EP0441292A1 - Disjoncteur à moyenne ou haute tension à autosoufflage - Google Patents
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- EP0441292A1 EP0441292A1 EP91101455A EP91101455A EP0441292A1 EP 0441292 A1 EP0441292 A1 EP 0441292A1 EP 91101455 A EP91101455 A EP 91101455A EP 91101455 A EP91101455 A EP 91101455A EP 0441292 A1 EP0441292 A1 EP 0441292A1
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- 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
Definitions
- the present invention relates to a medium or high voltage circuit breaker in which the insulation is provided by a gas with good dielectric properties, such as sulfur hexafluoride (SF6), this same gas ensuring by self-blowing the extinction of the 'arc which forms at the separation of the arcing contacts of the circuit breaker.
- a gas with good dielectric properties such as sulfur hexafluoride (SF6)
- thermal volume or blowing volume which contains the arcing contacts and which, when the contacts are separated, is heated by the arcing and therefore undergoes a pressure increase. At the first zero crossing of the current, the gas expands and blows the arc.
- the displacement of the piston is more or less important and correlatively, the blowing volume is more or less large.
- Such a device has a drawback.
- a first object of the invention is to cut the high currents by self-blowing with thermal expansion in a thermal expansion volume dimensioned for this purpose, and the cutting of low currents by self-pneumatic boost blowing with piston in a part only thermal expansion volume.
- a second object of the invention is to provide an apparatus in which the speed and the ascent stroke of the semi-fixed assembly are progressively limited.
- a third object of the invention is to provide an apparatus into which fresh gas is injected into the area of the arcing contacts during an engagement maneuver, which notably improves the operation of the apparatus during the cycles of operation of the aforementioned type.
- circuit breaker of the invention which is a medium or high voltage circuit breaker with self-blowing arc comprising an envelope sealed filled with a dielectric gas inside which are placed a first contact, semi-fixed, electrically connected to a first socket-outlet and a second contact, mobile, electrically connected to a second socket-outlet and mechanically connected to an operating member, said semi-fixed contact being integral with a piston moving in a cylinder, said piston delimiting in said cylinder a first volume on the side of the arc zone and a second volume, said semi-fixed contact being subjected to the action of a spring tending to move the semi-fixed contact in the same direction as the movable contact during a tripping operation, characterized in that the circuit breaker comprises means for limiting, during a tripping operation, on short-circuit current, the speed and amplitude of the movement of the piston in the opposite direction to that of the rebound of the spring, the same means allowing an injection of gas not in. Eluted to the arcing
- said means comprise members for closing, during a triggering operation, said second volume, the same members allowing gas to pass from said second volume to said first volume during a reset operation.
- said members comprise on the one hand first holes passing through said piston and closable by first unidirectional valves closed when the pressure in said first volume is greater than the pressure in said second volume, and on the other hand second through holes the bottom of said cylinder and closable by second unidirectional valves closed when the pressure in said second volume is greater than the pressure prevailing in the envelope outside said cylinder.
- said first valves are formed together by a first washer.
- said second valves are formed together by a second washer.
- FIG 1 there is a casing 1, of insulating material, inside which there is a gas with good dielectric properties such as sulfur hexafluoride SF6, under a pressure of one to a few bars.
- a first socket 2 passing through the envelope in a sealed manner, is electrically connected by a braid 3, to a first contact 4 called semi-fixed for reasons explained below.
- the contact 4, produced in tubular form, is terminated by a wearing part 4A made of a material resistant to the effects of the electric arc, for example an alloy based on tungsten.
- Rod 7 has an end 7A of material resistant to the effects of the electric arc.
- the semi-fixed contact 4 carries a piston 8 sliding in a fixed cylinder 9; the stroke of the piston 8 is limited by a lower shoulder 11 and an upper ring 12; the semi-fixed contact 4 is pushed by a spring 13 which is compressed when the circuit breaker is in the engaged position, as is the case in FIG. 1.
- the cylinder 9 is fixed by a bottom 14 to a cylinder 15 of larger dimensions; the cylinder 15 is fixed to the casing 1; it carries, at one end, an insulating nozzle 16, through which the rod 7 slides.
- the piston 8 separates the interior of the cylinder into two volumes, V1 at the bottom of the figure and V2 at the top.
- the volumes V1 and V2 can communicate through orifices 18 made through the piston 8; these orifices can be closed simultaneously by a one-way valve consisting of a washer 19 retained by a shoulder 21 of the piston 8.
- the volume V2 can communicate with the volume V3 outside the cylinder 9 through orifices 22 made in the bottom of this cylinder; these orifices can be closed simultaneously by a one-way valve constituted by a washer 23 retained by the crown 12.
- Ports 24 made in the cylinder 15 facilitate the circulation of gas inside the casing 1.
- V4 denotes the volume between the cylinders 15 and 9; this volume V4, in permanent communication with the volume V1 by a passage between the nozzle 16 and the end of the cylinder 9, constitutes, with the volume V1, a volume V1 + V4 of thermal expansion of the circuit breaker.
- the rod 7 is pulled by the operating mechanism towards the bottom of the figure.
- the semi-fixed contact 4, pushed by the spring 13, accompanies the rod in its movement, until it is stopped by the shoulder 11.
- the rod continues its movement alone, thus causing the separation of the contacts.
- An arc 50 erupts between the contacts ( Figure 2) and heats the surrounding gas.
- the overpressure, generated by the displacement of the piston 8 and the heating of the gas in the volumes V1 and V4 causes a blowing of the arc, through the nozzle 16 and the contact 4A, and its extinction at a zero crossing of the current.
- the tripping process is identical to that just described, until the contacts are separated.
- the arc 51 (FIG. 3) is very large and produces a release of heat which leads to a very strong increase in the pressure in the volumes V1 and V4.
- the contact 4 is pushed up towards the top of the figure, due to the very strong pressure which is exerted on the piston 8 and which produces a force greater than that of the spring 13.
- the volume V1 is thus enlarged, so that the the pressure which reigns there, while being significant, nevertheless retains an acceptable value.
- the overpressure in the volume V1 causes the closure of the valve 19 which isolates the volume V2.
- the latter decreases due to the displacement of the piston 8; he this results in an increase in the pressure in the volume V2 which, on the one hand, closes the valve 23 and on the other hand, limits the speed and the stroke of the piston 8, the gas of the volume V2 acting as a damper.
- the arc 51 does not stretch too much, which makes it possible to limit the heating and pollution of the surrounding gas by the decomposition products of SF6.
- the overpressure generated essentially by thermal expansion in volumes V1 and V4 causes a blowing of the arc through the nozzle 16 and the contact 4A, and its extinction at a zero crossing of the current.
- the invention is not limited to the embodiment which has just been described by way of example, but applies to any circuit breaker in which the means of the invention are replaced by means fulfilling the same function in view of the same result.
- the invention applies to medium and high voltage circuit breakers.
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Abstract
Description
- La présente invention est relative à un disjoncteur à moyenne ou haute tension dans lequel l'isolation est assurée par un gaz à bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexafluorure de soufre (SF6), ce même gaz assurant par autosoufflage l'extinction de l'arc qui se forme à la séparation des contacts d'arc du disjoncteur.
- On trouve, dans ce type d'appareil, un volume appelé volume thermique ou volume de soufflage, qui contient les contacts d'arc et qui, au moment de la séparation des contacts, est échauffé par l'arc et subit de ce fait une augmentation de pression. Au premier passage par zéro du courant, le gaz se détend et vient souffler l'arc.
- On connaît les difficultés rencontrées pour réaliser un tel appareil:
- lors de la coupure des courants de faible intensité (par exemple de valeur inférieure ou égale à l'intensité nominale du courant dans lequel est inséré le disjoncteur), la montée en pression peut être insuffisante ou trop importante, selon la dimension du volume de soufflage. Si le volume de soufflage est important, la montée en pression est faible et le soufflage peut être insuffisant; si le volume de soufflage est faible, la montée en pression est importante, mais la durée de soufflage peut être insuffisante pour une bonne efficacité.
- lors de la coupure des courants de grande intensité (courants de court-circuit par exemple), la montée en pression et l'échauffement du gaz ne doivent pas être trop importants, ce qui pourrait entraîner un échec de la tentative de coupure.
- Pour résoudre ce problème, il a été proposé, notamment par le document EP-A- 0315505, de prévoir une chambre de coupure, servant de volume de soufflage, à volume variable selon l'intensité du courant à couper.
- Ceci est obtenu en remplaçant le contact d'arc fixe qu'on trouve habituellement dans les disjoncteurs, par un contact semi-fixe lié à un piston repoussé par un ressort antagoniste.
- Selon l'intensité du courant à couper, le déplacement du piston est plus ou moins important et corrélativement, le volume de soufflage est plus ou moins grand.
- Un tel appareil présente un inconvénient.
- Lors de la coupure des courants de forte intensité, la remontée rapide et complète du contact semi-fixe que le ressort est incapable de limiter, produit un allongement exagéré de l'arc, ce qui a pour effet de provoquer un échauffement trop important du gaz de soufflage avec risque d'échec diélectrique de la coupure, de polluer exagérément le milieu environnant l'arc et peut conduire à un échec de la seconde coupure lors des cycles O, 0,3s F, O.
- Un premier but de l'invention est d'effectuer la coupure des forts courants par autosoufflage avec expansion thermique dans un volume d'expansion thermique dimensionné à cet effet, et la coupure des faibles courants par soufflage autopneumatique d'appoint avec pistonnage dans une partie seulement du volume d'expansion thermique.
- Un second but de l'invention est de réaliser un appareil dans lequel la vitesse et la course de remontée de l'ensemble semi-fixe sont progressivement limitées.
- Un troisième but de l'invention est de réaliser un appareil dans lequel du gaz frais est injecté dans la zone des contacts d'arc lors d'une manoeuvre d'enclenchement, ce qui améliore notablement le fonctionnement de l'appareil lors des cycles de manoeuvre du type précité.
- Ces objectifs sont atteints par le disjoncteur de l'invention qui est un disjoncteur à moyenne ou haute tension à autosoufflage d'arc comprenant une enveloppe étanche remplie d'un gaz diélectrique à l'intérieur de laquelle sont placés un premier contact, semi-fixe, électriquement relié à une première prise de courant et un second contact, mobile, électriquement relié à une seconde prise de courant et mécaniquement relié à un organe de manoeuvre, ledit contact semi-fixe étant solidaire d'un piston se déplaçant dans un cylindre, ledit piston délimitant dans ledit cylindre un premier volume du côté de la zone d'arc et un second volume, ledit contact semi-fixe étant soumis à l'action d'un ressort tendant à déplacer le contact semi-fixe dans le même sens que le contact mobile lors d'une opération de déclenchement, caractérisé en ce que le disjoncteur comprend des moyens pour limiter, au cours d'une opération de déclenchement, sur courant de court-circuit, la vitesse et l'amplitude du mouvement du piston dans le sens opposé à celui de la détente du ressort, les mêmes moyens permettant une injection de gaz non pollué sur la zone des contacts d'arc lors de l'opération de réenclenchement succédant à ladite opération de déclenchement .
- Dans un mode particulier de réalisation, lesdits moyens comprennent des organes pour clore, au cours d'une opération de déclenchement, ledit second volume, les mêmes organes permettant le passage de gaz dudit second volume vers ledit premier volume lors d'une opération de réenclenchement.
- Par exemple, lesdits organes comprennent d'une part des premiers trous traversant ledit piston et obturables par des premiers clapets unidirectionnels fermés lorsque la pression dans ledit premier volume est supérieure à la pression dans ledit second volume, et d'autre part des seconds trous traversant le fond dudit cylindre et obturables par des seconds clapets unidirectionnels fermés lorsque la pression dans ledit second volume est supérieure à la pression régnant dans l'enveloppe à l'extérieur dudit cylindre.
- Avantageusement, lesdits premiers clapets sont constitués ensemble par une première rondelle.
- De même, lesdits seconds clapets sont constitués ensemble par une seconde rondelle.
- L'invention sera bien comprise à la lumière de la description donnée ci-après d'un exemple de réalisation de l'invention, en regard du dessin annexé dans lequel:
- la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un disjoncteur selon l'invention représenté en position enclenchée,
- la figure 2 est une vue en coupe axiale du même disjoncteur représenté lors d'un déclenchement sur un courant de faible intensité,
- la figure 3 est une vue en coupe axiale du même disjoncteur représenté lors d'un déclenchement sur court-circuit,
- la figure 4 est une vue en coupe axiale du même disjoncteur, représenté lors d'une manoeuvre d'enclenchement.
- Dans la figure 1, on distingue une enveloppe 1, en matériau isolant, à l'intérieur de laquelle se trouve un gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre SF6, sous une pression de un à quelques bars. Une première prise de courant 2, traversant l'enveloppe de manière étanche, est électriquement reliée par une tresse 3, à un premier contact 4 appelé semi-fixe pour des raisons exposées plus loin. Le contact 4, réalisé sous forme tubulaire, est terminé par une pièce d'usure 4A en matériau résistant aux effets de l'arc électrique, par exemple un alliage à base de tungstène.
- Une seconde prise de courant 5, traversant l'enveloppe de manière étanche, est électriquement reliée par des contacts glissants 6, à une tige 7 constituant un contact mobile du disjoncteur; la tige 7 traverse l'enveloppe de manière étanche et est reliée à un mécanisme de manoeuvre non représenté. La tige 7 possède une extrémité 7A en matériau résistant aux effets de l'arc électrique.
- Le contact semi-fixe 4 porte un piston 8 coulissant dans un cylindre fixe 9; la course du piston 8 est limitée par un épaulement inférieur 11 et une couronne supérieure 12; le contact semi-fixe 4 est poussé par un ressort 13 qui est comprimé lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, comme c'est le cas dans la figure 1.
- Le cylindre 9 est fixé par un fond 14 à un cylindre 15 de dimensions plus grandes; le cylindre 15 est fixé à l'enveloppe 1; il porte, à une extrémité, une buse isolante 16, à travers laquelle coulisse la tige 7.
- Le piston 8 sépare l'intérieur du cylindre en deux volumes, V1 à la partie inférieure de la figure et V2 à la partie supérieure. Les volumes V1 et V2 peuvent communiquer par des orifices 18 pratiqués à travers le piston 8; ces orifices peuvent être obturés simultanément par un clapet unidirectionnel constitué d'une rondelle 19 retenue par un épaulement 21 du piston 8. Le volume V2 peut communiquer avec le volume V3 extérieur au cylindre 9 par des orifices 22 pratiqués dans le fond de ce cylindre; ces orifices peuvent être obturés simultanément par un clapet unidirectionnel constitué par une rondelle 23 retenue par la couronne 12.
- Des orifices 24, pratiqués dans le cylindre 15, facilitent la circulation du gaz à l'intérieur de l'enveloppe 1.
- On désigne par V4 le volume compris entre les cylindres 15 et 9; ce volume V4, en communication permanente avec le volume V1 par un passage entre la buse 16 et l'extrémité du cylindre 9, constitue, avec le volume V1, un volume V1 + V4 d'expansion thermique du disjoncteur.
- Le fonctionnement du disjoncteur est décrit maintenant.
-
- Il s'agit des courants dont l'intensité est inférieure ou sensiblement égale à l'intensité nominale de la phase de la ligne dans laquelle est inséré le disjoncteur.
- La tige 7 est tirée par le mécanisme de manoeuvre vers le bas de la figure. Le contact semi-fixe 4, poussé par le ressort 13, accompagne la tige dans son mouvement, jusqu'à ce qu'elle soit arrêtée par l'épaulement 11. La tige poursuit seule son mouvement, provoquant ainsi la séparation des contacts. Un arc 50 jaillit entre les contacts (figure 2) et échauffe le gaz environnant. La surpression, générée par le déplacement du piston 8 et l'échauffement du gaz dans les volumes V1 et V4, provoque un soufflage de l'arc, à travers la buse 16 et le contact 4A, et son extinction à un passage par zéro du courant.
- Pendant cette manoeuvre, la légère surpression dans le volume V1 a plaqué le clapet 19 contre son siège, isolant ainsi le volume V2.
- Il s'agit des courants de court-circuit.
- Le processus de déclenchement est identique à celui qui vient d'être décrit, jusqu'à la séparation des contacts.
- Mais, cette fois, l'arc 51 (figure 3) est très important et produit un dégagement de chaleur qui conduit à une très forte augmentation de la pression dans les volumes V1 et V4. Le contact 4 est repoussé vers le haut de la figure, en raison de la très forte pression qui s'exerce sur le piston 8 et qui produit une force supérieure à celle du ressort 13. Le volume V1 est ainsi agrandi, de sorte que la pression qui y règne, tout en étant importante, n'en conserve pas moins une valeur acceptable.
- La surpression dans le volume V1 provoque la fermeture du clapet 19 qui vient isoler le volume V2. Ce dernier diminue en raison du déplacement du piston 8; il en résulte une augmentation de la pression dans le volume V2 qui, d'une part, ferme le clapet 23 et d'autre part, limite la vitesse et la course du piston 8, le gaz du volume V2 jouant le rôle d'amortisseur. De la sorte, l'arc 51 ne s'allonge pas de manière trop importante, ce qui permet de limiter l'échauffement et la pollution du gaz environnant par les produits de décomposition du SF6.
- La surpression générée essentiellement par expansion thermique dans les volumes V1 et V4 provoque un soufflage de l'arc à travers la buse 16 et le contact 4A, et son extinction à un passage par zéro du courant.
- Après extinction de l'arc, le ressort 13 ramène le contact semi-fixe en butée sur l'épaulement 1, comme le montre la figure 2.
- Au réenclenchement, qui se produit par déplacement de la tige 7 vers le haut de la figure (figure 4), il se crée une dépression dans le volume V1, ce qui a pour effet de provoquer l'ouverture du clapet 19. Du gaz non pollué du volume V2 traverse alors les orifices 18, ce qui vient améliorer la qualité diélectrique du gaz dans les volumes V1 et V4, favorisant ainsi la réussite d'une éventuelle opération de coupure qui surviendrait peu de temps après le réenclenchement (cas d'un cycle Ouverture, 0,3 seconde Fermeture, Ouverture).
- L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais s'applique à tout disjoncteur dans lequel les moyens de l'invention sont remplacés par des moyen remplissant la même fonction en vue du même résultat.
- L'invention s'applique aux disjoncteurs à moyenne et haute tension.
Claims (7)
- Disjoncteur à moyenne ou haute tension à autosoufflage d'arc comprenant une enveloppe étanche remplie d'un gaz diélectrique à l'intérieur de laquelle sont placés un premier contact (4), semi-fixe, électriquement relié à une première prise de courant (2) et un second contact (7), mobile, électriquement relié à une seconde prise de courant (5) et mécaniquement relié à un organe de manoeuvre, ledit contact semi-fixe (4) étant solidaire d'un piston (8) se déplaçant dans un cylindre (9), ledit piston (8) délimitant dans ledit cylindre (9) un premier volume (V1) du côté de la zone d'arc et un second volume (V2), ledit contact semi-fixe (4) étant soumis à l'action d'un ressort (13) tendant à déplacer le contact semi-fixe dans le même sens que le contact mobile lors d'une opération de déclenchement, caractérisé en ce que le disjoncteur comprend des moyens pour limiter, au cours d'une opération de déclenchement, sur courant de court-circuit, la vitesse et l'amplitude du mouvement du piston (8) dans le sens opposé à celui de la détente du ressort (13), les mêmes moyens permettant une injection de gaz non pollué sur la zone des contacts d'arc lors de l'opération de réenclenchement succédant à ladite opération de déclenchement .
- Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent des organes (18, 19; 22, 23) pour clore, au cours d'une opération de déclenchement, ledit second volume (V2), les mêmes organes permettant le passage de gaz dudit second volume vers ledit premier volume lors d'une opération de réenclenchement.
- Disjoncteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits organes comprennent d'une part des premiers trous (18) traversant ledit piston (8) et obturables par des premiers clapets unidirectionnels (19) fermés lorsque la pression dans ledit premier volume (V1) est supérieure à la pression dans ledit second volume (V2), et d'autre part des seconds trous (22) traversant le fond (9A) dudit cylindre (9) et obturables par des seconds clapets unidirectionnels (23) fermés lorsque la pression dans ledit second volume (V2) est supérieure à la pression régnant dans l'enveloppe à l'extérieur dudit cylindre (9).
- Disjoncteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits premiers clapets sont constitués ensemble par une première rondelle (19).
- Disjoncteur selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que lesdits seconds clapets sont constitués ensemble par une seconde rondelle (23).
- Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit premier volume (V1) communique en permanence avec un volume (V4), par un passage entre ladite buse (16) et l'extrémité dudit cylindre (9).
- Disjoncteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit volume (V4) est délimité par ledit cylindre (9) et un second cylindre (15) coaxial audit cylindre (9).
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