EP0482555A1 - Disjoncteur à SF6 à condensateur incorporé - Google Patents

Disjoncteur à SF6 à condensateur incorporé Download PDF

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EP0482555A1
EP0482555A1 EP91117923A EP91117923A EP0482555A1 EP 0482555 A1 EP0482555 A1 EP 0482555A1 EP 91117923 A EP91117923 A EP 91117923A EP 91117923 A EP91117923 A EP 91117923A EP 0482555 A1 EP0482555 A1 EP 0482555A1
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EP
European Patent Office
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circuit breaker
capacitor
tube
electrode
varistor
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EP91117923A
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Van Doan Pham
Edmond Thuries
Joseph Martin
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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
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/16—Impedances connected with contacts

Definitions

  • the present invention relates to a dielectric gas circuit breaker with incorporated capacitor.
  • Sulfur hexafluoride (SF6) circuit breakers for breaking large in-line fault currents often require the presence at their terminals of a high-value capacity, for example several thousand picofarads.
  • SF6 sulfur hexafluoride
  • this capacity is housed in a porcelain which, for reasons of insulation behavior, is necessarily of large dimensions.
  • An object of the invention is to provide a circuit breaker with capacitor in which the total volume is greatly reduced.
  • Another object of the invention is to provide a circuit breaker in which the capacitor is no longer connected to the terminals of the circuit breaker when the latter is in the tripped position.
  • the capacitor can be formed from metal sheets separated by a very thin insulating sheet with oil impregnation or in an SF6 environment.
  • the capacitor can be placed inside the chamber, even when there is already a varistor intended for protection against overvoltage.
  • Volume 2 is filled with a gas with good dielectric properties, such as sulfur hexafluoride, under a pressure of a few bars.
  • the moving element of the circuit breaker comprises a metal tube 9, extended by a corona hood 10, and provided with a transverse metal partition 11 carrying contact fingers 12 constituting the movable main contact and a blowing tube 13 extended by contact fingers 14 constituting the movable arcing contact.
  • the partition pierced with holes 15 for the passage of the blowing gas, carries a blowing nozzle 17 made of insulating material.
  • the blowing is provided by a fixed piston placed inside the tube 9 and not shown in FIG. 1.
  • the tube 9 is connected, by sliding contacts not shown, to a second socket outlet of the circuit breaker.
  • the ring 22 leaves the electrode 23 which moves with the moving element downwards in the figure, so that the capacitor is disconnected when the circuit breaker is in the tripped position.
  • FIG. 2 represents an alternative embodiment, in which the capacitor is arranged inside the breaking chamber, in parallel with a varistor; the elements common to Figures 1 and 2 have been given the same reference numbers.
  • the varistor elements can be based on zinc oxides (ZnO) or silicon carbide (CSi).
  • the resistance elements are carbon-based.
  • the tube 31 is fixed to the upper part of a metal cover 32 closing the cutting chamber at its upper part and in electrical contact with the metal plate 3.
  • the stack of elements is surmounted by a metal plate 33 connected by a braid 34 on the cover 32 and pressed by a spring 35 against the bottom of the cover.
  • the capacitor 45 is produced in a frustoconical shape mechanically and electrically connected, on the one hand, to the plate 3 and on the other hand to the metal block 36.
  • the capacitor 45 coaxial with the varistor and partially surrounding it, is connected in parallel on the varistor, this capacitor-varistor assembly being in parallel with the contacts of the circuit breaker.
  • FIG. 3 represents an alternative embodiment in which the rod 37 cooperates with a tubular electrode 46 mechanically and electrically connected to the tube 9.
  • a corona shield 47 integral with the rod 37 is placed in line with the end of the electrode .
  • the circuit breaker may include a second tubular electrode cooperating with another arm and placed symmetrically with respect to the axis of the tube 9.
  • FIGS. 4, 5 and 2 illustrate an alternative embodiment of the circuit breaker of the invention; the elements common to FIGS. 4, 5 and 2 have been given the same reference numbers.
  • the capacitor is produced by means of several cylindrical capacitor elements 45A placed in parallel, preferably 4 in number; they are mechanically and electrically connected on the one hand to the plate 3 (which can advantageously constitute with the plate 4 one and the same piece), and on the other hand to the block 36 which has shoulders 36A.
  • This embodiment has the advantage, over that of FIG. 2, of allowing the use of commercially available cylindrical capacitors.
  • the insertion mechanism of FIG. 3 applies to the embodiment of FIG. 4.
  • FIGS. 6 illustrates another embodiment of the mechanism for inserting the varistor and the capacitors.
  • the part 72 is electrically connected by a braid 73 to the tube 70.
  • the tube 70 is mechanically fixed and electrically connected to the tube 9, for example by solderings 74.
  • the head 72A carries a magnet 75 which, when the circuit breaker is in the on position, faces a magnet 76 carried by the arm 37.
  • the head 72A can simply be made of mild steel. It is possible to replace magnets 75 and 76 with magnets 75A and 76A.
  • the part 72 remains stationary, so that the duration of the contact between the electrode 22 and the tube 9, via the tube 70, the part 72 and the braid 73, East elongated relative to that of the embodiment of FIG. 3, of a duration corresponding to the displacement d of the tube 9.
  • the tube 70 drives the head 72A which comes to reposition itself as indicated in FIG. 6, precisely using the magnets, by inserting the varistor before the arcing contacts 14 and 7 come into contact.
  • a second insertion system identical to the one just described, will advantageously be placed symmetrically with respect to the axis of the tube 9.
  • the circuit breaker is a circuit breaker of the fifth generation of circuit breakers with SF6, after the double pressure circuit breakers of the 1960s (first generation), the self-blowing circuit breakers (second generation), the thermal volume circuit breakers (third generation), and thermal expansion circuit breakers with moving equipment with assisted movement.

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  • Circuit Breakers (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)

Abstract

Disjoncteur à haute tension à gaz diélectrique caractérisé en ce qu'il comprend un condensateur (45A) disposé à l'intérieur de la chambre de coupure, avec éventuellement une varistance en parallèle, ces éléments étant associés à un mécanisme (37, 23) permettant leur insertion au cours d'une manoeuvre d'ouverture et de fermeture du disjoncteur. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne un disjoncteur à gaz diélectrique à condensateur incorporé.
  • Les disjoncteurs à hexafluorure de soufre (SF6) pour la coupure de grands courants de défaut en ligne nécessitent souvent la présence à leurs bornes d'une capacité de grande valeur, par exemple de plusieurs milliers de picofarads. Dans la technique des disjoncteurs conventionnels (c'est-à-dire non blindés), cette capacité est logée dans une porcelaine qui pour des raisons de tenue d'isolement, est nécessairement de grandes dimensions.
  • Un but de l'invention est de réaliser un disjoncteur avec condensateur dans lequel le volume total est fortement réduit.
  • Un autre but de l'invention est de réaliser un disjoncteur dans lequel le condensateur n'est plus connecté aux bornes du disjoncteur lorsque celui-ci est en position déclenchée.
  • Cet objectif est atteint selon l'invention en plaçant le condensateur, en série avec un interrupteur, à l'intérieur de la porcelaine contenant la chambre de coupure.
  • La Demanderesse a observé que, dans la plupart des cas, avec un condensateur de 5000 pF, l'interrupteur doit couper un courant capacitif ne dépassant pas 1 ampère. Ceci est relativement facile dans le SF6 à une pression de plusieurs bars, surtout si le contact mobile de l'interrupteur est solidaire de celui de la chambre principale, assurant ainsi une vitesse de déclenchement élevée.
  • Le condensateur peut être formé de feuilles métalliques séparées par une feuille isolante très mince avec imprégnation d'huile ou dans un environnement de SF6.
  • Dans divers modes de réalisation, le condensateur peut être placé à l'intérieur de la chambre, même lorsque s'y trouve déjà une varistance destinée à la protection contre les surtensions.
  • L'invention est précisée maintenant par la description de divers modes de réalisation, en référence au dessin annexé dans lequel:
    • - la figure 1 est une vue partielle en coupe axiale d'une chambre de coupure avec condensateur placé à l'intérieur de la chambre, selon un premier mode de réalisation,
    • - la figure 2 est une vue partielle en coupe axiale d'une chambre de coupure avec condensateur et varistance placés à l'intérieur de la chambre, selon un premier mode de réalisation,
    • - les figures 3 illustre un mode de réalisation d'un mécanisme d'insertion de la varistance et des condensateurs,
    • - la figure 4 est une vue partielle en coupe axiale d'un disjoncteur avec condensateurs et varistance, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
    • - la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 4,
    • - la figure 60 est une vue d'un mécanisme d'insertion des condensateurs et de la varistance, selon une autre variante.
  • Dans la figure 1, la référence 1 désigne une enveloppe isolante, de préférence en porcelaine, délimitant un volume 2 contenant les éléments de coupure du disjoncteur. L'enveloppe isolante est fermée à une extrémité par une plaque métallique 3, fixée à une couronne métallique 4 constituant une première prise de courant et prolongée, à l'intérieur de l'enveloppe, par des bras 5 auxquels sont fixés un premier tube métallique 6 constituant le contact principal fixe, et un second tube 7, coaxial au premier, et constituant le contact d'arc fixe.
  • Le volume 2 est rempli d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexafluorure de soufre, sous une pression de quelques bars.
  • L'équipage mobile du disjoncteur comprend un tube métallique 9, prolongé par un capot pare-effluves 10, et muni d'une cloison métallique transversale 11 portant des doigts de contact 12 constituant le contact principal mobile et un tube de soufflage 13 prolongé par des doigts de contact 14 constituant le contact d'arc mobile. La cloison, percée de trous 15 pour le passage du gaz de soufflage, porte une buse de soufflage 17 en matériau isolant. Le soufflage est assuré par un piston fixe disposé à l'intérieur du tube 9 et non représenté dans la figure 1. Le tube 9 est relié, par des contacts glissants non représentés, à une deuxième prise de courant du disjoncteur.
  • Selon l'invention, le condensateur associé à la chambre de coupure est logé à l'intérieur de cette chambre. Il est constitué par l'empilage d'un certain nombre d'éléments de condensateur 18, disposés dans une enveloppe cylindrique isolante 19 fixée par une extrémité à la plaque 3 et fermée à l'autre extrémité par un bloc métallique 20.
  • L'insertion du condensateur en parallèle sur les contacts du disjoncteur est assurée par des bras métalliques 37 fixés au bloc 20 et munis à leur extrémité d'un anneau de contact 22, par exemple en cuivre. Cet anneau est en contact avec une électrode tubulaire métallique 23 rapportée sur le tube 9.
  • Lorsque le disjoncteur est en position enclenchée (position représentée dans la figure 1), l'anneau 22 est en contact avec l'électrode 23, de sorte que le condensateur formé des éléments 18 est connecté en parallèle aux bornes du disjoncteur.
  • Au cours du déclenchement, l'anneau 22 quitte l'électrode 23 qui se déplace avec l'équipage mobile vers le bas de la figure, de sorte que le condensateur est déconnecté lorsque le disjoncteur est en position déclenchée.
  • La figure 2 représente une variante de réalisation, dans laquelle le condensateur est disposé à l'intérieur de la chambre de coupure, en parallèle avec une varistance; les éléments communs aux figures 1 et 2 ont reçu les mêmes numéros de référence.
  • Le disjoncteur est représenté en position déclenchée et on aperçoit le piston de soufflage 25.
  • La plaque 3 est percée d'un trou central pour permettre de loger une varistance constituée d'éléments 30 et une résistance en série constituée d'éléments 38, les éléments 30 et 38 étant empilés dans un tube isolant 31.
  • Les éléments de varistance peuvent être à base d'oxydes de zinc (ZnO) ou de carbure de silicium (CSi). Les éléments de résistance sont à base de carbone.
  • Le tube 31 est fixé à la partie supérieure d'un capot métallique 32 fermant la chambre de coupure à sa partie supérieure et en contact électrique avec la plaque métallique 3. L'empilement d'éléments est surmonté d'une plaque métallique 33 reliée par une tresse 34 au capot 32 et pressée par un ressort 35 contre le fond du capot.
  • Le tube 31 est fermé à sa partie inférieure par un bloc métallique 36 portant des bras 37 à l'extrémité desquels est fixé un anneau métallique 22, par exemple en cuivre, coopérant avec l'électrode 23 pour l'insertion de la varistance.
  • Le condensateur 45 est réalisé sous une forme tronconique relié mécaniquement et électriquement, d'une part, à la plaque 3 et d'autre part au bloc métallique 36. Le condensateur 45, coaxial à la varistance et l'entourant partiellement, est connecté en parallèle sur la varistance, cet ensemble condensateur-varistance étant en parallèle avec les contacts du disjoncteur.
  • Le rôle de la varistance est de limiter les surtensions, le rôle du condensateur de valeur élevée étant d'allonger le temps de retard (td selon les normes CEI) de la tension transitoire de rétablissement et de réduire la fréquence d'oscillation de la tension de la ligne, lors de la coupure du défaut de courte distance (défaut kilométrique).
  • La figure 3 représente une variante de réalisation dans laquelle la tige 37 coopère avec une électrode tubulaire 46 reliée mécaniquement et électriquement au tube 9. Un anneau pare-effluves 47 solidaire de la tige 37 est placé au droit de l'extrémité de l'électrode. Pour des raisons de symétrie et d'équilibrage mécanique de l'appareil, le disjoncteur peut comporter une seconde électrode tubulaire coopérant avec un autre bras et placée symétriquement par rapport à l'axe du tube 9.
  • Les figures 4 et 5 illustrent une variante de réalisation du disjoncteur de l'invention; les éléments communs aux figures 4, 5 et 2 ont reçu les mêmes numéros de référence.
  • Le condensateur est réalisé au moyen de plusieurs éléments de condensateur cylindriques 45A mis en parallèle, de préférence au nombre de 4; ils sont reliés mécaniquement et électriquement d'une part à la plaque 3 (qui peut avantageusement constituer avec la plaque 4 une seule et même pièce), et d'autre part au bloc 36 qui présente des épaulements 36A.
  • Ce mode de réalisation présente l'avantage, sur celui de la figure 2, de permettre l'emploi de condensateurs cylindriques du commerce.
  • Le mécanisme d'insertion de la figure 3 s'applique au mode de réalisation de la figure 4.
  • La figures 6 illustre un autre mode de réalisation du mécanisme d'insertion de la varistance et des condensateurs.
  • Le bras 37 porte une électrode 22 qui coopère avec un tube métallique 70 délimitant un volume 77 et muni d'un couvercle supérieur 71 percé d'un trou; une pièce métallique 72 présentant une tête 72A, une tige 72B et une butée 72C, peut se déplacer vis-à-vis du tube sur une longueur d.
  • La hauteur de la tête 72A est choisie pour ne pas venir au-dessus du capot 10 lorsque le disjoncteur est en position enclenchée (figure 6); la largeur du tube 72 est choisie pour que l'électrode 22 vienne en contact électrique avec le tube et la tête 72A au cours d'une manoeuvre d'ouverture du disjoncteur. Des trous 80 pratiqués dans le tube 70 évitent une compression du gaz trop rapide dans le volume 77 en début de course.
  • La pièce 72 est électriquement reliée par une tresse 73 au tube 70. Le tube 70 est fixé mécaniquement et relié électriquement au tube 9, par exemple par des brasures 74.
  • La tête 72A porte un aimant 75 qui, lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, est en vis-à-vis d'un aimant 76 porté par le bras 37. La tête 72A peut être simplement en acier doux. Il est possible de remplacer les aimants 75 et 76 par les aimants 75A et 76A.
  • Le fonctionnement est le suivant:
    • - en position enclenchée, la varistance et les condensateurs sont court-circuités par les contacts du disjoncteur,
    • - au déclenchement, l'équipage mobile est déplacé vers le bas de la figure.
  • En raison de l'inertie et de l'attraction des aimants, la pièce 72 reste immobile, de sorte que la durée du contact entre l'électrode 22 et le tube 9, via le tube 70, la pièce 72 et la tresse 73, est allongée par rapport à celui de la réalisation de la figure 3, d'une durée correspondant au déplacement d du tube 9.
  • Entre le moment où les contacts d'arc 7 et 14 se séparent et le moment où l'électrode 22 quitte la tête 72A, la varistance et les condensateurs sont insérés en parallèle sur l'arc de coupure. En fin de manoeuvre de déclenchement, la tête 72A retombe sur le couvercle 71. Il est possible de loger entre le couvercle 71 et la butée 72C un ressort de faible raideur pour faciliter le retour de la pièce 72 sur le couvercle 71 en fin de course.
  • A la fermeture du disjoncteur, le tube 70 entraîne la tête 72A qui vient se repositionner comme indiqué dans la figure 6, avec précision grâce aux aimants, en insérant la varistance avant l'entrée en contact des contacts d'arc 14 et 7.
  • Pour des raison d'équilibrage du dispositif, on placera avantageusement un deuxième système d'insertion, identique à celui qui vient d'être décrit, symétriquement par rapport à l'axe du tube 9.
  • Le disjoncteur dont plusieurs modes de réalisation viennent d'être décrits est un disjoncteur de la cinquième génération des disjoncteurs à SF6, après les disjoncteurs à double pression des années 1960 (première génération), les disjoncteurs à auto-soufflage (deuxième génération), les disjoncteurs à volume thermique (troisième génération), et les disjoncteurs à expansion thermique avec équipage mobile à déplacement assisté.
  • Ce disjoncteur de la cinquième génération permet une meilleure coupure et est auto-protégé contre les surtensions. Les dispositions de la présente invention sont applicables aux disjoncteurs blindés à cuve à la masse (disjoncteurs sous enveloppe métallique).

Claims (10)

1. Disjoncteur à haute tension comprenant, pour chaque phase, au moins une chambre de coupure comprenant une enveloppe isolante cylindrique étanche rempli de gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre SF6 et contenant un contact permanent fixe, un contact d'arc fixe et un équipage mobile comprenant des contacts permanents et des contacts d'arc, la chambre comprenant en outre un cylindre et un piston de soufflage et une buse de soufflage, caractérisé en ce qu'un condensateur (18) est disposé à l'intérieur de ladite enveloppe (1), connecté en parallèle sur les contacts (6, 12; 7,14) du disjoncteur et en série avec un interrupteur (37,23) dont l'ouverture est commandée par l'ouverture du disjoncteur.
2. Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le condensateur est constitué d'une pile d'éléments (18) disposés dans un tube isolant (19), une première extrémité de la pile étant reliée électriquement à une première prise de courant (4) du disjoncteur, une seconde extrémité de la pile étant reliée par des bras (37) à une électrode (23) solidaire d'une pièce (9) de l'équipage mobile reliée électriquement à une seconde prise de courant du disjoncteur.
3. Disjoncteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite électrode (23) est un tube coaxial à ladite enveloppe (1).
4. Disjoncteur à haute tension comprenant, pour chaque phase, au moins une chambre de coupure comprenant une enveloppe isolante cylindrique étanche rempli de gaz à bonnes propriétés diélectriques et contenant un contact permanent fixe, un contact d'arc fixe et un équipage mobile comprenant des contacts permanents et des contacts d'arc, la chambre comprenant en outre un cylindre et un piston de soufflage et une buse de soufflage, caractérisé en ce qu'un condensateur (45, 45A) et une varistance (30) en matériau à base d'oxydes de zinc ou en carbure de silicium en série avec une résistance (38) sont disposés à l'intérieur de l'enveloppe, électriquement reliés en parallèle, connectés par un premier point commun à une première prise de courant (4) et associés à un mécanisme (37; 23, 46, 55, 70-72) permettant leur insertion momentanée en parallèle avec les contacts d'arc (7, 14) lors d'une opération de déclenchement ou d'enclenchement du disjoncteur.
5. Disjoncteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la varistance et la résistance sont constituées d'un empilage d'éléments (30,38) disposés dans un tube isolant (31), le condensateur étant réalisé sous la forme d'un tronc de cône (45) coaxial audit tube (31) et l'entourant au moins partiellement.
6. Disjoncteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la varistance est constitué d'un empilage d'éléments (30) disposés dans un tube isolant (31), le condensateur étant réalisé sous la forme d'éléments cylindriques (45A) reliés électriquement en parallèle et disposés parallèlement à l'axe de l'enveloppe (1).
7. Disjoncteur selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le mécanisme d'insertion comprend au moins un bras métallique (37) relié à l'un des points communs à la varistance et au condensateur, coopérant avec une électrode (46,72) en liaison électrique avec la seconde prise de courant.
8. Disjoncteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la seconde électrode est un tube 46 fixé à une pièce (9) de l'équipage mobile.
9. Disjoncteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la seconde électrode comprend une pièce métallique (72) ayant une tête (72A) en contact électrique avec le bras (37) lorsque le disjoncteur est en position enclenchée et un pied (72C) pouvant coulisser dans une pièce tubulaire métallique (70) mécaniquement et électriquement reliée à une pièce (9) de l'équipage mobile électriquement reliée à la seconde prise de courant, ledit pied étant électriquement relié à ladite pièce tubulaire par une tresse métallique (73), ladite tête (72A) portant un aimant (75) qui se trouve au droit d'un aimant (76) porté par ledit bras (37) lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, ladite pièce métallique (72) présentant une inertie et une force d'attraction suffisantes pour lui permettre de rester un instant au contact de l'électrode (22) malgré le déplacement de l'équipage mobile lors d'une opération de déclenchement du disjoncteur.
10. Disjoncteur sous enveloppe métallique caractérisé en ce qu'il comprend les éléments de l'une des revendications 1 à 9.
EP91117923A 1990-10-24 1991-10-21 Disjoncteur à SF6 à condensateur incorporé Expired - Lifetime EP0482555B1 (fr)

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