La présente invention est relative à un disjoncteur à grande tension d'arc.
La coupure des courants alternatifs à grande composante continue, que l'on rencontre par exemple dans les réseaux alternatifs à haute tension à compensation série, lors de l'apparition de certains types de défaut, est un problème difficile à résoudre. La présence de la composante continue peut entraîner le non passage par zéro du courant, pendant plusieurs périodes. Il est alors difficile de couper le courant au moyen des disjoncteurs à hexafluorure de soufre (SF6) classiques.
Il est bien connu que pour remédier à cet inconvénient, il faut, par un moyen convenable, augmenter la tension d'arc; une tension d'arc élevée permet d'absorber l'énergie de la composante continue du courant et le faire tendre par zéro.
On a proposé une chambre de coupure à fusibles permanents en série avec un disjoncteur à haute tension classique. La fusion des fusibles, lors d'une opération de déclenchement consécutive à l'apparition d'un défaut, produit une très forte tension d'arc qui fait décroître très rapidement la composante continue du courant de défaut. Cette solution n'a pas été retenue en raison de ses coûts importants de mise en Öuvre et d'exploitation.
Dans la demande de brevet français n<o> 9 111 756, on a proposé d'utiliser une chambre de coupure à haute pression munie de moyens pour créer plusieurs arcs en série. La mise en Öuvre de cette solution nécessite la réalisation d'un appareil nouveau, ayant une chambre de coupure de longueur supérieure à celle des chambres existantes, ce qui entraîne un surcoût dû à la nécessité d'allonger l'enveloppe isolante en porcelaine de la chambre isolante.
Le but de l'invention est de réaliser, à partir d'un disjoncteur classique à haute tension à SF6 existant, un appareil dans lequel la tension d'arc est accrue, moyennant une modification mineure et de faible coût, et sans que la chambre de coupure se trouve allongée.
L'invention a pour objet un disjoncteur à isolation et soufflage d'arc par gaz à bonnes propriétés diélectriques comprenant pour chaque pôle au moins une chambre de coupure comprenant une enveloppe isolante étanche remplie dudit gaz sous pression, et contenant un ensemble fixe comprenant un contact pour le passage du courant permanent et un contact d'arc, et un ensemble mobile actionné par une tringle de manÖuvre traversant de manière étanche une paroi de ladite enveloppe, ledit ensemble mobile comprenant en outre un contact pour le passage du courant permanent, un contact d'arc, un cylindre de soufflage comportant un piston de soufflage et une buse de soufflage, caractérisé en ce qu'autour du contact d'arc mobile constitué de doigts formant un premier jeu de contacts d'arc est disposé coaxialement un second jeu de doigts,
en contact électrique avec les doigts du premier jeu de contacts par l'intermédiaire d'une couronne métallique disposée axialement dans un plan perpendiculaire à l'axe de la chambre de coupure, ladite couronne étant solidarisée électriquement et mécaniquement au premier jeu de contacts mobiles par une pluralité de bras métalliques, le contact entre la couronne et les doigts du second jeu de contacts d'arc cessant, lorsque le premier jeu de contacts d'arc mobile quitte le contact d'arc fixe en raison du fléchissement desdits doigts du premier jeu de contact d'arc, permettant ainsi l'apparition d'un arc entre ladite couronne et lesdits doigts du second jeu de contacts d'arc mobiles.
Avantageusement, les doigts du premier jeu de contacts d'arc mobiles et le tube cylindrique qui le prolonge et constitue l'une des parois du cylindre de soufflage, sont gainés intérieurement par un tube en matériau isolant.
De préférence, les doigts de contact mobiles du premier jeu de contacts d'arc mobiles sont isolés du fond du cylindre de soufflage par une rondelle isolante.
L'invention est expliquée en détail par la description d'un exemple de réalisation, en référence au dessin annexé dans lequel:
- la fig. 1 est un diagramme montrant les variations d'un courant alternatif à grande composante continue,
- la fig. 2 est une vue partielle en demi-coupe axiale d'une chambre de coupure d'un pôle d'un disjoncteur selon l'invention, représentée en position enclenchée,
- la fig. 3 est une vue en demi-coupe axiale de la même chambre de coupure, représentée au cours d'une manÖuvre de déclenchement.
Le diagramme de la fig. 1 montre l'allure du courant de défaut avec la passage par zéro retardé.
Pour avancer le passage par zéro du courant, il faut donc allonger l'arc au maximum possible dès la séparation des contacts d'arc.
Par exemple, si la séparation des contacts a lieu à l'instant t0, on veut forcer la passage du courant à zéro à l'instant t1 (une pseudo-période après t0), ou au plus tard à l'instant t2 (deux pseudo-périodes après t0).
La fig. 2 est une vue schématique partielle en demi-coupe axiale d'une chambre de coupure d'un pôle de disjoncteur classique, représenté en position enclenchée.
La chambre de coupure, sensiblement cylindrique d'axe xx, comprend une enveloppe isolante étanche 1, par exemple en céramique, délimitant un volume V rempli de gaz à bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexafluorure de soufre SF6, sous une pression de quelques hectopascals.
A l'intérieur de la chambre, on trouve, de manière bien connue, un ensemble fixe comprenant un contact cylindrique 2 pour le passage du courant permanent et un contact d'arc fixe, constitué d'un tube 3, coaxial et intérieur au contact 2, dont l'extrémité 3A est réalisée en un matériau résistant aux effets de l'arc électrique, par exemple un alliage à base de tungstène.
Les contacts 2 et 3 sont reliés à une première prise de courant non représentée.
La chambre comprend un ensemble mobile comprenant un cylindre de soufflage délimité par deux tubes coaxiaux 5 et 6 et un fond annulaire 7 percé de trous 7A.
Au fond 7 sont fixés des doigts de contact 9 coopérant avec le contact 2 pour le passage du courant permanent; les doigts 9 sont protégés par un capot pare-effluves 10; au fond 7 sont fixés également des doigts de contact 12, coopérant avec le contact d'arc fixe 3-3A. Les doigts de contact 12, disposés selon une tulipe, ont une extrémité 12A réalisée en un matériau résistant aux effets de l'arc électrique. Les doigts 12 constituent un premier jeu de contacts mobiles d'arc. Les doigts de contact 12 sont isolés du fond 7 par une rondelle isolante 21 dont le rôle apparaîtra plus loin.
Le fond 7 porte une buse de soufflage 14, entourant les contacts d'arc 12.
Un piston annulaire fixe 15 est placé dans le cylindre de soufflage et délimite, avec les cylindres 5 et 6 et le fond 7, un volume de soufflage Vs.
Le tube 5 est relié électriquement, par des contacts glissants non représentés, à une seconde prise de courant non représentée.
Le tube 6 est relié à une tringle isolante non représentée, traversant la chambre de manière étanche et mise en mouvement par une commande pneumatique, électrique, hydraulique ou mécanique.
Selon l'invention, la chambre de coupure comprend un deuxième jeu de contacts d'arc, formés de doigts 16 disposés en tulipe et fixés au fond 9. Les doigts 16 sont disposés coaxialement aux doigts 12 et autour de ces derniers. Les extrémités 16A des doigts 16 sont réalisés en un matériau résistant aux effets de l'arc électrique.
Les doigts 16 sont en contact avec les doigts 12 par l'intermédiaire de secteurs métalliques 17 disposés en une couronne coaxiale à l'axe xx de révolution de la chambre, dans un plan perpendiculaire à l'axe xx de la chambre de coupure; les secteurs 17 sont reliés mécaniquement et électriquement par des secteurs 18 s'étendant entre les secteurs 17 et certains des doigts 12 du premier jeu de contacts d'arc mobiles.
Un tube isolant 20, dont le rôle sera expliqué plus loin, est en contact avec la partie interne des doigts 12 et du cylindre 6.
Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant:
Lorsque le disjoncteur est enclenché (fig. 2), le courant traverse les contacts 2 et 9.
Lors du déclenchement, l'équipage mobile est déplacé, par l'action de la commande, vers la droite de la figure.
A la séparation des contacts 2 et 9, le courant est commuté sur les contacts d'arc et passe par le chemin 3, 12A, 18, 17, 16A, 16, 7 et 5.
A la séparation des contacts 3A et 12A (fig. 3), un premier arc A1 jaillit entre ces pièces; en raison de la perte d'appui des doigts 12 sur le cylindre 3, les doigts 12 subissent un fléchissement qui a tendance à rapprocher leurs extrémités de l'axe xx; il en résulte une séparation, d'environ un à quelques mm, entre les secteurs 17 solidaires des doigts 12 et les doigts 16. Un second arc A2 jaillit entre les secteurs 17 et l'extrémité 16A des doigts 16. Cet arc A2 a tendance à s'allonger en raison de l'effet de boucle.
Le courant passe alors par les pièces 3A, 12A, 18, 17, 16A, 16, 7 et 5, car la rondelle isolante 21 empêche le courant de passer directement des doigts 12 au fond 7.
Ces arcs se développent dans un milieu où la pression est la plus grande régnant à l'intérieur de la chambre, puisqu'une augmentation de pression est provoquée à la fois par l'effet mécanique du piston 15 et par l'auto-compression due à l'échauffement du gaz.
Les conditions sont donc bien réunies pour augmenter la tension d'arc et ainsi permettre d'absorber l'énergie de la composante continue éventuelle du courant à couper et accélérer ainsi la passage par zéro du courant.
Le tube 20 évite que l'arc A1 se déplace le long des contacts 12 en direction du tube 6.
La mise en Öuvre de l'invention est facile et donc peu onéreuse. Elle peut s'effectuer sur tout type de disjoncteur classique à SF6 à auto-soufflage existant.
The present invention relates to a high arc voltage circuit breaker.
The interruption of alternating currents with a large DC component, which is encountered, for example, in high-voltage alternating networks with series compensation, when certain types of fault appear, is a problem which is difficult to solve. The presence of the DC component can cause the current to pass through zero for several periods. It is therefore difficult to cut off the power using conventional sulfur hexafluoride (SF6) circuit breakers.
It is well known that to remedy this drawback, it is necessary, by suitable means, to increase the arc voltage; a high arc voltage makes it possible to absorb the energy of the direct component of the current and to make it tend by zero.
A permanent fuse breaking chamber has been proposed in series with a conventional high voltage circuit breaker. The melting of the fuses, during a tripping operation following the appearance of a fault, produces a very high arc voltage which very rapidly decreases the DC component of the fault current. This solution was not chosen because of the significant costs of implementation and operation.
In French patent application No. 9,111,756, it has been proposed to use a high pressure interrupting chamber provided with means for creating several arcs in series. The implementation of this solution requires the production of a new device, having a breaking chamber of length greater than that of the existing chambers, which involves an additional cost due to the need to lengthen the insulating porcelain envelope of the insulating chamber.
The object of the invention is to produce, from a conventional high-voltage circuit breaker with existing SF6, an apparatus in which the arc voltage is increased, with a minor modification and at low cost, and without the chamber cut is elongated.
The subject of the invention is a circuit breaker with insulation and arc blowing by gas with good dielectric properties comprising for each pole at least one breaking chamber comprising a sealed insulating envelope filled with said gas under pressure, and containing a fixed assembly comprising a contact for the passage of the permanent current and an arcing contact, and a movable assembly actuated by an operating rod sealingly passing through a wall of the said envelope, the said movable assembly further comprising a contact for the passage of the permanent current, a contact arcing, a blowing cylinder comprising a blowing piston and a blowing nozzle, characterized in that around the movable arcing contact consisting of fingers forming a first set of arcing contacts is arranged coaxially a second set of fingers,
in electrical contact with the fingers of the first set of contacts by means of a metal ring arranged axially in a plane perpendicular to the axis of the interrupting chamber, said ring being electrically and mechanically secured to the first set of movable contacts by a plurality of metal arms, the contact between the crown and the fingers of the second set of arcing contacts ceasing, when the first set of movable arcing contacts leaves the fixed arcing contact due to the bending of said fingers of the first set of arcing contact, thus allowing the appearance of an arc between said crown and said fingers of the second set of movable arcing contacts.
Advantageously, the fingers of the first set of movable arcing contacts and the cylindrical tube which extends it and constitutes one of the walls of the blowing cylinder, are sheathed internally by a tube made of insulating material.
Preferably, the movable contact fingers of the first set of movable arcing contacts are isolated from the bottom of the blowing cylinder by an insulating washer.
The invention is explained in detail by the description of an exemplary embodiment, with reference to the appended drawing in which:
- fig. 1 is a diagram showing the variations of an alternating current with a large direct component,
- fig. 2 is a partial view in axial half-section of a breaking chamber of a pole of a circuit breaker according to the invention, shown in the engaged position,
- fig. 3 is an axial half-section view of the same breaking chamber, shown during a triggering operation.
The diagram in fig. 1 shows the appearance of the fault current with delayed zero crossing.
To advance the zero crossing of the current, the arc must therefore be extended to the maximum possible as soon as the arcing contacts are separated.
For example, if the separation of the contacts takes place at time t0, we want to force the passage of the current to zero at time t1 (a pseudo-period after t0), or at the latest at time t2 (two pseudo-periods after t0).
Fig. 2 is a partial schematic view in axial half-section of a breaking chamber of a conventional circuit breaker pole, shown in the engaged position.
The interrupting chamber, substantially cylindrical with axis xx, comprises a sealed insulating envelope 1, for example made of ceramic, delimiting a volume V filled with gases with good dielectric properties, such as sulfur hexafluoride SF6, under a pressure of a few hectopascals.
Inside the chamber, there is, in a well known manner, a fixed assembly comprising a cylindrical contact 2 for the passage of the permanent current and a fixed arcing contact, consisting of a tube 3, coaxial and internal to the contact 2, the end 3A of which is made of a material resistant to the effects of the electric arc, for example an alloy based on tungsten.
Contacts 2 and 3 are connected to a first socket not shown.
The chamber comprises a mobile assembly comprising a blowing cylinder delimited by two coaxial tubes 5 and 6 and an annular bottom 7 pierced with holes 7A.
At the bottom 7 are fixed contact fingers 9 cooperating with the contact 2 for the passage of the permanent current; the fingers 9 are protected by a corona hood 10; at the bottom 7 are also fixed contact fingers 12, cooperating with the fixed arcing contact 3-3A. The contact fingers 12, arranged in a tulip, have an end 12A made of a material resistant to the effects of the electric arc. The fingers 12 constitute a first set of movable arcing contacts. The contact fingers 12 are isolated from the bottom 7 by an insulating washer 21 whose role will appear later.
The bottom 7 carries a blowing nozzle 14, surrounding the arcing contacts 12.
A fixed annular piston 15 is placed in the blowing cylinder and defines, with the cylinders 5 and 6 and the bottom 7, a blowing volume Vs.
The tube 5 is electrically connected, by sliding contacts not shown, to a second socket not shown.
The tube 6 is connected to an insulating rod not shown, passing through the chamber in a sealed manner and set in motion by a pneumatic, electric, hydraulic or mechanical control.
According to the invention, the breaking chamber comprises a second set of arcing contacts, formed by fingers 16 arranged in a tulip and fixed to the bottom 9. The fingers 16 are arranged coaxially with the fingers 12 and around the latter. The ends 16A of the fingers 16 are made of a material resistant to the effects of the electric arc.
The fingers 16 are in contact with the fingers 12 by means of metal sectors 17 arranged in a ring coaxial with the axis xx of revolution of the chamber, in a plane perpendicular to the axis xx of the breaking chamber; the sectors 17 are mechanically and electrically connected by sectors 18 extending between the sectors 17 and some of the fingers 12 of the first set of movable arcing contacts.
An insulating tube 20, the role of which will be explained below, is in contact with the internal part of the fingers 12 and of the cylinder 6.
The circuit breaker works as follows:
When the circuit breaker is switched on (fig. 2), the current flows through contacts 2 and 9.
When triggered, the moving assembly is moved, by the action of the control, to the right of the figure.
When the contacts 2 and 9 separate, the current is switched to the arcing contacts and goes through the path 3, 12A, 18, 17, 16A, 16, 7 and 5.
When the contacts 3A and 12A separate (fig. 3), a first arc A1 erupts between these parts; due to the loss of support of the fingers 12 on the cylinder 3, the fingers 12 undergo a bending which tends to bring their ends closer to the axis xx; this results in a separation, of approximately one to a few mm, between the sectors 17 integral with the fingers 12 and the fingers 16. A second arc A2 emerges between the sectors 17 and the end 16A of the fingers 16. This arc A2 tends to lengthen due to the loop effect.
The current then passes through parts 3A, 12A, 18, 17, 16A, 16, 7 and 5, because the insulating washer 21 prevents the current from passing directly from the fingers 12 to the bottom 7.
These arcs develop in an environment where the pressure is greatest prevailing inside the chamber, since an increase in pressure is caused both by the mechanical effect of the piston 15 and by the self-compression due when the gas heats up.
The conditions are therefore right to increase the arc voltage and thus make it possible to absorb the energy of the possible continuous component of the current to be cut and thus accelerate the zero crossing of the current.
The tube 20 prevents the arc A1 from moving along the contacts 12 in the direction of the tube 6.
The implementation of the invention is easy and therefore inexpensive. It can be performed on any type of conventional SF6 circuit breaker with existing self-blowing.