EP0932176B1 - Chambre de coupure pour disjoncteur à auto-expansion et arc tournant - Google Patents

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EP0932176B1
EP0932176B1 EP19980410148 EP98410148A EP0932176B1 EP 0932176 B1 EP0932176 B1 EP 0932176B1 EP 19980410148 EP19980410148 EP 19980410148 EP 98410148 A EP98410148 A EP 98410148A EP 0932176 B1 EP0932176 B1 EP 0932176B1
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EP
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contact
coil
arc
extinguishing chamber
chamber according
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EP19980410148
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Denis Raphard
Dominique Serve
Philippe Marechal
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Schneider Electric Industries SAS
Original Assignee
Schneider Electric Industries SAS
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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
    • H01H33/18—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet
    • H01H33/185—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet using magnetisable elements associated with the contacts
    • 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
    • H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/98—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being initiated by an auxiliary arc or a section of the arc, without any moving parts for producing or increasing the flow
    • H01H33/982—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being initiated by an auxiliary arc or a section of the arc, without any moving parts for producing or increasing the flow in which the pressure-generating arc is rotated by a magnetic field

Definitions

  • the passage of the nominal current is generally effected in a main circuit provided with fixed and movable main contacts which separate before the opening of the arcing contacts, and which close after closing. Arc contacts.
  • the main circuit is formed by a circuit independent of the arc circuit, and is arranged either coaxially around the coil, or shifted laterally with respect to the arc circuit (in particular described in document EP-A-768692).
  • the complex architecture of such a breaker circuit breaker chamber is not suitable for a station requiring a small footprint.
  • the object of the invention is to provide an improved breaking chamber for a self-expansion circuit breaker that can be housed in a compact station.
  • the electrode is made from a cupro-tungsten alloy, and the segment is made of steel.
  • the electrode and the segment of each contact finger are separated from the contact track by an axial gap of small thickness, allowing the switching of the arc for the excitation of the coil when the moving contact separates from the electrode .
  • Each contact finger is provided with a posterior rim mounted to latch onto a centering member of a current conducting conductive pad.
  • the coil is connected to the stud by copper support arms constituting spacers separated from the contact fingers by insulating pads.
  • a spring shaped curved blade is inserted between each insulating plate and the corresponding contact finger.
  • a breaking chamber 10 for a pole of a self-expanding type high-voltage circuit breaker comprises an envelope 12 made of insulating material and filled with a gas with a high dielectric strength, in particular hexafluoride. sulfur SF6.
  • the internal volume of the interrupting chamber 10 encloses a movable tubular contact 14 cooperating with a fixed contact device 16 associated with an electromagnetic coil 18 for rotating the arc.
  • the movable contact 14 is disposed at the end of an elongate tube of conductive material, which is slidable sealingly through one of the bottoms 22 of the insulating jacket 12.
  • the outer end of the tube 20 is coupled to a mechanism control unit (not shown) for moving the movable contact 14 between a closed position ( Figure 1) and an open position ( Figure 2).
  • the fixed contact device 16 is extended by a conductive pad 24 of cylindrical shape passing through the opposite bottom 26 in the longitudinal direction of the casing 12, and connected externally to a connection pad 28 of the pole.
  • the hollow tube allows the communication of the breaking chamber 10 with the external volume of the casing 12 as soon as the contacts 14, 16 are separated to allow the gas to self-expand.
  • the insulating jacket 12 is formed by the abutment of two half-shells 12A, 12B each made by molding from a polymer resin, having a good mechanical and thermal resistance.
  • the electronic coil 18 used for extinguishing the arc comprises an axial stack of conductive copper windings 18A contiguous to one another and electrically connected in series by means of fixing 30 with interposition of inserts 18B insulating material.
  • the front face 31 of the coil 18 is provided with a track 32 of migration of the arc, said ring-shaped track 32 having an internal diameter slightly greater than the diameter of the movable contact 14.
  • the posterior coil 33 opposite the the end face 31 is connected to the conductive pad 24 by support arms 34 constituting copper spacers, which are separated from the fixed internal contact device 16 by insulating plates 36.
  • Two washers 38, 40 of steel are fixed by screws 30 on the rear face of the coil 18, after interposition of insulating washers 41.
  • the fixed contact device 16 of the self-expansion circuit breaker comprises three contact pins 42 in the form of circular sectors distributed circumferentially to form a cylindrical hollow contact.
  • the internal diameter of this hollow contact substantially corresponds to the outside diameter of the movable contact 14, so as to allow telescopic sliding, respectively at the beginning of the opening stroke, and at the end of the closing stroke of the movable contact 14.
  • Each contact pin 42 is associated with a spring 44 in the form of a curved blade, whose convex face bears against the insulating plate of the corresponding support arm 34.
  • the centering of the three contact fingers 42 with respect to the longitudinal axis of the fixed contact device 16 is effected by means of flanges 46 provided at the rear of the contact fingers 42, and mounted to hook on a centering shoulder 48 of the plot 24.
  • the coil 18 coaxially surrounds the fixed contact device 16 with a small annular clearance, the premounted assembly forming a cantilevered module fixed to the bottom 26 by means of a nut 50 accessible from outside the envelope 12.
  • each contact finger 42 is made of a composite metal structure formed by different materials assembled by soldering.
  • the main body 52 of the contact finger 42 is made of copper, and is shaped in a cylindrical sector for the passage of the permanent current when the movable contact 14 is in the closed position.
  • a cupro-tungsten electrode 54 is brazed to the front portion of the body 52 located opposite the flange 46 of attachment. This notch 54 fulfills the fixed arc contact function for the protection of the fixed contact device 16 against the effects of the arc.
  • the internal cylindrical portion of the body 52 is connected to the electrode 54 by a curved intermediate portion 56 facilitating the introduction of the movable contact 14 during the closing phase of the circuit breaker.
  • a segment 58 made of steel, or other ferromagnetic material, is brazed on the periphery of the electrode 54 and the body 52 to ensure the guidance of the arc and a good distribution of the magnetic field generated. by the coil 18 when switching the arc on the track 32.
  • the axial length of the segment 58 is greater than that of the electrode 54, and extends to the vicinity of the cylindrical portion of the body 52.
  • the movable contact 14 is inserted inside the fixed contact device 16, and is in engagement with the copper body 52 for the passage of the permanent current, which may have a nominal intensity. of 630 A.
  • the contact pressure is exerted by the springs 44 on the contact fingers 42, and the coil 18 is out of service, since the entire current passes through the stud 24, the contact fingers 42, and the contact movable 14 of the tube 20.
  • the necking forces make it possible to obtain a compensation effect on the contacts to keep them closed.
  • the control mechanism causes the tube 20 to slide upwards and the mobile contact 14 to be withdrawn in the direction of the electrode 32.
  • An arc arises as soon as the movable contact 14 separates from the electrode 54, which is separated from the track 32 by a small axial gap.
  • the migration of the arc on the track 32 then causes the passage of the current in the coil 18 and the support arms 34, with formation of a magnetic field causing the rapid rotation of the arc around the track 32.
  • the fingers of contacts 42 are then out of current.
  • the heating of the arc causes the SF6 gas to rise within the envelope 12, followed by a gas flow through the tube 20 to the expansion volume of the vessel (not shown).
  • the extinction of the arc occurs as soon as the arc is sufficiently cooled by the gas flow ( Figure 2).
  • the combined operation of the fixed contact device 16 in main contact and in arcing contact, in the internal dimensions of the coil 18, provides a very compact breaking chamber 10, and a reduced manufacturing cost.

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  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Description

  • L'invention est relative à une chambre de coupure pour un disjoncteur à haute tension, ladite chambre étant isolé par un gaz à rigidité diélectrique élevée, et équipé d'un dispositif d'extinction d'arc par auto-expansion du gaz, ladite chambre comprenant :
    • une enveloppe en matériau isolant renfermant un dispositif de contact fixe coopérant avec un contact mobile agencé à l'extrémité d'un tube conducteur, lequel traverse à coulissement l'un des fonds de l'enveloppe en se déplaçant entre une position de fermeture et une position d'ouverture des contacts,
    • une bobine électromagnétique pour la mise en rotation de l'arc sur la piste de contact située sur la face frontale de la bobine, ladite bobine étant solidarisée au dispositif de contact fixe pour constituer un module en porte-à-faux sur le fond opposé de l'enveloppe,
    • des moyens de communication de la chambre avec le volume extérieur de l'enveloppe lors de l'autoexpansion du gaz après séparation des contacts,
    • le dispositif de contact fixe étant entouré coaxialement par la bobine cylindrique, et comportant une pluralité de doigts de contact répartis circonférentiellement pour délimiter un espace creux de réception du contact mobile.
  • Dans les chambres de coupure connues du genre mentionné, le passage du courant nominal s'effectue généralement dans un circuit principal muni de contacts principaux fixes et mobiles qui se séparent avant l'ouverture des contacts d'arc, et qui se ferment après la fermeture des contacts d'arc. Le circuit principal est réalisé par un circuit indépendant du circuit d'arc, et est disposé soit coaxialement autour de la bobine, soit décalé latéralement par rapport au circuit d'arc (notamment décrit dans le document EP-A-768692). L'architecture complexe d'une telle chambre de coupure du disjoncteur n'est pas adaptée à un poste nécessitant un encombrement réduit.
  • Dans le disjoncteur du document US-A-4431886, la bobine est excitée en permanence par le courant nominal lorsque les contacts sont fermés.
  • L'objet de l'invention consiste à réaliser une chambre de coupure perfectionnée pour un disjoncteur à autoexpansion pouvant être logé dans un poste compact.
  • La chambre de coupure selon l'invention est caractérisée en ce que chaque doigt de contact comprend une structure métallique composite ayant :
    • un corps principal en cuivre conformé selon un secteur cylindrique pour le passage du courant permanent en position de fermeture du contact mobile,
    • une électrode en matériau conducteur réfractaire, brasée à l'extrémité antérieure du corps, pour constituer un contact d'arc fixe disposé au voisinage de la piste de rotation de l'arc,
    • et un segment en matériau ferromagnétique brasé sur la périphérie de l'électrode et d'une partie du corps, ledit segment se trouvant à l'intérieur de la bobine pour obtenir un guidage optimum de l'arc sur la piste.
  • Le fonctionnement combiné de la structure composite du dispositif de contact fixe en contact principal et en contact d'arc dans l'encombrement interne de la bobine permet d'obtenir une chambre de coupure à encombrement réduit.
  • Selon un mode de réalisation préférentiel, l'électrode est réalisée à base d'un alliage en cupro-tungstène, et le segment est réalisé en acier. L'électrode et le segment de chaque doigt de contact sont séparés de la piste de contact par un intervalle axial de faible épaisseur, permettant la commutation de l'arc pour l'excitation de la bobine lorsque le contact mobile se sépare de l'électrode. Chaque doigt de contact est doté d'un rebord postérieur monté à accrochage sur un organe centreur d'un plot conducteur d'amenée de courant.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la bobine est connectée au plot par des bras support en cuivre constituant des entretoises séparées des doigts de contact par des plaquettes isolantes. Un ressort en forme de lame incurvée, est inséré entre chaque plaquette isolante et le doigt de contact correspondant.
  • D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif et représenté aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue en coupe de la chambre de coupure selon l'invention, représentée en position de fermeture des contacts,
    • la figure 2 est une vue identique de la figure 1, respectivement lors de la séparation des contacts (traits en pointillés), et en position d'ouverture (traits forts);
    • la figure 3 est une vue en perspective du module prémonté de la bobine et du dispositif de contact fixe ;
    • la figure 4 montre une vue en élévation de la figure 3 ;
    • la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne 5-5 de la figure 4 ;
    • la figure 6 montre une vue en perspective d'un doigt de contact élémentaire du dispositif de contact fixe ;
    • la figure 7 est une vue de dessus d'un doigt de contact ;
    • la figure 8 montre une vue en coupe selon la ligne 8-8 de la figure 7 ;
    • la figure 9 est une vue en coupe selon la ligne 9-9 de la figure 7.
  • Sur les figures 1 et 2, une chambre de coupure 10 pour un pôle d'un disjoncteur à haute tension du type à autoexpansion, comporte une enveloppe 12 en matériau isolant, et remplie par un gaz à rigidité diélectrique élevée, notamment de l'hexafluorure de soufre SF6. Le volume interne de la chambre de coupure 10 renferme un contact mobile 14 tubulaire coopérant avec un dispositif de contact fixe 16 associé à une bobine électromagnétique 18 de mise en rotation de l'arc. Le contact mobile 14 est disposé à l'extrémité d'un tube 20 allongé en matériau conducteur, lequel est susceptible de coulisser à étanchéité à travers l'un des fonds 22 de l'enveloppe 12 isolante. L'extrémité externe du tube 20 est accouplée à un mécanisme de commande (non représenté) destiné à déplacer le contact mobile 14 entre une position de fermeture (figure 1) et une position d'ouverture (figure 2).
  • Le dispositif de contact fixe 16 est prolongé par un plot 24 conducteur de forme cylindrique traversant le fond opposé 26 selon la direction longitudinale de l'enveloppe 12, et raccordé à l'extérieur à une plage de raccordement 28 du pôle. Le tube 20 creux permet la mise en communication de la chambre de coupure 10 avec le volume extérieur de l'enveloppe 12 dès la séparation des contacts 14, 16 pour autoriser l'autoexpansion du gaz.
  • L'enveloppe 12 isolante est formée par l'aboutement de deux demi-coquilles 12A, 12B réalisées chacune par moulage à partir d'une résine polymère, ayant une bonne résistance mécanique et thermique.
  • En référence aux figures 3 à 5, la bobine électronique 18 utilisée pour l'extinction de l'arc comporte un empilement axial de spires conductrices 18A en cuivre accolées l'une contre l'autre, et reliées électriquement en série au moyen de vis de fixation 30 avec interposition d'intercalaires 18B en matière isolante. La face frontale 31 de la bobine 18 est dotée d'une piste 32 de migration de l'arc, ladite piste 32 de forme annulaire ayant un diamètre interne légèrement supérieur au diamètre du contact mobile 14. La spire postérieure 33 à l'opposé de la face frontale 31 est reliée au plot 24 conducteur par des bras support 34 constituant des entretoises en cuivre, lesquelles sont séparées du dispositif de contact fixe 16 interne par des plaquettes 36 isolantes. Deux rondelles 38, 40 en acier sont fixées par des vis 30 sur la face postérieure de la bobine 18, après interposition de rondelles isolantes 41.
  • Le dispositif de contact fixe 16 du disjoncteur à autoexpansion, comporte trois doigts de contact 42 en forme de secteurs circulaires, répartis circonférentiellement pour constituer un contact creux cylindrique. Le diamètre interne de ce contact creux correspond sensiblement au diamètre extérieur du contact mobile 14, de manière à autoriser un coulissement télescopique, respectivement au début de la course d'ouverture, et en fin de course de fermeture du contact mobile 14.
  • A chaque doigt de contact 42 est associé un ressort 44 en forme de lame incurvée, dont la face bombée prend appui sur la plaquette isolante du bras support 34 correspondant. Le centrage des trois doigts de contact 42 par rapport à l'axe longitudinal du dispositif de contact fixe 16 s'effectue au moyen de rebords 46 prévus à l'arrière des doigts de contact 42, et montés à accrochage sur un épaulement centreur 48 du plot 24.
  • La bobine 18 entoure coaxialement le dispositif de contact fixe 16 avec un faible jeu annulaire, l'ensemble prémonté formant un module en porte - à - faux fixé au fond 26 au moyen d'un écrou 50 accessible depuis l'extérieur de l'enveloppe 12.
  • La structure du dispositif de contact fixe 16 à l'intérieur de la bobine 18 est agencée pour lui conférer une double fonction de contact principal fixe pour le passage du courant permanent, et de contact d'arc fixe lors de la phase de séparation et de commutation du courant dans la bobine 18. Sur les figures 6 à 9, chaque doigt de contact 42 est réalisé en une structure métallique composite formée par différents matériaux assemblés par brasage. Le corps 52 principal du doigt de contact 42 est en cuivre, et est conformé selon un secteur cylindrique pour le passage du courant permanent lorsque le contact mobile 14 se trouve en position de fermeture. Une électrode 54 en cupro-tungstène est brasée à la partie antérieure du corps 52 situé à l'opposé du rebord 46 d'accrochage. Cette encoche 54 remplie la fonction de contact d'arc fixe pour la protection du dispositif de contact fixe 16 contre les effets de l'arc.
  • La partie cylindrique interne du corps 52 est reliée à l'électrode 54 par une partie intermédiaire 56 incurvée facilitant l'introduction du contact mobile 14 lors de la phase de fermeture du disjoncteur. Un segment 58 en acier, ou autre matériau ferromagnétique, est brasé sur la périphérie de l'électrode 54 et du corps 52 pour assurer le guidage de l'arc et une bonne répartition du champ magnétique engendré par la bobine 18 lors de la commutation de l'arc sur la piste 32. La longueur axiale du segment 58 est supérieure à celle de l'électrode 54, et se prolonge jusqu'au voisinage de la partie cylindrique du corps 52.
    Le fonctionnement de la chambre de coupure 10 selon l'invention est le suivant :
    Dans la position de fermeture (figure 1), le contact mobile 14 est inséré à l'intérieur du dispositif de contact fixe 16, et se trouve en engagement avec le corps 52 en cuivre pour le passage du courant permanent, pouvant avoir une intensité nominale de 630 A. La pression de contact est exercée par les ressorts 44 sur les doigts de contact 42, et la bobine 18 est hors service, étant donné que la totalité du courant traverse le plot 24, les doigts de contact 42, et le contact mobile 14 du tube 20. Les efforts de striction permettent d'obtenir un effet de compensation sur les contacts pour les maintenir fermés.
  • En cas d'apparition d'un courant de court-circuit, le mécanisme de commande provoque le coulissement du tube 20 vers le haut, et le retrait du contact mobile 14 en direction de l'électrode 32. Un arc prend naissance dès que le contact mobile 14 se sépare de l'électrode 54, laquelle se trouve séparée de la piste 32 par un faible intervalle axial. La migration de l'arc sur la piste 32 provoque ensuite le passage du courant dans la bobine 18 et les bras supports 34, avec formation d'un champ magnétique entraînant la rotation rapide de l'arc autour de la piste 32. Les doigts de contacts 42 sont alors hors courant.
  • L'échauffement de l'arc provoque la montée en pression du gaz SF6 à l'intérieur de l'enveloppe 12, suivi d'un écoulement gazeux à travers le tube 20 vers le volume d'expansion de la cuve (non représentée). L'extinction de l'arc se produit dès que l'arc est suffisamment refroidi par l'écoulement gazeux (figure 2).
  • Le fonctionnement combiné du dispositif de contact fixe 16 en contact principal et en contact d'arc, dans l'encombrement interne de la bobine 18, permet d'obtenir une chambre de coupure 10 très compacte, et d'un coût de fabrication réduit.

Claims (9)

  1. Chambre de coupure pour un disjoncteur à haute tension, ladite chambre étant isolé par un gaz à rigidité diélectrique élevée, et équipé d'un dispositif d'extinction d'arc par autoexpansion du gaz, ladite chambre comprenant :
    - une enveloppe (12) en matériau isolant renfermant un dispositif de contact fixe (16) coopérant avec un contact mobile 14 agencé à l'extrémité d'un tube (20) conducteur, lequel traverse à coulissement l'un des fonds (22) de l'enveloppe (12) en se déplaçant entre une position de fermeture et une position d'ouverture des contacts,
    - une bobine (18) électromagnétique pour la mise en rotation de l'arc sur la piste (32) de contact située sur la face frontale de la bobine (18), ladite bobine étant solidarisée au dispositif de contact fixe (16) pour constituer un module en porte-à-faux sur le fond opposé (26) de l'enveloppe (12),
    - des moyens de communication de la chambre (10) avec le volume extérieur de l'enveloppe (12) lors de l'autoexpansion du gaz après séparation des contacts,
    - le dispositif de contact fixe (16) étant entouré coaxialement par la bobine (18) cylindrique, et comportant une pluralité de doigts de contact (42) répartis circonférentiellement pour délimiter un espace creux de réception du contact mobile (14),

    caractérisée en ce que chaque doigt de contact (42) du dispositif de contact fixe (16) comprend une structure métallique composite ayant :
    - un corps (52) principal en cuivre conformé selon un secteur cylindrique pour le passage du courant permanent en position de fermeture du contact mobile (14),
    - une électrode (54) en matériau conducteur réfractaire, brasée à l'extrémité antérieure du corps (52), pour constituer un contact d'arc fixe disposé au voisinage de la piste (32) de rotation de l'arc,
    - et un segment (58) en matériau ferromagnétique brasé sur la périphérie de l'électrode (54) et d'une partie du corps (52), ledit segment se trouvant à l'intérieur de la bobine (18) pour obtenir un guidage optimum de l'arc sur la piste (32).
  2. Chambre de coupure selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode (54) est réalisée à base d'un alliage en cupro-tungstène.
  3. Chambre de coupure selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le segment (58) est réalisé en acier.
  4. Chambre de coupure selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode (54) et le segment (58) de chaque doigt de contact (42) sont séparés de la piste (32) de contact par un intervalle axial de faible épaisseur, permettant la commutation de l'arc pour l'excitation de la bobine (18) lorsque le contact mobile (14) se sépare de l'électrode (54).
  5. Chambre de coupure selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque doigt de contact (42) est doté d'un rebord (46) postérieur monté à accrochage sur un organe centreur (48) d'un plot conducteur (24) d'amenée de courant.
  6. Chambre de coupure selon la revendication 5, caractérisée en ce que la bobine (18) est connectée au plot (24) par des bras support (34) en cuivre constituant des entretoises séparées des doigts de contact (42) par des plaquettes (36) isolantes.
  7. Chambre de coupure selon la revendication 6, caractérisée en ce que un ressort (44) en forme de lame incurvée, est inséré entre chaque plaquette (36) isolante et le doigt de contact (42) correspondant.
  8. Chambre de coupure selon la revendication 6, caractérisée en ce que la bobine (18) est formée par l'empilement axial de spires (18A) conductrices isolées entre elles par des intercalaires (18B) isolants, et que la face postérieure de la bobine (18) à l'opposé de la piste (32) est équipée de rondelles (38, 40) en acier, l'ensemble étant maintenu par des vis de fixation (30).
  9. Chambre de coupure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de communication sont formés par le tube (20) creux du contact mobile (14).
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