EP0393458A1 - Disjoncteur à moyenne tension à gaz de soufflage - Google Patents

Disjoncteur à moyenne tension à gaz de soufflage Download PDF

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EP0393458A1
EP0393458A1 EP90106749A EP90106749A EP0393458A1 EP 0393458 A1 EP0393458 A1 EP 0393458A1 EP 90106749 A EP90106749 A EP 90106749A EP 90106749 A EP90106749 A EP 90106749A EP 0393458 A1 EP0393458 A1 EP 0393458A1
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EP
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circuit breaker
piston
blowing
cylinder
breaker according
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EP90106749A
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German (de)
English (en)
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Edmond Thuries
Michel Perret
Dennis Dufournet
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Alstom Holdings SA
Original Assignee
GEC Alsthom 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
    • H01H33/88—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being produced or increased by movement of pistons or other pressure-producing parts
    • H01H33/90—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being produced or increased by movement of pistons or other pressure-producing parts this movement being effected by or in conjunction with the contact-operating mechanism
    • H01H33/901—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being produced or increased by movement of pistons or other pressure-producing parts this movement being effected by or in conjunction with the contact-operating mechanism making use of the energy of the arc or an auxiliary arc
    • H01H33/903—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being produced or increased by movement of pistons or other pressure-producing parts this movement being effected by or in conjunction with the contact-operating mechanism making use of the energy of the arc or an auxiliary arc and assisting the operating mechanism

Definitions

  • the present invention relates to a medium-voltage circuit breaker in which a gas with good dielectric properties such as sulfur hexafluoride (SF6) is used both for the internal insulation of the breaking chamber, but also as a means for blowing out the arc.
  • a gas with good dielectric properties such as sulfur hexafluoride (SF6) is used both for the internal insulation of the breaking chamber, but also as a means for blowing out the arc.
  • Another object of the invention is to provide a rustic device, therefore of low cost and maintenance costs.
  • Another object of the invention is to produce a circuit breaker requiring only a low operating energy, so that the cost price of its control system is low.
  • the circuit breaker of the invention is of the type in which the increase in pressure due, upon tripping, to the appearance of an electric arc between the arcing contacts, is used to exert a motor force on the mobile equipment, thus bringing additional energy to the operating member, which therefore does not itself need to have too much power.
  • Such an arrangement is known in the field of high voltage, for example by French Patent No. 85 00610, in German patent application No. 31 32 825 and in US patent 2 957 063.
  • the increase in pressure that is born in the vicinity of the arc spreads up to a piston linked to the moving assembly and comes to help with the maneuver.
  • the gas propagates in annular conduits whose narrow section is not favorable to rapid flow; moreover, the pressure gradient between the arc zone and the face of the piston decreases very quickly so that the mechanical action of the gas is very quickly slowed down after the appearance of the arc.
  • the invention proposes to produce a circuit breaker in which the pressure is rapidly transmitted to the piston linked to the operating member and in which the flow of gas from the arc zone takes place quickly and without disturbance.
  • Another object of the invention is to produce a circuit breaker in which the arc undergoes, at the opening of the circuit breaker, a double blowing, both in the direction of movement of the moving parts and in the opposite direction.
  • the subject of the invention is a medium voltage circuit breaker with a dielectric blowing gas, comprising a cylindrical insulating envelope filled with dielectric gas under pressure, a fixed main contact, a fixed arcing contact, a fixed blowing piston and a movable element. connected to an actuator comprising a movable main contact, a movable arcing contact and a blowing cylinder associated with a blowing nozzle, characterized in that it comprises a driving piston whose cross section is at least equal to 1.3 times that of said blowing piston, said driving piston moving relative to a second cylinder.
  • the circuit breaker shown in partial view in FIG. 1, comprises an envelope 1, of insulating material such as ceramic, of generally cylindrical shape with axis xx and delimiting an interior volume Vo filled with gases with good dielectric properties, such as l 'sulfur hexafluoride (SF6), under a pressure of a few bars.
  • insulating material such as ceramic
  • Vo filled with gases with good dielectric properties, such as l 'sulfur hexafluoride (SF6), under a pressure of a few bars.
  • the circuit breaker entirely of revolution around the axis xx, comprises a fixed main contact 2 connected to a first socket not shown, and a fixed arcing contact 3, having one end 3A made of an alloy resistant to the effects of the arc, such as a tungsten alloy.
  • the mobile assembly of the circuit breaker comprises a tube 4, one end of which 4A, made of an arc-resistant alloy, constitutes the movable arcing contact.
  • the tube 4 is connected, at its other end 4B, to an operating device, not shown.
  • the tube 4 is integral with a tube 5, one of which end 5A constitutes the main mobile contact of the circuit breaker.
  • a blowing nozzle 6 of insulating material At the end 5A is fixed a blowing nozzle 6, of insulating material, the neck of which is obstructed by the arcing contact 4 when the circuit breaker is in the closed position.
  • Holes 7 are made in the crown connecting the tubes 4 and 5 so that these tubes define a single and same volume V1, closed on one side by the nozzle 6.
  • the tube 5 is guided by a first tubular part 8A of a metal part 8 having a second tubular part 8B of section much larger than that of the part 8A.
  • the part 8 is connected to a second outlet not shown.
  • the tube 5 carries a sliding electrical contact 5C cooperating with the tube 8A.
  • the volume V1 is closed, at its end situated on the right in FIG. 1, by a blowing piston 10 integral with the tube 8A; the piston 10 is provided with a unidirectional valve 10A, which lets the gas pass only from the outside to the inside of the volume V1; seals 11 and 12 seal the piston 10.
  • the tube 5 is integral with a piston 14, called the driving piston, placed inside the tube 8B and capable of sliding in this tube in leaktight manner thanks to a seal 14D.
  • the driving piston 14 defines, with the tubes 8A and 8B, and the piston 10, a volume V2.
  • the driving piston comprises a seat provided with openings 14A which can be closed by an annular valve 16, the stroke of which is limited by a projection 14B.
  • the section of the driving piston 14 is large vis-à-vis that of the blowing piston, for example the ratio of the sections is at least equal to 1.3 and is preferably between 1, 5 and 2.
  • the valve seat also has orifices of calibrated diameter 14C, the role of which will be explained below.
  • the tube 4 is pierced, on its surface, with very large openings 15, ensuring by large passages, the communication between the volume V2 and the volume V3 inside the tube 5.
  • the volume V3 is closed, on the operating member side, by a disc 17 integral with tube 4.
  • the circuit breaker works as follows:
  • the circuit breaker operating device drives the moving assembly (tubes 4 and 5, nozzle 6, piston 14) to the right of the figure.
  • the main contacts separate and the current then flows through the arcing contacts 3 and 4.
  • an arcing 20 (Figure 2) is formed; it strongly heats the surrounding gas and the pressure increases strongly.
  • the hot gas escapes through the volume V3 and the resulting pressure closes the valve 16.
  • the surface of the piston being very large, the force exerted on the latter, which helps in the opening operation, is very large. The circuit breaker does not slow down.
  • the compressed gas of volumes V1 and V3 expands on the first zero-crossing of the current, which causes the arc to extinguish, thanks to a double blowing according to the arrows F1 and F2 in FIG. 2.
  • the overpressure in the volume V2 is sufficient to close the valve 16, but this overpressure remains limited due to the large value of the volumes V1 and V3, so that the movement of the moving equipment on engagement is not braked noticeably.
  • the circuit breaker which has just been described allows the breaking of large currents at medium voltage while requiring only a low operating energy.

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Abstract

Disjoncteur à moyenne tension à gaz diélectrique de soufflage, comprenant une enveloppe isolante cylindrique remplie de gaz diélectrique sous pression, un contact principal fixe (2), un contact d'arc fixe (3), un piston de soufflage fixe (10) et un équipage mobile relié à un organe de manoeuvre et comprenant un contact principal mobile (5A), un contact d'arc mobile (4A) et un cylindre de soufflage (5) associé à une buse de soufflage (6), caractérisé en ce quil comprend un piston moteur (14) dont la section est au moins égale à 1,3 fois celle dudit piston de soufflage (10), ledit piston moteur se déplaçant par rapport à un second cylindre (8B).

Description

  • La présente invention concerne un disjoncteur à moyenne tension dans lequel un gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre (SF6) est utilisé à la fois pour l'isolation intérieure de la chambre de coupure, mais également comme moyen de soufflage de l'arc.
  • Les disjoncteurs moyenne tension (c'est-à-dire comprise entre 3 et 45 kilovolts) réalisés à ce jour sur le principe indiqué ci-dessus ne permettent pas de couper des courants supérieurs à 25 kiloampères lorsque l'énergie de manoeuvre est réduite (inférieure à 300 Joules). Or, l'accroissement des puissances mises en jeu actuellement dans les lignes à moyenne tension entraîne la nécessité de disposer d'appareils permettant la coupure de courants d'intensité plus importantes, par exemple pouvant atteindre 45 à 50 kiloampères.
  • C'est un but de la présente invention de réaliser un tel appareil.
  • Un autre but de l'invention est de réaliser un appareil rustique, donc de prix de revient et de coûts d'entretien peu élevés.
  • Un autre but de l'invention est de réaliser un disjoncteur ne nécessitant qu'une faible énergie de manoeuvre, de sorte que le prix de revient de son système de commande soit faible.
  • Le disjoncteur de l'invention est du type dans lequel l'augmentation de pression due, au moment du déclenchement, à l'apparition d'un arc électrique entre les contacts d'arc, est mise à profit pour exercer un effort moteur sur l'équipage mobile, venant ainsi apporter un énergie supplémentaire à l'organe de manoeuvre, qui dès lors n'a pas besoin lui-même d'avoir une puissance trop importante. Une telle disposition est connue, dans le domaine de la haute tension, par exemple par le brevet français No 85 00610, dans la demande de brevet allemand No 31 32 825 et dans le brevet américain 2 957 063. Dans ce type de disjoncteur, l'augmentation de pression qui naît au voisinage de l'arc se propage jusqu'à un piston lié à l'équipage mobile et vient apporter une aide à la manoeuvre.
  • La facilité et la rapidité avec lesquelles se propage la pression dépendent d'une part des obstacles mis au passage du gaz entre la zone d'arc et le piston, et, d'autre part, à l'évolution du gradient de pression entre la zone d'arc et la face du piston.
  • Dans les dispositifs décrits dans les documents précités, le gaz se propage dans des conduits annulaires dont la section étroite n'est pas favorable à un écoulement rapide; par ailleurs, le gradient de pression entre la zone d'arc et la face du piston diminue très vite de sorte que l'action mécanique du gaz est très vite ralentie après l'apparition de l'arc.
  • Pour pallier ces inconvénients, l'invention se propose de réaliser un disjoncteur dans lequel la pression est rapidement transmise au piston lié à l'organe de manoeuvre et dans lequel l'écoulement du gaz depuis la zone d'arc s'effectue rapidement et sans perturbation.
  • Un autre but de l'invention est de réaliser un disjoncteur dans lequel l'arc subit, à l'ouverture du disjoncteur, un double soufflage, à la fois dans la direction du mouvement des pièces mobiles et dans la direction opposée.
  • L'invention a pour objet un disjoncteur à moyenne tension à gaz diélectrique de soufflage, comprenant une enveloppe isolante cylindrique remplie de gaz diélectrique sous pression, un contact principal fixe, un contact d'arc fixe, un piston de soufflage fixe et un équipage mobile relié à un organe de manoeuvre comprenant un contact principal mobile, un contact d'arc mobile et un cylindre de soufflage associé à une buse de soufflage, caractérisé en ce quil comprend un piston moteur dont la section est au moins égale à 1,3 fois celle dudit piston de soufflage, ledit piston moteur se déplaçant par rapport à un second cylindre.
  • D'autres particularités de l'invention apparaîtront à la lumière de la description donnée ci-après d'un mode préféré de réalisation, en référence au dessin annexé dans lequel:
    • - la figure 1 est une vue partielle en demi-coupe axiale d'un disjoncteur selon l'invention, représenté en position enclenchée,
    • - la figure 2 est une vue partielle en demi-coupe axiale du même disjoncteur, représenté au cours d'une manoeuvre de déclenchement (ouverture).
  • Le disjoncteur, représenté en vue partielle dans la figure 1, comporte un enveloppe 1, en matériau isolant tel que la céramique, de forme générale cylindrique d'axe xx et délimitant un volume intérieur Vo rempli de gaz à bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexafluorure de soufre (SF6), sous une pression de quelques bars.
  • Le disjoncteur, entièrement de révolution autour de l'axe xx, comprend un contact principal fixe 2 relié à une première prise de courant non représentée, et un contact d'arc fixe 3, ayant une extrémité 3A réalisée en un alliage résistant aux effets de l'arc, tel qu'un alliage de tungstène.
  • L'équipage mobile du disjoncteur comprend un tube 4, dont une extrémité 4A, en alliage résistant à l'arc, constitue le contact d'arc mobile. Le tube 4 est relié, à son autre extrémité 4B, à un dispositif de manoeuvre non représenté. Le tube 4 est solidaire d'un tube 5 dont une extrémité 5A constitue le contact principal mobile du disjoncteur.
  • A l'extrémité 5A est fixée une buse de soufflage 6, en matériau isolant, dont le col est obstrué par le contact d'arc 4 lorsque le disjoncteur est en position fermée.
  • Des trous 7 sont pratiqués dans la couronne reliant les tubes 4 et 5 de telle sorte que ces tubes définissent un seul et même volume V1, fermé d'un côté par la buse 6.
  • Le tube 5 est guidé par une première partie tubulaire 8A d'une pièce métallique 8 ayant une seconde partie tubulaire 8B de section bien supérieure à celle de la partie 8A.
  • La pièce 8 est reliée à une seconde prise de courant non représentée.
  • Le tube 5 porte un contact électrique glissant 5C coopérant avec le tube 8A.
  • Le volume V1 est fermé, à son extrémité située à droite dans la figure 1, par un piston de soufflage 10 solidaire du tube 8A; le piston 10 est muni d'un clapet 10A unidirectionnel, qui ne laisse passer le gaz que de l'extérieur vers l'intérieur du volume V1; des joints 11 et 12 assurent l'étanchéité du piston 10.
  • En position enclenchée du disjoncteur, (figure 1), le courant circule par les pièces 2, 5 et 8.
  • Le tube 5 est solidaire d'un piston 14, dit piston moteur, placé à l'intérieur du tube 8B et pouvant coulisser dans ce tube de manière étanche grâce à un joint 14D. Le piston moteur 14 délimite, avec les tubes 8A et 8B,et le piston 10, un volume V2. Le piston moteur comprend un siège muni d'ouvertures 14A pouvant être fermées par un clapet annulaire 16, dont la course est limitée par un ressaut 14B.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la section du piston moteur 14 est grande vis-à-vis de celle du piston de soufflage, par exemple le rapport des sections est au moins égal à 1,3 et est de préférence compris entre 1,5 et 2.
  • Le siège du clapet possède également des orifices de diamètre calibré 14C dont le rôle sera expliqué plus loin.
  • Le tube 4 est percé, à sa surface, de très larges ouvertures 15, assurant par de vastes passages, la communication entre le volume V2 et le volume V3 intérieur au tube 5. Le volume V3 est fermé, côté organe de manoeuvre, par un disque 17 solidaire du tube 4.
  • Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant:
    • 1) Coupure des courants de forte intensité
  • Il s'agit des courants de court-circuit.
  • A la détection du court-circuit, le dispositif de manoeuvre du disjoncteur entraîne l'équipage mobile (tubes 4 et 5, buse 6, piston 14) vers la droite de la figure.
  • Les contacts principaux se séparent et le courant traverse alors les contacts d'arc 3 et 4.
  • A la séparation des contacts d'arc, un arc 20 (figure 2) se forme; il échauffe fortement le gaz environnant et la pression croît fortement. Le gaz chaud s'échappe par le volume V3 et la pression résultante vient fermer le clapet 16. La surface du piston étant très grande, la force exercée sur ce dernier, qui aide à la manoeuvre d'ouverture, est très grande. Le disjoncteur ne ralentit pas.
  • L'écoulement du gaz chaud provenant de la zone d'arc est facilité:
    • a) par les grandes ouvertures 15 qui réduisent à néant les pertes de charges,
    • b) par les orifices calibrés 14C qui limitent la valeur de la pression dans le volume V2, assurant ainsi une chute de pression entre la zone d'arc et la zone du piston 14.
  • Le gaz comprimé des volumes V1 et V3 se détend au premier passage par zero du courant, ce qui entraîne l'extinction de l'arc, grâce à un double soufflage selon les flèches F1 et F2 de la figure 2.
    • 2) Coupure des courants de faible intensité
  • Il s'agit par exemple du courant nominal, ou des courants capacitifs ou faiblement inductifs.
  • A la séparation des contacts d'arc, l'augmentation de pression due à l'arc est insuffisante pour plaquer le clapet 16 contre son siège. Celui-ci reste ouvert, ce qui évite, dans le volume V2, toute dépression qui viendrait freiner l'équipage mobile.
    Le courant s'éteint au premier passage par zéro, par le soufflage produit par le gaz du volume V1 entre les contacts d'arc.
    • 3) Fermeture du disjoncteur
  • La surpression dans le volume V2 est suffisante pour fermer le clapet 16, mais cette surpression reste limitée en raison de la grande valeur des volumes V1 et V3, de sorte que le mouvement de l'équipage mobile à l'enclenchement n'est pas freiné de manière notable.
  • Le disjoncteur qui vient d'être décrit permet la coupure d'importants courants à moyenne tension tout en ne nécessitant qu'une faible énergie de manoeuvre.

Claims (7)

1) Disjoncteur à moyenne tension gaz diélectrique de soufflage, comprenant une enveloppe isolante cylindrique remplie de gaz diélectrique sous pression, un contact principal fixe (2), un contact d'arc fixe (3), un piston de soufflage fixe (10) et un équipage mobile relié à un organe de manoeuvre et comprenant un contact principal mobile (5A), un contact d'arc mobile (4A) et un cylindre de soufflage (5) associé à une buse de soufflage (6), caractérisé en ce quil comprend un piston moteur (14) dont la section est au moins égale à 1,3 fois celle dudit piston de soufflage (10), ledit piston moteur se déplaçant par rapport à un second cylindre (8B).
2) Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit piston moteur (14) est muni d'ouvertures (14A) obturables par un clapet (16) disposé du coté du piston donnant sur le cylindre de soufflage.
3) Disjoncteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit piston moteur (14) est percé par des orifices calibrés (14D).
4) Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit cylindre de soufflage comprend une partie (5A) solidaire de l'équipage mobile et portant ladite buse de soufflage et coopérant avec une seconde partie fixe (8A), coulissant dans ladite première partie, en contact électrique avec cette dernière par des contacts glissants (5C), ladite seconde partie (8A) portant ledit piston de soufflage (10) qui est muni d'un clapet unidirectionnel n'autorisant le passage du gaz que dans le sens allant de l'extérieur vers l'intérieur dudit cylindre de soufflage.
5) Disjoncteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit cylindre de soufflage (5) a une section annulaire et est délimité intérieurement par un tube métallique (4) qui lui est coaxial et dont une première extrémité (4A) constitue le contact d'arc mobile et dont une seconde extrémité (4B) est reliée à l'organe de manoeuvre du disjoncteur.
6) Disjoncteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit tube métallique est muni de perçages (15) de grandes dimensions faisant communiquer la zone d'arc avec ledit second cylindre (8B) par rapport auquel se déplace ledit piston (14).
7) Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit piston moteur (10) comprend un clapet (16) associé à un siège (14) percés d'orifices (14C) de diamètre calibré.
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