La présente invention est relatif à un disjoncteur à moyenne et haute tension, du type comprenant un volume dit "de soufflage" et comprenant un piston de soufflage, et un volume dit "thermique". Dans un tel disjoncteur l'arc est soumis à un soufflage produit par le déplacement du piston de soufflage, ainsi qu'un auto-soufflage dû à la détente, au moment du passage par zéro du courant, du gaz du volume thermique qui a été échauffé par l'arc.
Il a été observé que la coupure était favorisée par une précompression du gaz du volume thermique et plusieurs moyens ont été envisages pour réaliser une telle compression. Ces moyens utilisent les effets électrodynamiques du courant de court-circuit pour déplacer un piston dit "de précompression" qui a pour effet de précomprimer le gaz du volume thermique. Mais dans l'état actuel de la technique, l'effort sur le piston de précompression varie selon sa course: dans certains cas il est maximal en début de course et décroît très rapidement; dans d'autres cas, il est faible en début de course et croît progressivement. Or il est préférable que l'effort sur le piston de précompression soit constant sur toute sa course pour assurer une efficacité maximale.
Un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur avec piston de précompression dans lequel l'effort de précompression est constant sur toute sa course.
Dans les disjoncteurs de l'art antérieur, la pression dans le volume thermique s'oppose souvent à la manÖuvre d'ouverture du disjoncteur, ce qui conduit à accroître la puissance de la commande du disjoncteur.
Un autre but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur dans lequel l'énergie nécessaire à la manÖuvre d'ouverture soit constante quelle que soit la pression dans le volume thermique.
L'invention a pour objet un disjoncteur à moyenne ou haute tension à gaz d'isolement comprenant un volume thermique en série avec un volume de soufflage, des contacts principaux et des contacts d'arc, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un piston de précompression dont le déplacement est provoqué par des forces électrodynamiques engendrées dans une boucle traversée par le courant entre l'instant de la séparation des contacts principaux et l'instant de la séparation des contacts d'arc, le déplacement dudit piston de précompression provoquant la compression du gaz du volume thermique, les efforts produits par la précompression ne s'exerçant sur aucune partie mobile du disjoncteur.
Selon un premier mode de réalisation, le piston de précompression est disposé à l'extérieur du volume de soufflage.
Dans ce mode de réalisation, le disjoncteur comprend:
- des doigts de contact principaux fixes disposés en tulipe coaxialement à une tige disposée axialement selon un axe et constituant le contact d'arc fixe, les doigts de contact principaux fixe et le contact d'arc fixe étant reliés électriquement à une première prise de courant,
- un premier tube disposé axialement et dont une première extrémité porte des doigts de contact constituant un contact d'arc mobile, une seconde extrémité étant relié à une tringle de manÖuvre,
- un second tube disposé coaxialement audit contact d'arc mobile et dont une extrémité constitue un contact principal mobile, ledit second tube étant solidarisé par une première couronne audit premier tube,
- une buse de soufflage fixée à l'extrémité du contact principal mobile, la buse, la première couronne,
le contact d'arc mobile délimitant un volume thermique,
- une portion cylindrique disposée coaxialement entre le premier et le second tube, fixée à ladite couronne et dans lequel peut coulisser un piston de soufflage fixe, ladite portion cylindrique, ladite couronne entre ledit second tube et ledit piston de soufflage constituant un volume de soufflage communiquant avec le volume thermique par des orifices dans la couronne munis de premiers clapets,
- une pièce fixe tubulaire maintenant le piston de soufflage, disposée coaxialement au premier tube, s'étendant dans le prolongement de la portion cylindrique et étant fixée à son extrémité opposée au piston de soufflage à une seconde couronne, fixe,
- une portion tubulaire fixée à la seconde couronne et disposée coaxialement à ladite pièce tubulaire fixe,
- un piston de précompression pouvant coulisser dans le cylindre de section annulaire constitué par ladite portion tubulaire et ladite pièce tubulaire, ledit piston de précompression, ladite portion tubulaire, ladite seconde couronne et ladite pièce tubulaire délimitant un volume de précompression, ledit volume de précompression communiquant avec le volume thermique par un volume annulaire délimité par ledit premier tube ladite portion cylindrique et ladite pièce, des trous dans la pièce tubulaire faisant communiquer ledit volume de précompression avec ledit volume annulaire, des orifices dans ladite première couronne, munis de clapets unidirectionnels, faisant communiquer ledit volume annulaire avec ledit volume thermique,
- une plaque de connexion métallique fixée audit piston de précompression, à l'extérieur du volume de précompression,
et disposée dans un plan perpendiculaire audit axe, ladite plaque étant munie d'un trou central pour le passage de ladite pièce tubulaire,
- un bras d'amenée de courant fixe en contact électrique par des premiers contacts glissants avec le second tube et par des seconds contacts glissants avec une première portion de la circonférence de la plaque,
- un bras de départ de courant fixe, ayant une première extrémité reliée électriquement à une seconde prise de courant du disjoncteur et une seconde extrémité reliée électriquement par des troisièmes contacts glissants à une seconde portion de la circonférence de la plaque, opposée diamétralement à ladite première portion,
- un ressort de rappel disposé dans le volume de précompression et poussant le piston dans le sens tendant à augmenter ce volume.
En outre, le disjoncteur comprend une connexion électrique fixe dont une première extrémité est reliée électriquement à la seconde prise de courant et dont l'autre extrémité est en contact électrique glissant avec ledit second tube, le contact électrique cessant, lors d'une manÖuvre d'ouverture, avant la séparation des contacts d'arc.
Selon un second mode de réalisation, le piston de précompression est disposé à l'intérieur du volume de soufflage.
Dans ce mode de réalisation, le disjoncteur comprend:
- des doigts de contact principaux fixes disposés en tulipe coaxialement à une tige disposée axialement selon un axe et constituant le contact d'arc fixe, les doigts de contact principaux fixe et le contact d'arc fixe étant reliés électriquement à une première prise de courant,
- un premier tube disposé axialement et dont une première extrémité constitue un contact d'arc mobile, une seconde extrémité étant relié à une tringle de manÖuvre,
- un second tube disposé coaxialement audit contact d'arc mobile et constituant un contact principal mobile, ledit second tube étant solidarisé par une première couronne audit premier tube,
- une buse de soufflage fixée à l'extrémité du contact principal mobile, la buse, la première couronne et le contact d'arc mobile délimitant un volume thermique,
- un troisième tube, métallique,
disposé coaxialement au premier tube et isolé de ce dernier par une couche isolante, le troisième tube s'étendant à partir de la première couronne à l'extérieur du volume thermique et étant relié électriquement à son extrémité opposée à la première couronne par une liaison au premier tube,
- un piston de précompression métallique pouvant coulisser dans un premier volume annulaire délimité par les second et troisième tubes et fermé par la première couronne, le piston étant en contact électrique par des premiers contacts glissants avec le troisième tube et par des seconds contacts glissants avec le second tube,
- un quatrième tube fixe, métallique et relié à une seconde prise de courant, ledit tube étant disposé coaxialement et autour du premier tube et s'étendant de l'autre côté du piston de précompression par rapport au premier volume annulaire,
ledit quatrième tube entourant ledit second tube et étant en contact électrique avec ledit second tube par des troisièmes contact glissants,
- une seconde couronne disposée dans un plan axial et solidaire du quatrième tube et constituant un piston de soufflage, ladite seconde couronne étant traversée de manière étanche par ledit premier tube, la seconde couronne, les premier et quatrième tubes et le piston de précompression délimitant un second volume annulaire constituant avec le premier volume annulaire le volume de soufflage,
- un ressort étant disposé dans ledit premier volume annulaire et tendant à pousser le piston de précompression dans la direction qui augmente ce volume.
Le disjoncteur comprend en outre un second piston de précompression solidaire du premier piston de précompression et coopérant électriquement et pneumatiquement avec ledit quatrième tube et un cinquième tube relié électriquement par un sixième tube, coaxial et intérieur au cinquième tube, et par une troisième couronne, au second tube, le quatrième tube étant en contact électrique avec le second tube au moyen de contacts, le contact cessant, lors d'une manÖuvre d'ouverture, avant la séparation des contacts d'arc.
Plusieurs modes de réalisation de l'invention sont maintenant présentés, en référence au dessin annexé dans lequel:
la fig. 1 est une vue partielle en coupe axiale d'un disjoincteur selon un premier mode de réalisation de l'invention,
la fig. 2 est une vue en coupe partielle selon la ligne II-II de la fig. 1, à échelle agrandie,
la fig. 3 est une vue partielle en coupe axiale d'un disjoncteur selon un second mode de réalisation de l'invention,
les fig. 4A à 4E sont des vues partielles en coupe axiale d'un disjoncteur selon un troisième mode de réalisation de l'invention, dans plusieurs positions d'ouverture sur faible courant et fort courant,
les fig. 5A et 5B sont des vues partielles en coupe axiale d'un disjoncteur selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
Dans les figures, on n'a représenté que la partie centrale de la chambre de coupure des disjoncteurs. L'enveloppe isolante de la chambre de coupure, les prises de courant et la tringle de manÖuvre, qui sont des éléments bien connus, n'ont pas été représentés et on pourra se référer, s'il en est besoin, aux Techniques de l'Ingénieur, D655a, "Appareillage électrique à haute tension", par Eugène Maury, 1976. On se souvient que l'enveloppe isolante est remplie de gaz à bonnes propriétés diélectriques sous une pression de quelques hectopascals. Ce gaz est de préférence de l'hexafluorure de soufre, pur ou mélangé d'azote.
La fig. 1 est une vue en coupe axiale partielle de la chambre de coupure, dont la plupart des éléments sont de révolution autour d'un axe xx.
Dans la fig. 1, la référence 1 désigne les doigts de contact principaux fixes du disjoncteur, disposés en tulipe coaxialement à une tige métallique 2 constituant le contact d'arc fixe. Les contacts 1 et 2 sont reliés à une première prise de courant non représentée du disjoncteur.
L'équipage mobile du disjoncteur comprend:
- un tube métallique 3 dont une première extrémité porte des doigts de contact 3A constituant le contact d'arc mobile du disjoncteur et coopérant avec le contact 2, une seconde extrémité du tube 3 étant reliée à une tringle de manÖuvre isolante non représentée,
- un tube métallique 4, coaxial au tube 3 et portant une extrémité de diamètre réduit 4A constituant le contact principal mobile du disjoncteur et coopérant avec les doigts 1. Le tube 4 est solidarisé au tube 3 par une couronne métallique 5,
- une buse en matériau isolant 6, fixée à la portion 4A et définissant, avec les contacts 2 et 3A et la couronne 5, un volume thermique Vt pour le disjoncteur.
Entre les tubes 3 et 4, et coaxialement à ceux-ci, est disposé une portion tubulaire métallique 8, fermée par un piston 9 disposé à l'extrémité d'une pièce fixe 10, présentant deux parties tubulaires 10A et 10B et une partie annulaire 10C. Le tube 8 glisse à frottement doux contre la partie 10A. Le piston 9, la partie tubulaire 8, la couronne 5 et le tube 4 définissent un volume de soufflage Vs.
La partie 10B est fixée à une couronne fixe 12, traversée par le tube 3. A la couronne 12 est fixée une portion tubulaire 14, coaxiale aux tubes 3 et 10B et extérieure à ceux-ci. Un piston 15 peut coulisser dans le volume annulaire défini par les tubes 10B et 14 et par la couronne 12. Ce volume est le volume de précompression Vp. Il communique avec le volume thermique par le volume annulaire Va défini par le tube 3 et les tubes ou parties tubulaires 8, 10A et 10B. La communication est assurée grâce à des trous 17 pratiqués dans la partie tubulaire 10B, et par des orifices dans la couronne 5, ces orifices étant munis de clapets 19. Ces clapets, unidirectionnels, autorisent le passage du gaz dans le sens volume de précompression-volume thermique.
Le piston 9, les parties tubulaires 10A et 10B, la couronne 12 et la portion tubulaire 14 sont de préférence en matériau isolant.
On notera que des tiges 20 solidaires de la couronne 12, permettent le guidage du piston 15.
On se référera également à la fig. 2.
Le piston 15 est relié par une portion tubulaire 22 à une plaque de connexion 24, dont le plan est perpendiculaire à l'axe xx. La plaque a une forme de disque ajouré, avec un trou central 24A pour le passage du tube 10, et présente deux portions de circonférence diamétralement opposées 24B et 24C. La portion de disque 24B est en contact électrique, par des contacts coulissants 25 de préférence de type accordéon, avec un bras métallique fixe 27, solidaire de la couronne 12. Ce bras a une forme de gouttière pour permettre une surface de contact suffisante avec la plaque 24. Le bras 27 est en contact électrique, par un contact glissant 28, avec le tube 4.
La portion de disque 24C est en contact électrique, par un contact coulissant 29, avec un bras 30 de départ de courant; le bras présente une partie 30A en forme de gouttière qui coopère avec le contact 29, une partie 30B formant un U et une partie 30C en forme de barre reliée à une seconde prise de courant non représentée du disjoncteur.
On note que la couronne 5 porte, au droit du volume de soufflage Vs, des orifices munis de clapets 33 unidirectionnels autorisant le passage du gaz dans le sens volume de soufflage-volume thermique.
Le volume de précompression Vp enferme un ressort 34 pour rappeler le piston de précompression 15 dans la position où le volume de précompression est maximal.
Le piston porte des ouvertures munies de clapet unidirecionnels 9A autorisant le passage du gaz de l'extérieur vers l'intérieur du volume de soufflage. Ces clapets sont destinés à éviter une dépression dans le volume de soufflage lors d'une manÖuvre de réenclenchement du disjoncteur. Le piston 9 comprend également une ouverture munie d'un clapet unidirectionnel 36, taré, autorisant le passage du gaz hors du volume de soufflage. Ce clapet sert à limiter la valeur de la surpression dans le volume de soufflage.
Un anneau tubulaire isolant 37 assure le maintien du bras 27 et du bras 30A.
Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant:
- au déclenchement sur court-circuit, l'équipage mobile est tiré par la tringle de manÖuvre non représentée vers la droite de la figure,
- les doigts de contacts principaux fixes 1 et le tube de contact principal mobile 4A se séparent et le courant est commuté en totalité dans les contacts d'arc; le courant de court-circuit passe dans la couronne 5, le tube 4, les contacts 28, le bras 27, le contact 25, la plaque 24, le contact 29 et le bras 30.
On voit que le courant décrit une boucle constituée par les bras 27 et 30 et la plaque 24; en vertu de la loi de Lenz qui édicte que les forces électro-dynamiques agissent pour assurer dans la boucle un flux maximal, les forces exercent une poussée sur la plaque 24, dirigée vers la droite de la figure; le piston 15 comprime alors le volume Vp; la surpression atteint le volume thermique Vt par les trous 17, le volume Va et les clapets 19. Ce volume est donc précomprimé avant que les contacts d'arc se séparent et que l'arc jaillisse.
L'effort sur la plaque est constant sur toute la course de la plaque; les forces exercées par l'intermédiaire de la plaque 24 sont des forces intérieures à l'équipage mobile; elles n'ont donc aucune influence sur l'énergie nécessaire à la commande du disjoncteur.
On observe que, dans le mode de réalisation des fig. 1 et 2, un léger effet de boucle se produit par le passage du courant nominal; cet effet est compensé par l'action du ressort 34.
La variante de réalisation représenté dans la fig. 3 diffère de la réalisation des fig. 1 et 2 en ce qu'une connexion électrique 40 est disposée en parallèle sur les contacts 4 et 30. Cette connexion est reliée électriquement par une extrémité à la seconde prise de courant; son autre extrémité est en contact électrique glissant avec le tube 4. Le courant nominal en régime normal passe par les contacts 1 et 40, de sorte que l'effet de boucle ne se produit qu'au moment d'une ouverture, après séparation des contacts 4 et 40.
Le mode de réalisation des fig. 4A à 4E est de construction plus simple et se caractérise en ce que le piston de précompression est disposé à l'intérieur du volume de soufflage.
On distingue dans la fig. 4A les contacts fixes principaux 51 et le contact d'arc fixe 52 reliés à une première prise de courant non représentée. L'équipage mobile comprend un tube 53 dont une première extrémité 53A constitue le contact d'arc mobile et dont une seconde extrémité est reliée à une tringle de manÖuvre non représentée. Un tube 54, coaxial et extérieur au tube 53, constitue le contact principal mobile. Ce tube est solidarisé au tube 53 par une couronne isolante 55. Le tube 54 porte une buse isolante 56. Les tubes 52, 53, la couronne 55 et la buse 56 définissent un volume thermique Vt.
Le tube 54 est en contact électrique par un contact glissant 57 avec un tube métallique 58 fixe relié électriquement à une seconde prise de courant non représentée.
La couronne 55 se prolonge, du côté oppose au volume thermique, par une portion tubulaire isolante 59 en contact avec une partie du tube 53. Cette portion tubulaire 59 est recouverte par un tube métallique 60 qui s'étend sur toute la longueur de la portion isolante 59 et qui est relié par une extrémité 60A au tube 53.
Le tube 54, la couronne 55 et le tube 60 définissent un volume Vsp qui est fermé par un piston métallique 63 portant des contacts métalliques glissants 64 et 65 pour coopérer avec les tubes 54 et 60 respectivement. Des clapets unidirectionnels 66 autorisent le passage du gaz de l'extérieur vers l'intérieur du volume Vsp. Un ressort 67 à l'intérieur du volume Vsp pousse le piston 63 dans le sens tendant à agrandir le volume Vsp. Une butée 54A limite la course du piston 63. Le piston de soufflage est constitué par une couronne métallique 69 solidaire du tube 58 et munie de clapets unidirectionnels 70. La couronne métallique 69 est traversée de manière étanche par le tube 53. La couronne 69 définit, avec les tubes 53 et 58 et le piston 63, un volume Vb.
L'ensemble des volumes Vsp et Vb constitue le volume de soufflage; le soufflage reste provoqué par le déplacement relatif de la couronne fixe 69 et de l'équipage mobile, mais il est exercé par le piston 63. Les clapets 70 sont orientés pour permettre le passage du gaz de l'extérieur vers l'intérieur du volume Vb.
La couronne 55 est munie de clapets unidirectionnels 72 qui autorisent le passage du gaz de l'extérieur vers l'intérieur du volume thermique Vt.
Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant:
Coupure des faibles courant.
Il s'agit du courant nominal par exemple. on se reportera aux fig. 4A à 4C.
Dans la fig. 4A, le disjoncteur est fermé. Le courant passe par les contacts 51, le contact 54, le contact 57 et le tube 58.
A l'ouverture, le tube 53 est tiré vers la droite de la figure. Les contacts principaux 51 et 54 se séparent (Fig. 4B). Le courant est commuté dans les contacts d'arc et passe donc par le tube 52, le tube 53, le tube 60, le contact 64, le piston 63, le contact 65, le tube 54, le contact 57 et le tube 58. Le courant circule en sens inverses dans les tubes 60 et 54, de sorte que le piston 63 est soumis à une action électro-dynamique qui tend à agrandir le flux traversé par la boucle 60, 63, 54. Le piston se déplace donc vers la gauche de la figure et précomprime le volume Vsp et par suite, le volume Vt. Le courant étant faible, le déplacement du piston est faible et n'occasionne qu'une faible montée en pression. A la séparation des contacts d'arc, un faible soufflage se produit, qui est néanmoins suffisant pour souffler l'arc.
Le déplacement relatif de l'équipage mobile et du piston 69 produit un balayage de gaz frais dans les volumes Vsp et Vt après l'extinction de l'arc.
Coupure des grands courants
Il s'agit des courants de court-circuit.
En régime permanent, la configuration est celle de la fig. 4A.
A la séparation des contacts principaux (fig. 4D), l'effet de boucle est si important, en raison de la grande valeur du courant, que le piston 63 effectue sa course complète avant la séparation des contacts d'arc, provoquant une forte précompression du volume thermique Vt.
A la séparation des contacts d'arc, l'arc échauffe un gaz déjà fortement comprimé, ce qui augmente l'efficacité de l'autosoufflage au premier passage par zéro du courant.
Le piston 69 engendre un petit soufflage en fin de phase d'ouverture (fig. 4E).
Les fig. 5A et 5B concernent une variante de réalisation du disjoncteur des fig. 4A à 4E, dans laquelle on dispose deux pistons de précompression, ce qui permet d'avoir une force électrodynamique accrue, qui peut être nécessaire pour certains types de disjoncteur de grande puissance.
Les éléments communs à toutes ces figures ont reçu les mêmes numéros de référence.
Le piston 63 est relié par des bras 72 (au nombre de 2 de préférence) à un second piston 63 min en contact électrique avec le tube 58 et avec un tube 60 min par des contacts glissants 64 min et 65 min respectivement. Le tube 60 min est relié par une extrémité 60A min à un tube 73 relié lui-même par une couronne 74 au tube 54. Le tube 73 est isolé du tube 53 par un cylindre isolant 74. Le contact 57 des fig. 4A et 4B est remplacé par des doigts de contact 57 min coopérant avec l'extrémité du tube 54 convenablement aménagée.
Comme le montre la fig. 5B, pendant la phase comprise entre la séparation des contacts principaux et la séparation des contacts d'arc, les tubes 60 min et 58 sont traversés par le courant dans des sens opposés, de sorte que le piston 63 min est soumis à une force électrodynamique F2 qui s'ajoute à la force F1 s'exerçant sur le piston 63.
L'invention s'applique aux disjoncteurs à moyenne et haute tension, dans toutes les gammes de puissance.
The present invention relates to a medium and high voltage circuit breaker, of the type comprising a volume called "blowing" and comprising a blowing piston, and a volume called "thermal". In such a circuit breaker, the arc is subjected to a blowing produced by the displacement of the blowing piston, as well as a self-blowing due to the expansion, at the time of the zero crossing of the current, of the gas of the thermal volume which has been heated by the arc.
It was observed that the cut was favored by a precompression of the gas of the thermal volume and several means have been envisaged to achieve such compression. These means use the electrodynamic effects of the short-circuit current to displace a so-called "precompression" piston which has the effect of precompressing the gas from the thermal volume. But in the current state of the art, the force on the precompression piston varies according to its stroke: in some cases it is maximum at the start of the stroke and decreases very rapidly; in other cases, it is weak at the start of the race and increases gradually. However, it is preferable that the force on the precompression piston is constant over its entire stroke to ensure maximum efficiency.
An object of the present invention is to provide a circuit breaker with a precompression piston in which the precompression force is constant over its entire travel.
In the circuit breakers of the prior art, the pressure in the thermal volume often opposes the opening operation of the circuit breaker, which leads to increasing the power of the circuit breaker control.
Another object of the present invention is to provide a circuit breaker in which the energy required for the opening operation is constant regardless of the pressure in the thermal volume.
The subject of the invention is a medium or high voltage isolating gas circuit breaker comprising a thermal volume in series with a blowing volume, main contacts and arcing contacts, characterized in that it comprises at least one precompression piston whose displacement is caused by electrodynamic forces generated in a loop crossed by the current between the moment of separation of the main contacts and the moment of separation of the arcing contacts, the displacement of said precompression piston causing the compression of the gas in the thermal volume, the forces produced by the precompression not being exerted on any moving part of the circuit breaker.
According to a first embodiment, the precompression piston is disposed outside of the blowing volume.
In this embodiment, the circuit breaker comprises:
- Fixed main contact fingers arranged in a tulip coaxially to a rod arranged axially along an axis and constituting the fixed arcing contact, the fixed main contact fingers and the fixed arcing contact being electrically connected to a first socket ,
- a first tube arranged axially and a first end of which carries contact fingers constituting a movable arcing contact, a second end being connected to an operating rod,
a second tube arranged coaxially with said movable arcing contact and one end of which constitutes a movable main contact, said second tube being secured by a first ring to said first tube,
- a blowing nozzle fixed to the end of the movable main contact, the nozzle, the first ring,
the movable arcing contact defining a thermal volume,
a cylindrical portion disposed coaxially between the first and the second tube, fixed to said crown and in which a fixed blowing piston can slide, said cylindrical portion, said crown between said second tube and said blowing piston constituting a communicating blowing volume with the thermal volume through orifices in the crown provided with first valves,
a tubular fixed part holding the blowing piston, arranged coaxially with the first tube, extending in the extension of the cylindrical portion and being fixed at its end opposite the blowing piston to a second, fixed ring,
a tubular portion fixed to the second ring and arranged coaxially with said fixed tubular part,
a precompression piston which can slide in the annular section cylinder constituted by said tubular portion and said tubular part, said precompression piston, said tubular portion, said second ring and said tubular part delimiting a precompression volume, said communicating precompression volume with the thermal volume by an annular volume delimited by said first tube, said cylindrical portion and said part, holes in the tubular part making said precompression volume communicate with said annular volume, orifices in said first ring, provided with one-way valves, making communicating said annular volume with said thermal volume,
- a metal connection plate fixed to said precompression piston, outside the precompression volume,
and arranged in a plane perpendicular to said axis, said plate being provided with a central hole for the passage of said tubular part,
- a fixed current supply arm in electrical contact by first sliding contacts with the second tube and by second sliding contacts with a first portion of the circumference of the plate,
- a fixed current starting arm, having a first end electrically connected to a second circuit breaker socket and a second end electrically connected by third sliding contacts to a second portion of the circumference of the plate, diametrically opposite to said first portion,
- a return spring arranged in the precompression volume and pushing the piston in the direction tending to increase this volume.
In addition, the circuit breaker comprises a fixed electrical connection, a first end of which is electrically connected to the second socket and the other end of which is in sliding electrical contact with said second tube, the electrical contact ceasing during a maneuver of 'opening, before separation of arcing contacts.
According to a second embodiment, the precompression piston is disposed inside the blowing volume.
In this embodiment, the circuit breaker comprises:
- Fixed main contact fingers arranged in a tulip coaxially to a rod arranged axially along an axis and constituting the fixed arcing contact, the fixed main contact fingers and the fixed arcing contact being electrically connected to a first socket ,
a first tube disposed axially and a first end of which constitutes a movable arcing contact, a second end being connected to an operating rod,
a second tube arranged coaxially with said movable arcing contact and constituting a movable main contact, said second tube being secured by a first ring to said first tube,
- a blowing nozzle fixed to the end of the movable main contact, the nozzle, the first ring and the movable arcing contact defining a thermal volume,
- a third, metallic tube,
disposed coaxially with the first tube and isolated from the latter by an insulating layer, the third tube extending from the first ring outside the thermal volume and being electrically connected at its opposite end to the first ring by a connection to the first tube,
- a metal precompression piston which can slide in a first annular volume delimited by the second and third tubes and closed by the first ring, the piston being in electrical contact by first sliding contacts with the third tube and by second sliding contacts with the second tube,
a fourth fixed metal tube connected to a second socket, said tube being arranged coaxially and around the first tube and extending on the other side of the precompression piston with respect to the first annular volume,
said fourth tube surrounding said second tube and being in electrical contact with said second tube by third sliding contacts,
- A second ring arranged in an axial plane and integral with the fourth tube and constituting a blowing piston, said second ring being traversed in a sealed manner by said first tube, the second ring, the first and fourth tubes and the precompression piston delimiting a second annular volume constituting with the first annular volume the blowing volume,
- A spring being disposed in said first annular volume and tending to push the precompression piston in the direction which increases this volume.
The circuit breaker further comprises a second precompression piston integral with the first precompression piston and cooperating electrically and pneumatically with said fourth tube and a fifth tube electrically connected by a sixth tube, coaxial and internal to the fifth tube, and by a third ring, to the second tube, the fourth tube being in electrical contact with the second tube by means of contacts, the contact ceasing, during an opening operation, before the separation of the arcing contacts.
Several embodiments of the invention are now presented, with reference to the appended drawing in which:
fig. 1 is a partial view in axial section of a circuit breaker according to a first embodiment of the invention,
fig. 2 is a partial sectional view along line II-II of FIG. 1, on an enlarged scale,
fig. 3 is a partial view in axial section of a circuit breaker according to a second embodiment of the invention,
fig. 4A to 4E are partial views in axial section of a circuit breaker according to a third embodiment of the invention, in several opening positions on low current and high current,
fig. 5A and 5B are partial views in axial section of a circuit breaker according to a fourth embodiment of the invention.
In the figures, only the central part of the breaking chamber of the circuit breakers has been shown. The insulating envelope of the switching chamber, the sockets and the operating rod, which are well known elements, have not been shown and reference may be made, if necessary, to the Techniques of the 'Engineer, D655a, "High voltage electrical equipment", by Eugène Maury, 1976. We remember that the insulating envelope is filled with gases with good dielectric properties under a pressure of a few hectopascals. This gas is preferably sulfur hexafluoride, pure or mixed with nitrogen.
Fig. 1 is a view in partial axial section of the breaking chamber, most of the elements of which are of revolution about an axis xx.
In fig. 1, the reference 1 designates the main fixed contact fingers of the circuit breaker, arranged in a tulip coaxially with a metal rod 2 constituting the fixed arcing contact. Contacts 1 and 2 are connected to a first outlet not shown on the circuit breaker.
The circuit breaker's mobile equipment includes:
a metal tube 3, a first end of which carries contact fingers 3A constituting the movable arcing contact of the circuit breaker and cooperating with the contact 2, a second end of the tube 3 being connected to an insulating operating rod not shown,
a metal tube 4, coaxial with the tube 3 and carrying an end of reduced diameter 4A constituting the movable main contact of the circuit breaker and cooperating with the fingers 1. The tube 4 is secured to the tube 3 by a metal ring 5,
- A nozzle of insulating material 6, fixed to the portion 4A and defining, with the contacts 2 and 3A and the crown 5, a thermal volume Vt for the circuit breaker.
Between the tubes 3 and 4, and coaxial to them, is disposed a metallic tubular portion 8, closed by a piston 9 disposed at the end of a fixed part 10, having two tubular parts 10A and 10B and an annular part 10C. The tube 8 slides with gentle friction against the part 10A. The piston 9, the tubular part 8, the crown 5 and the tube 4 define a blowing volume Vs.
The part 10B is fixed to a fixed crown 12, traversed by the tube 3. To the crown 12 is fixed a tubular portion 14, coaxial with the tubes 3 and 10B and external to them. A piston 15 can slide in the annular volume defined by the tubes 10B and 14 and by the crown 12. This volume is the precompression volume Vp. It communicates with the thermal volume through the annular volume Va defined by the tube 3 and the tubes or tubular parts 8, 10A and 10B. Communication is ensured by holes 17 made in the tubular part 10B, and by orifices in the crown 5, these orifices being provided with valves 19. These valves, unidirectional, allow the passage of gas in the volume direction of precompression- thermal volume.
The piston 9, the tubular parts 10A and 10B, the crown 12 and the tubular portion 14 are preferably made of insulating material.
It will be noted that rods 20 integral with the crown 12 allow the piston 15 to be guided.
We will also refer to fig. 2.
The piston 15 is connected by a tubular portion 22 to a connection plate 24, the plane of which is perpendicular to the axis xx. The plate has the shape of a perforated disc, with a central hole 24A for the passage of the tube 10, and has two portions of diametrically opposite circumference 24B and 24C. The disc portion 24B is in electrical contact, by sliding contacts 25 preferably of the accordion type, with a fixed metal arm 27, integral with the crown 12. This arm has the shape of a gutter to allow a sufficient contact surface with the plate 24. The arm 27 is in electrical contact, by a sliding contact 28, with the tube 4.
The disc portion 24C is in electrical contact, by a sliding contact 29, with an arm 30 for starting current; the arm has a part 30A in the form of a gutter which cooperates with the contact 29, a part 30B forming a U and a part 30C in the form of a bar connected to a second socket outlet not shown of the circuit breaker.
It should be noted that the crown 5 carries, at the right of the blowing volume Vs, orifices provided with one-way valves 33 authorizing the passage of gas in the blowing volume-thermal volume direction.
The precompression volume Vp encloses a spring 34 to return the precompression piston 15 to the position where the precompression volume is maximum.
The piston carries openings provided with one-way valves 9A allowing the passage of gas from the outside to the inside of the blowing volume. These valves are intended to avoid a depression in the blowing volume during a reclosing maneuver of the circuit breaker. The piston 9 also includes an opening provided with a unidirectional valve 36, calibrated, allowing the passage of gas out of the blowing volume. This valve is used to limit the value of the overpressure in the blowing volume.
An insulating tubular ring 37 maintains the arm 27 and the arm 30A.
The circuit breaker works as follows:
- on tripping on a short circuit, the moving assembly is pulled by the operating rod not shown to the right of the figure,
- The fixed main contact fingers 1 and the movable main contact tube 4A separate and the current is completely switched in the arcing contacts; the short-circuit current flows through the crown 5, the tube 4, the contacts 28, the arm 27, the contact 25, the plate 24, the contact 29 and the arm 30.
We see that the current describes a loop formed by the arms 27 and 30 and the plate 24; by virtue of the law of Lenz which states that the electro-dynamic forces act to ensure in the loop a maximum flux, the forces exert a push on the plate 24, directed towards the right of the figure; the piston 15 then compresses the volume Vp; the overpressure reaches the thermal volume Vt through the holes 17, the volume Va and the valves 19. This volume is therefore precompressed before the arcing contacts separate and the arc springs.
The force on the plate is constant over the entire stroke of the plate; the forces exerted via the plate 24 are forces internal to the moving element; they therefore have no influence on the energy required to control the circuit breaker.
It is observed that, in the embodiment of FIGS. 1 and 2, a slight loop effect is produced by the passage of the nominal current; this effect is offset by the action of the spring 34.
The variant embodiment shown in FIG. 3 differs from the embodiment of FIGS. 1 and 2 in that an electrical connection 40 is arranged in parallel on the contacts 4 and 30. This connection is electrically connected by one end to the second socket; its other end is in electrical sliding contact with the tube 4. The nominal current under normal conditions passes through the contacts 1 and 40, so that the loop effect does not occur until an opening, after separation of the contacts 4 and 40.
The embodiment of FIGS. 4A to 4E is of simpler construction and is characterized in that the precompression piston is arranged inside the blowing volume.
We can see in fig. 4A the main fixed contacts 51 and the fixed arcing contact 52 connected to a first socket not shown. The movable assembly comprises a tube 53, a first end 53A of which constitutes the movable arcing contact and a second end of which is connected to a control rod not shown. A tube 54, coaxial and external to the tube 53, constitutes the movable main contact. This tube is secured to the tube 53 by an insulating ring 55. The tube 54 carries an insulating nozzle 56. The tubes 52, 53, the crown 55 and the nozzle 56 define a thermal volume Vt.
The tube 54 is in electrical contact by a sliding contact 57 with a fixed metal tube 58 electrically connected to a second outlet not shown.
The crown 55 is extended, on the side opposite the thermal volume, by an insulating tubular portion 59 in contact with a part of the tube 53. This tubular portion 59 is covered by a metal tube 60 which extends over the entire length of the portion insulator 59 and which is connected by one end 60A to the tube 53.
The tube 54, the crown 55 and the tube 60 define a volume Vsp which is closed by a metal piston 63 carrying sliding metal contacts 64 and 65 to cooperate with the tubes 54 and 60 respectively. Unidirectional valves 66 allow the passage of gas from the outside to the inside of the volume Vsp. A spring 67 inside the volume Vsp pushes the piston 63 in the direction tending to enlarge the volume Vsp. A stop 54A limits the stroke of the piston 63. The blowing piston is constituted by a metal crown 69 integral with the tube 58 and provided with one-way valves 70. The metal crown 69 is traversed in a sealed manner by the tube 53. The crown 69 defines , with the tubes 53 and 58 and the piston 63, a volume Vb.
All of the volumes Vsp and Vb constitute the blowing volume; the blowing remains caused by the relative displacement of the fixed crown 69 and of the movable assembly, but it is exerted by the piston 63. The valves 70 are oriented to allow the passage of the gas from the outside to the inside of the volume Vb.
The crown 55 is provided with one-way valves 72 which allow the passage of gas from the outside to the inside of the thermal volume Vt.
The circuit breaker works as follows:
Low current cut.
This is the nominal current for example. see fig. 4A to 4C.
In fig. 4A, the circuit breaker is closed. Current flows through contacts 51, contact 54, contact 57 and tube 58.
At the opening, the tube 53 is pulled to the right of the figure. The main contacts 51 and 54 separate (Fig. 4B). The current is switched in the arcing contacts and therefore passes through the tube 52, the tube 53, the tube 60, the contact 64, the piston 63, the contact 65, the tube 54, the contact 57 and the tube 58. The current flows in opposite directions in the tubes 60 and 54, so that the piston 63 is subjected to an electro-dynamic action which tends to enlarge the flow through which the loop 60, 63, 54. The piston therefore moves towards the left of the figure and precompresses the volume Vsp and consequently, the volume Vt. The current being weak, the displacement of the piston is weak and only causes a slight rise in pressure. When the arcing contacts are separated, a weak blowing occurs, which is nevertheless sufficient to blow the arcing.
The relative movement of the moving element and of the piston 69 produces a sweep of fresh gas in the volumes Vsp and Vt after the arc has been extinguished.
Interruption of major currents
These are short-circuit currents.
In steady state, the configuration is that of FIG. 4A.
When the main contacts are separated (fig. 4D), the loop effect is so significant, due to the large current value, that the piston 63 performs its complete stroke before the separation of the arcing contacts, causing a strong precompression of the thermal volume Vt.
Upon separation of the arcing contacts, the arcing heats an already strongly compressed gas, which increases the efficiency of the self-blowing on the first zero crossing of the current.
The piston 69 generates a small blow at the end of the opening phase (fig. 4E).
Figs. 5A and 5B relate to an alternative embodiment of the circuit breaker of FIGS. 4A to 4E, in which there are two precompression pistons, which makes it possible to have an increased electrodynamic force, which may be necessary for certain types of high power circuit breaker.
The elements common to all these figures have been given the same reference numbers.
The piston 63 is connected by arms 72 (preferably 2 in number) to a second piston 63 min in electrical contact with the tube 58 and with a tube 60 min by sliding contacts 64 min and 65 min respectively. The tube 60 min is connected by one end 60A min to a tube 73 itself connected by a crown 74 to the tube 54. The tube 73 is isolated from the tube 53 by an insulating cylinder 74. The contact 57 of FIGS. 4A and 4B is replaced by contact fingers 57 min cooperating with the end of the tube 54 suitably arranged.
As shown in fig. 5B, during the phase between the separation of the main contacts and the separation of the arcing contacts, the tubes 60 min and 58 are traversed by the current in opposite directions, so that the piston 63 min is subjected to an electrodynamic force F2 which is added to the force F1 exerted on the piston 63.
The invention applies to medium and high voltage circuit breakers, in all power ranges.