EP1897107B1

EP1897107B1 - Ampoule a vide pour un appareil de protection electrique tel un interrupteur ou un disjoncteur

Info

Publication number: EP1897107B1
Application number: EP06764739A
Authority: EP
Inventors: Hans Schellekens; Serge Olive; Olivier Cardoletti; Bernard Yvars
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2026-06-06
Also published as: WO2007003727A1; CN101208763A; US20090095718A1; CA2612730C; CN104299838A; CA2612730A1; JP2008544470A; ATE555490T1; US8445804B2; EP1897107A1; FR2887683A1; JP5095614B2

Description

La présente invention concerne une ampoule à vide pour un appareil de protection électrique tel un sectionneur, un interrupteur ou un disjoncteur, ladite ampoule comprenant une enveloppe de forme sensiblement cylindrique fermée par deux fonds, deux contacts s'étendant axialement à l'intérieur de l'enveloppe, dont l'un au moins dit contact mobile, est relié à un mécanisme de commande et est monté coulissant entre une position de fermeture des contacts permettant le passage du courant et une position dans laquelle les contacts sont séparés et tiennent la tension entre eux, et au moins un écran conducteur disposé autour d'au moins un des contacts.
Dans la conception des écrans la plus couramment utilisée, les contacts sont entourés par un écran unique ayant pour fonction de protéger les pièces isolantes des projections métalliques et de guider les lignes équipotentielles pour éviter des concentrations diélectriques dangereuses. Cet écran entoure les deux contacts et se situe au milieu du potentiel des deux contacts. Ainsi, en théorie, le potentiel est réparti de manière homogène entre les deux contacts aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur de l'ampoule.
La distance entre l'écran et les contacts est choisie de manière que l'interaction entre l'écran et les contacts soit moins importante que l'interaction entre les contacts. Ceci permet de minimiser le champ électrique entre les contacts et l'écran par rapport à celui présent entre les contacts. On évite ainsi les risques d'amorçage entre le contact et l'écran. Ces amorçages entre les contacts et l'écran sont extrêmement dangereux, car, lors d'un tel amorçage, l'écran atteint temporairement le potentiel du contact (doublement du potentiel sur l'écran) et la distribution du potentiel à l'extérieur se trouve en déséquilibre avec une distribution de 100% du potentiel sur 50% de la longueur de l'isolation externe. Cette situation peut dégénérer en un amorçage externe engendrant un risque d'explosion et de feu.
On connaît également le document DE10029763 décrivant une ampoule destinée à tenir des tensions plus élevées. Ces ampoules comportent plusieurs céramiques, un écran étant destiné à être placé à la jonction entre deux céramiques successives afin de protéger diélectriquement les points triples et éviter la métallisation Dans cette réalisation, l'écran entoure les contacts à une distance optimale correspondant à la distance entre les contacts. L'inconvénient de ce type d'ampoule tient en ce qu'elle présente un diamètre important. En outre, plus la tension d'application est élevée, plus la distance entre les contacts et la longueur des céramiques doit être importante. Afin d'éviter des amorçages entre les contacts et l'écran, le diamètre de l'écran doit également augmenter.
Or cette augmentation du diamètre de l'écran est préjudiciable en terme de coût des appareils et de comportement électrique.
En effet, le diamètre des céramiques est proportionnel au diamètre de l'écran, ce qui engendre un surcoût. En outre, si une isolation externe est prévue autour de l'ampoule, le diamètre de la cuve extérieure augmente également avec le diamètre de l'ampoule, ce qui engendre également un surcoût.
Enfin, dans le cas d'une utilisation de l'ampoule dans un interrupteur triphasé comportant un blindage, l'interaction entre les phases pour une distance entre les phases donnée est d'autant plus importante que le diamètre des ampoules est grand, d'où un compartiment électrique pénalisant.
Et l'on connaît également le document GB 1 027 786 décrivant une ampoule comportant les caractéristiques du préambule de la revendication 1.
La présente invention résout ces problèmes et propose une ampoule à vide de conception simple permettant de réduire sensiblement la taille des ampoules et donc leur coût, et d'améliorer leur comportement électrique.
A cet effet, la présente invention a pour objet une ampoule à vide selon la revendication 1.
Selon une caractéristique particulière, ladite ampoule comporte trois écrans, et l'enveloppe isolante comporte quatre parties en céramiques placées bout à bout et les trois écrans sont placés respectivement aux trois jonctions entre deux parties en céramique jointives.
Selon une autre caractéristique, l'écran à mi-potentiel fait partie intégrante de l'enveloppe de l'ampoule.
Avantageusement, la distance précitée est sensiblement de 31%.
Selon une autre caractéristique, la hauteur de l'écran partiel ou des écrans partiels dépasse la hauteur du contact ou des contacts qu'il entoure ou qu'ils entourent ou bien selon le cas de l'écran partiel ou des écrans partiel(s) qu'il(s) entoure (nt) d'une valeur comprise entre 0 et S/3, S étant la distance entre les contacts.
Selon une autre caractéristique, la hauteur de l'écran partiel ou des écrans partiels dépasse(nt) la hauteur du (des) contact (s) qu'il(s) entoure(nt) d'une valeur sensiblement égale à S/4.
Avantageusement, au moins un des écrans est de forme cylindrique.
Selon une autre réalisation, ladite ampoule comporte au moins un autre écran partiel, intercalé entre d'une part l'un au moins des contacts et respectivement l'un desdits écrans partiels précités, la distance entre l'écran à mi-potentiel et les contacts étant choisie de manière que le champ électrique au bord des contacts se dirige vers le (les) écran(s) partiel(s) entourant directement les contacts,
Selon une autre caractéristique particulière, elle comporte deux écrans partiels dits premier et second intercalés entre l'écran à mi-potentiel et respectivement les deux contacts et deux autres écrans partiels dits troisième et quatrième intercalés respectivement entre les premier et deuxième écrans partiels et les deux contacts.
Selon une caractéristique particulière, les écrans et les contacts présentent une capacité relative telle que la différence de potentiel δU entre deux écrans, l'un entourant l'autre est sensiblement identique à celle entre un contact et l'écran l'entourant.
Avantageusement, cette différence de potentiel δU est comprise entre15% et 35% de la tension totale.
De préférence, cette différence de potentiel δU est sensiblement de 25% de la tension totale.
Selon une caractéristique particulière, l'ampoule comportant N écrans, cette différence de potentiel δU ne varie pas plus de 40% par rapport au ratio U total/(N +1), U total étant la tension entre les contacts, c'est à dire par rapport à une tension répartie de façon homogène entre les contacts.
Mais d'autre avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels :

La figure 1 est une vue en coupe axiale d'une ampoule à vide selon une première réalisation de l'invention comportant trois écrans ;
La figure 2 est une représentation graphique, représentant la distance entre l'écran à mi-potentiel et les contacts, en fonction de la distance entre les contacts,
La figure 3 est une vue en coupe axiale d'une ampoule à vide selon une seconde réalisation de l'invention comportant trois écrans,
La figure 4 est une vue en coupe axiale d'une ampoule à vide selon une autre réalisation selon l'invention comportant trois écrans, et
La figure 5 est une vue en coupe axiale d'une ampoule à vide selon une autre réalisation selon l'invention comportant cinq écrans.

Sur les figures 1,3,4 et 5, on voit une ampoule à vide A destinée notamment à être intégrée à un disjoncteur électrique moyenne tension afin de réaliser la coupure d'un circuit électrique en cas de défaut ou lors d'une commande d'ouverture volontaire du circuit électrique.
Cette ampoule à vide A comprend de manière connue en soi une enveloppe cylindrique E obturée par deux fonds à l'intérieur de laquelle sont logées deux contacts d'arc respectivement un contact d'arc fixe 1 et un contact d'arc mobile 2. Ce contact mobile 2 est relié mécaniquement par l'intermédiaire d'une tige d'actionnement, à un dispositif de commande (non représenté), ladite tige étant reliée audit dispositif par l'une de ses extrémités et étant solidarisée au contact d'arc mobile par son extrémité opposée. Ce dispositif de commande est apte à déplacer la tige précitée et le contact mobile en translation à l'intérieur de l'enveloppe entre deux positions respectivement une position de fermeture des contacts correspondant à un fonctionnement normal de l'appareil et une position d'ouverture ou de séparation des contacts après l'apparition d'un défaut dans le circuit électrique à protéger ou lors d'une commande d'ouverture volontaire du circuit électrique.
Sur la figure 1, cette enveloppe cylindrique comporte une seule céramique 4 et l'ampoule comporte trois écrans 8,9,10 situés autour des contacts 1,2, les écrans 8,9,10 étant disposés tous à l'intérieur de l'ampoule. Ces écrans comprennent un écran à mi-potentiel 9, ou écran dit à 50%, entourant les deux contacts 1,2. Si les contacts 1 et 2 ont respectivement une tension de 100% et de 0 %, le potentiel de l'écran se trouve à 50% au milieu des deux potentiels des contacts. Ces écrans comprennent aussi deux écrans dits partiels 8,10 dits respectivement un premier écran 8 à 75% et un second écran 10 à 25%. Conformément à l'invention, ces écrans partiels 8,10 sont intercalés entre l'écran à mi-potentiel 9 et les contacts 1,2, lesdits écrans partiels 8,10 étant superposés sur une partie de leur longueur avec l'écran à mi-potentiel 9.
Selon la réalisation illustrée sur la figure 3, cette enveloppe cylindrique E comporte quatre portions cylindriques en céramique 4,5,6,7 dites première, seconde, troisième et quatrième disposées bout à bout.
L'écran à mi-potentiel 9 est fixé entre les deux céramiques centrales 5,6, tandis que les deux écrans partiels 8,10, respectivement premier 8 et second 10, sont fixés respectivement entre les première 4 et seconde céramiques 5, pour l'un 8, et entre les troisième et quatrième céramique 6,7, pour l'autre 10. Le premier écran partiel 8 entoure le contact fixe 1 tandis que le second écran partiel 10 entoure le contact mobile 2.
Conformément à l'invention, la distance entre l'écran à mi-potentiel 9 et les contacts 1,2 est telle que le champ électrique au bord des contacts se dirige en direction des écrans partiels 8,10 entourant lesdits contacts de manière à favoriser un amorçage entre les contacts et les écrans 8,10 plutôt qu'entre les contacts.
Sur la figure 4, l'ampoule selon une autre réalisation comporte trois écrans 11,12,13 et quatre céramiques 4,5,6,7 l'écran à mi-potentiel 12 faisant partie de l'enveloppe de l'ampoule.
Sur la figure 5, l'ampoule selon une autre réalisation comporte cinq écrans et une seule céramique.
On voit que deux écrans partiels 14,15 et 17,18 sont situés entre l'écran à mi-potentiel 16 et chaque contact 1,2, les écrans 14,18 recouvrant partiellement les écrans 15,17.
Le tableau suivant indique la distance entre l'écran à mi-potentiel et les contacts_exprimée en fonction de la distance de contact.
S est la distance entre les contacts.

Ratio Trois écrans Cinq écrans Sept écrans

Optimale 0.31*S 0.21 *S 0.16*S

Minimum 0.27*S 0.19*S 0.14*S

En intercalant un écran entre le contact et l'écran à mi-potentiel, on évite des amorçages directs vers l'écran à mi-potentiel. Ainsi, le doublement du potentiel sur l'écran central ne se produit plus.
Ce risque majeur étant évité, il est alors possible de favoriser un champs électrique dirigé du contact vers l'écran le plus proche des contacts et non plus entre les contacts. Ceci, augmente le risque d'amorçage entre le contact au potentiel de 100% et l'écran intercalé, mais en cas d'un amorçage entre ce contact ayant un potentiel de 100% et l'écran intercalé ayant un potentiel d'environ 75% pour une ampoule à trois écrans, l'écran intercalé atteint un potentiel de 100% et l'écran à mi-potentiel suit ce changement de potentiel par couplage capacitif et atteint seulement un potentiel de 67%.
Ainsi, selon l'invention, le champ électrique au bout du contact pointe vers (ou provient de ,selon la polarité de la tension) l'écran le plus proche qui l'entoure.
Pour une configuration d'écran à plus de trois écrans, le champ ou bout de l'écran pointe (ou vient de , selon la polarité de la tension) l'écran le plus proche qui l'entoure.
On notera également que les écrans et les contacts ont une capacité entre eux telle que la différence de potentiel ΔU entre deux écrans s'entourant ou entre un contact et l'écran l'entourant est quasiment identique. Ainsi, pour une ampoule à trois écrans, la différence de potentiel ΔU doit, pour être acceptable, se situer entre 15% et 35%, et sera avantageusement proche de 25% de la tension totale.
Ainsi, pour une ampoule comportant N écrans, cette différence de potentiel δU ne varie pas plus de 40% par rapport au ratio U total/(N +1), U total étant la tension entre les contacts. Pour une ampoule à trois écrans ou plus, les écrans partiels 8,10 intercalés dépassent le contact qu'ils entourent d'une valeur H comprise entre 0 et S/3, S étant la distance entre les contacts et avantageusement d'une hauteur proche de S/4.
Egalement, la distance SE1 entre l'écran à mi-potentiel 9 et le contact est, pour être acceptable, comprise entre 25% et 40% de la distance entre les contacts S, et de préférence égale à 31 %.

Le tableau suivant indique ces valeurs pour les configurations à 3 écrans, à 5 écrans et à 7 écrans.
δU: écart de tension (exprimé en pourcentage de la tension totale) entre deux écrans qui s'entourent ou entre un contact et l'écran qui l'entoure.
H: hauteur de dépassement des écrans; soit par rapport au contact, soit pour deux écrans s'entourant.
SE1 : distance entre les contacts et l'écran à mi-potentiel.

	3 écrans	5 écrans	7 écrans
δU - priférentiel	25%	16.7%	12.5%
Plage de δU	15% < δU < 35%	10% < δU < 25%	8% < δU < 20%
H - préférentiel	0.25 * S	0.167 * 5	0.125 * S
Plage de H	0 < H < 0.3*S	0 < H < 0.2*S	0 < H < 0.15*S
SE-1 - préférentiel	0.31*S	0.21*S	0.16*S
Plage de SE-1	0.27S < SE-1 < 0.4S	0.19S < SE-1 < 0.3S	0.14S < SE-1 < 0.2S

Bien que cette solution soit plus contraignante que celle selon l'art antérieur tendant à supprimer les risques d'amorçage, les risques encourus en cas d'amorçage sont nettement réduits dans le cas de l'invention par rapport à l'art antérieur.
On peut en effet discerner les deux cas limites suivants selon l'art antérieur avec un seul et unique écran à 50%.
A la distance maximale de l'écran à mi-potentiel par rapport aux contacts, le champ électrique maximal au bord des contacts n'est pas influencé par la présence de l'écran. Ainsi, ce champ électrique a la valeur E1. En effet, cette situation est similaire à une situation dans laquelle aucun écran à 50% n'est prévu. Ainsi, le champ E1 est le champ le plus faible qui peut exister entre les deux contacts dans une ampoule à écran unique. Si l'écran est rapproché des deux contacts, le champ électrique sera influencé par ce rapprochement et commencera à augmenter. Au début de ce rapprochement, le champ électrique au bord de la face de contact pointe encore vers l'autre contact. Soit SE la distance entre le contact et l'écran à 50%, on peut trouver une distance dite de basculement, SE basculement, qui marque une transition dans la direction du champ électrique de sorte que pour SE>SE (basculement), le champ électrique pointe en direction de l'autre contact et que pour SE<SE (basculement) le champ électrique pointe en direction de l'écran à 50%. Ainsi, la distance minimale est égale à SE (basculement) de manière à éviter une interaction avec l'écran.
A cette distance minimale de l'écran par rapport aux contacts à laquelle le champ électrique pointe encore juste vers les contacts et ne pointe pas encore vers l'écran, le champ électrique au bord des contacts atteint la valeur E2, la valeur E2 étant plus élevée que la valeur E1 citée plus haut.
Ainsi, selon l'invention, on va accepter ce risque accru d'amorçage entre les contacts et l'écran intercalé sans pour autant dépasser les valeurs de champ électrique couramment acceptées E1 et E2. Le champ électrique reste donc compris entre E1 et E2.
La figure 2 représente la distance entre les contacts et l'écran central en fonction de la distance entre les contacts.
La courbe a représente la distance entre les contacts et l'écran, préconisée par l'art antérieur notamment dans le brevet DE 10029763 . La courbe b représente la distance minimale qui permet selon l'art antérieur, d'éviter une interaction entre les contacts et l'écran.
La courbe c représente, dans une configuration à trois écrans selon l'invention, la distance entre les contacts et l'écran qui donne un champ électrique au bord des contacts identique au cas de la courbe a, et la courbe d représente la distance entre les contacts et l'écran qui donne un champ électrique au bord des contacts identique à celui de la courbe b.
On voit sur la figure 2 que selon l'art antérieur, la distance entre l'écran à mi-potentiel et les contacts se situe entre les courbes a et b, tandis que selon l'invention, cette distance se situe entre les courbes c et d.
On voit donc qu'un gain de 50 à 70 % peut être obtenu sur la distance entre l'écran et les contacts pour une ampoule comportant trois écrans.
Un gain supplémentaire peut être obtenu avec une ampoule selon l'invention comportant cinq écrans ou sept écrans tels que représentés sur les figures 4,et 5, comme indiqué dans le tableau. En effet, pour une ampoule à cinq écrans, la distance entre l'écran et les contacts est comprise entre 0,19*S et 0,21*S, S étant la distance entre les contacts. Un gain encore plus important peut être obtenu avec une ampoule selon l'invention comportant sept écrans, pour laquelle la distance entre l'écran et les contacts est comprise entre 0,14*S et 0,16*S^.
On a donc réalisé grâce à l'invention, une ampoule à vide de conception simple présentant un diamètre radial considérablement réduit.
Ceci permet de réduire le coût des ampoules ainsi que des disjoncteurs ou cellules par l'utilisation des céramiques à diamètre réduit et des cuves à diamètre réduit.
Ceci permet également de réduire l'interaction électrique entre les phases dans des appareils blindés. Ainsi, un meilleur comportement est obtenu lors des surtensions de manoeuvre.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation donnés uniquement. à titre d'exemple.
C'est ainsi, que l'invention couvre toute réalisation d'ampoule comportant un nombre impair d'écrans, les écrans à potentiel plus proches de celui des contacts étant placés de manière à cacher sur une certaine longueur l'écran à mi-potentiel ou les autre écrans partiels, dans le cas où l'ampoule comporte plus de trois écrans, par rapport à ce contact, le champ électrique au bout du contact pointant vers (ou venant de selon la polarité de la tension) l'écran le plus proche qui l'entoure et le champ électrique au bout de l'écran partiel (autre que l'écran à mi-potentiel) pointant vers (ou venant de, selon la polarité de la tension) l'écran partiel le plus proche qui l'entoure.

Claims

Ampoule à vide pour un appareil de protection électrique tel un sectionneur, un interrupteur ou un disjoncteur, ladite ampoule comprenant une enveloppe de forme sensiblement cylindrique fermée par deux fonds, deux contacts s'étendant axialement à l'intérieur de l'enveloppe, dont l'un au moins dit contact mobile, est relié à un mécanisme de commande et est monté coulissant entre une position de fermeture des contacts permettant le passage du courant et une position dans laquelle les contacts sont séparés et tiennent la tension entre eux, et au moins un écran conducteur disposé autour d'au moins un des contacts l'ampoule à vide comporte au moins trois écrans (8 à 18) comprenant un écran dit à mi-potentiel (9,12,16) monté entre les deux contacts (1,2) et un premier et un second écran dits partiels (8,10,11,13,14,18) intercalés entre ledit écran à mi-potentiel (9,12,16) et respectivement les deux contacts (1,2), lesdits écrans étant fixés en un point de l'enveloppe sans liaison électrique avec l'un ou l'autre des contacts caractérisée en ce que la distance entre ledit écran à mi-potentiel (9,12,16) et les contacts (1,2) étant comprise entre 25% et 40% de la distance entre les contacts de manière que le champ électrique présent au bord du contact (1,2) passe du contact (1,2) vers l'écran partiel (ou inversement de l'écran partiel vers le contact, en fonction de la polarité de la tension).
Ampoule à vide selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte trois écrans (8,9,10) ou (11,12,13), et en ce que l'enveloppe isolante comporte quatre parties en céramiques (4,5,6,7) placées bout à bout et en ce que les trois écrans sont placés respectivement aux trois jonctions entre deux parties en céramique jointives.
Ampoule à vide selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'écran à mi-potentiel (9) fait partie intégrante de l'enveloppe de l'ampoule.
Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la distance précitée est sensiblement de 31 %.
Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la hauteur de l'écran partiel ou des écrans partiels (8,10,11,13) dépasse la hauteur du (des) contact (s) (1,2) qu'il(s) entoure(nt) ou de l' (des) écran(s) partiel(s) qu'il(s) entoure(nt)_d'une valeur H comprise entre 0 et S/3, S étant la distance entre les contacts (1,2).
Ampoule à vide selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'écran partiel ou les écrans partiels (8,10,11,13) dépasse(nt) la hauteur du contact ou des contacts (1,2) qu'il(s) entoure(nt) d'une valeur H sensiblement égale à S/4.
Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins un des écrans est de forme cylindrique.
Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un autre écran partiel (14,18) intercalé entre d'une part l'un au moins des contacts (1,2) et respectivement l'un desdits écrans partiels précités (15,17), la distance entre l'écran à mi-potentiel (16) et les contacts (1,2) étant choisie de manière que le champ électrique au bord des contacts (1,2) se dirige vers le (les) écran(s) partiel(s) (14,18) entourant directement les contacts (1,2).
Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte deux écrans partiels dits premier (15) et second (17) intercalés entre l'écran à mi-potentiel (16) et respectivement les deux contacts (1,2) et deux autres écrans partiels dits troisième (14) et quatrième (18) intercalés respectivement entre les premier (15) et deuxième (17) écrans partiels et les deux contacts (1,2).
Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les écrans et les contacts (1,2) présentent une capacité relative telle que la différence de potentiel δU entre deux écrans, l'un entourant l'autre est sensiblement identique à celle entre un contact et l'écran l'entourant.
Ampoule à vide selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les écrans et les contacts (1,2) présentent une capacité relative telle que la différence de potentiel δU entre deux écrans, l'un entourant l'autre est sensiblement identique à celle entre un contact et l'écran l'entourant, cette différence de potentiel δU étant comprise entre15% et 35% de la tension totale.
Ampoule selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les écrans et les contacts (1,2) présentent une capacité relative telle que la différence de potentiel δU entre deux écrans, l'un entourant l'autre est sensiblement identique à celle entre un contact et l'écran l'entourant, cette différence de potentiel δU étant sensiblement de 25% de la tension totale.
Ampoule à vide selon la revendication 10 comportant N écrans, caractérisée en ce que cette différence de potentiel δU ne varie pas plus de 40% par rapport au ratio U total/(N +1), U total étant la tension entre les contacts.