EP0378161B1 - Disjoncteur à haute ou moyenne tension - Google Patents

Disjoncteur à haute ou moyenne tension Download PDF

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EP0378161B1
EP0378161B1 EP90100360A EP90100360A EP0378161B1 EP 0378161 B1 EP0378161 B1 EP 0378161B1 EP 90100360 A EP90100360 A EP 90100360A EP 90100360 A EP90100360 A EP 90100360A EP 0378161 B1 EP0378161 B1 EP 0378161B1
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EP
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circuit breaker
arc
plates
contact
range
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EP90100360A
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Jean Maineult
Raymond Pluveau
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Alstom Holdings SA
Original Assignee
GEC Alsthom SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/08—Stationary parts for restricting or subdividing the arc, e.g. barrier plate
    • H01H33/10—Metal parts

Definitions

  • the present invention relates to a high or medium voltage circuit breaker.
  • the breaking of medium and high voltage currents is commonly done by means of circuit breakers in which the breaking chamber is filled with dielectric gas such as sulfur hexafluoride (SF6).
  • dielectric gas such as sulfur hexafluoride (SF6).
  • circuit breakers are expensive to build because they must include means for compressing the blowing gas and means for storing sometimes significant control energy.
  • An object of the invention is to provide a circuit breaker which does not require a gas compression device and whose operating energy is very low.
  • the breaking principle used in the circuit breaker of the invention consists in creating an arc voltage greater than the network voltage.
  • the principle is used in low voltage with cut-off chambers in the air. However, this principle is not directly applicable in medium and high voltage, since the dielectric strength of the air is too low and its deionization time constant too high to ensure a recovery voltage, and the arc is rekindled after each zero crossing of the current to be cut.
  • a difficulty in implementing SF6 results from the fact that the arc voltages in SF6 are much lower than the arc voltages in air and that it is difficult and industrially impossible to create, in medium and high voltage, a sufficient arc voltage in SF6 by simple stretching of the arc.
  • This difficulty is resolved by the invention by splitting the initial arc on metal plates into a very high number of elementary arcs.
  • the arc voltage of each elementary arc is due to voltage drops from the roots of the arc and is between 20 and 40 Volts depending on the nature of the metal
  • This solution does not allow the arc to be stretched sufficiently when the insulating medium is a dielectric gas.
  • An object of the invention is to give the arc a path in the form of a solenoid whose self-expansion will make it possible to lengthen the arc sufficiently to ensure a cut.
  • the outer casing of the circuit breaker has not been shown.
  • This envelope is filled with dielectric gas such as sulfur hexafluoride, under a pressure of a few bars.
  • the circuit breaker includes a permanent current circuit and a cut-off circuit.
  • the permanent current circuit comprises bushings 1 and 5 bringing the current through the casing (not shown), an upper fixed contact 2 formed by a conductive profile and a lower fixed contact 4 formed by a conductive profile. Movable knives 3 around an axis 10 are rotated by a known device, such as crank-rod, not shown.
  • the knives are associated with means, not shown, of known type, to ensure sufficient contact pressure.
  • the breaking chamber is described with reference to FIGS. 1 (perspective), 2 (section along a plane perpendicular to the axis 10) and 5 (cross section).
  • the breaking chamber comprises a housing 11 made of plastic.
  • This housing has at its upper part 15 holes for discharging gases released by the arc.
  • each of the compartments is placed a plurality of metal plates 12, arranged parallel to each other and parallel to the line passing through the contacts.
  • the metal plates 12 have a notch 12a increasing the speed of rise of the arc by concentrating the magnetic field of the current.
  • They are made of magnetic material with a thickness between 0.8 and 2 mm and distant from a length of 0.8 to 1.5 mm.
  • Metal electrodes 13 include a part 13A in a U coming to overlap the partition 11A separating two adjacent compartments.
  • These electrodes include two wings 13B and 13C, which come place themselves respectively in one or other of the neighboring compartments.
  • the wings form an angle close to 90 degrees between them.
  • the wings are flat and their plane is perpendicular to that of the plates of their respective compartment.
  • Arc refractory ceramic partitions 14 can optionally be fitted for high power circuit breakers to protect the housing 11.
  • An opening operation is carried out as follows: under the action of an external mechanism the knives 3 pivot and separate from the fixed contact 2; the current then flows through the stud 6 and the knife 7. By continuing its pivoting stroke the knife 7 separates from the stud 6.
  • the arc starts in A1 ( Figure 4) on elements 6a, 7a.
  • Known devices such as blow coils (not shown) traversed by the short-circuit current, or magnetic sheets such as 8B placed around the electrodes 6 and 8, can be used to increase the magnetic field acting on the 'bow. This stretches and comes in A3 at the entrance to the switching chamber.
  • each of the roots of the arc A4 moves on an electrode 13.
  • the arc A4 lengthens and pivots by 90 ° creating with the two horns of the electrodes 13 a new current loop.
  • the magnetic field produced by this solenoid forces the arcs A4 to be inserted in the metal plates 12, each arc A4 is subdivided into a large number of arcs resulting in a sudden increase in the arc voltage, the limitation of the breaking current , and switching off the current.
  • the decompression is carried out using calibrated holes 15.
  • the upper part of the plates can be made insulating preventing the displacement of the roots of the arc either by a deposit of plastic insulating material, or by a deposit of ceramic (alumina for example).
  • the set of knives 3 and 7 continues its rotation and arrives in the open circuit breaker position necessary to withstand the voltage.
  • the knife 7 comes into contact with 6 ensuring the establishment of the current on the elements 6A, 7A; the knives 3 then come into contact on 2.
  • Such a limiting circuit breaker is shown, without its casing filled with dielectric gas, in FIG. 6.
  • Magnetic plates 21 are fixed on the contact carrier 19. Their purpose is to increase the magnetic field on the contact 16 to increase the repulsion force. When a short-circuit current of high intensity appears, very large electrodynamic forces appear between finger 16 and contact 15.
  • Finger 16 is violently pushed back.
  • FIG. 7 shows in section the limiting circuit breaker as a whole with its insulating envelope 30.
  • Low-voltage toroids 23 located on the bushings of the envelope recorded the sudden change in current, and by means of an electronic relay 24 and a low energy striker 25 (elements known) gave an order to open the command 26.
  • This drives, by the shaft 31, the crank 32 and the connecting rod 20, the fingers 16 and the contact carriers 19 in the open position before the finger 16 under the action of the spring 17 returns in contact with the element 15.
  • the finger 16 comes to a stop on a stop 19A secured to the contact carrier 19.
  • the circuit breaker assembly, low voltage toroids, electronic relay and control constitute an autonomous protection assembly.
  • the electronic relay also makes it possible to detect intermediate fault currents, and to create a thermal image of the device to be protected.
  • This set is therefore particularly well suited to the protection of medium voltage transformers for public distribution, and to the protection of high power motors.
  • Figure 8 shows in cross section the breaking chamber of a circuit breaker according to an alternative embodiment of the invention.

Landscapes

  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Circuit Breakers (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Description

  • 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 comprimé ; ceci assure son extinction au moment du passage par zéro du 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'invention, consiste à créer une tension d'arc supérieure à la tension du 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 se 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 rétablissement facile de la tension après coupure.
  • Une difficulté de mise 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 industriellement impossible de créer, en moyenne et haute tension, une tension d'arc suffisante dans 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 très élevé d'arcs élémentaires. La tension d'arc de chaque arc élémentaire est due aux chutes de tension des racines de l'arc et est comprise entre 20 et 40 Volts suivant la nature du métal
  • On connaît, par le document US-A-3 728 503, 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 à 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 solénoïde dont l'auto-expansion permettra d'allonger l'arc suffisamment pour assurer une coupure.
  • Ce but est atteint selon l'invention par le disjoncteur tel que défini par la revendication principale. En ce qui concerne des caractéristiques d'une mise en oeuvre préférée référence est faite aux revendications secondaires.
  • L'invention sera bien comprise par la description ci-après d'un mode préféré de réalisation de l'invention, en référence 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 vue en coupe transversale de la chambre de coupure du disjoncteur.
    • 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 disjoncteur limiteur selon le principe de l'invention.
    • la figure 7 est une vue schématique en coupe du disjoncteur limiteur de la figure 6.
  • Dans la figure 1, on distingue l'intérieur d'un disjoncteur en vue schématique.
  • L'enveloppe extérieure du disjoncteur n'a pas été représentée. Cette enveloppe est remplie de gaz diélectrique tel que l'héxafluorure de soufre, sous une pression de quelques bars.
  • Le disjoncteur comprend un circuit de courant permanent et un circuit de coupure.
  • Le circuit de courant permanent comprend des traversées 1 et 5 amenant le courant à travers l'enveloppe (non représentée), un contact fixe supérieur 2 formé d'un profilé conducteur et un contact fixe inférieur 4 formé d'un profilé conducteur. Des 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 suffisante.
  • Le circuit de coupure comprend :
    • 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 boîtier 11 en matière plastique.
  • Ce boîtier comprend des cloisons 11A séparant la chambre en divers compartiments. Ce boîtier 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 boîtier porte à sa partie supérieure des trous 15 d'évacuation des gaz dégagés par l'arc.
  • A l'intérieur de chacun des compartiments est placée une pluralité de plaques métalliques 12, disposées parallèlement entre elles 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 (figure 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 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 boîtier 11.
  • Une manoeuvre d'ouverture s'effectue de la façon suivante : sous l'action d'un mécanisme 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 connus tels que des bobines de soufflage (non représentées) parcourues par le courant de court-circuit, ou des tôles magnétiques telles que 8B placées autour des électrodes 6 et 8, peuvent être mis en oeuvre pour augmenter le champ magnétique agissant 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 des électrodes 13 une nouvelle boucle de courant. Chacun des arcs A4 se déplaçant de façon identique l'ensemble des boucles de courant mis en série crée un solénoïde.
    Le champ magnétique produit par ce solénoïde force les arcs A4 à s'insérer dans les plaques métalliques 12, chaque arc A4 se subdivise en un grand nombre d'arcs entraînant un brusque accroissement 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 transmission 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, entraîné 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 ressort 17 prenant appui sur les éléments 19 et 16 et donnant une pression de contact suffisante pour le passage du courant 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 accroître l'effort de répulsion. Lors de l'apparition d'un courant de court-circuit d'intensité importante des forces électrodynamiques 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 courants 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 selon une variante de réalisation de l'invention.
  • Cette variante s'applique plus particulièrement aux disjoncteurs 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 nominales inférieures à 250 A, fonction assurée actuellement par des associations contacteurs plus fusibles,
    • les disjoncteurs 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 assurée actuellement par des associations interrupteurs plus fusibles.

Claims (7)

  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 l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les plaques (12) sont en matériau magnétique.
  6. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les plaques (12) ont une épaisseur comprise entre 0,8 et 2 mm.
  7. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les plaques (12) sont distantes d'une longueur comprise entre 0,8 et 1,5 mm.
EP90100360A 1989-01-10 1990-01-09 Disjoncteur à haute ou moyenne tension Expired - Lifetime EP0378161B1 (fr)

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FR8900215A FR2641643B1 (fr) 1989-01-10 1989-01-10 Disjoncteur a haute ou moyenne tension

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Publication Number Publication Date
EP0378161A1 EP0378161A1 (fr) 1990-07-18
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US (1) US5066839A (fr)
EP (1) EP0378161B1 (fr)
JP (1) JP2611019B2 (fr)
AT (1) ATE106160T1 (fr)
CA (1) CA2007397C (fr)
DE (1) DE69009070T2 (fr)
DK (1) DK0378161T3 (fr)
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