EP0456025A1 - Disjoncteur à haute tension à arc série - Google Patents

Disjoncteur à haute tension à arc série Download PDF

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EP0456025A1
EP0456025A1 EP91106454A EP91106454A EP0456025A1 EP 0456025 A1 EP0456025 A1 EP 0456025A1 EP 91106454 A EP91106454 A EP 91106454A EP 91106454 A EP91106454 A EP 91106454A EP 0456025 A1 EP0456025 A1 EP 0456025A1
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EP
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tube
volume
contact
blowing
circuit breaker
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EP91106454A
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Denis Dufournet
Michel Perret
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Alstom Holdings SA
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GEC Alsthom SA
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/70Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/88Switches 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
    • H01H33/90Switches 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
    • H01H33/901Switches 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
    • H01H33/903Switches 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 dielectric gas circuit breaker with self-blowing, of the type comprising additional contacts making it possible to generate, during an opening operation, a secondary arc in series with the main arc, the energy of this arc secondary being used to operate the device.
  • a circuit breaker of this type has for example been described in French Patent No. 2,610,763.
  • An object of the present invention is to provide a circuit breaker of the aforementioned type of simple embodiment, in particular in the generating part of the secondary arc.
  • Another object of the invention is to provide a circuit breaker not comprising sliding contacts in the area of the secondary arc; this area, in fact, is polluted by the decomposition products of the dielectric gas, which can cause a degradation in the quality of the sliding contacts.
  • Another object of the invention is to provide a circuit breaker comprising no insulating piston, the construction of which is expensive and which is subject to wear requiring frequent replacement.
  • Another object of the invention is to provide a circuit breaker with a mobile assembly which is light, so that it requires only a small operating energy for its operation.
  • the second end of said second tube is shaped as a bead carrying an outer cylindrical portion on which said fingers rest and a portion inner cylinder carrying sliding contacts cooperating with said fourth tube.
  • the blowing piston is fitted with a calibrated one-way valve letting the gas pass from the inside to the outside of the blowing volume.
  • the blowing piston is fitted with a one-way valve allowing the passage of gas only from the outside to the inside of the blowing volume.
  • the second piston is fitted with a one-way valve allowing the passage of gas only from the outside to the inside of the second volume.
  • a breaking chamber will be described; it is understood that a high voltage circuit breaker may include, for each phase, several breaking chambers of the type which will now be described.
  • the reference 1 designates an insulating envelope, preferably of porcelain, delimiting a chamber 2 filled with a gas with good dielectric properties, for example sulfur hexafluoride under a pressure of a few bars.
  • the fixed assembly comprises an arcing contact 3, consisting of a metal tube whose end 3A is made of a material resistant to the effects of the arcing, by example an alloy based on tungsten.
  • the fixed assembly also includes a permanent contact 4 consisting of fingers protected by a corona hood 5.
  • the arcing contact and the fixed contact are electrically connected to a first socket, not shown.
  • the movable assembly comprises an operating part 6, consisting of a tube of insulating material passing through the chamber 2 in a sealed manner and connected to a mechanism not shown.
  • a metal assembly comprising two tubes 7 and 8, coaxial and connected by a metal ring 9. These tubes and this ring are preferably made in one piece from machining.
  • the tube 7 constitutes the permanent arcing contact; its end 7A is made of material resistant to the effects of the arc and cooperates with the contact 3-3A.
  • the tube 8 has a first end 8A, of reduced diameter, and carrying a blowing nozzle 10 made of insulating material.
  • the tubular portion 8A constitutes the fixed permanent contact of the circuit breaker and cooperates, when the circuit breaker is in the engaged position, as shown in FIG. 1, with the fingers 4.
  • the contact is effected by a portion of external cylindrical surface of the bead 8B.
  • bead 8B preferably forms a single piece with the tubes 7 and 8 and the crown 9.
  • the piston includes seals 17; it is provided with a calibrated valve 18 to limit the pressure inside the volume V1; this valve will be used, as we will see, when cutting low currents.
  • the piston finally comprises a one-way valve 19, authorizing the passage of gas only from the outside to the inside of the volume V1; this valve is a simple washer applied to holes 20 passing through the piston.
  • the ring 9 is pierced with holes 9A.
  • the bead 8B carries, on a cylindrical inner surface, sliding electrical contacts 22 bearing on the tube 14.
  • the bead 8B is pierced with holes 23 intended to lighten it and facilitate the circulation of the gas.
  • the tube 14 and the tube 11 carry, on either side of the insulating portion 15 two elements of 25 and 26 of the secondary arcing contact. These elements consist of tube portions, the ends of which are made of an alloy resistant to the effects of the arc.
  • the contacts 25 and 26 cooperate with a switching tube fixed to the tube 7, therefore movable with it, and comprising an insulating portion 28 and a metal portion 29 the end of which is made of material resistant to the effects of the arc.
  • the circuit breaker further comprises a metal piston 30, integral with the operating tube 6, provided with a seal 31 and a one-way valve 32 allowing the passage of gas only from the outside to the inside of the volume V2 constituted by the tubes 7 and 14, and the pistons 16 and 30.
  • the operating tube is actuated and moves to the right of the figure.
  • the permanent contacts 4 and 8A separate ( Figure 2) and the current is switched on the arcing contacts 3 and 7A; the fingers 13 leave the bead 8A, but the contacts 25 and 26 come into contact with the metal portion of the switching tube; in this way, the current takes the following path: the tube 3, the tube 7, the crown 9, the tube 8, the bead 8B, the contacts 22, the tube 14, the contact 25, the tube 29, the contact 26 and tube 11.
  • the closing of the circuit breaker is caused by the movement to the left of the figures of the operating tube 6.
  • the valves 19 open during this maneuver, so that there is no need to overcome either depression or overpressure; the closing operation also requires only a low operating energy.
  • the circuit breaker of the invention has a simple structure, therefore economical, compact, therefore robust and rigid, without electrical contacts in the arcing zones, therefore of reduced maintenance.
  • the invention applies to the production of high voltage circuit breakers.

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Abstract

Disjoncteur à haute tension à gaz diélectrique à soufflage d'arc du type comportant des contacts d'arc secondaire (25, 26) permettant de développer à l'intérieur d'un volume (V2) une pression favorisant l'ouverture, caractérisé en ce que tous les contacts électrique 13, 22) sont disposés à l'extérieur dudit volume.

Description

  • La présente invention est relative à un disjoncteur à gaz diélectrique à autosoufflage, du type comprenant des contacts supplémentaires permettant de générer, lors d'une manoeuvre d'ouverture, un arc secondaire en série avec l'arc principal, l'énergie de cet arc secondaire étant utilisée pour la manoeuvre de l'appareil.
  • Un disjoncteur de ce type a par exemple été décrit dans le brevet français n° 2 610 763.
  • Un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur du type précité de réalisation simple, notamment dans la partie génératrice de l'arc secondaire.
  • Un autre but de l'invention est de réaliser un disjoncteur ne comportant pas de contacts coulissants dans la zone de l'arc secondaire; cette zone, en effet, est polluée par les produits de décomposition du gaz diélectrique, ce qui peut provoquer une dégradation de la qualité des contacts coulissants.
  • Un autre but de l'invention est de réaliser un disjoncteur ne comportant aucun piston isolant, dont la réalisation est onéreuse et qui est sujet à usure nécessitant un remplacement fréquent.
  • Un autre but de l'invention est de réaliser un disjoncteur dont l'équipage mobile est léger, de sorte qu'il ne nécessite pour son fonctionnement qu'une faible énergie de manoeuvre.
  • L'invention a pour objet un disjoncteur à haute tension à gaz diélectrique sous pression, comprenant pour chaque phase au moins une chambre de coupure comportant une enveloppe isolante remplie dudit gaz à l'intérieur de laquelle sont disposés:
    • un ensemble comprenant un contact principal fixe et un contact d'arc fixe reliés électriquement à une première prise de courant,
    • un ensemble mobile comprenant un organe de manoeuvre solidaire d'une pièce formée d'un premier tube constituant le contact d'arc mobile, d'un second tube, coaxial audit premier tube, dont une première extrémité constitue le contact mobile permanent et portant une buse de soufflage, lesdits premier et second tubes délimitant un volume de soufflage fermé par une couronne percée reliant lesdits tubes et par un piston fixe de soufflage,
    • deux contacts d'arc secondaire disposés dans un second volume situé du côté opposé au volume de soufflage par rapport au piston de soufflage, caractérisé en ce que le dit piston de soufflage est maintenu par un troisième tube métallique coaxial au premier tube et délimitant, avec ce dernier et un second piston solidaire dudit premier tube, ledit second volume, ledit troisième tube étant fixé par une portion tubulaire isolante à un quatrième tube relié électriquement à une seconde prise de courant du disjoncteur, ledit second tube ayant un seconde extrémité en contact électrique, d'une part avec ledit troisième tube à l'extérieur de ce dernier et d'autre part, avec des doigts reliés électriquement audit quatrième tube, l'un desdits contacts auxiliaire étant fixé audit troisième tube, l'autre étant fixé audit quatrième tube, lesdits contacts auxiliaires venant en contact avec un tube solidaire de l'ensemble mobile et comprenant une portion isolante et une portion métallique, la position et la longueur respective de ces deux portions tubulaires étant choisies pour qu'en position enclenchée, l'un au moins des contacts auxiliaires soit en contact avec la portion isolante et pour qu'au cours d'une manoeuvre d'ouverture, les deux contacts auxiliaires viennent d'abord simultanément en contact avec la portion métallique, l'un au moins des contacts auxiliaires quittant ensuite cette portion métallique.
  • Dans une forme particulière de réalisation, la seconde extrémité dudit second tube est conformée en bourrelet portant une portion cylindrique extérieure sur laquelle s'appuient lesdits doigts et une portion cylindrique intérieure portant des contacts glissants coopérant avec ledit quatrième tube.
  • Le piston de soufflage est muni d'un clapet unidirectionnel taré laissant passer le gaz de l'intérieur vers l'extérieur du volume de soufflage.
  • Le piston de soufflage est muni d'un clapet unidirectionnel n'autorisant le passage du gaz que de l'extérieur vers l'intérieur du volume de soufflage.
  • Le second piston est muni d'un clapet unidirectionnel n'autorisant le passage du gaz que de l'extérieur vers l'intérieur du second volume.
  • L'invention sera bien comprise par la description donné ci-après d'un exemple de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel:
    • la figure 1 est une vue schématique partielle en demi-coupe axiale d'une chambre de coupure d'un disjoncteur selon l'invention, représenté en position enclenchée,
    • la figure 2 est une vue schématique partielle en demi-coupe axiale de la même chambre, représentée en début de déclenchement,
    • la figure 3 est une vue schématique partielle de la même chambre, représentée dans une phase postérieure de la manoeuvre de déclenchement.
  • Dans ce qui suit, on décrira une chambre de coupure; il est bien entendu qu'un disjoncteur à haute tension peut comporter, pour chaque phase, plusieurs chambres de coupure du type qui va être décrit maintenant.
  • Dans les figures, la référence 1 désigne une enveloppe isolante, de préférence en porcelaine, délimitant une chambre 2 remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectrique, par exemple l'hexafluorure de soufre sous une pression de quelques bars.
  • L'ensemble fixe comprend un contact d'arc 3, constitué d'un tube métallique dont l'extrémité 3A est réalisée en un matériau résistant aux effets de l'arc, par exemple un alliage à base de tungstène. L'ensemble fixe comprend également un contact permanent 4 constitué de doigts protégés par un capot pare-effluves 5. Le contact d'arc et le contact fixe sont reliés électriquement à une première prise de courant, non représentée.
  • L'équipage mobile comprend une pièce de manoeuvre 6, constituée d'un tube en matériau isolant traversant la chambre 2 de manière étanche et relié à un mécanisme non représenté.
  • A la pièce fixe est relié un ensemble métallique comprenant deux tubes 7 et 8, coaxiaux et reliés par une couronne métallique 9. Ces tubes et cette couronne sont de préférence réalisés en une seule pièce venue d'usinage.
  • Le tube 7 constitue le contact d'arc permanent; son extrémité 7A est réalisée en matériau résistant aux effets de l'arc et coopère avec le contact 3-3A.
  • Le tube 8 possède une première extrémité 8A, de diamètre réduit,et portant une buse de soufflage 10 en matériau isolant.
  • La portion tubulaire 8A constitue le contact permanent fixe du disjoncteur et coopère, lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, comme le montre la figure 1, avec les doigts 4.
  • Un tube fixe métallique 11, relié électriquement à une seconde prise de courant du disjoncteur, non représentée, porte une couronne 12 servant de support à des doigts métalliques 13, venant en contact électrique, lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, avec une extrémité 8B du tube 8, réalisée sous la forme d'un bourrelet plus épais que le tube. Le contact s'effectue par une portion de surface cylindrique extérieure du bourrelet 8B.
  • Là encore, on doit comprendre que le bourrelet 8B forme de préférence une seule et même pièce avec les tubes 7 et 8 et la couronne 9.
  • Un tube métallique 14, de préférence de diamètre voisin de celui du tube 11, et fixé à ce dernier par une portion tubulaire 15 en matériau isolant, est relié mécaniquement à un piston métallique 16, pouvant coulisser dans le volume annulaire V1 délimité par les tubes 7 et 8 et la couronne 9. On a compris que les tubes 14 et 15, les contacts 13 ainsi que le piston 16, sont des éléments fixes du disjoncteurs puisqu'ils sont tous fixés au tube fixe 11.
  • Le piston comprend des joints d'étanchéité 17; il est muni d'un clapet taré 18 pour limiter la pression à l'intérieur du volume V1; ce clapet servira, comme on le verra, lors de la coupure des courants de faible intensité. Le piston comprend enfin un clapet unidirectionnel 19, n'autorisant le passage du gaz que de l'extérieur vers l'intérieur du volume V1; ce clapet est une simple rondelle s'appliquant sur des trous 20 traversant le piston.
  • Pour permettre le passage du gaz à travers la buse 10, la couronne 9 est percée de trous 9A.
  • Le bourrelet 8B porte, sur une surface intérieure cylindrique, des contacts électriques glissants 22 en appui sur le tube 14. Le bourrelet 8B est percé de trous 23 destinés à l'alléger et à faciliter la circulation du gaz.
  • Le tube 14 et le tube 11 portent, de part et d'autre de la portion isolante 15 deux éléments du 25 et 26 du contact d'arc secondaire. Ces éléments sont constitués de portions de tube dont les extrémités sont réalisés en un alliage résistant aux effets de l'arc.
  • Les contacts 25 et 26 coopèrent avec un tube de commutation fixé au tube 7, donc mobile avec lui, et comprenant une portion isolante 28 et une portion métallique 29 dont l'extrémité est réalisée en matériau résistant aux effets de l'arc.
  • Le disjoncteur comprend en outre un piston métallique 30, solidaire du tube de manoeuvre 6, muni d'un joint d'étanchéité 31 et d'un clapet unidirectionnel 32 n'autorisant le passage du gaz que de l'extérieur vers l'intérieur du volume V2 constitué par les tubes 7 et 14, et les pistons 16 et 30.
  • Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant:
    • en position enclenchée, (figure 1), le courant traverse les doigts 4, le tube 8A-8-8B, les doigts 13, la couronne 12 et le tube 11.
    Coupure des courants de forte intensité
  • Il s'agit des courants de court-circuit.
  • Le tube de manoeuvre est actionné et se déplace vers la droite de la figure.
  • Les contacts permanents 4 et 8A se séparent (figure 2) et le courant est commuté sur les contacts d'arc 3 et 7A; les doigts 13 quittent le bourrelet 8A, mais les contacts 25 et 26 viennent en contact avec la portion métallique du tube de commutation; de la sorte, le courant emprunte le chemin suivant: le tube 3, le tube 7, la couronne 9, le tube 8, le bourrelet 8B, les contacts 22, le tube 14, le contact 25, le tube 29, le contact 26 et le tube 11.
  • Lorsque les contacts d'arc 3A-7A se séparent (figure 3), un arc primaire 50 jaillit entre eux; à peu près en même temps, les contacts 25 et 29 se séparent, et un arc secondaire 51 jaillit dans le volume V2. Cet arc secondaire échauffe le gaz du volume V2, ce qui produit une augmentation de pression qui, d'une part vient aider à la manoeuvre d'ouverture en apportant de l'énergie au tube de manoeuvre par action sur le piston 30 et, d'autre part vient contribuer au soufflage de l'arc primaire en verrouillant le clapet limiteur 18, ce qui fait que tout le gaz du volume V1 est soufflé.
  • Coupure des courants de faible intensité
  • Il s'agit des courants inférieurs ou égaux au courant nominal de l'installation.
  • Le fonctionnement est voisin de celui qui a été décrit précédemment mais cette fois-ci, le courant à couper est faible, de sorte que l'arc secondaire 51 apporte une énergie insuffisante pour fermer le clapet 18 contre la pression régnant dans le volume V1. La pression dans le volume V1 est limitée par le clapet taré 18.
  • Il n'y a pas de dépression dans le volume V2, car le clapet 32 s'ouvre et remplit de gaz le volume V2.
  • Fermeture du disjoncteur
  • La fermeture du disjoncteur est provoquée par le déplacement vers la gauche des figures du tube de manoeuvre 6. Les clapets 19 s'ouvre au cours de cette manoeuvre, de sorte qu'il n'y a à vaincre ni dépression, ni surpression; la manoeuvre de fermeture ne nécessite également qu'une faible énergie de manoeuvre.
  • Le disjoncteur de l'invention possède une structure simple, donc économique, compacte, donc robuste et rigide, sans contacts électriques dans les zones d'arc, donc d'entretien plus réduit.
  • L'invention s'applique à la réalisation de disjoncteur à haute tension.

Claims (5)

  1. Disjoncteur à haute tension à gaz diélectrique sous pression, comprenant pour chaque phase au moins une chambre de coupure comportant une enveloppe isolante remplie dudit gaz à l'intérieur de laquelle sont disposés:
    - un ensemble comprenant un contact principal fixe (4) et un contact d'arc fixe (3-3A) reliés électriquement à une première prise de courant,
    - un ensemble mobile comprenant un organe de manoeuvre (6) solidaire d'une pièce formée d'un premier tube (7-7A) constituant le contact d'arc mobile, d'un second tube (8-8A-8B), coaxial audit premier tube, dont une première extrémité (8A) constitue le contact mobile permanent et portant une buse de soufflage (10), lesdits premier et second tubes délimitant un volume de soufflage (V1) fermé par une couronne (9) percée reliant lesdits tubes et par un piston fixe de soufflage (16),
    - deux contacts (25, 26) d'arc secondaire disposés dans un second volume (V2) situé du côté opposé au volume de soufflage par rapport au piston de soufflage (16),
    caractérisé en ce que le dit piston de soufflage est maintenu par un troisième tube métallique (14) coaxial au premier tube (7-7A) et délimitant, avec ce dernier et un second piston (30) solidaire dudit premier tube (7-7A), ledit second volume (V2), ledit troisième tube (14) étant fixé par une portion tubulaire isolante (15) à un quatrième tube (11) relié électriquement à une seconde prise de courant du disjoncteur, ledit second tube ayant un seconde extrémité (8B) en contact électrique, d'une part avec ledit troisième tube à l'extérieur de ce dernier et d'autre part, avec des doigts (13) reliés électriquement audit quatrième tube (11), l'un (25) desdits contacts auxiliaire étant fixé audit troisième tube (14), l'autre (26) étant fixé audit quatrième tube, lesdits contacts auxiliaires venant en contact avec un tube (28-29) solidaire de l'ensemble mobile et comprenant une portion isolante (28) et une portion métallique (29), la position et la longueur respective de ces deux portions tubulaires étant choisies pour qu'en position enclenchée, l'un (26) au moins des contacts auxiliaires soit en contact avec la portion isolante (28) et pour qu'au cours d'une manoeuvre d'ouverture, les deux contacts auxiliaires viennent d'abord simultanément en contact avec la portion métallique (29), l'un (25) au moins desdits contacts auxiliaires quittant ensuite cette portion métallique (29).
  2. Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde extrémité (8B) dudit second tube (8) est conformée en bourrelet portant une portion cylindrique extérieure sur laquelle s'appuient lesdits doigts (13) et une portion cylindrique intérieure portant des contacts glissants ((22) coopérant avec ledit quatrième tube (14).
  3. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le piston de soufflage (16) est muni d'un clapet unidirectionnel taré (18) laissant passer le gaz de l'intérieur vers l'extérieur du volume de soufflage (V1).
  4. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit piston de soufflage (16) est muni d'un clapet unidirectionnel (19) n'autorisant le passage du gaz que de l'extérieur vers l'intérieur du volume de soufflage (V1).
  5. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le second piston (30) est muni d'un clapet unidirectionnel n'autorisant le passage du gaz que de l'extérieur vers l'intérieur du second volume (V2).
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