EP0458236B1 - Disjoncteur à moyenne tension - Google Patents

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EP0458236B1
EP0458236B1 EP91108128A EP91108128A EP0458236B1 EP 0458236 B1 EP0458236 B1 EP 0458236B1 EP 91108128 A EP91108128 A EP 91108128A EP 91108128 A EP91108128 A EP 91108128A EP 0458236 B1 EP0458236 B1 EP 0458236B1
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EP
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volume
circuit
piston
breaker
contact
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EP91108128A
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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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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a medium voltage circuit breaker in which the electrical insulation is ensured by a gas with good dielectric properties, such as sulfur hexafluoride, (SF6).
  • a gas with good dielectric properties such as sulfur hexafluoride, (SF6).
  • Thermal volume Medium voltage circuit breakers are known in which there is a thermal expansion volume (abbreviated as thermal volume) whose gas, heated by the arc which develops at the separation of the arcing contacts, expands on passing through. zero current and blow the arc.
  • the displacement of the piston is more or less important, so that the thermal volume is more or less large.
  • Such a device has a drawback.
  • An object of the present invention is to provide a medium voltage circuit breaker which does not have this drawback.
  • Another object of the invention is to produce a circuit breaker in which, for cutting the high intensity currents, a double blowing is carried out, that is to say a blowing on each of the roots of the arc.
  • Another object of the invention is to provide a circuit breaker in which the thermal expansion of the gas is limited, so as to reduce the risks of failure to cut.
  • the medium-voltage circuit breaker of the invention which comprises a sealed insulating envelope filled with a gas having good dielectric properties, a semi-mobile arcing contact electrically connected to a first socket and a movable contact connected to an operating mechanism and electrically connected to a second socket, the semi-movable arcing contact being linked to a piston which can move in a blowing volume delimited by the interior wall of an interior insulating cylinder to said casing and the piston, said piston being pushed by a spring kept compressed when the circuit breaker is in the engaged position, characterized in that the blowing volume is also delimited by a first face of a blowing nozzle, said circuit breaker comprising a thermal expansion volume defined by the inner wall of said cylinder, a second face of the nozzle and a transverse partition at through which the movable contact slides, means being provided so that, during a high current cut, the piston cannot, after having performed its stroke in the direction of compression of the blowing volume, move in the other way
  • the means so that the piston cannot move in the other direction consist of a passage section (se) between the neck of the nozzle and the blowing volume less than the total section of the other passages offered to the gas escaping from the thermal expansion volume.
  • the semi-mobile contact is a tubular contact putting the blowing volume into communication with the volume located at the rear of the piston.
  • the semi-mobile contact is a solid rod.
  • the movable contact is a tubular contact.
  • the movable contact has at least one bore placed so as to allow communication between the end of this contact on the nozzle side and the interior of the thermal expansion volume, during part of the stroke of this contact during a circuit breaker tripping operation.
  • the insulating cylinder includes holes to allow communication between the volume located at the rear of the piston and the volume between said cylinder and said envelope.
  • the reference 1 designates a sealed envelope of insulating material, filled with a gas with good dielectric properties such as sulfur hexafluoride, under a pressure of 1 to a few bars absolute.
  • the envelope is closed at its upper part by a plate metallic 2 extended to constitute a first electrical outlet of the circuit breaker.
  • This socket is electrically connected by a flexible metal braid 18 to a metal piston 4 carrying a metal tubular contact 3, the end 3A of which is made of an alloy resistant to the effects of the electric arc, for example based on tungsten.
  • This contact 3 is designated in the following by semi-mobile contact.
  • the piston can slide in a cylindrical volume delimited by an insulating cylinder 8 extending, inside the envelope, coaxially with the latter, and constituting a wall of the breaking chamber.
  • the piston is moved under the action of a powerful spring 9 which rests on the plate 2.
  • the piston is provided with a one-way valve 5 which lets gas pass only in the direction from volume V3, spring side , to the blowing volume V1 which will be defined later. This valve opens when the circuit breaker recloses and prevents compression of the gas in volume V3.
  • the blowing volume V1 is delimited by the piston 4, the inner wall of the cylinder 8 and a face 7A of an insulating nozzle 7 having a neck 7C.
  • the movable contact of the circuit breaker consists of a metal tube 10 terminated at a first end by an end piece of material resistant to the effects of the arc and connected by a second end to an operating rod 13 made of insulating material.
  • This rod is conventionally connected to an operating mechanism.
  • the tubular contact 10 crosses the neck of the nozzle with gentle friction when the circuit breaker is in the on position, as shown in FIG. 1.
  • a thermal expansion volume V2 is formed by the interior wall of the cylinder 8, the second face 7B of the nozzle 7 and a metal transverse partition 11, extended outside the casing 1 to constitute the second outlet of the circuit breaker.
  • a sliding electrical contact 12 ensures the electrical connection between the tube 10 and the socket 11.
  • the tube 10 is preferably guided by a metal partition or transverse insulator 15 provided with wide openings 16 for the passage of gas.
  • An insulating part 7D allows better guidance of the gas threads; it can be attached and fixed to the partition 16 or be an integral part of the nozzle.
  • the cut is made by autopneumatic blowing of the arc near the semi-mobile contact 3 by expansion of the gas of the blowing volume V1.
  • the pressure in the volume V1 mainly results from the compression of the piston 4 and for a very small part from the heating of the gas by the arc.
  • the force of the spring 9 always remains greater than the opposing force due to the overpressure; thereafter, the piston 4 does not go up during the triggering.
  • the gas supply to volume V3, located behind the piston is ensured by the openings 20 and also by the fact that the semi-mobile contact is a tube. This avoids a depression behind the piston which would lead to additional consumption of operating energy.
  • Figure 3 shows a variant in which the semi-mobile contact is a solid rod 30. This arrangement allows a simpler construction while giving the circuit breaker practically the same breaking qualities.
  • FIGS. 4 and 5 illustrate an alternative embodiment in which holes 40 are made in the movable tubular contact 10.
  • This arrangement makes it possible to further increase the efficiency of the expansion of the gas of volume V2.
  • the invention applies to the construction of medium-voltage circuit breakers, for example up to 45kV.

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Description

  • La présente invention concerne un disjoncteur à moyenne tension dans lequel l'isolation électrique est assurée par un gaz à bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexafluorure de soufre, (SF6).
  • On connaît des disjoncteurs à moyenne tension dans lesquels on trouve un volume d'expansion thermique (en abrégé : volume thermique) dont le gaz, échauffé par l'arc qui se développe à la séparation des contacts d'arc, se détend au passage par zéro du courant 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 la valeur de l'intensité nominale du courant dans la ligne ou l'installation où est inséré le disjoncteur), la montée en pression peut être insuffisante ou trop importante, selon les dimensions du volume thermique. Si le volume thermique est important, la montée en pression est faible et le soufflage peut être insuffisant. Si le volume thermique 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 forte 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 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 thermique, 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-mobile 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, de sorte que le volume thermique est plus ou moins grand.
  • Un tel appareil présente un inconvénient.
  • Lors de la coupure des courants de forte intensité, la remontée complète et rapide du contact semi-mobile 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 avec risque d'échec de la coupure et pollution importante du gaz d'isolement pouvant entraîner l'échec des coupures ultérieures.
  • Un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur à moyenne tension ne présentant pas cet inconvénient.
  • Un autre but de l'invention est de réaliser un disjoncteur dans lequel, pour la coupure des courants de grande intensité, un double soufflage est effectué, c'est-à-dire un soufflage sur chacune des racines de l'arc.
  • Un autre but de l'invention est de réaliser un disjoncteur dans lequel l'expansion thermique du gaz est limitée, de manière à diminuer les risques d'échec de coupure.
  • Tous ces buts sont atteints par le disjoncteur à moyenne tension de l'invention, qui comprend une enveloppe isolante étanche remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques, un contact d'arc semi-mobile connecté électriquement à une première prise de courant et un contact mobile relié à un mécanisme de manoeuvre et connecté électriquement à une seconde prise de courant, le contact d'arc semi-mobile étant lié à un piston pouvant se déplacer dans un volume de soufflage délimité par la paroi intérieure d'un cylindre isolant intérieur à ladite enveloppe et le piston, ledit piston étant poussé par un ressort maintenu comprimé lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, caractérisé en ce que le volume de soufflage est aussi délimité par une première face d'une buse de soufflage, ledit disjoncteur comprenant un volume d'expansion thermique délimité par la paroi intérieure dudit cylindre, une seconde face de la buse et une cloison transversale à travers laquelle coulisse le contact mobile, des moyens étant prévu pour que lors d'une coupure de courant de forte intensité, le piston ne puisse, après avoir effectuer sa course dans le sens de la compression du volume de soufflage, se déplacer dans l'autre sens.
  • Dans un mode particulier de réalisation, les moyens pour que le piston ne puisse se déplacer dans l'autre sens, sont constitués par une section de passage (se) entre le col de la buse et le volume de soufflage inférieure à la section totale des autres passages offerts au gaz s'échappant du volume d'expansion thermique.
  • Dans un premier mode de réalisation, le contact semi-mobile est un contact tubulaire mettant en communication le volume de soufflage et le volume situé à l'arrière du piston.
  • En variante, le contact semi-mobile est une tige pleine.
  • Dans un mode particulier de réalisation, le contact mobile est un contact tubulaire.
  • Avantageusement, le contact mobile possède au moins un perçage placé de manière à permettre la communication entre l'extrémité de ce contact côté buse et l'intérieur du volume d'expansion thermique, pendant une partie de la course de ce contact lors d'une manoeuvre de déclenchement du disjoncteur.
  • Le cylindre isolant comprend des trous pour permettre une communication entre le volume situé à l'arrière du piston et le volume compris entre ledit cylindre et ladite enveloppe.
  • L'invention sera bien comprise par la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé, dans lequel
    • la figure 1 est une vue partielle schématique en coupe axiale d'un disjoncteur selon l'invention, représenté en position enclenchée,
    • la figure 2 est une vue partielle schématique en coupe axiale du même disjoncteur, représenté en position déclenchée,
    • la figure 3 illustre une variante de réalisation du contact semi-mobile,
    • les figures 4 et 5 représentent partiellement en coupe axiale le disjoncteur, dans lequel le contact mobile est muni de trous, respectivement au début de la séparation des contacts et à un instant ultérieur.
  • Dans les figures, la référence 1 désigne une enveloppe étanche en matériau isolant, remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre, sous une pression de 1 à quelques bars absolus.
  • L'enveloppe est fermée à sa partie supérieure par une plaque métallique 2 prolongée pour constituer une première prise de courant du disjoncteur.
  • Cette prise est électriquement reliée par une tresse métallique souple 18 à un piston métallique 4 portant un contact tubulaire métallique 3, dont l'extrémité 3A est réalisée en un alliage résistant aux effets de l'arc électrique, par exemple à base de tungstène. Ce contact 3 est désigné dans la suite par contact semi-mobile. Le piston peut coulisser dans un volume cylindrique délimité par un cylindre isolant 8 s'étendant, à l'intérieur de l'enveloppe, coaxialement à celle-ci, et constituant une paroi de la chambre de coupure. Le piston est déplacé sous l'action d'un puissant ressort 9 qui s'appuie sur la plaque 2. Le piston est muni d'une valve unidirectionnelle 5 qui ne laisse passer le gaz que dans le sens allant du volume V3, côté ressort, au volume de soufflage V1 qui va être défini plus loin. Cette valve s'ouvre lors de la refermeture du disjoncteur et permet d'éviter la compression du gaz du volume V3.
  • Le volume de soufflage V1 est délimité par le piston 4, la paroi intérieure du cylindre 8 et une face 7A d'une buse isolante 7 ayant un col 7C.
  • Le contact mobile du disjoncteur est constitué d'un tube métallique 10 terminé à une première extrémité par un embout en matériau résistant aux effets de l'arc et relié par une seconde extrémité à une tringle de manoeuvre 13 en matériau isolant.
  • Cette tringle est relié classiquement à un mécanisme de manoeuvre.
  • Le contact tubulaire 10 traverse à frottement doux le col de la buse lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, comme le montre la figure 1.
  • Un volume d'expansion thermique V2 est constitué par la paroi intérieure du cylindre 8, la seconde face 7B de la buse 7 et une cloison transversale métallique 11, prolongée à l'extérieur de l'enveloppe 1 pour constituer la seconde prise de courant du disjoncteur. Un contact électrique glissant 12 permet d'assurer la liaison électrique entre le tube 10 et la prise 11.
  • Le tube 10 est de préférence guidé par une cloison métallique ou isolante transversale 15 munie de larges ouvertures 16 pour le passage du gaz. Une pièce isolante 7D permet un meilleur guidage des filets de gaz ; elle peut être rapportée et fixée à la cloison 16 ou faire partie intégrante de la buse.
  • Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant :
    • en position enclenchée (Fig. 1), le ressort 9 est comprimé, les tubes 3 et 10 sont en contact, le volume V1 est maximal et le courant passe par la prise 2, la tresse 18, le piston 4, les tubes 3 et 10, les contacts 12 et la prise 11.
    • au déclenchement, la tringle 13 est entraînée par le mécanisme de manoeuvre vers le bas de la figure. Le ressort 9 pousse le piston 4 qui comprime le gaz du volume V1, ce volume étant clos car le tube 10 obstrue le col de la buse. Lorsque le ressort a terminé sa détente (ou, en variante non représentée, lorsque le piston 4 atteint une butée), les contacts 3 et 10 se séparent, le contact 3 s'arrêtant avec le piston 4 et le contact 10 poursuivant sa course. Un arc 25 jaillit alors entre les embouts 3A et 10A. Il faut distinguer alors selon l'intensité du courant à couper.
    Coupure des courants de faible intensité
  • Il s'agit des courants d'intensité inférieure ou égale à l'intensité nominale.
  • La coupure se fait par soufflage autopneumatique de l'arc près du contact semi-mobile 3 par détente du gaz du volume de soufflage V1.
  • La montée en pression dans le volume V2 est négligeable.
    • Coupure des courants de forte intensité
  • Il s'agit des courants de court-circuit.
  • A la séparation des contacts, l'arc 25, dont l'énergie est importante, transmet une partie de cette énergie au gaz du volume d'expansion thermique V2. Cette transmission est facilitée par la dimension importante de la section S2 d'accès au volume V2. Il en résulte une surpression dans le volume V2. Au passage par zéro du courant, cette surpression s'évacue par les orifices 16 (section S2) et par l'intérieur des tubes 10 (section S3) et 3 (section S4), provoquant le soufflage de l'arc.
  • Comme la section Se du passage entre l'extrémité du tube 3 et la buse 7 (accès au volume V1) est très inférieure à la section S2, la pression dans le volume V1 résulte surtout de la compression du piston 4 et pour une part très faible de l'échauffement du gaz par l'arc. Il en résulte que l'effort du ressort 9 reste toujours supérieur à l'effort antagoniste dû à la surpression ; par la suite, le piston 4 ne remonte pas pendant le déclenchement.
  • Grâce aux dispositions constructives qui viennent d'être décrites, un double soufflage, c'est-à-dire un soufflage sur chacune des racines de l'arc, est exercé lors de la coupure des courants de forte intensité. Ceci est une garantie d'une bonne extinction de l'arc.
  • Pendant le déclenchement, l'alimentation en gaz du volume V3, situé derrière le piston, est assuré grâce aux ouvertures 20 et également grâce au fait que le contact semi-mobile est un tube. On évite ainsi une dépression derrière le piston qui entraînerait une consommation d'énergie de manoeuvre supplémentaire.
  • Au cours de la refermeture du disjoncteur, du gaz frais passe du volume V3 au volume V1, ce qui permet une régénération rapide des qualités diélectriques du gaz du volume de soufflage V1.
  • La figure 3 montre une variante dans laquelle le contact semi-mobile est une tige pleine 30. Cette disposition permet une construction plus simple tout en conférant au disjoncteur pratiquement les mêmes qualités de coupure.
  • Les figures 4 et 5 illustrent une variante de réalisation dans laquelle des trous 40 sont pratiqués dans le contact mobile tubulaire 10.
  • Immédiatement après la séparation des contacts (Fig.4), le gaz échauffé par l'arc traverse le tube et, passant par les trous 40, commence à préchauffer le gaz du volume d'expansion thermique V2.
  • Ultérieurement, et après un certain déplacement du tube, les trous se trouvent obturés par un manchon 41, permettant une expansion ultérieure du gaz par les seuls trous 16.
  • Cette disposition permet d'accroître encore l'efficacité de l'expansion du gaz du volume V2.
  • L'invention s'applique à la construction de disjoncteurs à moyenne tension, par exemple jusqu'à 45kV.

Claims (7)

  1. Disjoncteur à moyenne tension comprenant une enveloppe isolante étanche (1) remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques, un contact d'arc semi-mobile (3) connecté électriquement à une première prise de courant (2) et un contact mobile (10) relié à un mécanisme de manoeuvre et connecté électriquement à une seconde prise de courant (11), le contact d'arc semi-mobile (3) étant lié à un piston (4) pouvant se déplacer dans un volume de soufflage (V1) délimité par la paroi intérieure d'un cylindre isolant (8) intérieur à ladite enveloppe (1) et le piston (4), ledit piston (4) étant poussé par un ressort (9) maintenu comprimé lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, caractérisé en ce que le volume de soufflage (V1) est aussi délimité par une première face (7A) d'une buse de soufflage, ledit disjoncteur comprenant un volume d'expansion thermique (V2) délimité par la paroi intérieure dudit cylindre (8), une seconde face (7B) de la buse et une cloison transversale (11) à travers laquelle coulisse le contact mobile (10), des moyens étant prévu pour que lors d'une coupure de courant de forte intensité, le piston (4) ne puisse, après avoir effectué sa course dans le sens de la compression du volume de soufflage (V1), se déplacer dans l'autre sens.
  2. Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour que le piston (4) ne puisse se déplacer dans l'autre sens, sont constitués par une section de passage (Se), entre le col (7c) de la buse (7) et le volume de soufflage (V1), inférieure à la section totale (S2 + S3 + S4) des autres passages offerts au gaz s'échappant du volume d'expansion thermique.
  3. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le contact semi-mobile (3) est un contact tubulaire mettant en communication le volume de soufflage (V1) et le volume (V3) situé à l'arrière du piston.
  4. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le contact semi-mobile est une tige pleine (3A).
  5. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le contact mobile (10) est un contact tubulaire.
  6. Disjoncteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le contact mobile (10) possède au moins un perçage (40) placé de manière à permettre la communication entre l'extrémité de ce contact côté buse (7) et l'intérieur du volume d'expansion thermique (V2), pendant une partie de la course de ce contact lors d'une manoeuvre de déclenchement du disjoncteur.
  7. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le cylindre isolant (8) comprend des trous (20) pour permettre une communication entre le volume (V3) situé à l'arrière du piston (4) et le volume compris entre ledit cylindre (8) et ladite enveloppe (1).
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CN (1) CN1023737C (fr)
AT (1) ATE116764T1 (fr)
BR (1) BR9102093A (fr)
CA (1) CA2043025C (fr)
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DK (1) DK0458236T3 (fr)
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