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BREVET D'INVENTION CHAMBRE DE COUPURE POUR DISJONCTEUR A GAZ Invention de Roger ROMIER et Jean-Pierre BETOLIERE Société Anonyme dite
ALSTHOM-ATLANTIQUE Convention internationale : Priorité d'une demande de brevet déposée en FRANCE, le 28 Octobre 1982, sous le NO 82 18 099
La présente invention est relative à une chambre de coupure pour disjoncteur à gaz sous pression à grand pouvoir de coupure et ne nécessitant pas une grande énergie de manoeuvre à la coupure. On connaît des disjoncteurs répondant à ces exigences : ce sont les disjoncteurs à auto-compression thermique de gaz dans lesquels le gaz est de l'hexafluorure de soufre.
L'énergie nécessaire à la coupure des courants de grande intensité est fournie par l'arc qui produit une forte élévation de la température
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du gaz entraînant une forte augmentation de pression. L'énergie ainsi accumulée est utilisée pour faciliter le soufflage de l'arc.
Lorsque l'intensité du courant à couper est faible, l'énergie développée par l'arc l'est également et devient insuffisante pour la coupure du disjoncteur. On est obligé d'adjoindre un dispositif auxiliaire à auto-compression mécanique qui agit dans la phase finale de la coupure.
Un but de la présente invention est de réaliser une chambre de coupure permettant la coupure des courants de toutes intensités avec une faible dépense d'énergie.
L'invention a pour objet une chambre de coupure pour disjoncteur à gaz comprenant une enveloppe cylindrique isolante dans laquelle sont disposés de manière coaxiale un contact d'arc fixe, un contact principal fixe et un contact mobile traversant un fond de l'enveloppe, le contact mobile étant tubulaire et, en position de fermeture du disjoncteur, étant pénétré par le contact d'arc fixe sur une longueur donnée, les diamètres du contact d'arc fixe et du contact mobile étant choisis pour exclure toute liaison galvanique en position de fermeture, l'enveloppe étant partagée par une cloison isolante transversale munie d'un orifice central pour le passage du contact mobile, en deux parties, une première partie contenant les contacts fixes, et une seconde partie,
caractérisé en ce que la seconde partie est composée de deux zones adjacentes de section différente, la zone de plus petite section étant du côté dudit passage et constituant un cylindre pour un piston formé par une couronne annulaire solidaire du contact mobile de diamètre extérieur voisin de celle de ladite plus petite section, la course du piston s'étendant
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depuis ledit passage jusqu'à l'extrémité de la seconde partie, la longueur de la zone de plus petite section étant sensiblement égale à la longueur de pénétration, en position de fermeture du disjoncteur, du contact mobile par le contact d'arc fixe.
L'invention sera décrite plus en détail ci-après à l'aide de divers modes de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel : - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une chambre de coupure selon un premier mode de réalisation, - les figures 2,3 et 4 sont des coupes axiales schématiques selon des variantes de réalisation, - la figure 5 est une vue en coupe axiale d'une chambre de coupure selon une réalisation industrielle du schéma de la figure 1.
La figure 1 est une vue en coupe axiale schématique d'une chambre de coupure selon un premier mode de réalisation ; la demi-coupe gauche représente le disjoncteur en position de fermeture tandis que la demicoupe droite le représente ouvert. La chambre de la figure 1 est logée dans une enceinte non représentée remplie de gaz isolant, comme l'hexafluorure de soufre SF , sous une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique.
Une enveloppe cylindrique isolante 1 est fermée à ses extrémités par des fonds 2 et 3 servant de prises de courant.
Le fond 2 porte un jeu de contacts fixes : un contact fixe principal formé d'une couronne de doigts 4 et un contact d'arc fixe para- étincelles constitué d'un tube métallique 5 dont l'extrémité 5A est en matériau conducteur réfractaire (tel que le Wolfram), pour mieux résister à l'usure due à l'arc électrique.
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La chambre comprend un contact mobile tubulaire 6 traversant le fond 3 et relié, à l'extérieur de l'enveloppe 1, à un mécanisme de déplacement de type connu non représenté. L'extrémité 6A du contact mobile est également en matériau réfractaire. Le contact d'arc fixe 5 pénétre dans le contact mobile 6 lorsque le disjoncteur est en position de fermeture, sur une certaine longueur L. Ces deux contacts coaxiaux ne sont alors en liaison galvanique qu'à travers les doigts 4.
Un joint 7 assure un certain degré d'étanchéité entre l'intérieur et l'extérieur de l'enveloppe à la traversée par le contact mobile.
La liaison électrique entre la tige mobile et le fond 3 est assuré par des contacts glissants 15.
L'intérieur de l'enveloppe est fermé partiellement, à peu près au niveau de l'extrémité du contact pare-étincelles 5, par une cloison transversale isolante 8, qui fait office de buse de soufflage.
Cette cloison est, à cet effet, percée en son centre d'un orifice circulaire qui laisse passer le contact mobile 6. Le contact d'arc fixe arrive jusqu'au niveau de la cloison pour rendre à peu près étanche, en position de fermeture du disjoncteur, la chambre 11 située au-dessus de la cloison 8. La référence 12 désigne globalement le volume situé audessous de la cloison 8.
Le volume 12 comprend une première zone 12A du côté de la cloison, et une zone 12B, adjacente à la zone 12A. Ces zones diffèrent par leur diamètre, celui de la zone 12B étant supérieur à celui de la zone 12A.
Un zone 12C de faible hauteur et touchant au fond 3 a un diamètre voisin de celui de la zone 12A.
La zone 12A a une longueur voisine de la longueur L définie plus haut de pénétration de contact 6 par le contact 5 en position de
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fermeture du disjoncteur.
Un piston 14, solidaire de la tige 6 et de diamètre très légèrement inférieur au diamètre intérieur de la zone 12A, complète le dispositif.
Le fonctionnement est le suivant : En position de fermeture (partie gauche de la figure 1) le courant passe par la prise de courant supérieure 2 les doigts 4, la tige 6 les doigts inférieurs et la prise inférieure 3.
Ouverture à vide c'est-à-dire sans courant
Lors de l'ouverture, la tige 6 est déplacée dans le sens d'une flèche F, le volume de la chambre 11 reste sensiblement constant, au volume de l'extrémité de la tige 6 près.
Le volume compris entre le piston 14 et la cloison 8, qui était presque nul en position de fermeture, s'accroît, ce qui provoque une aspiration de gaz en provenance de la chambre 11.
Le volume situé au-dessous du piston diminue, le piston comprimant le gaz jusqu'à ce qu'il atteigne la zone 12B ; alors, la communication entre les volumes, situés de part et d'autre du piston, s'établit.
En plus de l'énergie de mise en mouvement de l'équipage mobile, il est nécessaire de fournir l'énergie de compression du volume situé audessous du piston et celle d'aspiration du volume de gaz de la chambre 11, mais ces énergies sont peu importantes.
En fin de course, le piston joue un rôle d'amortisseur en comprimant le gaz de la zone 12C.
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Coupure des grands courants
L'ouverture se produit comme au paragraphe précédent, mais à la séparation des contacts 4 et 6A, un arc prend naissance entre 4 et 6A qui va échauffer plus ou moins selon son amplitude le gaz contenu dans le volume 11 ; ce gaz passe dans le volume compris entre la cloison et le piston, évitant la dépression de la chambre 11 et aidant à la compression du volume situé sous le piston. Ce gaz ne peut passer que difficilement à l'intérieur du contact tubulaire 6 encore bouché.
L'arc passe du contact 4 au contact 5 pour s'établir entre les contacts 5A et 6A.
Quand l'extrémité de 6 arrive au niveau de l'extrémité inférieure de 5A, la communication des volumes situés de part et d'autre de la cloison avec l'intérieur de la tige 6 et éventuellement de la tige 5 est ouverte et le gaz chaud et comprimé des volumes précités se détend, soufflant l'arc qui s'éteint au passage par zéro du courant.
Coupure des petits courants
L'énergie dégagée alors par l'arc qui naît entre les contacts 4 et 6A compense tout juste la dépression causée dans la chambre 11 par le déplacement du piston 8.
L'arc s'allonge entre les contacts 6 et 4, puis entre les contacts 6A et 5A ; quand le piston arrive au niveau de la zone 12B, le gaz qui était sous le piston passe dans la zone 12A, puis à l'intérieur des contacts tubulaires 6 et 5, se détend et coupe au passage par zéro du courant un arc généralement grêle. Dans ce cas l'énergie de coupure n'est pas plus importante que lors de la coupure à vide.
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Fermeture
Lors de la fermeture sur courant, quand la tige mobile 6 se déplace en sens inverse de la flèche F et s'approche de la tige 5, un arc de préamorçage jaillit entre ces contacts. Il est de très faible longueur (distance entre diamètre intérieur de 6 et diamètre extérieur de 5) et il est rapidement shunté par le contact entre les doigts 4 et le tube 6.
On note que le tube 5 sert à la fois comme contact d'arc, surtout à la fermeture, et comme déflecteur pour améliorer le soufflage, car il ferme partiellement le volume 11.
Grâce à la combinaison de deux formes de soufflage, auto-soufflage thermique par l'arc et soufflage mécanique après compression, on réalise un disjoncteur dont l'énergie de coupure reste faible quelle que soit la valeur du courant coupé.
Le schéma de la figure 1 concerne une chambre pour disjoncteur à haut pouvoir de coupure.
Le contact d'arc tubulaire 5 contribue à l'échappement des gaz chauds qui passent aussi par le contact mobile 6.
Dans l'application de l'invention à des disjoncteurs à pouvoirs de coupure plus faibles, le contact d'arc fixe peut être plein, comme il est représenté sous la référence 50 dans la figure 2 où les autres détails constitutifs et références demeurent inchangées ; la référence 50A désigne l'extrémité semi-sphérique du contact d'arc fixe.
Les gaz s'échappent, lors d'une coupure, par la partie centrale du contact mobile 6.
La variante de la figure 3 correspond à une application à des
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disjoncteurs à tension élevée (supérieure à 30 kV).
Pour supprimer la ligne de fuite et la contrainte sur l'enveloppe 1, le piston 14 se. désolidarise en fin de course du tube 6, comme représenté dans la figure 3, qui porte les mêmes numéros de référence que la figure 1.
Pour permettre la solidarisation et la désolidarisation du piston 14 avec le tube 6, le piston porte des dispositifs à bille 14A et ressort 14B, coopérant avec une gorge 6B pratiquée dans le tube.
La figure 4 montre une variante de réalisation dans laquelle le fond 3 est plaqué par un ressort 20 s'appuyant sur une plaque 30 fixe ; en fin de course, le piston repousse le fond 3, introduisant ainsi une discontinuité entre les prises 2 et 3.
La figure 5 est une vue d'un mode de réalisation industriel d'une chambre de coupure conforme à la figure 1.
Dans ce cas on a muni les doigts 4 d'un revêtement permettant une bonne tenue à l'usure due à l'arc. La zone 12A est revêtue d'un manchon isolant 30.
La couronne de doigts 15 est fixée à un bloc conducteur 31 faisant partie ou solidaire du fond de l'enveloppe.
Par ailleurs, en variante non représentée, les contacts 5A et 50 peuvent être isolés de la prise 2, par exemple par une portion en matériau isolant, de manière à maintenir une tension d'arc suffisante pour fournir l'énergie d'échauffement du gaz dans l'enceinte 11.