelon une variante de réalisation de l'invention.
20~7397 Cette variante s'applique plus particullèrement aux disjonc-teurs de faible intensité nominale tel que :
- les disjoncteurs utilisés pour la commande et la protection des moteurs pour des tensions inférieures à 12 kV et des intensités no~1n~les inférieures à 250 A, fonction assurée actuellement par des associations contacteurs plus fusibles, - les dis~oncteurs utilisés pour la commande et la protection des transformateurs de distribution publique pour des tensions inférieures à 36 kV et des courants nominaux inférieurs à 150 A, fonction as~urée actuellement par des a~sociations interrupteurs plus fusibles.
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Claims (7)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendi-qué, sont définies comme il suit:

1/ Disjoncteur à moyenne ou haute tension comprenant, dans une enveloppe remplie de gaz diélectrique tel que le SF6, sous pression, un contact principal fixe (2) et un contact mobile (3), ainsi qu'un contact fixe d'arc (6) et un contact mobile d'arc (7) entre lesquels s'établit un arc lors de leur séparation, comprenant, pour fractionner l'arc en arcs élémentaires, une pluralité de compartiments adjacents (9) comportant chacun une pluralité de plaques métalliques (12) parallèles entre elles et parallèles à la ligne passant par les contacts, lesdits compartiments étant ouverts sur la zone d'arc, caractérisé en ce que la cloison commune à deux compartiments adjacents est équipée d'une électrode métallique (13) dont une partie chevauche ladite cloison et ayant deux ailes (13B, 13C) s'étendant dans chacun des compartiments adjacents, lesdites ailes étant planes, leur plan étant perpendiculaire au plan des plaques du compartiment où elles se trouvent, lesdites ailes faisant entre elles un angle voisin de 90 degrés.

2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disjoncteur a une tension nominale égale à 12 kV et que le nombre de plaques (12) est compris entree 300 et 900.

3/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disjoncteur a une tension nominale égale à 24 kV et que le nombre de plaques (12) est compris entre 600 et 1400.

4/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disjoncteur a une tension nominale égale à 36 kV et que le nombre de plaques (12) est compris entre 900 et 1800.

5/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques (12) sont en matériau magnétique.

6/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques (12) ont une épaisseur comprise entre 0,8 et 2 mm.

7/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques (12) sont distantes d'une longueur comprise entre 0,8 et 1,5 mm.