EP0101371B1 - Interrupteur électrique à arc tournant - Google Patents

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EP0101371B1
EP0101371B1 EP83401612A EP83401612A EP0101371B1 EP 0101371 B1 EP0101371 B1 EP 0101371B1 EP 83401612 A EP83401612 A EP 83401612A EP 83401612 A EP83401612 A EP 83401612A EP 0101371 B1 EP0101371 B1 EP 0101371B1
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EP
European Patent Office
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circuit breaker
arc
contact assembly
core
annular electrode
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EP83401612A
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German (de)
English (en)
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EP0101371A1 (fr
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Olivier Bouilliez
Michel Imbert
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Merlin Gerin SA
Original Assignee
Merlin Gerin SA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/98—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being initiated by an auxiliary arc or a section of the arc, without any moving parts for producing or increasing the flow
    • H01H33/982—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being initiated by an auxiliary arc or a section of the arc, without any moving parts for producing or increasing the flow in which the pressure-generating arc is rotated by a magnetic field

Definitions

  • a known switch of the kind mentioned requires low opening control energy, the magnetic arc blowing field being derived from the current to be interrupted.
  • the core is formed by a tubular metal part made of ferromagnetic material delimiting the gas circulation duct.
  • This duct has a circular section and serves as a housing for an organ for absorbing the products of decomposition of the blowing gas.
  • This member is arranged between two metal grids for the purpose of purifying and cooling the blowing gases. The presence of this absorption member in the conduit nevertheless precludes an efficient circulation of the gas in the direction of exhaust with possible formation of an ionized gas plug in the arc zone.
  • the coil is coaxially surrounded by a ferromagnetic tubular yoke extended by a deflector arranged around the extension zone of the arc.
  • This deflector protects the envelope against the effects of the arc, but prevents gas from circulating outside the fixed contact assembly. As a result, the breaking capacity of such a switch is limited.
  • the object of the present invention is to remedy these drawbacks and to enable the production of an efficient rotating arc switch.
  • the arc extension zone located at the front of the fixed contact assembly communicates freely with the opposite posterior zone both from the inside and from the outside of said assembly, the first path of the gas from the inside taking place through the said conduit and the second path from the outside intervening between the said fixed contact assembly and the internal wall of the envelope.
  • the present invention starts from a different design in that it increases, on the one hand, the magnetic blowing, that is to say the rotation of the arc by providing a ferromagnetic core inside the coil, and that it avoids, on the other hand, any zone of stagnation of ionized gases in the central zone confined by the arc.
  • the gases subjected to the action of the arc can escape freely on either side of the arc towards colder zones of the enclosure whose total volume is thus put to contribution. This gas flow does not blow the arc.
  • the core is preferably connected in series with the blow coil to maintain the magnetic blow during a switching of the arc on the core.
  • the exhaust duct can be formed inside the tubular core or between the internal face of the coil and the external face of a solid core of a smaller diameter or, of course, by a combination of these means .
  • the longitudinal profile of the exhaust duct is preferably shaped as a nozzle having a neck to which is connected, upstream, a convergent and, downstream, a divergent to promote flow in the direction of exhaust out of the zone d 'bow.
  • the blowing coil is surrounded externally by a yoke for reinforcing the magnetic field, and the opposite electrode has gas circulation orifices.
  • the waterproof envelope 10 is recognized, confining an enclosure 12 filled with a gas with high dielectric strength, such as sulfur hexafluoride.
  • a gas with high dielectric strength such as sulfur hexafluoride.
  • the casing 10 also contains arcing contacts constituted by two annular electrodes 24, 26, arranged face to face and tangential to the pivoting path of the end of the movable shunting contact 20.
  • the directory electrode 24 belongs to a fixed assembly 28 comprising an annular coil 30 associated with the rear face of the electrode 24 and fixed to a support 32.
  • a ferromagnetic core 34 in the form of an olive is disposed inside the coil 30, the front face or end 36 being close to the annular electrode 24.
  • the core 34 is mounted at its rear part on a fixing plate 38 fixed by studs 40 to the support 32 with interposition of insulating washers 42.
  • the studs 40 pass through the coil 30 and are welded to the rear of the annular electrode 24.
  • Such an assembly is described in the patent French FR-A-2,464,550 and allows the ferromagnetic core 34 to be isolated from the support 32, so as to keep the blowing coil 30 in circuit in the event of arcing on the core 34.
  • the coil 30 is connected between the support 32 and the annular electrode 24.
  • the diameter of the core 34 is less than the internal diameter of the coil 30, so as to provide an annular duct 44 allowing gas to escape through the fixed assembly 28.
  • the shape in olive of the core 34 defines a nozzle with converging inlet 46 and at divergent line 48, facilitating an escape of gases from the arc zone adjacent to the annular electrode 24.
  • a flow in opposite direction towards the annular electrode 24 is on the other hand braked.
  • a cylinder head 50 can be placed outside the coil 30.
  • the presence of the core 34 and possibly of the yoke 50 makes it possible to increase the intensity of the magnetic blowing field of the arc anchored on the annular electrode 24 and to cause its extinction.
  • the gases heated and ionized by the action of the arc in the vicinity of the annular electrode 24 can circulate freely outwards and inwards, escaping through the conduit formed by the interval 44. This thus avoids any stagnation of ionized gases in the central part of the fixed contact assembly 28 capable of hindering the extinction of the arc or of causing re-strikes.
  • This circulation has no direct blowing effect on the arc itself and only participates indirectly in cutting the current.
  • the choice of the section of the exhaust duct 44 and of the core 34 results from a compromise between the need to have a section of iron sufficient for a reinforcement of the magnetic field and a section sufficient for the exhaust of the gas in order not to brake the gas circulation too much.
  • FIG. 3 similar to FIG. 2 illustrates an alternative embodiment of the fixed contact assembly 28 in which a gas exhaust pipe 52 is formed inside a hollow core 54.
  • the pipe 52 is arranged in the form of a nozzle facilitating the evacuation of gases out of the arc zone, and it is clear that the operation is absolutely identical to that described above with reference to FIG. 2.
  • the evacuation through the core 54 can be combined with an evacuation of the coil, of the type shown in FIG. 2.
  • the annular electrode 26 opposite the electrode 24 has orifices 56 allowing gases to escape from the central zone confined by the rotating arc.
  • the gas circulation device according to the invention can, of course, be applied to any other type of rotary arc switch, for example of the type described in French patent FR-A-2,464,550, and the invention n is not limited to the embodiment more particularly described, but it extends to a switch in which the core 34, 54 is not at the same potential as the annular electrode 24, or that in which the structure of the fixed contact assembly would be different. It is noted that the first path of the gas from the inside takes place through the conduit 44, 52, while the second path from the outside takes place between the fixed contact assembly 28 and the internal lateral wall of the envelope. 10.

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  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
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  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
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Description

  • L'invention concerne un interrupteur électrique à autosoufflage par rotation de l'arc sous l'action d'un champ magnétique engendré par le courant à interrompre comprenant:
    • - une enveloppe étanche remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée,
    • - un ensemble de contact fixe, monté libre dans l'enceinte confinée par l'enveloppe,
    • - uneélectrodeannulaireappartenantauditen- semble de contact fixe et formant une piste annulaire de rotation de l'arc sous l'action d'un champ magnétique engendré par une bobine tubulaire disposée coaxialement à l'arrière de l'électrode annulaire,
    • - un noyau ferromagnétique s'étendant coaxialement à l'intérieur de la bobine tubulaire et présentant une face terminale voisine de ladite électrode annulaire, et
    • - un conduit ménagé dans ledit ensemble de contact fixe en traversant intérieurement la bobine tubulaire et l'électrode annulaire.
  • Un interrupteur connu du genre mentionné (demande de brevet allemand DE-A-2.511.238) nécessite une faible énergie de commande d'ouverture, le champ magnétique de soufflage de l'arc étant dérivé du courant à interrompre. Le noyau est formé par une partie métallique tubulaire en matériau ferromagnétique délimitant le conduit de circulation de gaz. Ce conduit présente une section circulaire et sert de logement à un organe d'absorption des produits de décomposition du gaz de soufflage. Cet organe est agencé entre deux grilles métalliques dans le but de purifier et de refroidir les gaz de soufflage. La présence de cet organe d'absorption dans le conduit s'oppose néanmoins à une circulation efficace du gaz dans le sens d'échappement avec formation éventuelle d'un bouchon gazeux ionisé dans la zone d'arc. La bobine est entourée coaxialement par une culasse tubulaire ferromagnétique prolongée par un déflecteur agencé autour de la zone d'extension de l'arc. Ce déflecteur protège l'enveloppe contre les effets de l'arc, mais s'oppose à une circulation du gaz par l'extérieur de l'ensemble de contact fixe. Il en résulte que le pouvoir de coupure d'un tel interrupteur est limité.
  • La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de permettre la réalisation d'un interrupteur à arc tournant performant.
  • Selon l'invention, la zone d'extension de l'arc située à l'avant de l'ensemble de contact fixe communique librement avec la zone opposée postérieure à la fois par l'intérieur et par l'extérieur dudit ensemble, le premier trajet du gaz par l'intérieur s'effectuant à travers ledit conduit et le deuxième trajet par l'extérieur intervenant entre ledit ensemble de contact fixe et la paroi interne de l'enveloppe.
  • Des essais ont confirmé l'efficacité de ce dispositif qui peut s'expliquer par une évacuation facilitée des gaz ionisés de la zone de coupure, notamment de la zone centrale entourée par l'arc tournant. Il avait déjà été proposé de combiner le soufflage magnétique et le soufflage pneumatique de l'arc en engendrant dans un interrupteur à arc tournant un soufflage des gaz dans la zone de coupure soit par pistonnage des gaz, soit par auto-expansion vers un compartiment séparé d'expansion. Ces dispositifs sont compliqués et nécessitent des cloisonnements internes de l'enceinte et/ou des volumes pistonnables. Le soufflage pneumatique participe pour une part non négligeable et parfois prépondérante au soufflage de l'arc. La présente invention part d'une conception différente en ce sens qu'elle accroît, d'une part, le soufflage magnétique, c'est-à-dire la rotation de l'arc en prévoyant un noyau ferromagnétique à l'intérieur de la bobine, et qu'elle évite, d'autre part, toute zone de stagnation de gaz ionisés dans la zone centrale confinée par l'arc. Les gaz soumis à l'action de l'arc peuvent s'échapper librement de part et d'autre de l'arc vers des zones plus froides de l'enceinte dont le volume total est ainsi mis à contribution. Cette circulation de gaz n'exerce pas un soufflage de l'arc. Le noyau est de préférence connecté en série de la bobine de soufflage pour maintenir le soufflage magnétique lors d'une commutation de l'arc sur le noyau. Le conduit d'échappement peut être ménagé à l'intérieur du noyau de forme tubulaire ou entre la face interne de la bobine et la face externe d'un noyau plein d'un diamètre inférieur ou, bien entendu, par une combinaison de ces moyens. Le profil en long du conduit d'échappement est de préférence conformé en tuyère présentant un col auquel se raccorde, en amont, un convergent et, en aval, un divergent pour favoriser l'écoulement dans le sens d'échappement hors de la zone d'arc.
  • Selon un développement de l'invention, la bobine de soufflage est entourée extérieurement d'une culasse de renforcement du champ magnétique, et l'électrode opposée présente des orifices de circulation de gaz.
  • L'invention sera décrite en détail par la suite comme étant appliquée à un interrupteur à contacts principaux séparés des contacts d'arc, mais il est clair qu'elle est applicable à tout autre type d'interrupteur à arc tournant, par exemple à contacts principaux coaxiaux aux contacts d'arc ou à contacts séparables constituant les pistes de rotation de l'arc.
  • D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif et représenté aux dessins annexés, dans lesquels:
    • la fig. est une vue schématique en coupe axiale d'un interrupteur selon l'invention;
    • la fig. 2 est une vue partielle à échelle agrandie de l'ensemble de contact fixe selon ia fig. 1 ;
    • la fig. 3 est une vue analogue à celle de la fig. 2, illustrant une variante de réalisation.
  • Les figures montrent un interrupteur du type décrit dans la demande de brevet européen EP-A-0.053.524, et l'invention sera décrite ci-dessous comme étant appliquée à un interrupteur de ce type; mais il est clair qu'elle est applicable à d'autres interrupteurs à arc tournant, notamment décrits dans la demande de brevet français FR-A-2.464.550.
  • Sur la fig. 1, analogue à celle de la demande de brevet européen EP-A-0.053.524, on reconnaît l'enveloppe étanche 10 confinant une enceinte 12 remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée, tel que l'hexafluorure de soufre. Dans l'enceinte 12 sont disposés des contacts principaux 14, 16 et des contacts de shuntage 18, 20, dont les contacts mobiles 16, 20 sont actionnés par un mécanisme 22. L'enveloppe 10 contient de plus des contacts d'arc constitués par deux électrodes annulaires 24, 26, disposées face à face et tangentiellement à la trajectoire de pivotement de l'extrémité du contact mobile de shuntage 20. L'électrode annuaire 24 appartient à un ensemble fixe 28 comprenant une bobine annulaire 30 associée à la face arrière de l'électrode 24 et fixée à un support 32. On se reportera avantageusement à la demande de brevet européen précitée pour de plus amples détails concernant cet interrupteur, et il suffit de rappeler que, lors d'une manoeuvre d'ouverture, l'arc tiré entre les contacts de shuntage 18, 20 est commuté sur les électrodes 24, 26 en mettant en circuit la bobine de soufflage 30, imposant une rotation des racines d'arc sur les pistes annulaires formées par les électrodes 24, 26.
  • En se référant plus particulièrement à la fig. 2, on voit qu'un noyau ferromagnétique 34 en forme d'olive est disposé à l'intérieur de la bobine 30, la face frontale ou extrémité 36 étant voisine de l'électrode annulaire 24. Le noyau 34 est monté à sa partie arrière sur une plaque de fixation 38 fixée par des goujons 40 au support 32 avec interposition de rondelles isolantes 42. Les goujons 40 traversent la bobine 30 et sont soudés à l'arrière de l'électrode annulaire 24. Un tel montage est décrit dans le brevet français FR-A-2.464.550 et permet d'isoler le noyau ferromagnétique 34 du support 32, de manière à maintenir en circuit la bobine de soufflage 30 en cas d'amorçage de l'arc sur le noyau 34. La bobine 30 est connectée entre le support 32 et l'électrode annulaire 24. Le diamètre du noyau 34 est inférieur au diamètre interne de la bobine 30, de manière à ménager un conduit annulaire 44 permettant un échappement de gaz à travers l'ensemble fixe 28. La forme en olive du noyau 34 définit une tuyère à entrée convergente 46 et à sortie divergente 48, facilitant un échappement des gaz hors de la zone d'arc adjacente à l'électrode annulaire 24. Un écoulement en sens inverse vers l'électrode annulaire 24 est par contre freiné. Une culasse 50 peut être disposée à l'extérieur de la bobine 30.
  • La présence du noyau 34 et éventuellement de la culasse 50 permet d'accroître l'intensité du champ magnétique de soufflage de l'arc ancré sur l'électrode annulaire 24 et de provoquer son extinction. Les gaz chauffés et ionisés par l'action de l'arc au voisinage de l'électrode annulaire 24 peuvent circuler librement vers l'extérieur et vers l'intérieur en s'échappant par le conduit constitué par l'intervalle 44. On évite ainsi toute stagnation de gaz ionisés dans la partie centrale de l'ensemble de contact fixe 28 susceptible d'entraver l'extinction de l'arc ou de provoquer des réamorçages. Cette circulation n'exerce aucun effet direct de soufflage sur l'arc lui-même et ne participe qu'indirectement à la coupure du courant. Le choix de la section du conduit d'échappement 44 et du noyau 34 résulte d'un compromis entre la nécessité de disposer d'une section de fer suffisante pour un renforcement du champ magnétique et d'une section suffisante d'échappement du gaz afin de ne pas trop freiner la circulation des gaz.
  • La fig. 3, analogue à la fig. 2, illustre une variante de réalisation de l'ensemble de contact fixe 28 dans laquelle un conduit d'échappement des gaz 52 est ménagé à l'intérieur d'un noyau creux 54. Le conduit 52 est agencé en forme de tuyère facilitant l'évacuation des gaz hors de la zone d'arc, et il est clair que le fonctionnement est absolument identique à celui décrit ci-dessus en référence à la fig. 2. L'évacuation à travers le noyau 54 peut être combinée une évacuation de la bobine, du type représenté à la fig. 2.
  • En se référant à la fig. 1, on voit que l'électrode annulaire 26 opposée à l'électrode 24 présente des orifices 56 permettant un échappement des gaz hors de la zone centrale confinée par l'arc tournant. Le dispositif de circulation de gaz selon l'invention peut, bien entendu, être appliqué à tout autre type d'interrupteur à arc tournant, par exemple du type décrit dans le brevet français FR-A-2.464.550, et l'invention n'est pas limitée au mode de mise en oeuvre plus particulièrement décrit, mais elle s'étend à un interrupteur dans lequel le noyau 34, 54 ne serait pas au même potentiel que l'électrode annulaire 24, ou celle encore dans laquelle la structure de l'ensemble de contact fixe serait différent. On remarque que le premier trajet du gaz par l'intérieur s'effectue à travers le conduit 44, 52, alors que le deuxième trajet par l'extérieur intervient entre l'ensemble de contact fixe 28 et la paroi latérale interne de l'enveloppe 10.

Claims (8)

1. Interrupteur électrique à autosoufflage par rotation de l'arc sous l'action d'un champ magnétique engendré par le courant à interrompre comprenant:
- une enveloppe étanche (10) remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée,
- un ensemble de contact fixe (28), monté libre dans l'enceinte confinée par l'enveloppe (10),
- une électrode annulaire (24) appartenant audit ensemble de contact fixe (28) et formant une piste annulaire de rotation de l'arc sous l'action d'un champ magnétique engendré par une bobine tubulaire (30) disposée coaxialement à l'arrière de l'électrode annulaire (24),
- un noyau ferromagnétique (34, 54) s'étendant coaxialement à l'intérieur de la bobine tubulaire (30) et présentant une face terminale (36) voisine de ladite électrode annulaire (24), et
- un conduit (44, 52) ménagé dans ledit ensemble de contact fixe (28) en traversant intérieu rement la bobine tubulaire (30) et l'électrode annulaire (24),

caractérisé par le fait que la zone d'extension de l'arc située à l'avant de l'ensemble de contact fixe (28) communique librement avec la zone opposée postérieure à la fois par l'intérieur et par l'extérieur dudit ensemble (28), le premier trajet du gaz par l'intérieur s'effectuant à travers ledit conduit (44, 52) et le deuxième trajet par l'extérieur intervenant entre ledit ensemble de contact fixe (28) et la paroi interne de l'enveloppe (10).
2. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, ledit noyau ferromagnétique étant creux, ledit conduit (52) s'étend coaxialement à travers le noyau ferromagnétique (54) en débouchant de part et d'autre dudit ensemble de contact fixe (28).
3. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, ledit conduit (44) étant de section annulaire, il est confiné entre la surface externe du noyau (34) et la surface interne de la bobine tubulaire (30) de section supérieure à celle du noyau.
4. Interrupteur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit conduit (44, 52) est conformé en une tuyère à entrée convergente (46) et à sortie divergente (48), favorisant la circulation du gaz de la zone avant vers la zone postérieure de l'ensemble de contact fixe (28).
5. Interrupteur selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le noyau (34, 54) est connecté électriquement à l'électrode annulaire (24) pour maintenir en circuit la bobine (30) en cas d'ancrage de l'arc sur le noyau.
6. Interrupteur selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième électrode annulaire (26), lesdites électrodes annulaires (24, 26) étant disposées en regard l'une de l'autre, ladite deuxième électrode (26) comportant également un conduit (56) de circulation de gaz la traversant.
7. Interrupteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des contacts principaux (14, 16) disposés coaxialement et extérieurement à ladite bobine tubulaire (30).
8. Interrupteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des contacts principaux (14, 16) disposés latéralement à ladite bobine tubulaire (30), l'arc commutant sur l'électrode annulaire (24) au cours de la manoeuvre d'ouverture de l'interrupteur.
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EP0101371A1 EP0101371A1 (fr) 1984-02-22
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