EP1191560A1 - Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique dans un appareil électrique modulaire - Google Patents

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EP1191560A1
EP1191560A1 EP00440251A EP00440251A EP1191560A1 EP 1191560 A1 EP1191560 A1 EP 1191560A1 EP 00440251 A EP00440251 A EP 00440251A EP 00440251 A EP00440251 A EP 00440251A EP 1191560 A1 EP1191560 A1 EP 1191560A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
arc
electric arc
blowing device
air
contact
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00440251A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Stéphane Haessler
Francis Deckert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hager Electro SAS
Original Assignee
Hager Electro SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hager Electro SAS filed Critical Hager Electro SAS
Priority to EP00440251A priority Critical patent/EP1191560A1/fr
Publication of EP1191560A1 publication Critical patent/EP1191560A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/34—Stationary parts for restricting or subdividing the arc, e.g. barrier plate
    • H01H9/346—Details concerning the arc formation chamber
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/34—Stationary parts for restricting or subdividing the arc, e.g. barrier plate
    • H01H2009/348—Provisions for recirculation of arcing gasses to improve the arc extinguishing, e.g. move the arc quicker into the arcing chamber

Definitions

  • the present invention relates to a gas blowing device electric arc, integrated in a modular electrical protection device line type circuit breaker.
  • These devices conventionally comprise a fixed contact and a contact mobile that establish an electrical connection when in contact with one on the other, and which cut it when they are separated, voluntarily using a joystick or automatically by tilting of a mechanical lock in the event of overcurrent or overload on the line.
  • said voltage is increased by dividing the arc in a stack of deionization sheets.
  • We increases the number of arc feet and, knowing the value of the voltage across each arc foot, a number of sheets allowing to achieve by addition to a total arc voltage greater than that of the network.
  • a second classic solution consists in lengthening the arc to increase the tension.
  • arc conduction sheets limiting on two sides opposite the arc extinguishing chambers allied in particular to the effect of loop applying to the arc, direct it towards the terminal area of each room, where there is either a stack of sheets of deionization, that is to say a configuration achieving an elongation of the arc resulting in passing its voltage beyond that of the network.
  • gaseous medium changes and, in the vicinity of the arc, liquid and gaseous metallic particles from contacts may be present in ionized air. These particles increase the risk of rebooting.
  • this gas blowing is implemented via management of a set of pressures and flows applied to the plasma arc, generating forces causing it to move towards the extinguishing chambers without the addition of active consumer elements energy.
  • the circulation circuits are also provided to create a system depression / overpressure, respectively downstream and upstream of the arc, thus promoting its movement in the breaking chamber.
  • the device of the invention is configured to avoid plasma backflow to the contact area, which would consequence of increasing the risk of re-ignition on the contacts.
  • the invention applying as mentioned to a modular electrical device of the circuit breaker type, provided with a contact fixed and a movable contact secured to a release lock actuated by either a thermal bimetal or by an actuator magnetic coil and magnetic circuit, these components being integrated in an insulating housing comprising at least one chamber arc extinguishing lined with arc conduction sheets, is characterized by what it involves means of creating gas displacements at the interior of the housing promoting the progression of at least one electric arc generated after separation of the contacts to at least one room corresponding arc extinction.
  • the gas used is treated inside of the housing of the electrical appliance by means of pollution control making its characteristics unfavorable to the survival of the arc.
  • the gas used is generally air, or more precisely essentially air-based, possibly modified by physico-chemical treatments due to the arc.
  • the invention includes means for injecting recycled air into the area contacts after their separation, said air being injected immediately upstream of the contacts, in order to push the arcs to the corresponding extinguishing chambers.
  • the goal is to provide not only air at temperatures below that which reigns at the level of the arc, if possible devoid of particles metal in order to degrade conditions as much as possible favorable to the perpetuation and reignition of said arc, but still generator of a favorable direction circulation to repel it.
  • said means for injecting recycled air comprise at minus a channel in which the recycled air circulates from downstream of the area contacts upstream of said area.
  • the recycled air passes through at least one room arc extinction, at the exit of which it is guided towards an area located upstream of the contacts in a flow which is oriented in the direction of these, creating an overpressure upstream.
  • one at less of said channels includes a device for centrifuging solid and liquid metallic particles in the air after opening of contacts. Prior to centrifugation, the gas undergoes a sudden relaxation.
  • this centrifugation device consists of a cylindrical wall chamber. The exit from the latter leads to a expansion conduit ending and opening on the contact area.
  • Air recycling notably increases the pressure by upstream of the arc. Downstream, the pressure is notably kept low by the existence of orifices which allow circulation towards the outside of the shell. It should be noted that the pressures upstream and downstream of the arc are also managed by the particular forms given to the zones involved in blowing, recycling, extinction etc ... and in particular to arc conduction sheets, recycling conduits etc ...
  • a fraction of the air located downstream of at least less an electric arc is entrained in a suction system creating a depression downstream of it.
  • this suction system comprises a duct disposed at the outlet of an arc extinguishing chamber, directing air to a portion using the Venturi effect located downstream of an evacuation opening made in a housing wall.
  • the modular device preferably comprises, between the shells forming the housing, a middle wall of parallel appearance to the long sides.
  • the reliefs of this intermediate wall cooperating with those which exist on the half shells of the case, form the configuration zones ensuring the management of gas circulation.
  • the side facing the contacts has reliefs and orifices forming air circuits by combination with arc conduction sheets and ends of arc extinguishing chambers.
  • the distance between the walls of said contact zone and that between the conduction sheets arc at the output thereof are reduced to reduce the input section from the room.
  • the arc conduction sheets leave the zone of make contact with a loop form that develops towards each other, and walls of the contact area are provided with a raised tray bringing one closer to the other.
  • the resulting tightening particularly at the outlet of said contact area, also allows the arch -also thanks to the shapes above mentioned - to easily switch during its journey towards the arc extinguishing chamber (s).
  • the electric arc is then divided into two sections routed in opposition to two extinguishing chambers arc located in the same mean plane, facing each other, the two arc sections causing mutual gas blowing towards of their arc extinguishing chambers due to the creation of a overpressure between them.
  • the centrifuge chamber preferably arranged on the contact side, is supplied by a fraction of the outlet air an arc extinguishing chamber.
  • the centrifugation is arranged on the middle wall and it is located at the lateral end of each arc extinguishing chamber.
  • a fraction of air leaving each extinguishing chamber arc is sent into a channel in the "coil" side of said median wall, then reinjected via at least one orifice into a conduit provided on the "contacts" side of said wall, upstream of the contact.
  • this second fraction can be directly recycled, then injected at the contacts, or stored in the product.
  • Another fraction of the air leaving each room arc extinction is sent via an orifice passing through the middle wall to a channel located on the other face of said wall, using the Venturi effect. The air can then be expelled from the housing.
  • Holes are drilled for this purpose in the shells forming the housing, at the side exits of the arc extinguishing chambers, also to allow a final fraction of air to be exhausted. They serve not only to evacuate the air contained in the housing, but still secondarily favor a depression in downstream of the arc.
  • the walls of the apparatus of the invention bordering the arc extinguishing chambers are provided with reliefs offset from one wall to another, and interpenetrate without contact so as to stretch the electric arc forced to conform to the series of baffles thus created.
  • the electrical circuit chosen for this description which is however only one possible example to which the invention applies, consists essentially of a coil induction (1), two connection terminals (2, 3), a fixed contact (4), a movable contact (5) and a bimetallic strip (6).
  • terminal (2) is connected to the bimetallic strip (6) via a flexible conductive braid (7).
  • the coil (1) is also connected to said bimetallic strip (6) via a second flexible braid (8) arranged at one of its ends, the other end being connected to the fixed contact (4), which is extended by a sheet of arc conduction (9).
  • the movable contact (5) is connected by means of another flexible conductive braid (10) to a sheet (11), the lower part of which (12) also serves as an arc conduction sheet, while the part upper is connected to the second terminal (3).
  • FIG. 2 shows a complete product, in this case a circuit breaker, including the housing composed of half-shells (32, 33) separated by a wall middle or intermediate (22), seen here from the "coil" side.
  • the circuit breaker comprises a handle (34) of control connected to a lock (35) to which the movable contact (5) is secured.
  • This lock can flip in the event of an overcurrent (magnetic trip) overload (thermal trip) or manual opening via the handle (34).
  • the magnetic circuit is composed of a core referenced (13), extended by two branches (14,15), the whole forming a U whose the free end is provided with a movable pallet (16), which is the occurrence of a single piece with the thermal bimetallic strip (6). It is it is also possible, according to a variant, to separate these two parts.
  • the configuration shown includes two arc extinguishing chambers provided with sets of deionization plates (24, 25). These rooms are located in the same medium plane, and allow the extinction of two arc portions obtained after division of the main arc, which the spacing of the fixed (4) and mobile (5) contacts.
  • Two shield sheets (17,18) equip the half-shells (32, 33) for magnetic purposes which do not contribute to the object of the present invention, and therefore do not the subject of a detailed description.
  • the intermediate wall (22), located between the half-shells (32) and (33) is not shown here in detail, but only for illustrative purposes, in order to clarify its positioning in the product.
  • Figure 3 shows the assembled elements, seen from the side opposite the general orientation of the representation of FIG. 2.
  • the components are assembled on the half-shell (33), and the wall intermediate (24) hides the spiral coil.
  • the "contacts" side of said wall (22) therefore appears in this figure. It includes in particular a duct (19) which conveys fresh air (the flow of which is symbolized by arrows), said conduit (19) opening near and upstream of contacts (4, 5).
  • This conduit (19) is delimited by reliefs which appear on the intermediate wall (22), which actually form the bottom and the two side walls, the upper part, designed to isolate and allow it to fulfill its function without gas exchanges or losses, being constituted by the half-shell (32).
  • the channel (20) is the one which supplies fresh air to the duct cited above (19).
  • the air stored there is related, upstream, to the arc extinguishing chamber comprising the deionization plates (24). Downstream, this air passes through an orifice (21) formed in the intermediate wall (22), and opens into said channel (19). So the air stored in the channel (20) is pushed back towards the conduit (19) when an electric arc progresses towards the arc extinguishing chamber, i.e. after a tripping.
  • the generated air flow supplies fresh air to the area upstream of the contacts (4,5), and consequently promotes the thrust of the electric arc created and plasma cooling by dilution.
  • the air which is forced back by the moving electric arc does not succeed only to move the gas masses in the channel (20) and in the conduit (19). Indeed, in addition to the passage located at the level of the sheets higher deionization (24), leading as seen in the channel (20), air can also be drawn in via an orifice (27), also practiced in the intermediate wall (22), and which appears in Figure 5.
  • the orifice (27) opens, on the other side of the wall intermediate (22), in a conduit (28), the high velocity of the cut from the deionization plates (25) created by effect Venturi a depression favoring the aspiration by the orifice (27).
  • FIG. 7 shows only part of the circuit breaker of the invention, substantially centered on the core (13) of the magnetic circuit.
  • This figure shows an air recycling circuit allowing its depollution.
  • the arc extinguishing chamber does not have of deionization sheet, but a circular chamber whose operation will be explained below.
  • the conduit (19) carrying the fresh air another room of circular appearance (28), followed by a conduit (29) terminating upstream of the contacts (4) and (5), allows the reinjection of clean air.
  • the gas located downstream of the electric arc is expanded, to condense metallic vapors at the entrance of the arc extinguishing chamber. Then, a circular flow occurs in the chamber (28). Because of the centrifugation, the massive particles are kept at the periphery, and the gas to be recycled is extracted from the side, and reaches the conduit (29). The inertia of massive particles forces them to stay in the flow facing the chamber (28). Therefore, clean air - because that devoid of these metallic particles- is reinjected upstream of the electric arc, allowing it to be driven back to the extinguishing chambers arc.
  • the circulation of gases allows the cooling, in particular in contact with the air masses existing in the conduits, which leads to their deionization.
  • the sudden relaxation of plasma also has the effect of cooling the gas, therefore ionize.
  • the object of figure 10 is also to show that one proceeds to a narrowing of the distance between walls in the contact zone, at using the raised volumes (37, 38) which exceed on the one hand the intermediate wall (22) and on the other hand of the half-shell (32). It's about simply of prominent reliefs or plateaus at said level contact area.
  • the opening disposed at the outlet of said room is reduced by the particular configuration given to the sheets of arc conduction (9, 12).
  • the fixed contact (4) is connected to a sheet of arc conduction (9), via a loop which advances towards a loop (26) of the same function arranged between the sheet (11) and the conduction sheet arch (12).
  • the intermediate sheet (23) comprises also a summit part in this same region, whose interest will be explained with reference to the following figures.
  • the arcs are cut in the sheets deionization, and gaseous fluids downstream of the arc portions may escape at the level of the lower deionization plates (see arrows). However, at the level of the deionization plates gases follow the circuits which have been explained previously.
  • This figure 12e shows with arrows the circuits gaseous which are used in the configuration of the invention.
  • Figures 12a to 12e do not show the half-shells (32) and (33), but only the intermediate wall (22).
  • circuit breakers comprising a gas blowing device according to the invention, such as a deionization device with overlapping sheets, a device with stretching and arc rolling and cylindrical recycling chamber, a device with suction pipe etc.

Abstract

Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique intégré à un appareil électrique modulaire du type disjoncteur, ce dernier comportant essentiellement un contact fixe et un contact mobile solidaire d'une serrure de déclenchement actionnée par soit une bilame thermique soit par un actionneur magnétique à bobine inductrice et circuit magnétique, ces composants étant intégrés dans un boîtier isolant à deux demi-coques comportant au moins une chambre d'extinction d'arc bordée de tôles de conduction d'arc, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de créer des déplacements gazeux favorisant la progression d'au moins un arc électrique généré après décollement des contacts vers au moins une chambre d'extinction d'arc correspondante. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne un dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique, intégré à un appareil électrique modulaire de protection de ligne du type disjoncteur.
Ces appareils comportent classiquement un contact fixe et un contact mobile qui établissent une liaison électriques lorsqu'ils sont au contact l'un de l'autre, et qui la coupent lorsqu'ils sont séparés, volontairement à l'aide d'une manette de commande ou automatiquement par basculement d'une serrure mécanique en cas de surintensité ou de surcharge sur la ligne.
Lorsque les contacts fixe et mobile s'écartent l'un de l'autre, un arc électrique se créé entre eux. On l'éteint traditionnellement en le déplaçant dans au moins une chambre d'extinction d'arc équipant l'appareil électrique modulaire. Le principe alors utilisé consiste à allonger ou à diviser l'arc jusqu'à ce que la tension nécessaire à son entretien soit supérieure à celle du réseau dans lequel l'appareil est utilisé, entraínant son extinction.
Selon une première solution connue, ladite tension est augmentée par division de l'arc dans un empilement de tôles de désionisation. On augmente le nombre de pieds d'arc et, connaissant la valeur de la tension aux bornes de chaque pied d'arc, on prévoit un nombre de tôles permettant d'aboutir par addition à une tension totale d'arc supérieure à celle du réseau. Une seconde solution classique consiste à allonger l'arc pour en augmenter la tension.
Dans les deux cas, encore faut-il déplacer l'arc pour qu'il aille de la zone de contact proprement dite à un endroit où il est suffisamment allongé ou divisé pour remplir le critère requis, à savoir présenter une tension supérieure à celle du réseau pour pourvoir l'éteindre.
À cet effet, des tôles de conduction d'arc limitant sur deux côtés opposés les chambres d'extinction d'arc, alliées notamment à l'effet de boucle s'appliquant à l'arc, dirigent ce dernier vers la zone terminale de chaque chambre, où se trouve soit un empilement de tôles de désionisation, soit une configuration réalisant un allongement de l'arc aboutissant à faire passer sa tension au-delà de celle du réseau.
Cependant, la progression de l'arc, voire son extinction, sont rendues plus difficiles par plusieurs facteurs parfois provoqués par l'arc lui-même, qui influe sur son environnement du fait des modifications de certains paramètres physiques qu'il induit, lesquels tendent à le maintenir actif. Ainsi, il provoque par exemple une augmentation de température qui augmente corollairement l'ionisation du plasma, ce qui constitue évidemment une condition favorable à son existence.
De même, le milieu gazeux se modifie et, au voisinage de l'arc, des particules métalliques liquides et gazeuses provenant des contacts peuvent être présentes dans l'air ionisé. Ces particules augmentent le risque de réamorçage.
Enfin, la création de l'arc génère une surpression, notamment à son aval, qui tend à s'opposer à son déplacement.
Selon la présente invention, ces inconvénients sont combattus par une amélioration du soufflage gazeux de l'arc, qui conduit à augmenter la rapidité et l'efficacité de son déplacement vers l'extrémité de la ou des chambres d'extinction où se trouvent le ou les dispositifs d'extinction précités.
Selon un objectif principal, ce soufflage gazeux est mis en oeuvre via la gestion d'un ensemble de pressions et de flux appliqué au plasma d'arc, générant des forces provoquant son déplacement vers la ou les chambres d'extinction sans apport d'éléments actifs consommateurs d'énergie.
Selon cet objectif, une circulation gazeuse sans apport externe d'énergie est mise en place pour qu'un air plus frais, voire régénéré et refroidi soit disponible au niveau des contacts.
Les circuits de circulation sont en outre prévus pour créer un système de dépression/surpression, respectivement en aval et en amont de l'arc, favorisant ainsi son déplacement dans la chambre de coupure.
Enfin, le dispositif de l'invention est configuré pour éviter les refoulements de plasma vers la zone des contacts, qui auraient pour conséquence d'augmenter le risque de réamorçage sur les contacts.
Pour remplir ces objectifs, l'invention, s'appliquant comme mentionné à un appareil électrique modulaire du type disjoncteur, doté d'un contact fixe et d'un contact mobile solidaire d'une serrure de déclenchement actionnée par soit une bilame thermique soit par un actionneur magnétique à bobine inductrice et circuit magnétique, ces composants étant intégrés dans un boítier isolant comportant au moins une chambre d'extinction d'arc bordée de tôles de conduction d'arc, est caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de créer des déplacements gazeux à l'intérieur du boítier favorisant la progression d'au moins un arc électrique généré après décollement des contacts vers au moins une chambre d'extinction d'arc correspondante.
Ces moyens, étroitement liés à l'architecture du produit, permettent de gérer les flux gazeux et les pressions de telle sorte que l'arc ou les arcs électriques soient propulsés vers leur chambre d'extinction d'arc. Ce résultat est atteint en configurant l'intérieur du boítier de manière à créer des circuits d'écoulement gazeux adaptés à cet effet.
Selon une possibilité additionnelle, le gaz utilisé est traité à l'intérieur du boítier de l'appareil électrique par des moyens de dépollution rendant ses caractéristiques défavorables à la survie de l'arc.
Ainsi, parmi les propriétés du gaz qui favorisent la conservation de l'arc, on trouve essentiellement l'ionisation, l'existence de particules métalliques et la température. Le but du traitement du gaz est donc de refroidir le plasma pour le désioniser, pour condenser les vapeurs métalliques, puis de le dépolluer en retenant les particules et les goutelettes.
La gestion des flux et pressions et la dépollution du gaz sont évidemment traités simultanément dans l'enceinte du boítier de l'appareil électrique de l'invention, puisqu'ils procèdent de la géométrie interne du produit.
Le gaz utilisé est en général l'air, ou plus précisément essentiellement à base d'air, éventuellement modifié par les traitements physico-chimiques dus à l'arc.
Au titre de la gestion de la circulation gazeuse, le dispositif de l'invention comporte des moyens d'injecter de l'air recyclé dans la zone des contacts après leur séparation, ledit air étant injecté immédiatement en amont des contacts, en vue de repousser le ou les arcs vers la ou les chambres d'extinction correspondante(s).
Le but est de fournir non seulement un air à température inférieure à celle qui règne au niveau de l'arc, si possible dépourvu de particules métalliques afin de dégrader autant que possible les conditions favorables à la perpétuation et au réallumage dudit arc, mais encore générateur d'une circulation de sens favorable pour le repousser.
En particulier, lesdits moyens d'injecter de l'air recyclé comportent au moins un canal dans lequel l'air recyclé circule depuis l'aval de la zone des contacts vers l'amont de ladite zone.
On cherche en fait à utiliser une quantité maximale d'air frais contenu dans le produit au moment de l'apparition de l'arc, d'où l'idée d'un recyclage dans un canal de longueur la plus grande possible relativement aux possibilités volumiques du boítier.
Selon une possibilité, l'air recyclé passe par au moins une chambre d'extinction d'arc, en sortie de laquelle il est guidé vers une zone située en amont des contacts selon un flux qui est orienté dans la direction de ces derniers, créant une surpression en amont.
Cet air frais, repoussé par l'arc lorsqu'il progresse dans la direction de sa chambre d'extinction, est donc conduit en amont de l'arc. Il s'agit en fait d'un circuit de fluide dont une grande partie du gaz est déjà présente avant l'apparition de l'arc, et peut par conséquent être qualifiée d'apport frais en amont dudit arc.
De plus, pour se débarrasser des particules métalliques, l'un au moins desdits canaux comporte un dispositif de centrifugation des particules métalliques solides et liquides contenues dans l'air après ouverture des contacts. Préalablement à la centrifugation, le gaz subit une brusque détente.
Selon une possibilité, ce dispositif de centrifugation consiste en une chambre à paroi cylindrique. La sortie de cette dernière débouche sur un conduit de détente se terminant et s'ouvrant sur la zone des contacts.
Le recyclage d'air permet notamment d'augmenter la pression en amont de l'arc. En aval, la pression est notamment maintenue basse par l'existence d'orifices qui permettent une circulation vers l'extérieur de la coque. Il est à noter que les pressions en amont et en aval de l'arc sont également gérées par les formes particulières données aux zones impliquées dans le soufflage, le recyclage, l'extinction etc... et en particulier aux tôles de conduction d'arc, aux conduits de recyclage etc...
Selon une variante possible, une fraction de l'air localisé en aval d'au moins un arc électrique est entraíné dans un système d'aspiration créant une dépression en aval de celui-ci.
Dans l'une des configurations envisagées, ce système d'aspiration comporte un conduit disposé en sortie d'une chambre d'extinction d'arc, dirigeant l'air vers une portion utilisant l'effet Venturi disposée en aval d'un orifice d'évacuation pratiqué dans une paroi de boítier.
Pour créer ces zones, et notamment les canaux ou conduits de recyclage, d'aspiration de l'air et/ou les zones de dépôt des particules métalliques, l'appareil modulaire comporte de préférence, entre les coques formant le boítier, une paroi médiane d'allure parallèle aux grands côtés. Les reliefs de cette paroi intermédiaire, coopérant avec ceux qui existent sur les demi coques du boítier, forment la configuration des zones assurant la gestion des circulations gazeuses. En particulier, la face donnant sur les contacts comporte des reliefs et orifices formant des circuits d'air par combinaison avec les tôles de conduction d'arc et les extrémités des chambres d'extinction d'arc. La face du côté de la bobine crée par combinaison entres ses reliefs et ceux de la demi-coque en vis à vis des conduits ou canaux. Selon le cas, le passage de l'air d'un côté à l'autre de ladite paroi est rendu possible, notamment pour allonger des canaux de circulation du fluide.
De fait, le tracé particulier de cette paroi médiane, combiné aux composants qui la jouxtent ou s'y insèrent de part et d'autre, ainsi qu'aux orifices qui y sont pratiqués, permet la réalisation de tous les canaux, conduits et chambres réalisant les fonctions précitées.
En outre, en vue de faciliter l'établissement d'une surpression en amont et d'une dépression en aval de l'arc dans la zone formant zone de contact, et pour y limiter les retours gazeux, la distance entre les parois de ladite zone de contact et celle entre les tôles de conduction d'arc en sortie de celle-ci sont réduites pour diminuer la section d'entrée de la chambre.
Il est important d'empêcher autant que possible les retours gazeux susceptibles de gêner la progression de l'arc et de diminuer la tension disruptive entre les contacts ouverts, qui aurait pour conséquence d'accroítre les risques de réamorçage.
De fait, les tôles de conduction d'arc ont en sortie de la zone de contact une forme en boucle se développant l'une vers l'autre, et les parois de la zone de contact sont munies d'un plateau surélevé les rapprochant l'une de l'autre.
Le resserrement qui en résulte, particulièrement en sortie de ladite zone de contact, permet en outre à l'arc -également grâce aux formes particulières précitées- de commuter facilement au cours de son trajet vers la ou les chambres d'extinction d'arc.
Selon une possibilité, l'arc électrique est ensuite divisé en deux tronçons acheminées en opposition vers deux chambres d'extinction d'arc situées dans le même plan moyen, en regard l'une de l'autre, les deux tronçons d'arc provoquant un soufflage gazeux mutuel en direction de leurs chambres d'extinction d'arc du fait de la création d'une surpression entre eux.
La dynamique générale de soufflage gazeux est encore renforcée par l'existence de cette surpression entre les deux arcs progressant en opposition, c'est-à-dire sensiblement dans la même direction mais selon deux sens opposés. Cette surpression n'existe cependant que lorsqu'il y a deux chambres d'extinction obéissant à la configuration précitée.
Pour mettre en oeuvre les caractéristiques évoquées auparavant, et notamment les divers circuits gazeux, il est nécessaire de concevoir, à l'intérieur du boítier, des zones de passage appropriées pour les gaz.
Par exemple, la chambre de centrifugation, de préférence disposée du côté des contacts, est alimentée par une fraction de l'air en sortie d'une chambre d'extinction d'arc.
Selon une alternative ou un complément possible, la chambre de centrifugation est disposée sur la paroi médiane et elle est située à l'extrémité latérale de chaque chambre d'extinction d'arc.
De même, une fraction d'air en sortie de chaque chambre d'extinction d'arc est envoyée dans un canal pratiqué dans le côté « bobine » de ladite paroi médiane, puis réinjecté via au moins un orifice dans un conduit prévu du côté « contacts » de ladite paroi, en amont des contacts.
Selon la chambre d'extinction d'arc concernée, et l'orifice mis en oeuvre, cette seconde fraction peut être directement recyclée, puis injectée au niveau des contacts, ou stockée dans le produit.
Une autre fraction encore de l'air en sortie de chaque chambre d'extinction d'arc est envoyée via un orifice traversant la paroi médiane à un canal situé sur l'autre face de ladite paroi, utilisant l'effet Venturi. L'air peut ensuite être expulsé du boítier.
Des orifices sont percés à cet effet dans les coques formant le boítier, au niveau des sorties latérales des chambres d'extinction d'arc, également pour permettre à une dernière fraction d'air d'être évacuée. Ils servent cependant non seulement à évacuer de l'air contenu dans le boítier, mais encore à favoriser ainsi secondairement une dépression en aval de l'arc.
Le soufflage gazeux vient bien entendu à l'appui des mesures traditionnelles d'extinction de l'arc, et notamment des moyens utilisés pour l'allonger. Ainsi, selon une configuration avantageuse, les parois de l'appareil de l'invention bordant les chambres d'extinction d'arc sont munies de reliefs décalés d'une paroi à l'autre, et s'interpénètrent sans contact de manière à étirer l'arc électrique contraint de se conformer à la série de chicanes ainsi créées.
L'invention va à présent être décrite plus en détail, notamment en référence aux figures annexées pour lesquelles :
  • la figure 1 est une vue en perspective d'un circuit électrique de disjoncteur, muni d'une bobine plane spiralée équipant un appareil électrique modulaire selon l'invention ;
  • la figure 2 montre une vue perspective éclatée d'un disjoncteur selon l'invention ;
  • la figure 3 montre le soufflage du contact par un gaz frais ;
  • la figure 4 représente, au verso du conduit de la figure précédente, le canal d'accumulation de gaz frais ;
  • la figure 5 montre la direction d'aspiration du gaz en aval de l'arc ;
  • la figure 6 illustre la suite du système d'aspiration, au verso, avec l'effet venturi ;
  • les figures 7 et 8 représentent deux circuits de recyclage par centrifugation ;
  • la figure 9 est une vue globale d'un disjoncteur muni des deux circuits de recyclage des figures 7 et 8 ;
  • la figure 10 montre les plateaux surélevés permettant une réduction de la distance entre les parois dans la chambre de contact ;
  • la figure 11 représente les boucles réduisant l'ouverture entre les tôles de conduction d'arc en aval des contacts; et
  • les figures 12a à 12e montrent la progression et la division de l'arc.
En référence à la figure 1, le circuit électrique choisi pour la présente description, qui ne constitue cependant qu'un exemple possible auquel l'invention s'applique, est constitué essentiellement d'une bobine d'induction (1), de deux bornes de connexion (2, 3), d'un contact fixe (4), d'un contact mobile (5) et d'un bilame (6).
Les liaisons électriques obéissent au schéma suivant : la borne (2) est connectée au bilame (6) via une tresse conductrice souple (7). La bobine (1) est également connectée audit bilame (6) via une seconde tresse souple (8) disposée à l'une de ses extrémités, l'autre extrémité étant reliée au contact fixe (4), lequel est prolongé par une tôle de conduction d'arc (9). Le contact mobile (5) est relié au moyen d'une autre tresse conductrice souple (10) à une tôle (11) dont la partie inférieure (12) sert également de tôle de conduction d'arc, alors que la partie supérieure est reliée à la seconde borne (3).
La figure 2 montre un produit complet, en l'espèce un disjoncteur, dont le boítier composé de demi-coques (32, 33) séparé par une paroi médiane ou intermédiaire (22), vue ici du côté « bobine ». Outre les éléments déjà décrits, le disjoncteur comporte une manette (34) de commande reliée à une serrure (35) à laquelle le contact mobile (5) est solidarisé. Cette serrure peut basculer en cas de surintensité (déclencheur magnétique) de surcharge (déclencheur thermique) ou d'ouverture manuelle via la manette (34).
Le circuit magnétique est composé d'un noyau référencé (13), prolongé par deux branches (14,15), l'ensemble formant un U dont l'extrémité libre est munie d'une palette mobile (16), qui est en l'occurrence d'une seule pièce avec le bilame thermique (6). Il est également possible, selon une variante, de séparer ces deux pièces.
La configuration montrée comporte deux chambres d'extinction d'arc munies d'ensembles de tôles de désionisation (24, 25). Ces chambres sont situées dans le même plan moyen, et permettent l'extinction de deux portions d'arc obtenues après division de l'arc principal, qui naít à l'écartement des contacts fixe (4) et mobile (5). Deux tôles de blindage (17,18) équipent les demi-coques (32, 33) à des fins magnétiques qui ne concourent pas au but de la présente invention, et ne font donc pas l'objet d'une description détaillée. Il est à noter que la paroi intermédiaire (22), située entre les demi-coques (32) et (33), n'est pas montrée ici en détail, mais uniquement à des fins illustratives, afin d'éclairer son positionnement dans le produit.
La figure 3 montre les éléments assemblés, vus du côté opposé à l'orientation générale de représentation de la figure 2. Dans ce cas, les composants sont assemblés sur la demi-coque (33), et la paroi intermédiaire (24) cache la bobine en spirale. Le côté « contacts » de ladite paroi (22) apparaít donc sur cette figure. Il comporte notamment un conduit (19) qui véhicule de l'air frais (dont le flux est symbolisé par les flèches), ledit conduit (19) débouchant à proximité et en amont des contacts (4, 5). Ce conduit (19) est délimité par des reliefs qui apparaissent sur la paroi intermédiaire (22), qui en forment en réalité le fond et les deux parois latérales, la partie supérieure, visant à l'isoler et à lui permettre de remplir sa fonction sans échanges ni pertes gazeux, étant constitué par la demi-coque (32).
En référence à la figure 4, figurant l'autre côté de la paroi intermédiaire (22), la provenance de l'air véhiculé dans ledit conduit (19) apparaít.
Dans cette figure, les demi-coques (32,33) sont représentées assemblées, et la demi-coque supérieure (33) est figurée en transparence. Le canal (20) est celui qui alimente en air frais le conduit précité (19). L'air qui y est stocké est en relation, en amont, avec la chambre d'extinction d'arc comprenant les tôles de désionisation (24). En aval, cet air franchit un orifice (21) pratiqué dans la paroi intermédiaire (22), et débouche dans ledit canal (19). Ainsi, l'air stocké dans le canal (20) est repoussé vers le conduit (19) lorsqu'un arc électrique progresse vers la chambre d'extinction d'arc, c'est à dire après une disjonction. Le flux d'air généré conduit à alimenter en air frais la zone en amont des contacts (4,5), et favorise par conséquent la poussée de l'arc électrique créé et le refroidissement de plasma par dilution.
L'air qui est refoulé par l'arc électrique en mouvement n'aboutit pas seulement à déplacer les masses gazeuses dans le canal (20) et dans le conduit (19). En effet, outre dans le passage situé au niveau des tôles de désionisation supérieures (24), conduisant comme on l'a vu dans le canal (20), l'air peut également être aspiré via un orifice (27), également pratiqué dans la paroi intermédiaire (22), et qui apparaít en figure 5. En référence à la figure 6, l'orifice (27) débouche, sur l'autre côté de la paroi intermédiaire (22), dans un conduit (28), la vitesse élevée des gaz de coupure provenant des tôles de désionisation (25) crée par effet Venturi une dépression favorisant l'aspiration par l'orifice (27).
Il est à noter que l'existence de ce Venturi permet un effet d'aspiration grâce au différentiel de vitesse des fluides dans ledit Venturi. L'air situé en aval de l'arc électrique, et qui pénètre dans la chambre d'extinction d'arc comprenant les tôles (25) est aspiré via l'orifice (27), ladite aspiration créant une dépression favorable à la progression de l'arc dans la chambre d'extinction d'arc. Il est à noter que la tôle de conduction d'arc (12) (voir figure 5) n'a pas la même position qu'en figure 3, car elle doit permettre l'accès à l'orifice (27). Elle est donc repliée vers le haut pour libérer l'accès de cet orifice (27) à une fraction de l'air. On peut de plus ainsi étirer l'arc en le faisant remonter vers l'orifice (27).
La figure 7 montre une partie seulement du disjoncteur de l'invention, sensiblement centrée sur le noyau (13) du circuit magnétique. Cette figure montre un circuit de recyclage de l'air permettant sa dépollution. Dans le cas qui est figuré, la chambre d'extinction d'arc ne comporte pas de tôle de désionisation, mais une chambre circulaire dont le fonctionnement sera expliqué dans la suite. En partie supérieure, juste en dessous du conduit (19) véhiculant l'air frais, une autre chambre d'allure circulaire (28), suivie d'un conduit (29) aboutissant en amont des contacts (4) et (5), permet la réinjection d'air dépollué.
Le gaz situé en aval de l'arc électrique est détendu, pour condenser les vapeurs métalliques à l'entrée de la chambre d'extinction d'arc. Puis, un écoulement circulaire se produit dans la chambre (28). Du fait de la centrifugation, les particules massives sont maintenues en périphérie, et le gaz à recycler est extrait par le côté, et parvient dans le conduit (29). L'inertie des particules massives les contraint à rester dans le flux toumant de la chambre (28). Par conséquent, de l'air dépollué -parce que dépourvu de ces particules métalliques- est réinjecté en amont de l'arc électrique, permettant de le refouler vers les chambres d'extinction d'arc.
D'une manière générale, la circulation des gaz permet le refroidissement, notamment au contact des masses d'air existant dans les conduits, ce qui entraíne leur désionisation. La détente brusque du plasma a également pour conséquence de refroidir le gaz, donc de le déioniser.
En référence à la figure 8, le même processus de centrifugation est réalisé dans la chambre (30), avec un rendement qui est théoriquement meilleur que dans la chambre (28), car les particules denses sont contraintes de rester en périphérie, alors que l'air frais s'échappe par un orifice (31) central à ladite chambre (30).
Il est à noter que dans cette configuration, il n'existe pas de tôles de désionisation, et que l'arc est étiré et laminé, notamment par les éléments en relief (36).
Dans cette figure, seule l'une des parois de chaque chambre d'extinction d'arc apparaít, et le mode d'étirement de l'arc à l'aide des éléments (36) est incomplètement figuré. Il apparaít mieux en figure 9, montrant des éléments en reliefs (36, 36') situés sur les parois opposées des chambres, la demi-coque supérieure (33) étant montrée en transparence. La demi-coque (32) inférieure est représentée opaque. Avec les éléments (36, 36') montrés, l'arc est laminé en zigzag, de manière à l'allonger dans tous les cas. La même configuration apparaít également dans les figures 10 et 11.
L'objet de la figure 10 est également de montrer que l'on procède à un rétrécissement de la distance entre parois dans la zone de contact, à l'aide des volumes surélevés (37, 38) qui dépassent d'une part de la paroi intermédiaire (22) et d'autre part de la demi-coque (32). Il s'agit simplement de reliefs ou plateaux proéminents au niveau de ladite zone de contact.
En référence à la figure 11, l'ouverture disposée en sortie de ladite chambre est réduite par la configuration particulière donnée aux tôles de conduction d'arc (9, 12). Le contact fixe (4) est relié à une tôle de conduction d'arc (9), via une boucle qui s'avance vers une boucle (26) de même fonction disposée entre la tôle (11) et la tôle de conduction d'arc (12). Il est à noter que la tôle intermédiaire (23) comporte également une partie sommitale dans cette même région, dont l'intérêt sera expliqué en références aux figures suivantes.
La réduction d'ouverture conférée par les boucles précitées, ainsi que la réduction de distance entre les deux parois due aux plateaux surélevés (37) et (38), permet de limiter les retours gazeux vers la zone de contact, notamment pour maximiser dans une direction favorable l'effet de soufflage gazeux mutuels des arcs après division, comme on le verra plus en détail dans la suite. De plus, en rapprochant localement les tôles, on crée une zone de réamorçage préférentiel permettant de protéger les contacts. Enfin, la boucle sur la tôle d'arc inférieur (23) étant situé sur la trajectoire naturelle de l'arc, la commutation est aisée lors de la division.
C'est notamment ce qui apparaít en figures 12a à 12e. Dans la configuration particulière de disjoncteur faisant l'objet de l'invention, il y a deux chambres d'extinction d'arc situées dans le même plan moyen, en vis-à-vis l'une de l'autre. Lorsque l'arc (39) se crée, il se déplace vers lesdites chambres d'extinction. La commutation entre le contact mobile (5) et la boucle (26) se fait naturellement du fait de la forme de celle-ci, comme cela apparaít en figure 12b. L'arc continue à progresser vers la tôle intermédiaire (23), libre de potentiel. La confluence des trois boucles des tôles permet une commutation naturelle au moment de la division. Celle-ci apparaít en figure 12d, qui montre bien les deux tronçons de l'arc en opposition. Cette configuration en opposition est extrêmement favorable en termes de soufflage de l'arc, car une surpression se crée entre eux, générant un écoulement gazeux en direction des tôles de désionisation (24, 25). L'un des problèmes réside dans la possibilité de retours gazeux vers la serrure (35). Les rétrécissements apparaissant en figures 10 et 11 ont pour vocation de limiter ces retours gazeux. De plus, les écoulements gazeux provenant des orifices de sortie des canaux (19) et (29), provoquant des flux inverses par rapport au retour gazeux, limitent également ces derniers.
En référence à la figure 12e, les arcs sont tronçonnés dans les tôles de désionisation, et les fluides gazeux en aval des portions d'arc peuvent s'échapper au niveau des tôles de désionisation inférieures (voir flèches). En revanche, au niveau des tôles de désionisation supérieures, les gaz suivent les circuits qui ont été expliqués précédemment. Cette figure 12e montre à l'aide de flèches les circuits gazeux qui sont mis en oeuvre dans la configuration de l'invention.
Les figures 12a à 12e ne font pas apparaítre les demi-coques (32) et (33), mais uniquement la paroi intermédiaire (22).
Dans les figures précédentes, on a montré plusieurs versions de disjoncteurs comportant un dispositif de soufflage gazeux selon l'invention, comme par exemple un dispositif de désionisation avec tôles superposées, un dispositif avec éléments d'étirement et de laminage de l'arc et chambre cylindrique de recyclage, un dispositif avec conduit d'aspiration etc.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ces configurations, mais englobe au contraire toutes variantes de forme et de configuration qui sont à la portée de l'homme de l'art.

Claims (16)

  1. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique intégré à un appareil électrique modulaire du type disjoncteur, ce dernier comportant essentiellement un contact fixe et un contact mobile solidaire d'une serrure de déclenchement actionnée par soit une bilame thermique soit par un actionneur magnétique à bobine inductrice et circuit magnétique, ces composants étant intégrés dans un boítier isolant à deux demi-coques comportant au moins une chambre d'extinction d'arc bordée de tôles de conduction d'arc, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de créer des déplacements gazeux favorisant la progression d'au moins un arc électrique généré après décollement des contacts vers au moins une chambre d'extinction d'arc correspondante.
  2. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le gaz utilisé pour lesdits déplacements gazeux est traité à l'intérieur du boítier de l'appareil électrique par des moyens de dépollution rendant ses caractéristiques défavorables à la survie de l'arc.
  3. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est muni de moyens d'injecter de l'air recyclé dans la zone des contacts après leur séparation, ledit air étant injecté immédiatement en amont des contacts, en vue de repousser le ou les arcs vers la ou les chambres d'extinction correspondante(s), lesdits moyens comportant au moins un canal dans lequel l'air recyclé circule depuis l'aval de la zone des contacts vers son amont.
  4. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'air recyclé passe par au moins une chambre d'extinction d'arc, en sortie de laquelle il est guidé via au moins un canal vers une zone située en amont des contacts, selon un flux qui est orienté dans la direction de ces derniers, et susceptible d'y créer une surpression.
  5. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'un au moins desdits canaux comporte un dispositif de centrifugation des particules métalliques solides et liquides contenues dans l'air après coupure du contact, le gaz ayant été préalablement brusquement détendu.
  6. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de centrifugation consiste en une chambre à paroi cylindrique dont la sortie débouche sur un conduit de détente se terminant et s'ouvrant en amont des contacts.
  7. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une fraction de l'air localisé en aval d'au moins un arc électrique est entraíné dans un système d'aspiration créant une dépression en aval de celui-ci.
  8. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le système d'aspiration comporte un conduit disposé en sortie d'une chambre d'extinction d'arc, dirigeant l'air vers une portion dudit conduit utilisant l'effet venturi, disposée en aval d'un orifice d'évacuation pratiqué dans une paroi de boítier.
  9. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en vue de faciliter l'établissement d'une surpression en amont et d'une dépression en aval de l'arc dans la zone formant zone de contact, et pour y limiter les retours gazeux, la distance entre les parois de ladite chambre des contacts, et celle entre les tôles de conduction d'arc en sortie de celle-ci, sont réduites pour diminuer la section d'entrée de la chambre.
  10. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les tôles de conduction d'arc ont une forme en boucle se développant l'une vers l'autre, en sortie de la zone de contact et au moins l'une des parois de celle-ci est munie d'un plateau surélevé.
  11. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arc électrique est divisé en deux tronçons acheminées en opposition vers deux chambres d'extinction d'arc situées dans le même plan moyen en regard l'une de l'autre, les deux tronçons d'arc réalisant un soufflage gazeux mutuel en direction de leur chambre d'extinction d'arc du fait de la création d'une surpression entre eux.
  12. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'appareil électrique modulaire comporte, entre les demi-coques formant le boítier, une paroi médiane d'allure parallèle aux grands côtés, séparant une bobine qui est logée dans un logement de l'une de ses faces des contacts disposés sur l'autre face, lesdites faces comportant des reliefs et orifices formant les conduits et chambres, en combinaison avec les composants et les reliefs correspondants pratiqués sur les demi-coques.
  13. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la chambre de centrifugation est disposée du côté des contacts, et est alimentée par une fraction de l'air en sortie d'une chambre d'extinction d'arc.
  14. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce qu'une fraction de l'air en sortie de chaque chambre d'extinction d'arc est envoyée dans un canal localisé du côté bobine de la paroi médiane, puis réinjectée via au moins un orifice dans un conduit du côté et en amont des contacts.
  15. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'une fraction de l'air en sortie de chaque chambre d'extinction d'arc est envoyé via un orifice traversant la paroi médiane, à un canal situé sur l'autre face de ladite paroi, utilisant l'effet Venturi.
  16. Dispositif de soufflage gazeux d'arc électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois bordant chaque chambre d'extinction d'arc sont munies de reliefs décalés d'une paroi à l'autre, et s'interpénétrant sans contact de manière à étirer l'arc électrique contraint de se conformer à la série de chicanes ainsi créées.
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