EP1115132A1 - Pôle pour disjoncteur électrique, muni d'une chambre d'extinction d'arc à écrans diélectriques - Google Patents

Pôle pour disjoncteur électrique, muni d'une chambre d'extinction d'arc à écrans diélectriques Download PDF

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EP1115132A1
EP1115132A1 EP00410152A EP00410152A EP1115132A1 EP 1115132 A1 EP1115132 A1 EP 1115132A1 EP 00410152 A EP00410152 A EP 00410152A EP 00410152 A EP00410152 A EP 00410152A EP 1115132 A1 EP1115132 A1 EP 1115132A1
Authority
EP
European Patent Office
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contact
chamber
arc
horn
contact member
Prior art date
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EP00410152A
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German (de)
English (en)
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EP1115132B1 (fr
Inventor
Laurent Aureyre
Jeremy Dorn
Lucas Pellegrin
Marc Rival
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schneider Electric Industries SAS
Original Assignee
Schneider Electric Industries SAS
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/34—Stationary parts for restricting or subdividing the arc, e.g. barrier plate
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/34—Stationary parts for restricting or subdividing the arc, e.g. barrier plate
    • H01H9/342—Venting arrangements for arc chutes

Definitions

  • the invention relates to a breaking chamber of a high-voltage low-voltage circuit breaker intensity.
  • Document EP 0 306 382 describes a multi-pole circuit breaker with molded insulating housing containing a control mechanism coupled to a switching bar of so as to ensure the opening and closing of all the poles of the circuit breaker.
  • Each pole has a fixed contact member, a movable contact member and a arc extinguishing chamber.
  • the fixed contact member has a fixed conductive pad current supply bearing on the bottom of the housing, main fixed contacts and a fixed arcing contact.
  • the fixed contact area is arranged in front socket. In others terms, it consists of a relatively straight metal bar, which does not impose a curved path with the current crossing it and consequently prohibits any effect electromagnetic loop on the arc emerging at the opening.
  • the contact body mobile has a fixed conductive power supply range also supported on the bottom of the housing, and a contact system having a plurality of main contacts identical, distributed in two series of the same number on either side of an arcing contact mobile extending longitudinally along the center line of the pole.
  • Arc contact made protruding towards the interior of the chamber and allows the arc to enter the chamber.
  • the arc extinguishing chamber is arranged above the first range and includes lateral flanges supporting a stack of separators constituted by sheets metal for deionization of the arc, each sheet having a V-shaped notch. lower bow horn and a higher bow horn frame the stacking of sheets of the extinguishing chamber.
  • the upper bow horn has two side legs which are folded down towards the fixed contacts and which partially seal the upper part of the entrance to the room.
  • a lateral guide cheek arc In the contact separation zone in the extension of each of the two lateral flanges of the chamber, is a lateral guide cheek arc.
  • the two cheeks project obliquely towards each other from the plane of the flange corresponding.
  • the cheeks have a substantially trapezoidal shape and are located in the lower part of the room, near the fixed contact. They limit in the lower part access to the room, near the lower bow horn.
  • the guide cheeks allow centering of the arc root along the horn lower arc.
  • Such a chamber is particularly suitable for circuit breakers of high rating, around 3000 A, having to satisfy single-phase voltage cut-off tests relatively high, around 600 V with fairly low current, around 5 to 10 times the rated current of the circuit breaker.
  • it is ill-suited to cutting very high fault currents, of the order of 100kA, at a medium high voltage 480V.
  • the intensity of the breaking current is very high, the diameter of the section of the arc is important, so that the arc is almost instantaneous on the whole contact fingers and immediately occupies the entire available volume of the bedroom.
  • the chamber is then subjected to very high pressure and to a very high temperature. high.
  • the gas emission from the cheeks further contributes to increasing the pressure. Now the positioning of the cheeks and the upper bow horn helps to reduce the opening of entry into the chamber, hence a delay in balancing the pressures in the housing the device, which can cause it to explode.
  • arc chamber for circuit breaker, described in the patent US 4,650,938, comprising dividers intended to be placed close contacts, and a pair of lateral flanges arranged on either side of a plane longitudinal median of the chamber to support the separators.
  • Each flange has an elongated rib projecting toward the opposite flange.
  • the two ribs extend over the entire height of the chamber, perpendicular to the dividers, and face each other. They are arranged between the separators and the contacts, so as to restrict the width of the chamber entrance opening evenly across the height of the room.
  • the ribs change the gas flow in the chamber, and protect the part of the flanges supporting the separators of the hot gas flow.
  • circuit breaker of this type requires that arrangements be made to facilitate the entry of the arc into the chamber, and in particular that the fixed contact is U-shaped under the lower surface of the chamber, in order to create an electromagnetic loop effect favoring the entry of the arch in the room.
  • the invention therefore aims to improve the performance of a low multipole circuit breaker high caliber tension fitted with a higher bow horn. It aims in particular to allow the breaking of large diameter electric arcs generated by currents very high fault under medium voltages, avoiding the risk of explosion of the bedroom.
  • the bow horns help to ensure the entry of the bow into the chamber as soon as the head of the main electric arc switches to the upper arc horn, even if the ranges of contact are of the front socket type, without electromagnetic loop effect on the arc.
  • the dielectric screens allow to lengthen and bend the electric arc between the movable contact in the open position and the separators, so as to promote switching of the arc on the upper arc horn.
  • Shrinking screens dielectric in the lower part of the chamber, near the fixed contact allows to obtain a wide opening of the entry into the room, which promotes the balance of pressures between the chamber and anterior volume of the pole. Indeed, a rapid rise in the pressure in the chamber would be harmful to the entry and maintenance of the arc in the chamber. In addition, it would be likely to cause the explosion of the room.
  • the combination profiled dielectric shields and arc horns allow the elongation of the arc in the chamber while controlling the pressure there.
  • the upper bow horn has a free end located at proximity of the movable contact member in the open position, and interposed between the separators and the movable contact member in the open position.
  • the upper part of each lateral dielectric screen is interposed between the separators and the free end of the upper bow horn.
  • the lateral dielectric screens are made up of a low gas-generating material, in particular a polytetrafluoroethylene or a polyamide 6-6 or 4-6 heavily loaded.
  • the screens do not contribute to increasing the pressures in the bedroom.
  • they do not generate a gas flow likely to obstruct the entry of the arc in the bedroom.
  • each dielectric screen has an upper part and a lower part substantially narrower than the upper part. Alternatively, it is possible to completely eliminate the lower part.
  • each dielectric screen has a front part, the front parts of the two dielectric screens laterally framing at least partially the contact area.
  • the front parts of the screens act as protective shield of the side wall of the pole.
  • a low-voltage multi-pole power circuit breaker 10 comprises a molded insulating housing 12 containing a type 14 control mechanism known, provided with a transverse switching bar 16 common to all of the poles, swiveling in bearings formed in the housing 12.
  • Each pole has a fixed contact member 20, a movable contact member 22 and an extinguishing chamber arc 24 located near the fixed contact member 20.
  • the fixed contact member 20 includes a current supply range 26 mounted in the bottom of the housing 12, partially under the arc extinguishing chamber 24.
  • the body of fixed contact 20 further comprises two main contact strips 28 (FIG. 2) fixed directly to the current supply range 26 and a median arcing contact 30 which is arranged on a metal plate 32 projecting from the contact strips fixed 28.
  • the metal plate 32 is fixed to the current supply range 26 in a intermediate zone between the bars 28 and the chamber 24. It extends inwards of chamber 24 by a conductive lower arc horn 34.
  • the supply range of current 26, the bars 28, the arcing contact 30 and the arcing horn 34 consist of various conductive metallic materials, and have the same potential.
  • Arc contact 30 and the bars 28 together constitute a contact zone 36 intended to ensure the electrical contact with the movable contact member 22.
  • the movable contact member 22 comprises a fixed conductive supply path current 40, a support cage 42 pivotally mounted about an axis 44 fixed relative to the housing 12 and a plurality of main contact fingers 46 (Figure 3) placed on the side and on the other side of a middle arc contact finger 48.
  • the contact fingers 46, 48 pivot around a common geometric axis 50, fixed relative to the cage 42, and are recalled to the fixed contact member by contact pressure springs 52.
  • a connecting rod coupling 54 is used for coupling between the cage 42 of the movable contact member 22 and a crank 56 of the switching bar 16 of the mechanism 14.
  • Each finger main 46 includes a contact pad 58, intended to ensure contact with the corresponding contact strip 28 of the fixed contact member 20 when the appliance is in the closed position shown in Figure 1, and a lug 60 protruding beyond from the contact pad to the extinguishing chamber 24.
  • the arcing contact finger has a movable arcing contact 62 intended to ensure contact with the contact fixed arc 30 of the fixed contact member 20 when the device is in the closed position shown in Figure 1, as well as a lug 64 projecting beyond the patch of contact to the extinguishing chamber 24 and having a shape identical to that of the pins 60.
  • the contact fingers 46, 48 are electrically connected to the current supply range 40 through braids 49.
  • the extinguishing chamber 24 comprises two lateral flanges 68 of insulating material, which are parallel to the section plane of Figure 1 and located equidistant from both sides of it, so that the cutting plane constitutes a longitudinal geometric plane median 70 of room 24 and the pole.
  • a rear wall 72 of gas exhaust is arranged at the rear of the chamber, perpendicular to the lateral flanges 68. This wall 72 has one or more orifices 74 for exhausting the breaking gases.
  • a front opening 76 is arranged near the contact zone 36, opposite the rear wall 72.
  • Separators 78 constituted by flat metal plates extend perpendicular to the median longitudinal plane 70 of the anterior opening 76 at the rear wall 72.
  • the dividers 78 are arranged at a distance from each other so as to leave the possibility of gas circulation between the front opening 76 and the rear wall 72. They are supported laterally by the lateral flanges 68. Each plate 78 has an anterior edge 80 for capturing the electric arc which has approximately a concave U-shaped curved shape in the plane of the plate or in V with a narrower asymmetrical notch 82. Separators 78 are stacked so that the notches 82 are alternately on one side and the other side from room 24.
  • the lower bow horn 34 intended to receive the root of the bow when the bow extends from the fixed arcing contact 30 towards the interior of the chamber 24, has a part rear 84 located inside the chamber, and an intermediate portion 85 connecting the part posterior to the fixed arcing contact 30.
  • the width of the posterior part 84 that is to say its largest dimension measured along an axis perpendicular to the plane longitudinal median 70 of the chamber, is important while the intermediate part 85 constitutes a narrower section.
  • the rear part 84 has two lateral surfaces constituting reception areas 86 for the root of an electric arc developing in room 24.
  • the lower bow horn 34 is fixed on a bottom constituted by a plate of material insulator 90, in this case polyamide 6-6 loaded with 30% glass fiber.
  • the part of the plate 90 not covered by the bow horn extends to the flanges 68 and the wall posterior 72. It has a periphery 92 forming a protruding shoulder in the chamber and flush with the periphery of the rear part 84 of the bow horn.
  • An upper bow horn 96 intended to receive the head of the bow when it leaves the arcing contact finger 48, is constituted by a metal plate perpendicular to the plane longitudinal median 70, supported by the lateral flanges.
  • the upper bow horn 96 is substantially parallel to the separators 78 in its rear part and comprises in its front part a flap 98 which partially closes the chamber in its part upper, and which is interposed between the anterior edges of the separators 78 located in the upper part of the room and the outside of the room.
  • the flap 98 has a face 99 which, when the movable contact member is in the open position (dotted in the figure 1), is located in the immediate vicinity of the pins 60, 64 of the contact fingers 46, 48.
  • Two lateral dielectric screens 100 placed symmetrically with respect to the plane longitudinal median, limit the anterior opening of the chamber.
  • the screens dielectrics 100 consist of a plate of insulating material with little or no gas generation, preferably polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyamide 6-6 or 4-6 strongly loaded, or a thermoset or a polyester.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • Each dielectric screen has a flat front part located in the extension of the side walls of the chamber in outside of it, and a posterior part which curves towards the chamber and towards the plane median following the profile of the separators.
  • the front parts of the two screens dielectric 100 form cheeks located on either side of the fixed contact strips and extending over a height sufficient for the contact pads 58 to be also located between the cheeks when the circuit breaker is open.
  • each dielectric screen itself has an upper portion extending fairly deep towards the room, and a lower lower part.
  • the ledge 102 dielectric shields 100 which faces the chamber 24 is oblique, and forms a indentation at entrance 76 of the room.
  • 100 dielectric screens slightly reduce the width of the opening 76 of the chamber in its lower part nearby of the fixed contact member, and further reduce the width of the front opening 76 of the chamber in its upper part, near the arc horn upper 96.
  • the upper part of the posterior part of the dielectric screens 100 is inserted between the flap 98 of the upper bow horn 96 and the dividers 78 located in the upper part of the room.
  • the switching bar 16 In the closed position, the switching bar 16 is locked by the mechanism 14, and maintains the cage 42 in the position illustrated in FIG. 1.
  • the springs 52 provide contact pressure between the pads 58 of the main contact fingers 46 and the contact bars 28, as well as between the contact 62 of the arcing contact finger 48 and the fixed arcing contact 30.
  • a trigger causes the release of the mechanism 14 which causes the opening.
  • the rotation of the switching shaft 16 rotates the cage 42 about its axis of rotation 44.
  • the main contact fingers 46 pivot very slightly around the axis of rotation 50, in an anti-clockwise direction in Figure 1, under the effect of the contact pressure springs 52, while remaining in contact with the bars 28. Then they meet a stop of the cage 42, and are driven integrally with the cage 42 rotating in the direction clockwise around the axis of rotation 44, so that they separate from the bars 28.
  • the movement of the arcing contact finger 48 is similar, but offset in time, due to the spatial offset between the bars 28 and the fixed arcing contact 30.
  • the contact fingers 46, 48 are near the flap 98 of the upper bow horn, in the position shown in dashed in Figure 1.
  • the bow head then switches to the upper bow horn 96 allowing a main arc to stretch between the upper and lower arc horns, while secondary arcs form in series with the main arc, between face 99 of the flap 98 and the pins 60, 64 of the contact fingers 46, 48.
  • the upper part of the screens dielectric imposes a bypass path on the arc, so that the arc head main gradually migrates on the upper arc horn towards the bottom of the chamber.
  • the arc, entering chamber 24, divides more or less in contact with the separators 78 in elementary arcs, each elementary arc constituting an electrical connection in series between two adjacent separators 78 or between each arc horn 34, 96 and the separator 78 facing him.
  • the pressure rise in the chamber is not too great, thanks in particular to the significant width of the lower part of the entrance to the room, which allows balancing pressures throughout the pole.
  • the choice of a low or no gas-generating material for constituting the dielectric screens also contributes not to raise the pressure in the bedroom.
  • the arc In the absence of dielectric screens (curves "a"), the arc remains oblique at the entrance to the chamber, between the flap of the upper bow horn and the lower bow horn.
  • the dividers located in the upper part of the chamber are completely unused.
  • the pressure P A in the chamber is low.
  • the arc voltage U A is not high enough to prevent re-ignition of the arc after the current has passed through zero. The cut has failed.
  • the dielectric screens are not very gas-generating, so as to control the pressure rise in the room.
  • the flap 98 of the upper bow horn which promotes the switching of the arc, can be omitted if the position reached by the movable contact fingers at the end of the opening is favorable for direct switching to the upper arc horn.
  • the screens have a part front that acts as a shield between the contact area or arises the electric arc and the side walls of the pole which frame the contact area.
  • This front part can be omitted if necessary, if the side walls of the pole framing the contact area have sufficient resistance to the arc.

Landscapes

  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Breakers (AREA)

Abstract

Un pôle de disjoncteur électrique comprend un organe de contact fixe 20, un organe de contact mobile 22, et une chambre d'extinction d'arc 24, comportant deux flasques latéraux 68, des séparateurs 78, une ouverture antérieure 76 située à proximité de la zone de contact de l'organe de contact fixe, une corne d'arc inférieure 34, une corne d'arc supérieure 96 et une paire d'écrans diélectriques latéraux 100 limitant latéralement l'ouverture antérieure de la chambre. Chaque écran diélectrique latéral 100 est disposé de manière à s'interposer latéralement entre les séparateurs 78 et l'organe de contact mobile en position ouverte. La paire d'écrans diélectriques latéraux 100 est disposée de manière que la largeur de l'ouverture de la chambre soit sensiblement plus faible à proximité de la corne d'arc supérieure qu'à proximité de la corne d'arc inférieure. <IMAGE>

Description

L'invention concerne une chambre de coupure d'un disjoncteur basse tension de forte intensité.
Le document EP 0 306 382 décrit un disjoncteur multipolaire à boítier isolant moulé renfermant un mécanisme de commande accouplé à un barreau de commutation de manière à assurer l'ouverture et la fermeture de l'ensemble des pôles du disjoncteur. Chaque pôle comporte un organe de contact fixe, un organe de contact mobile et une chambre d'extinction d'arc. L'organe de contact fixe comporte une plage fixe conductrice d'amenée du courant prenant appui sur le fond du boítier, des contacts fixes principaux et un contact fixe d'arc. La plage de contact fixe est disposée en prise avant. En d'autres termes, elle est constituée d'une barre métallique relativement rectiligne, qui n'impose pas un trajet courbe au courant le traversant et interdit par conséquent tout effet électromagnétique de boucle sur l'arc naissant lors de l'ouverture. L'organe de contact mobile comporte une plage fixe conductrice d'amenée de courant prenant également appui sur le fond du boítier, et un système de contacts ayant une pluralité de contacts principaux identiques, répartis en deux séries de même nombre de part et d'autre d'un contact d'arc mobile s'étendant longitudinalement selon l'axe médian du pôle. Le contact d'arc fait saillie vers l'intérieur de la chambre et permet l'entrée de l'arc dans la chambre. La chambre d'extinction d'arc est disposée au-dessus de la première plage et comprend des flasques latéraux supportant un empilage de séparateurs constitués par des tôles métalliques de désionisation de l'arc, chaque tôle ayant une encoche en forme de V. Une corne d'arc inférieure et une corne d'arc supérieure encadrent l'empilage de tôles de la chambre d'extinction. La corne d'arc supérieure est dotée de deux pattes latérales qui sont rabattues en direction des contacts fixes et qui obturent partiellement la partie haute de l'entrée dans la chambre. Dans la zone de séparation des contacts dans le prolongement de chacun des deux flasques latéraux de la chambre, se trouve une joue latérale de guidage d'arc. Les deux joues font saillie en biais l'une vers l'autre à partir du plan du flasque correspondant. Les joues ont une forme sensiblement trapézoïdale et sont situées dans la partie basse de la chambre, à proximité du contact fixe. Elles limitent dans la partie basse l'accès à la chambre, à proximité de la corne d'arc inférieure. Lors de l'ouverture des contacts, les joues de guidage permettent un centrage de la racine d'arc le long de la corne d'arc inférieure.
Une telle chambre est particulièrement adaptée à des disjoncteurs de calibre élevé, de l'ordre de 3000 A, devant satisfaire à des essais de coupure monophasée à tension relativement élevée, de l'ordre de 600 V avec une intensité assez faible, de l'ordre de 5 à 10 fois le courant nominal du disjoncteur. Par contre, elle est mal adaptée à la coupure de courants de défaut très élevés, de l'ordre de 100kA, sous une tension moyennement élevée de 480V. En effet, lorsque l'intensité du courant de coupure est très élevée, le diamètre de la section de l'arc est important, de sorte que l'arc naít quasi instantanément sur l'ensemble des doigts de contact et occupe immédiatement l'ensemble du volume disponible de la chambre. La chambre est alors soumise à une très forte pression et à une température très élevée. L'émission gazogène des joues contribue encore à augmenter la pression. Or le positionnement des joues et de la corne d'arc supérieure contribue à réduire l'ouverture de l'entrée dans la chambre, d'où un retard dans l'équilibrage des pressions dans le boítier de l'appareil, qui peut entraíner l'explosion de celui-ci.
On connaít par ailleurs une chambre d'arc pour disjoncteur, décrite dans le brevet étasunien US 4 650 938, comportant des séparateurs destinés à être disposés à proximité des contacts, et une paire de flasques latéraux disposés de part et d'autre d'un plan longitudinal médian de la chambre pour supporter les séparateurs. Chaque flasque comporte une nervure allongée faisant saillie vers le flasque opposé. Les deux nervures s'étendent sur toute la hauteur de la chambre, perpendiculairement aux séparateurs, et se font face. Elles sont disposées entre les séparateurs et les contacts, de façon à restreindre la largeur de l'ouverture de l'entrée de la chambre de manière uniforme sur toute la hauteur de la chambre. Lors de l'ouverture des contacts, les nervures modifient l'écoulement gazeux dans la chambre, et protègent la partie des flasques supportant les séparateurs du flux de gaz chauds. Une telle disposition est utile pour un disjoncteur bas de gamme de faibles performances, afin d'éviter l'altération des flasques par la chaleur des gaz d'arc. Par contre, elle ne permet pas d'utiliser l'ensemble du volume de la chambre pour refroidir les gaz. Les dimensions de la chambre nécessaires pour dissiper l'énergie d'un arc de puissance donnée, seront donc plus importantes. De plus, un disjoncteur de ce type impose que des dispositions soient prises afin de faciliter l'entrée de l'arc dans la chambre, et en particulier que le contact fixe soit conformé en U sous la surface inférieure de la chambre, afin de créer un effet électromagnétique de boucle favorisant l'entrée de l'arc dans la chambre.
L'invention vise donc à améliorer les performances d'un disjoncteur multipolaire basse tension de calibre élevé muni d'une corne d'arc supérieure. Elle vise notamment à permettre la coupure d'arcs électriques de diamètre important engendrés par des courants de défaut très élevés sous des tensions moyennes, en évitant les risques d'explosion de la chambre.
Selon l'invention, cet objectif est atteint grâce à un pôle pour un disjoncteur électrique comprenant un boítier, un mécanisme de commande apte à passer d'une position fermée à une position ouverte, ledit pôle comprenant :
  • un organe de contact fixe, comportant une zone de contact,
  • un organe de contact mobile, apte à être accouplé audit mécanisme, et à passer d'une position fermée dans laquelle il est en contact avec la zone de contact de l'organe de contact fixe, à une position ouverte où les deux organes de contact sont séparés,
  • une chambre d'extinction d'arc, comportant :
    • deux flasques latéraux parallèles en matériau isolant, situés à égale distance d'un plan longitudinal médian de la chambre,
    • des séparateurs s'étendant d'un des flasques latéraux à l'autre sensiblement perpendiculairement au plan médian longitudinal,
    • une ouverture antérieure située à proximité de la zone de contact de l'organe de contact fixe,
    • une corne d'arc inférieure en matériau conducteur, reliée électriquement à l'organe de contact fixe,
    • une corne d'arc supérieure en matériau conducteur, les séparateurs étant situés entre la corne d'arc inférieure et la corne d'arc supérieure,
    • une paire d'écrans diélectriques latéraux en matériau électriquement isolant, faisant saillie vers le plan médian et limitant latéralement l'ouverture antérieure de la chambre,
caractérisé en ce que :
  • chaque écran diélectrique latéral est disposé de manière à s'interposer latéralement entre les séparateurs et l'organe de contact mobile en position ouverte,
  • la paire d'écrans diélectriques latéraux est disposée de manière que la largeur de l'ouverture de la chambre mesurée perpendiculairement au plan médian longitudinal soit sensiblement plus faible à proximité de la corne d'arc supérieure qu'à proximité de la corne d'arc inférieure.
Les cornes d'arc contribuent à assurer l'entrée de l'arc dans la chambre dès que la tête de l'arc électrique principal commute sur la corne d'arc supérieure, ceci même si les plages de contact sont du type à prise avant, sans effet électromagnétique de boucle sur l'arc. Les écrans diélectriques permettent quant à eux d'allonger et courber l'arc électrique entre le contact mobile en position ouverte et les séparateurs, de manière à favoriser la commutation de l'arc sur la corne d'arc supérieure. Le rétrécissement des écrans diélectriques dans la partie basse de la chambre, à proximité du contact fixe, permet d'obtenir une large ouverture de l'entrée dans la chambre, ce qui favorise l'équilibre des pressions entre la chambre et volume antérieur du pôle. En effet, une montée rapide de la pression dans la chambre serait néfaste à l'entrée et au maintien de l'arc dans la chambre. De plus, elle serait susceptible de provoquer l'explosion de la chambre. La combinaison des écrans diélectriques profilés et des cornes d'arc permet de favoriser l'allongement de l'arc dans la chambre tout en y contrôlant la pression.
Préférentiellement, la corne d'arc supérieure comporte une extrémité libre située à proximité de l'organe de contact mobile en position ouverte, et s'interposant entre les séparateurs et l'organe de contact mobile en position ouverte. La partie supérieure de chaque écran diélectrique latéral s'interpose entre les séparateurs et l'extrémité libre de la corne d'arc supérieure. Ce positionnement de la corne d'arc supérieure permet une commutation optimale de l'arc sur la corne d'arc supérieure. Les écrans diélectriques constituent pour l'arc un obstacle. L'arc est obligé de les contourner pour atteindre les séparateurs, ce qui permet son allongement.
Selon un mode de réalisation, les écrans diélectriques latéraux sont constitués en un matériau peu gazogène, notamment un polytétrafluoréthylène ou un polyamide 6-6 ou 4-6 fortement chargé. Ainsi, les écrans ne contribuent pas à augmenter les pressions dans la chambre. De plus, ils ne génèrent pas de flux de gaz susceptible d'entraver l'entrée de l'arc dans la chambre.
Selon un mode de réalisation, chaque écran diélectrique comporte une partie supérieure et une partie inférieure sensiblement plus étroite que la partie supérieure. Alternativement, il est possible d'éliminer totalement la partie inférieure.
Selon un mode de réalisation, chaque écran diélectrique comporte une partie antérieure, les parties antérieures des deux écrans diélectriques encadrant latéralement au moins partiellement la zone de contact. Les parties antérieures des écrans font fonction de bouclier protecteur de la paroi latérale du pôle.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront 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 représente une vue d'un pôle d'un appareillage selon un mode préféré de réalisation de l'invention, en coupe suivant un plan longitudinal médian d'une chambre de coupure de ce pôle ;
  • la figure 2 représente en perspective éclatée d'une partie du pôle de la figure 1, montrant notamment la chambre de coupure ;
  • la figure 3 représente une vue du dessus du pôle de la figure 1 ;
  • la figure 4 représente les courbes de l'évolution temporelle de l'intensité du courant et de la tension d'arc pour un disjoncteur selon l'invention et pour deux autres disjoncteurs, à titre comparatif;
  • la figure 5 représente les courbes de l'évolution temporelle de la pression pour un disjoncteur selon l'invention et pour deux autres disjoncteurs, à titre comparatif.
En référence aux figures 1 à 3, un disjoncteur multipolaire basse tension de puissance 10 comporte un boítier isolant moulé 12 renfermant un mécanisme de commande 14 de type connu, muni d'un barreau de commutation transversal 16 commun à l'ensemble des pôles, tourillonnant dans des paliers ménagés dans le boítier 12. Chaque pôle comporte un organe de contact fixe 20, un organe de contact mobile 22 et une chambre d'extinction d'arc 24 située à proximité de l'organe de contact fixe 20.
L'organe de contact fixe 20 comporte une plage d'amenée de courant 26 montée dans le fond du boítier 12, partiellement sous la chambre d'extinction d'arc 24. L'organe de contact fixe 20 comporte en outre deux barrettes de contact principales 28 (figure 2) fixées directement à la plage d'amenée de courant 26 et un contact d'arc médian 30 qui est agencé sur une plaque métallique 32 faisant saillie par rapport aux barrettes de contact fixes 28. La plaque métallique 32 est fixée à la plage d'amenée de courant 26 dans une zone intermédiaire entre les barrettes 28 et la chambre 24. Elle se prolonge vers l'intérieur de la chambre 24 par une corne d'arc inférieure conductrice 34. La plage d'amenée de courant 26, les barrettes 28, le contact d'arc 30 et la corne d'arc 34 sont constitués de divers matériaux métalliques conducteurs, et sont à un même potentiel. Le contact d'arc 30 et les barrettes 28 constituent ensemble une zone de contact 36 destinée à assurer le contact électrique avec l'organe de contact mobile 22.
L'organe de contact mobile 22 comporte quant à lui une plage fixe conductrice d'amenée de courant 40, une cage support 42 montée pivotante autour d'un axe 44 fixe par rapport au boítier 12 et une pluralité de doigts de contacts principaux 46 (figure 3) placés de part et d'autre d'un doigt de contact d'arc 48 médian. Les doigts de contact 46, 48 pivotent autour d'un axe géométrique commun 50, fixe par rapport à la cage 42, et sont rappelés vers l'organe de contact fixe par des ressorts de pression de contact 52. Une bielle d'accouplement 54 sert à l'accouplement entre la cage 42 de l'organe de contact mobile 22 et une manivelle 56 du barreau de commutation 16 du mécanisme 14. Chaque doigt principal 46 comporte une pastille de contact 58, destinée à assurer le contact avec la barrette de contact correspondante 28 de l'organe de contact fixe 20 lorsque l'appareil est dans la position fermée représentée sur la figure 1, ainsi qu'un ergot 60 faisant saillie au-delà de la pastille de contact vers la chambre d'extinction 24. Le doigt de contact d'arc possède quant à lui un contact d'arc mobile 62 destiné à assurer le contact avec le contact d'arc fixe 30 de l'organe de contact fixe 20 lorsque l'appareil est dans la position fermée représentée sur la figure 1, ainsi qu'un ergot 64 faisant saillie au-delà de la pastille de contact vers la chambre d'extinction 24 et ayant une forme identique à celle des ergots 60. Les doigts de contact 46, 48 sont reliés électriquement à la plage d'amenée de courant 40 par l'intermédiaire de tresses 49.
La chambre d'extinction 24 comporte deux flasques latéraux 68 en matériau isolant, qui sont parallèles au plan de coupe de la figure 1 et situés à égale distance de part et d'autre de celui-ci, de sorte que le plan de coupe constitue un plan géométrique longitudinal médian 70 de la chambre 24 et du pôle. Une paroi postérieure 72 d'échappement des gaz est agencée à l'arrière de la chambre, perpendiculairement aux flasques latéraux 68. Cette paroi 72 comporte un ou plusieurs orifices 74 d'échappement des gaz de coupure. Une ouverture antérieure 76 est agencée à proximité de la zone de contact 36, à l'opposé de la paroi postérieure 72. Des séparateurs 78 constitués par des plaques métalliques planes s'étendent perpendiculairement au plan longitudinal médian 70 de l'ouverture antérieure 76 à la paroi postérieure 72. Les séparateurs 78 sont disposés à distance les uns des autres de manière à laisser la possibilité d'une circulation de gaz entre l'ouverture antérieure 76 et la paroi postérieure 72. Ils sont supportés latéralement par les flasques latéraux 68. Chaque plaque 78 possède une arête antérieure 80 de captation de l'arc électrique qui présente approximativement dans le plan de la plaque une forme incurvée concave en U ou en V avec une encoche 82 plus étroite dissymétrique. Les séparateurs 78 sont empilés de manière que les encoches 82 se trouvent alternativement d'un côté latéral et de l'autre de la chambre 24.
La corne d'arc inférieure 34, destinée à réceptionner la racine de l'arc lorsque l'arc s'étend depuis le contact d'arc fixe 30 vers l'intérieur de la chambre 24, comporte une partie postérieure 84 située à l'intérieur de la chambre, et une partie intermédiaire 85 reliant la partie postérieure au contact d'arc fixe 30. La largeur de la partie postérieure 84, c'est-à-dire sa plus grande dimension mesurée suivant un axe perpendiculaire au plan longitudinal médian 70 de la chambre, est importante alors que la partie intermédiaire 85 constitue un tronçon plus étroit. La partie postérieure 84 présente deux surfaces latérales constituant des aires de réception 86 pour la racine d'un arc électrique se développant dans la chambre 24.
La corne d'arc inférieure 34 est fixée sur un fond constitué par une plaque en matériau isolant 90, en l'occurrence du polyamide 6-6 chargé à 30% de fibre de verre. La partie de la plaque 90 non recouverte par la corne d'arc s'étend jusqu'aux flasques 68 et la paroi postérieure 72. Elle présente un pourtour 92 formant un épaulement saillant dans la chambre et affleurant à la périphérie de la partie postérieure 84 de la corne d'arc.
Une corne d'arc supérieure 96, destinée à réceptionner la tête de l'arc lorsqu'elle quitte le doigt de contact d'arc 48, est constituée par une plaque métallique perpendiculaire au plan longitudinal médian 70, supportée par les flasques latéraux. La corne d'arc supérieure 96 est sensiblement parallèle aux séparateurs 78 dans sa partie postérieure et comporte dans sa partie antérieure un rabat 98 qui ferme partiellement la chambre dans sa partie supérieure, et qui s'interpose entre les arêtes antérieures des séparateurs 78 situés dans la partie haute de la chambre et l'extérieur de la chambre. Le rabat 98 comporte une face 99 qui, lorsque l'organe de contact mobile est en position ouverte (en pointillés sur la figure 1), se situe à proximité immédiate des ergots 60, 64 des doigts de contact 46, 48.
Deux écrans diélectriques latéraux 100, placés de manière symétrique par rapport au plan médian longitudinal, limitent l'ouverture antérieure de la chambre. Les écrans diélectriques 100 sont constitués par une plaque en matériau isolant peu ou pas gazogène, de préférence du polytétrafluoréthylène (PTFE) ou du polyamide 6-6 ou 4-6 fortement chargé, ou bien un thermodur ou un polyester. Chaque écran diélectrique comporte une partie antérieure plane située dans le prolongement des parois latérales de la chambre en dehors de celle-ci, et une partie postérieure qui s'incurve vers la chambre et vers le plan médian en épousant le profil des séparateurs. Les parties antérieures des deux écrans diélectriques 100 forment des joues situées de part et d'autre des barrettes de contact fixes et s'étendant sur une hauteur suffisante pour que les pastilles de contact 58 soient également situées entre les joues lorsque le disjoncteur est ouvert. La partie postérieure de chaque écran diélectrique comporte elle-même une partie supérieure s'étendant assez profondément vers la chambre, et une partie inférieure moins importante. Le rebord 102 des écrans diélectriques 100 qui fait face à la chambre 24 est oblique, et forme une échancrure à l'entrée 76 de la chambre. En d'autres termes, les écrans diélectriques 100 réduisent peu la largeur de l'ouverture 76 de la chambre dans sa partie basse à proximité de l'organe de contact fixe, et réduisent de manière plus importante la largeur de l'ouverture antérieure 76 de la chambre dans sa partie haute, à proximité de la corne d'arc supérieure 96. La partie supérieure de la partie postérieure des écrans diélectriques 100 s'intercale entre le rabat 98 de la corne d'arc supérieure 96 et les séparateurs 78 situés dans la partie haute de la chambre.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant :
En position de fermeture, le barreau de commutation 16 est verrouillé par le mécanisme 14, et maintient la cage 42 dans la position illustrée sur la figure 1. Les ressorts 52 assurent une pression de contact entre les pastilles 58 des doigts de contact principaux 46 et les barrettes de contact 28, ainsi qu'entre le contact 62 du doigt de contact d'arc 48 et le contact d'arc fixe 30.
En présence d'un courant de défaut d'intensité très élevée, au-delà de 100 kA crête, un déclencheur provoque la libération du mécanisme 14 qui entraíne l'ouverture. La rotation de l'arbre de commutation 16 fait pivoter la cage 42 autour de son axe de rotation 44. Les doigts de contact principaux 46 pivotent très légèrement autour de l'axe de rotation 50, dans le sens inverse des aiguilles d'une montre sur la figure 1, sous l'effet des ressorts de pression de contact 52, tout en restant en contact avec les barrettes 28. Puis ils rencontrent une butée de la cage 42, et sont entraínés solidairement avec la cage 42 en rotation dans le sens horaire autour de l'axe de rotation 44, de sorte qu'ils se séparent des barrettes 28. Sur le principe, le mouvement du doigt de contact d'arc 48 est similaire, mais décalé dans le temps, du fait du décalage spatial entre les barrettes 28 et le contact d'arc fixe 30. Ainsi, lorsque a lieu la séparation des doigts de contact principaux 46, le doigt de contact d'arc 48 est encore en contact avec le contact d'arc fixe 30. La totalité du courant circulant entre les plages 26, 40 passe alors par les contacts d'arc 30, 62. Dans une seconde phase, le doigt de contact d'arc 48 rencontre à son tour une butée de la cage 42 qui l'entraíne solidairement avec la cage 42 dans le mouvement de rotation de cette dernière autour de l'axe de rotation 44 de la cage, dans le sens horaire, de sorte que se produit la séparation du doigt de contact d'arc 48 et du contact d'arc fixe 30. Un arc naít alors, non seulement entre les contacts d'arc 30 mais également entre les doigts de contact 46 et les barrettes 28, car l'intensité du courant est telle que la surface des contacts d'arc est insuffisante pour réceptionner l'arc. On retiendra en effet à titre purement indicatif qu'un arc libre a une intensité de 104 Ampères crête par cm2 de section de l'arc.
Lorsque le mécanisme arrive en position ouverte, les doigts de contact 46, 48 se trouvent à proximité du rabat 98 de la corne d'arc supérieure, dans la position représentée en pointillés sur la figure 1. La tête d'arc commute alors sur la corne d'arc supérieure 96 permettant à un arc principal de s'étirer entre les cornes d'arc supérieure et inférieure, alors que des arcs secondaires se forment en série avec l'arc principal, entre la face 99 du rabat 98 et les ergots 60, 64 des doigts de contact 46, 48. La partie supérieure des écrans diélectriques impose à l'arc un trajet de contournement, de sorte que la tête de l'arc principal migre progressivement sur la corne d'arc supérieure vers le fond de la chambre.
L'arc, en pénétrant dans la chambre 24, se divise plus ou moins au contact des séparateurs 78 en arcs élémentaires, chaque arc élémentaire constituant une liaison électrique en série entre deux séparateurs 78 adjacents ou entre chaque corne d'arc 34, 96 et le séparateur 78 lui faisant face.
L'élévation de pression dans la chambre n'est pas trop importante, grâce notamment à la largeur importante de la partie basse de l'entrée de la chambre, qui permet un équilibrage des pressions dans l'ensemble du pôle. Le choix d'un matériau peu ou pas gazogène pour constituer les écrans diélectriques contribue également à ne pas élever la pression dans la chambre.
Des essais comparatifs ont été menés avec un disjoncteur en prise avant comportant des cornes d'arc mais aucun écran diélectrique (courbes "a"), un disjoncteur comportant des cornes d'arc et des écrans diélectriques imposant une restriction uniforme de la largeur de l'entrée de la chambre du haut en bas de l'ouverture (courbe "b") et un disjoncteur selon l'invention (courbe "c"). Les figures 4 et 5 représentent respectivement l'évolution des tensions et des pressions lors de l'ouverture sur un courant de défaut d'intensité très élevée. La courbe UR représente la tension du réseau.
En l'absence d'écrans diélectriques (courbes "a"), l'arc reste oblique à l'entrée de la chambre, entre le rabat de la corne d'arc supérieure et la corne d'arc inférieure. Les séparateurs situés dans la partie supérieure de la chambre sont totalement inutilisés. La pression PA dans la chambre est faible. La tension d'arc UA n'est pas suffisamment élevée pour empêcher un réamorçage de l'arc après le passage du courant par zéro. Il y a échec de la coupure.
Lorsque les écrans diélectriques obturent uniformément les côtés latéraux de l'entrée dans la chambre (courbes "b"), la pression PB dans la chambre augmente très rapidement jusqu'à atteindre un extrémum lié au produit UI. Cette valeur très élevée de la pression s'explique notamment par l'ablation du matériau dans la zone inférieure de la chambre. La tension UB s'élève très tôt dans la chambre et se maintient à une valeur élevée. Lors du passage du courant par zéro, la tension d'arc UB est suffisamment élevée pour interdire sa régénération. Le courant est coupé. Toutefois, la pression maximale atteinte dans la chambre exige un renforcement considérable des parois de la chambre pour éviter une explosion de l'appareil. De plus, la montée précoce de la tension d'arc UB est inutile pour un appareil peu limiteur, puisque l'essentiel est d'avoir une tension d'arc suffisamment importante au moment du passage du courant par zéro.
Lorsque l'on utilise un disjoncteur selon l'invention (courbes "c"), la pression Pc augmente aussi rapidement mais se stabilise plus tôt à une valeur moins élevée que précédemment. La tension d'arc Uc augmente moins rapidement, et atteint sa valeur maximale lorsque le courant limité a déjà commencé à décroítre. Toutefois, la valeur maximale est identique à celle de l'essai précédent et se maintient jusqu'au passage du courant par zéro, de sorte qu'à cet instant, l'arc s'éteint définitivement.
Naturellement, diverses modifications sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. Dans le mode de réalisation décrit, les écrans diélectriques sont peu gazogènes, de manière à maítriser l'élévation de pression dans la chambre. Toutefois, il peut être utile dans certaines configurations, de prévoir des écrans diélectriques en un matériau gazogène. Il y a sur ce point un compromis à assurer entre le pouvoir de coupure ultime du disjoncteur et ses performances dans les autres essais de coupure, notamment lors des essais à tension élevée et courant faible.
Le rabat 98 de la corne d'arc supérieure, qui favorise la commutation de l'arc, peut être omis si la position atteinte par les doigts de contact mobiles à la fin de l'ouverture est favorable à une commutation directe sur la corne d'arc supérieure.
Dans le mode de réalisation décrit précédemment, les écrans possèdent une partie antérieure qui fait fonction de bouclier entre la zone de contact ou naít l'arc électrique et les parois latérales du pôle qui encadrent la zone de contact. Cette partie antérieure peut être omise le cas échéant, si les parois latérales du pôle encadrant la zone de contact ont une résistance suffisante à l'arc.
Pour obtenir l'effet recherché lors de la coupure des courants très élevés à faible tension, l'existence de contacts d'arc spécifiques pénétrant plus profondément dans la chambre que les contacts principaux n'est pas nécessaire. Cette architecture est choisie pour assurer d'autres performances de l'appareil, notamment lors des essais à tension élevée et courant faible. L'invention s'applique d'ailleurs également à un appareil dont l'organe de contact mobile ne comporte qu'un doigt de contact.

Claims (5)

  1. Pôle pour un disjoncteur électrique (10) comprenant un boítier (12), un mécanisme de commande (14) apte à passer d'une position fermée à une position ouverte, ledit pôle comprenant :
    un organe de contact fixe (20), comportant une zone de contact (36),
    un organe de contact mobile (22), apte à être accouplé audit mécanisme, et à passer d'une position fermée dans laquelle il est en contact avec la zone de contact de l'organe de contact fixe, à une position ouverte où les deux organes de contact sont séparés,
    une chambre d'extinction d'arc (24), comportant :
    deux flasques latéraux (68) parallèles en matériau isolant, situés à égale distance d'un plan longitudinal médian (70) de la chambre,
    des séparateurs (78) s'étendant d'un des flasques latéraux à l'autre sensiblement perpendiculairement au plan médian longitudinal,
    une ouverture antérieure (76) située à proximité de la zone de contact de l'organe de contact fixe,
    une corne d'arc inférieure (34) en matériau conducteur, reliée électriquement à l'organe de contact fixe,
    une corne d'arc supérieure (96) en matériau conducteur, les séparateurs étant situés entre la corne d'arc inférieure et la corne d'arc supérieure,
    une paire d'écrans diélectriques latéraux (100) en matériau électriquement isolant, faisant saillie vers le plan médian et limitant latéralement l'ouverture antérieure de la chambre,
    caractérisé en ce que :
    chaque écran diélectrique latéral (100) est disposé de manière à s'interposer latéralement entre les séparateurs et l'organe de contact mobile en position ouverte,
    la paire d'écrans diélectriques latéraux (100) est disposée de manière que la largeur de l'ouverture de la chambre, mesurée perpendiculairement au plan médian longitudinal, soit sensiblement plus faible à proximité de la corne d'arc supérieure qu'à proximité de la corne d'arc inférieure.
  2. Pôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que
    la corne d'arc supérieure (96) comporte une extrémité libre (98) située à proximité de l'organe contact mobile en position ouverte, et s'interposant entre les séparateurs et l'organe de contact mobile en position ouverte,
    la partie supérieure de chaque écran diélectrique latéral s'interpose entre les séparateurs (78) et l'extrémité libre (98) de la corne d'arc supérieure (96).
  3. Pôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que
    les écrans diélectriques latéraux (100) sont constitués en un matériau peu gazogène, notamment un polytétrafluoréthylène ou un polyamide 6-6 ou 4-6 fortement chargé.
  4. Pôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque écran diélectrique latéral (100) comporte une partie supérieure et une partie inférieure sensiblement plus étroite que la partie supérieure.
  5. Pôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque écran diélectrique comporte une partie antérieure, les parties antérieures des deux écrans diélectriques encadrant latéralement au moins partiellement la zone de contact (36).
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