EP0437151A1 - Disjoncteur multipolaire à filtre des gaz commun aux différents pôles - Google Patents

Disjoncteur multipolaire à filtre des gaz commun aux différents pôles Download PDF

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EP0437151A1
EP0437151A1 EP90420510A EP90420510A EP0437151A1 EP 0437151 A1 EP0437151 A1 EP 0437151A1 EP 90420510 A EP90420510 A EP 90420510A EP 90420510 A EP90420510 A EP 90420510A EP 0437151 A1 EP0437151 A1 EP 0437151A1
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EP
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circuit breaker
breaker according
gases
cooling device
common
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Robert Morel
Marc Rival
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Schneider Electric SE
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Merlin Gerin SA
Schneider Electric SE
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/34—Stationary parts for restricting or subdividing the arc, e.g. barrier plate
    • H01H9/342—Venting arrangements for arc chutes

Definitions

  • the invention relates to a low-voltage multipolar circuit breaker with molded housing, subdivided by insulating partitions into internal compartments each associated with one of the poles, each compartment containing a pair of separable contacts, a stack of deionization plates from the arc, drawn during the separation of said contacts and an orifice for exhaust of the breaking gases provided with a first device for cooling these gases.
  • the breaking of a short-circuit current with or without current limitation can only be done by absorbing energy.
  • the order of magnitude of this energy is from one to two times the inductive energy of the circuit acquired at the value of the peak current.
  • Cutting by an arc circuit breaker amounts to using a plasma as an essential intermediary to absorb this energy. If the elongation of the arc is not sufficient to ensure breaking, it is forced against and in a breaking chamber.
  • This chamber is generally formed by a stack of metal plates, which the arc, split or not, will heat, melt and partly vaporize.
  • the arc column brought to high temperature ( ⁇ 15,000 K) in a reduced volume, gives rise to high pressures and, in order to limit these pressures and to contribute to the displacement of the arc in the chamber, openings are provided. specially studied which allow a flow of a part of these gases towards the outside after they have passed through a more or less effective filtering device to cool them.
  • the object of the present invention is to allow the production of an exhaust gas filtering device which is efficient and of reduced bulk.
  • the circuit breaker according to the invention is characterized in that all of said exhaust orifices open into a chamber common to the different poles and communicating with the ambient medium by a gas outlet opening and that a second cooling device is arranged. on the gas flow path between said exhaust ports and said outlet.
  • the hot gases are cooled by a second filter common to all of the poles and the size of this common filter is less than that of equivalent individual complementary filters.
  • the invention is based on the observation that during the breaking of a short-circuit current, for example three-phase, only one of the poles is stressed to the maximum and the common cooling or filtering chamber does not need to be adapted to three times this maximum value, but only to twice. The cost and size of the additional filter can therefore be reduced. It is possible to provide such a permanent filter on the circuit breaker, or integrated into it, or to arrange this filter in a complementary filter block, which can be associated with the circuit breaker or its chassis, during demanding installation conditions, in particular inside cabinets subjected to exceptional climatic conditions or during special uses.
  • the common cooling device or filter comprises a stack of grids, preferably metallic, disposed on all of the poles of the circuit breaker at a distance sufficient to provide a distribution volume of the gases which may come from any of the poles during the cut-off. .
  • This volume is also a function of the optimum pressures sought so as not to react to the quality of the cut.
  • the gases which pass through the filter are hot and partially ionized, and according to an improvement of the invention the metal grid (s) are mounted on an insulating support or frame and can be brought to a floating potential, different from that of the mass, without generate leakage currents and risk of ignition.
  • a second volume is advantageously cleaned downstream of the filter grid to ensure the evacuation of the already cooled gases to the outside.
  • This volume is defined according to the installation cases, in particular the safety conditions to be observed to ensure double insulation vis-à-vis a room in floating potential and having dimensions greater than 50 mm.
  • the calculation of the mass of the filter must take into account various factors, in particular the energy released to the outside of the circuit breaker, for example from 5 to 10% of the total arc energy and the acceptable temperature rise.
  • the filter can be a single grid or any other perforated or porous material or a stack, for example of adjacent or spaced grids.
  • the path of gas escaping from the first cooling device is advantageously rectilinear through the two volumes and the filter grid towards the outside. In some cases, vents in the first volume of the filter allow a direct escape of part of the gases to non-hazardous areas.
  • a low voltage circuit breaker 10 with a molded case 11, of the type commercially known as MASTERPACT, has three adjacent poles 12,13,14, and separated by internal partitions 15,16.
  • the three poles 12, 13, 14 are identical and each comprise input and output pads 17, a pair of separable contacts 18, a breaking chamber formed by a stack of deionization plates 19 and a filtering or cooling 20 associated with an exhaust orifice 21, 22, 23 of the poles 12, 13, 14.
  • the action of the arc causes overheating and overpressure in each pole 12,13,14 with a gas exhaust through the orifices 21,22,23 through the cooling filters 20.
  • the intensity of the different arcs depends on the intensity of the current cut in each pole, only one of the poles 12,13,14 being stressed to the maximum.
  • Such a circuit breaker is well known and there is no need to describe it in more detail.
  • an additional block 25 for cooling or filtering is attached to the molded housing 11 opposite the exhaust orifices 21, 22, 23 to confine a common chamber 26 into which the orifices 21, 22, 23 of the three poles open.
  • the chamber 26 is subdivided into two volumes 27 and 28 by a cooling grid 29, forming an internal perforated partition.
  • the first volume 27, opposite the circuit breaker 10, distributes the gases escaping from the orifices 21,22,23 and directing through the grid 29 to the second volume 28, which communicates with the outside or the ambient medium by openings 30, formed in the block 25.
  • the grid 29 is electrically insulated, for example by making the walls of the block 25 in a molded insulating material or in any other way to consider it, during a cut, at a floating potential, with respect to the ionized gases passing through the orifices 21,22,23.
  • the first volume 27 is large enough to equalize the pressure in this volume of the gases leaving the various orifices 21, 22, 23, these passing through a grid, along a substantially straight path, the grid 29, the second volume 26 and the openings 30, undergoing a additional cooling.
  • the dimensions of the second volume 28 and of the openings 30 are determined by the gas flow and safety conditions and the complementary filter 25 is adapted to optimal overpressures for cutting in the poles 12,13,14.
  • the gases escaping from the most charged pole use a greater part of the cooling capacity of the grid 29 than those from the least charged pole and this distribution allows a reduction of the capacity of the complementary filter 25 with respect to three individual filters, associated with the three poles 12,13,14.
  • the filter 25 can be fixed by any suitable means to the molded housing 11 and it is also possible to integrate this block 25 into the molded housing 11 by providing a common chamber, communicating with the three poles through the orifices 21,22,23 and containing an additional common filter 29.
  • the grid 29 can be constituted by a superposition of several grids or be replaced by a porous or perforated block.
  • FIGS. 5 to 8 illustrate an alternative embodiment, in which the same reference numbers are used to designate parts similar or identical to those of FIGS. 1 to 4.
  • the circuit breaker 10 is associated with a racking frame 31, having on the rear side racking clamps 32, cooperating with the pads 17 and on the front side a connection block 33.
  • the additional filter block 25 is fixed to the chassis 31 in such a way that this block 25 faces the exhaust orifices 21, 22, 23 when the circuit breaker 10 is racked in in the working position. The operation remains of course the same, the addition of additional filtering taking place automatically when the circuit breaker is installed.
  • the chassis or chassis 31, housed in a cabinet subjected to exceptional operating conditions requiring additional cooling of the breaking gases, can be fitted with filter blocks 25 without requiring any modification of the circuit breaker.
  • the additional block can of course be associated or integrated with circuit breakers of different structure, the shape and the constitution being adapted accordingly.

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Abstract

Un bloc additionnel (25) de filtrage est associé à un disjoncteur basse tension à boîtier moulé pour recevoir dans une chambre commune (26), dotée d'une grille (29) de refroidissement, les gaz de coupure s'échappant pas les orifices (21), des trois pôles du disjoncteur. <IMAGE>

Description

  • L'invention est relative à un disjoncteur multipolaire basse tension à boîtier moulé, subdivisé par des cloisons isolantes en compartiments internes chacun associé à l'un des pôles, chaque compartiment contenant une paire de contacts séparables, un empilage de tôles de déionisation de l'arc, tiré lors de la séparation desdits contacts et un orifice d'échappement des gaz de coupure muni d'un premier dispositif de refroidissement de ces gaz.
  • La coupure d'un courant de court-circuit avec ou sans limitation du courant, ne peut se faire qu'en absorbant de l'énergie. L'ordre de grandeur de cette énergie est de une à deux fois l'énergie selfique du circuit acquise à la valeur du courant crête. La coupure par un disjoncteur à arc revient à utiliser un plasma comme intermédiaire essentiel pour absorber cette énergie. Si l'allongement de l'arc ne suffit pas pour assurer la coupure, celui-ci est forcé contre et dans une chambre de coupure. Cette chambre est généralement constituée par un empilage de plaques métalliques, que l'arc, fractionné ou pas, va chauffer, fondre et vaporiser en partie.
  • Tous ces phénomènes thermiques sont bien connus pour leurs grandes capacités d'absorption d'énergie.
  • La colonne d'arc, portée à haute température (≃ 15000 K) dans un volume réduit, donne lieu à de fortes pressions et, afin de limiter ces pressions et pour contribuer au déplacement de l'arc dans la chambre, on prévoit des ouvertures spécialement étudiées qui permettent un écoulement d'une partie de ces gaz vers l'extérieur après qu'ils aient traversé un dispositif de filtrage plus ou moins efficace pour les refroidir.
  • Suivant les conditions d'installation, ces gaz encore chauds et ionisés peuvent constituer une gêne pour l'environnement et engendrer des effets néfastes tels que des incendies, amorçages, brûlures, pression dans les coffrets, courants de fuite pendant la coupure. Une solution consiste à renforcer le dispositif de filtrage mais celui-ci devient rapidement trop volumineux et difficile à implanter pôle par pôle sur un disjoncteur multipolaire, sans pénaliser les conditions d'installation.
  • La présente invention a pour but de permettre la réalisation d'un dispositif de filtrage des gaz d'échappement qui soit efficace et d'un encombrement réduit.
  • Le disjoncteur selon l'invention est caractérisé en ce que l'ensemble desdits orifices d'échappement débouchent dans une chambre commune aux différents pôles et communiquant avec le milieu ambiant par une ouverture de sortie des gaz et qu'un deuxième dispositif de refroidissement est disposé sur la trajectoire d'écoulement des gaz entre lesdits orifices d'échappement et ladite sortie.
  • Selon la présente invention les gaz chauds sont refroidis par un deuxième filtre commun à l'ensemble des pôles et l'encombrement de ce filtre commun est inférieur à celui de filtres complémentaires individuels équivalents. L'invention est basée sur la constatation que lors de la coupure d'un courant de court-circuit, par exemple triphasé, seul l'un des pôles est sollicité au maximum et la chambre commune de refroidissement ou de filtrage n'a pas besoin d'être adaptée à trois fois cette valeur maximale, mais seulement à deux fois. Le coût et l'encombrement du filtre additionnel peuvent donc être réduits.Il est possible de prévoir un tel filtre à demeure sur le disjoncteur, ou intégré à celui-ci, ou d'agencer ce filtre en bloc de filtrage complémentaire, qui peut être associé au disjoncteur ou au châssis de celui-ci, lors de conditions d'installation astreignantes, notamment à l'intérieur d'armoires soumises à des conditions climatiques exceptionnelles ou lors d'utilisations spéciales.
  • Le dispositif de refroidissement ou filtre commun comporte un empilage de grilles, préférentiellement métalliques, disposé sur l'ensemble des pôles du disjoncteur à une distance suffisante pour ménager un volume de répartition des gaz pouvant provenir de l'un quelconque des pôles lors de la coupure. Ce volume est aussi fonction des pressions optimales recherchées pour ne pas réagir sur la qualité de la coupure.
  • Les gaz qui traversent le filtre sont chauds et partiellement ionisés, et selon un perfectionnement de l'invention la ou les grilles métalliques sont montées sur un support ou cadre isolant et peuvent être portées à un potentiel flottant, différent de celui de la masse, sans engendrer des courants de fuite et des risques d'amorçage.
  • Un deuxième volume est avantageusement ménage en aval de la grille du filtre pour assurer l'évacuation des gaz déjà refroidis vers l'extérieur. Ce volume est défini selon les cas d'installation, notamment des conditions de sécurité à respecter pour assurer la double isolation vis-à-vis d'une pièce en potentiel flottant et ayant des dimensions supérieures à 50 mm.
  • Le calcul de la masse du filtre doit tenir compte de différents facteurs, en particulier de l'énergie rejetée à l'extérieur du disjoncteur par exemple de 5 à 10 % de l'énergie d'arc totale et de l'échauffement acceptable. Le filtre peut être une grille unique ou tout autre matériau perforé ou poreux ou un empilage, par exemple de grilles accolées ou espacées. Le trajet de gaz s'échappant du premier dispositif de refroidissement est avantageusement rectiligne à travers les deux volumes et la grille du filtre vers l'extérieur. Dans certains cas, des évents du premier volume du filtre permettent un échappement direct d'une partie des gaz vers des zones non dangereuses.
  • D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de deux modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels:
    • la figure 1 est une vue schématique en élévation, partiellement arrachée d'un disjoncteur selon l'invention;
    • la figure 2 est une coupe transversale du disjoncteur selon la fig. 1;
    • la figure 3 est une vue en perspective d'un disjoncteur sans filtre complémentaire;
    • la figure 4 est une vue en perspective, partiellement en coupe d'un filtre complémentaire;
    • la figure 5 est une vue en perspective d'une variante de réalisation selon l'invention;
    • la figure 6 est une coupe transversale partielle du disjoncteur et de son châssis selon la figure 5;
    • les figures 7 et 8 sont des vues en perspective du disjoncteur et du filtre selon la figure 5.
  • Sur les figures un disjoncteur 10 basse tension, à boîtier moulé 11, du type commercialement dénommé MASTERPACT, comporte trois pôles 12,13,14 adjacents, et séparés par des cloisons internes 15,16. Les trois pôles 12,13,14 sont identiques et comportent chacun des plages 17 d'entrée et de sortie, une paire de contacts séparables 18, une chambre de coupure formée par un empilage de tôles de déionisation 19 et un dispositif de filtrage ou de refroidissement 20 associé à un orifice d'échappement 21,22,23 des pôles 12,13,14. Un mécanisme 24, dont seule la manette est représentée, commande l'ouverture et la fermeture des pôles 12,13,14 notamment l'ouverture automatique sur défaut avec formation d'arcs, lors de la séparation des contacts 18. L'action de l'arc provoque un échauffement et une surpression dans chaque pôle 12,13,14 avec un échappement de gaz par les orifices 21,22,23 à travers les filtres 20 de refroidissement. L'intensité des différents arcs dépend de l'intensité du courant coupé dans chaque pôle, seul l'un des pôles 12,13,14 étant sollicité au maximum. Un tel disjoncteur est bien connu et il est inutile de le décrire plus en détail.
  • Selon l'invention un bloc 25 additionnel de refroidissemnet ou de filtrage, schématiquement représenté à la fig. 4, est accolé au boîtier moulé 11 en regard des orifices d'échappement 21,22,23 pour confiner une chambre commune 26 dans laquelle débouchent les orifices 21,22,23 des trois pôles. La chambre 26 est subdivisée en deux volumes 27 et 28 par une grille 29 de refroidissement, formant une cloison interne perforée. Le premier volume 27, en regard du disjoncteur 10, répartit les gaz s'échappant des orifices 21,22,23 et se dirigeant à travers la grille 29 vers le deuxième volume 28, lequel communique avec l'extérieur ou le milieu ambiant par des ouvertures 30, ménagées dans le bloc 25. La grille 29 est isolée électriquement, par exemple en réalisant les parois du bloc 25 en un matériau isolant moulé ou de toute autre manière pour la considérer, lors d'une coupure, à un potentiel flottant, par rapport aux gaz ionisés traversant les orifices 21,22,23. Le premier volume 27 est suffisamment grand pour égaliser la pression dans ce volume des gaz sortant des différents orifices 21,22,23, ceux-ci traversant selon une trajectoire sensiblement rectiligne la grille 29 le deuxième volume 26 et les ouvertures 30, en subissant un refroidissement complémentaire. Les dimensions du deuxième volume 28 et des ouvertures 30 sont déterminées par les conditions d'écoulement des gaz et de sécurité et le filtre complémentaire 25 est adapté aux surpressions optimales pour la coupure dans les pôles 12,13,14.
  • Il est clair que lors d'une coupure d'un court-circuit les gaz s'échappant du pôle le plus chargé, utilisent une plus grande partie de la capacité de refroidissement de la grille 29 que ceux du pôle le moins chargé et cette répartition permet une réduction de la capacité du filtre complémentaire 25 par rapport à trois filtres individuels, associés aux trois pôles 12,13,14. Le filtre 25 peut être fixé par tout moyen approprié au boîtier moulé 11 et il est également possible d'intégrer ce bloc 25 au boîtier moulé 11 en prévoyant une chambre commune, communiquant avec les trois pôles par les orifices 21,22,23 et contenant un filtre commun additionnel 29. De même la grille 29 peut être constituée par une superposition de plusieurs grilles ou être remplacée par un bloc poreux ou perforé.
  • Les figures 5 à 8 illustrent une variante de réalisation, dans laquelle les mêmes numéros de repère sont utilisés pour désigner des pièces analogues ou identiques à celles des figures 1 à 4.
  • Le disjoncteur 10 est associé à un châssis 31 d'embrochage, ayant sur la face arrière des pinces d'embrochage 32, coopérant avec les plages 17 et sur la face avant un bloc de connexion 33. Le bloc additionnel de filtrage 25 est fixé au châssis 31 de telle manière que ce bloc 25 soit en regard des orifices d'échappement 21,22,23 lorsque le disjoncteur 10 est embroché en position de travail. Le fonctionnement reste bien entendu le même, l'adjonction du filtrage additionnel s'effectuant automatiquement lors de la mise en place du disjoncteur. Le ou les châssis 31, logés dans une armoire soumise à des conditions d'exploitation exceptionnelles nécessitant un refroidissement additionnel des gaz de coupure, peuvent être équipés de blocs de filtrage 25 sans nécessiter une modification quelconque du disjoncteur.
  • Le bloc additionnel peut bien entendu être associé ou intégré à des disjoncteurs de structure différente, la forme et la constitution étant adaptées en conséquence.
  • L'invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre décrits.

Claims (8)

  1. Disjoncteur multipolaire basse tension à boîtier moulé (11), subdivisé par des cloisons isolantes (15, 16) en compartiments internes chacun associé à l'un des pôles (12,13,14), chaque compartiment contenant une paire de contacts séparables (18), un empilage de tôles (19) de déionisation de l'arc, tiré lors de la séparation desdits contacts et un orifice (21,22,23) d'échappement des gaz de coupure, muni d'un premier dispositif (20) de refroidissement de ces gaz, caractérisé en ce que l'ensemble desdits orifices d'échappement (21,22,23) débouchent dans une chambre (26) commune aux différents pôles et communiquant avec le milieu ambiant par une ouverture (30) de sortie des gaz et qu'un deuxième dispositif de refroidissement (29) est disposé sur la trajectoire d'écoulement des gaz entre lesdits orifices d'échappement (21,22,23) et ladite sortie (30).
  2. Disjoncteur multipolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit deuxième dispositif de refroidissement (29) comporte des parties métalliques de filtrage des gaz montées isolées sur un cadre de support.
  3. Disjoncteur multipolaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite chambre commune (26) est intégrée au boîtier moulé (11) du disjoncteur.
  4. Disjoncteur multipolaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite chambre commune (26) est constituée par un bloc (25) susceptible d'être accolé audit boîtier moulé (11) en regard desdits orifices d'échappement (21,22,23).
  5. Disjoncteur multipolaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les gaz sortant de l'empilage des tôles de déionisation (19) du disjoncteur suivent une trajectoire sensiblement rectiligne en passant successivement par les orifices d'échappement (21,22,23), le deuxième dispositif de refroidissement (29) et l'ouverture de sortie (30).
  6. Disjoncteur multipolaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième dispositif de refroidissement (29) est une grille métallique subdivisant ladite chambre en deux volumes (27,28).
  7. Disjoncteur multipolaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, disposé dans une armoire métallique, caractérisé en ce que ledit deuxième dispositif de refroidissement (29) en forme de grille métallique est isolé des autres parties du disjoncteur et de l'armoire métallique.
  8. Disjoncteur multipolaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, monté sur un châssis débrochable (31) caractérisé en ce que ladite chambre commune (26) est solidaire dudit châssis (31) et disposée de manière à venir en regard des orifices d'échappement (21,22,23) lors de l'embrochage du disjoncteur en position de travail.
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