EP2483900A1 - Enroulement pour contact d'ampoule à vide à moyenne tension à coupure d'arc ameliorée, ampoule à vide et disjoncteur, tel qu'un disjoncteur sectionneur d'alternateur associés - Google Patents

Enroulement pour contact d'ampoule à vide à moyenne tension à coupure d'arc ameliorée, ampoule à vide et disjoncteur, tel qu'un disjoncteur sectionneur d'alternateur associés

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Publication number
EP2483900A1
EP2483900A1 EP10765768A EP10765768A EP2483900A1 EP 2483900 A1 EP2483900 A1 EP 2483900A1 EP 10765768 A EP10765768 A EP 10765768A EP 10765768 A EP10765768 A EP 10765768A EP 2483900 A1 EP2483900 A1 EP 2483900A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
contact
magnetic field
slots
vacuum bulb
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10765768A
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German (de)
English (en)
Inventor
Saïd Kantas
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.)
Schneider Electric Energy France SAS
Original Assignee
Schneider Electric Energy France SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Schneider Electric Energy France SAS filed Critical Schneider Electric Energy France SAS
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Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H01H33/6644—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having coil-like electrical connections between contact rod and the proper contact
    • H01H33/6645—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having coil-like electrical connections between contact rod and the proper contact in which the coil like electrical connections encircle at least once the contact rod
    • 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
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H01H33/6642—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having cup-shaped contacts, the cylindrical wall of which being provided with inclined slits to form a coil
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making

Definitions

  • the invention relates to the field of medium voltage vacuum switches, commonly called vacuum bulbs or vacuum bulbs.
  • the main application is that in which a vacuum interrupter is used as a break switch in a generator disconnect circuit breaker at the output of the power plants.
  • Vacuum bulbs have been used for many years in medium voltage distribution switchgear to cut short-circuit currents of the order of a few kA, typically 25 kA, in a few kV, typically 36 kV.
  • the vacuum bulbs must also support the permanent current flow, typically of the order of 1250 A, without undergoing excessive heating. Indeed, their location in the distribution network means that such vacuum bulbs are closed position in normal operation of the network and are traversed by the permanent nominal current.
  • the desired function for these arc control means is that the density of the arc energy created through the arcing contacts during a break remains below the limits required for both breaking the current and sustaining the recovery voltage in the vacuum space immediately after the interruption of the current.
  • the aforementioned AMF fluxes are generated parallel to the axis of the vacuum interrupter while the aforementioned RMF fluxes also create a magnetic force which will cause a rotation of the arc at the periphery of the mechanical contact surface.
  • the arc control means generating AMF or RMF flows comprise two windings, one of which is mounted in the moving arc contact and the other in the fixed arc contact of a vacuum bulb. If the current flows in the same direction in both windings, the resulting magnetic fluxes are added in an axial direction of the vacuum interrupter in the void space between the two arcing contacts in the open or separate position. one of the other. If the current flows in a given winding in a direction opposite to that in the other winding, this results in a magnetic flux which extends radially in the void space between the two separate arc contacts.
  • the arc control means generating AMF fluxes theoretically have the primary technical effect of preventing contraction of the arc in a specific area. In other words, they must widen the arc to the widest possible contact area.
  • the result that we seek to achieve is a distribution of the arc energy over as wide a surface as possible and thus allow the breaking of the alternating current to the natural passage to zero.
  • Efficient AMF flux arc control means must therefore generate a high and homogeneous magnetic flux over the entire contact surface.
  • the breaking of currents in the range of 30 to 50 kA requires the use of contacts of diameter between 50 and 80 mm.
  • the AMF arc control means currently implemented give overall satisfaction.
  • vacuum bulbs by their application can be subjected to short circuit currents to cut a few kilo amperes, typically 63 kA, 80kA up to 160 kA. This necessarily requires the use of upper diameter contacts typically between 90 and 150 mm.
  • the inventors have been able to observe that a non-homogeneous distribution occurs on the physical contact surface of the AMF magnetic field created with a slump in the central part, which has the consequence of lowering the breaking performance of the the vacuum bulb.
  • Some existing solutions involve either implanting additional ferromagnetic materials into the contact winding portion and / or the electrode portion or making slots in the contact body to reduce eddy currents locally or to combine the two.
  • the saturable material 101 has a high electrical resistivity and is implanted around a non-saturable material 102 of low electrical resistivity.
  • the major disadvantage of the use of ferromagnetic materials in a contact is related to the fact that they are magnetized and thus undergo somehow the force created by the magnetic field. This force is reversed every 10 ms for a sinusoidal alternating current at 50 Hz. The presence of this force permanently on the materials supposed to control the arc in short circuit tends to weaken the proper structure of the contact.
  • the value of the magnetic field obtained by inserting ferromagnetic materials is not necessarily greater than that obtained without them.
  • patent DE 195 03 661 discloses a contact 1 comprising a hollow cylindrical tube 2, as a mechanical connecting rod portion, which is secured to the contact portion itself 3 which is magnetic.
  • This magnetic contact portion 3 is recessed in its center and comprises a solid cylindrical winding portion 4 and an electrode disk portion 8 separated from each other by a magnetic wedge 9 and a stainless steel or ceramic plate 10.
  • Three identical slots 5 are made spirally by being distributed at 120 ° to each other in the contact 3 hollowed from its internal diameter 7 coincides with the outer diameter of the tube 2 to its outer diameter 6.
  • Such a geometry allows to obtain a magnetic field that extends axially while being distributed radially and thus, to create a rotating arc that reaches a larger contact area.
  • this document discloses the generation of a radial magnetic field which rotates the arc on an annular zone at the periphery of the contacts.
  • US Pat. No. 4,390,762 discloses, in turn, a contact with a tubular mechanical connection rod portion 1 to which is fixed a cylindrical base 2 recessed at its center which constitutes the winding portion of the contact and on which is fixed an annular contact ring 4.
  • the mechanical connecting rod 1 and the cylindrical base consist essentially of copper while the annular contact ring 4 consists of a chromium matrix saturated with copper.
  • the winding part 2 comprises two concentric parts 3 separated from each other by a high grade steel 6 which fills an annular recess 5 which extends vertically.
  • On part of the height of each of these parts 3 are made rectilinear slots which extend radially. These slots are distributed uniformly over the periphery and are oriented at the same inclination with respect to the axis of the cylinder 2, without intersecting the latter.
  • the structure thus disclosed in this document makes it possible to increase the mechanical strength of the contacts.
  • DE 195 13790 discloses a winding 33 for generating an axial magnetic field AMF in a vacuum interrupter contact, which in its embodiment of FIG. 5 comprises slits 50 in a helix of limited length which does not allow to have a uniform magnetic field on both the surface of the arc control contacts and in the space between the contacts of the bulb.
  • the object of the invention is to propose an improved solution that makes it possible to further increase the axial magnetic field AMF in an electrical contact for a medium voltage vacuum bulb, while preventing it from sagging in the center of the contact.
  • Another object of the invention is to improve the uniformity of the magnetic field on the surface of the contacts and in the space between the contacts of a vacuum interrupter while reducing the cost of manufacture.
  • the invention relates to a winding based on a material of low electrical resistivity, such as copper, and diameter typically greater than 90 mm, intended to generate a magnetic field in an electrical contact for a medium-voltage vacuum bulb, consisting of a hollow cylinder comprising mutually parallel slits devoid of material and made helically around its longitudinal axis and opening into both the hollow and the outside of the cylinder.
  • a material of low electrical resistivity such as copper
  • diameter typically greater than 90 mm intended to generate a magnetic field in an electrical contact for a medium-voltage vacuum bulb, consisting of a hollow cylinder comprising mutually parallel slits devoid of material and made helically around its longitudinal axis and opening into both the hollow and the outside of the cylinder.
  • the angular length of each helix is at least equal to 360 °. It is specified here that the notion of "angular length" of the helices is to be understood as usually in the mathematical sense: thus, considering the projection of a helix on a plane perpendicular to its axis, the angular length of a helix is the value the angle traveled between its two ends along its length.
  • the inventors have been able to observe that shorter helical slot windings according to the state of the art generate a nonhomogeneity of the magnetic fluxes at the time of the creation of the arc in a concentrated zone, in particular in periphery of contact which is provided with it.
  • the current flows, for at least a certain duration, only in a limited part of the turns delimited individually by two slots. This is because the arc can start at any point on the surface (the last point of contact of two electrodes before their separation). It is indeed very rare or impossible to have more than one point of separation between the two surfaces of the two contacts. The other part of the turns does little or nothing to generate the total magnetic flux.
  • the axial magnetic flux (field) AMF generated by a winding according to the invention implanted in a medium-voltage contact is homogeneous, that is to say symmetrical and constant, both on the surface of the contact and in the space between contacts, and much higher value than those generated by windings according to the state of the art.
  • a winding according to the invention can generate an axial magnetic flux AMF increased by a factor of 2 to 3 compared to that generated by a winding according to the state of the art.
  • a winding according to the invention makes it possible to increase the mechanical endurance of a contact 2, 3 of large size, typically between 90 mm and 150 mm, which incorporates it.
  • the stability of the AMF arc control during a power failure is improved with a winding according to the invention.
  • the AMF magnetic field was not necessarily homogeneous at the moment when the arc is created locally.
  • the current will, at least for a certain time, flow preferably only in one or two turns of the winding.
  • the other turns do little or no contribution to obtaining the total magnetic field. This results in locating the AMF magnetic field while for it to be effective it must be distributed over the largest possible area of contact.
  • a winding according to the invention with angular helix lengths of slots at least equal to 360 ° generates a high and uniform AMF magnetic field regardless of the position of the initial arc.
  • the width of each slot is less than 0.5 mm for an outer diameter Oext of the hollow cylinder greater than 90 mm.
  • each turn delimited individually by two consecutive helical slots has a section in section parallel to the longitudinal axis of the winding which is substantially rectangular and identical over the entire height of the winding.
  • the number of helical slots parallel to each other is at least equal to two, advantageously equal to 6.
  • the invention also relates to a method for producing a winding based on a material of low electrical resistivity, such as copper, for generating a magnetic field in an electrical contact for a medium voltage vacuum bulb, comprising: step of producing a hollow cylinder with helical slots around its longitudinal axis and opening into both the hollow and the outside of the cylinder, being devoid of material, a step in which the angular length of each helix is at least less than 360 °.
  • the helical slots of angular length greater than or equal to 300 ° are produced by electroerosion.
  • the method of producing a winding according to the invention has a reduced cost because the number of operations to make the slots is.
  • the new geometry of a winding according to the invention only has a number of six turns instead of twelve.
  • the production of the twelve turns in a winding according to the state of the art of FIG. 3 requires an equal number (twelve) of cross sections.
  • the realization of the six turns in the new geometry of the winding according to the invention requires only three cuts passes.
  • the invention also relates to an electrical contact for a medium voltage vacuum bulb extending along a longitudinal axis Y and comprising:
  • a contact body comprising:
  • a circular plate of the same diameter as the outside of the first hollow cylinder said plate is also centered on the longitudinal axis Y and secured to the end of the first hollow cylinder opposite to that secured to the mechanical connection portion.
  • the helices of the slots of the first winding are of the dextral type from the mechanical connection part to the circular contact plate. It is specified here that the term "dexter” is that used in mathematics and means that an observer placed outside the contact sees the propellers mounted from left to right from the mechanical connection portion to the circular plate.
  • the contact comprises a second winding and whose arrangement is the subject of the patent application FR 09 53852 filed on June 10, 2009 by the applicant and entitled "CONTACT FOR VACUUM BULB AT MEDIUM VOLTAGE A IMPROVED ARC BREAKER, VACUUM BULB AND CIRCUIT BREAKER, SUCH AS AN ASSOCIATED ALTERNATOR DISCONNECT CIRCUIT BREAKER.
  • This second winding is thus electrically mounted in parallel with the first winding and adapted to generate a magnetic field which is superimposed on the magnetic field generated by the first winding.
  • the second winding may consist of a winding according to the invention, with an angular length of each slot at least equal to 360 °.
  • the second hollow cylinder is then centered on the longitudinal axis Y, arranged concentrically with the first cylinder, having one end secured to the mechanical connection portion and the other end secured to the circular plate, the hollow of the cylinders being devoid of material .
  • the helices of the slots of the second winding may be dextral type from the mechanical connection portion to the circular contact plate.
  • wire EDM The manufacturing method used (wire EDM) allows the realization of the second winding at the same time as the main winding and cutting in the same block of material. There is no room or additional cutting passage.
  • the contact comprises at least one column as claimed in the patent application FR 09 53853 filed on June 10, 2009 by the applicant and entitled "CONTACT FOR LOW-VOLTAGE MEDIUM-VOLTAGE BULB WITH REINFORCED STRUCTURE, BULB A VACUUM AND CIRCUIT BREAKER, SUCH AS AN ASSOCIATED CIRCUIT BREAKER CIRCUIT BREAKER.
  • the column is thus distinct from (s) the winding (s) and arranged, in the hollow of the first cylinder, in a spacer between the mechanical connection portion and the circular plate of the contact body so as to avoid the collapse of this last during a closing maneuver and in the closed position of the vacuum bottle, the (the) column (s) having a high electrical resistivity such that when a given current flows in the contact, the amount of current which circulates in the (the) column (s) is negligible compared to that which circulates in the (the) coil (s).
  • the outer diameter of the first winding and the circular plate is between 90 and 150 mm, which is perfectly suitable for an application in which the short-circuit currents to be cut have a value greater than or equal to 63 kA, typically up to 100 kA.
  • the invention also relates to a medium voltage vacuum bulb comprising at least one electrical contact described above.
  • the vacuum bulb may comprise a pair of electrical contacts with a fixed contact described above and a movable contact described above.
  • the invention also relates to a circuit breaker, such as an alternator disconnect circuit breaker comprising at least one vacuum interrupter as above.
  • a vacuum interrupter according to the invention may or may not be traversed by the nominal load current and of course by the short-circuit current in the event of a fault.
  • FIG. 1 is a partial vertical sectional view of a medium voltage vacuum interrupter according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic view taken at the contacts of a medium-voltage vacuum interrupter and showing the magnetic field generated by an electrical contact incorporating a winding according to the state of the art (dashed curve),
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken at the level of a copper-based winding according to the state of the art and projected in a plane;
  • FIG. 3A is a graphic illustration of the shape and level of the magnetic field generated by an electrical contact incorporating a winding according to FIG. 3;
  • FIG. 4 is a perspective view of a winding according to an embodiment of
  • FIG. 5 is a perspective view of a winding according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 5A is a graphic illustration of the shape and level of the magnetic field generated by an electrical contact incorporating a winding according to FIG. 5,
  • FIG. 6 is a graphic illustration of the shape and level of the magnetic field generated by an electrical contact incorporating a winding according to the invention and a winding according to the state of the art.
  • a vacuum interrupter 1 extends along a longitudinal axis Y and essentially comprises a pair of contacts one of which is fixed and the other 3 is movable between an open position (see the portion shown to the right) and a closed position (see part shown on the left) under the action of an operating rod 4.
  • the contacts 2 and 3 are large (diameter> 35 mm).
  • the separation of the contacts 2, 3 in a vacuum bulb is usually intended to cut a current arc that may occur in the separation space between these contacts.
  • the arc control means are usually integral parts of the vacuum bulb. They must therefore ensure that the energy density of the arc at the contacts 2, 3 remains below acceptable limits to be able to cut off the current and maintain the transient recovery voltage TTR.
  • Axial Magnetic Field (AMF) arc control One type of known arc control is commonly called Axial Magnetic Field (AMF) arc control.
  • AMF Axial Magnetic Field
  • These AMF axial magnetic field arc control means consist in creating a magnetic field parallel to the longitudinal axis Y of the bulb 1.
  • AMF arc control means are said to prevent contraction of the arc and, consequently, to widen it over an area of the contact surfaces facing each other which is the most wide possible. This normally results in distributing the energy of the arc over a larger area and thus allowing the breaking of the current to the natural zero of the alternating current.
  • Effective AMFs require a truly winding-generated magnetic field that is high and evenly distributed to efficiently diffuse the arc onto contact surfaces facing each other.
  • These AMF arc control means are thus constituted by at least one element in the form of a coil or in other words a copper-based winding which is a hollow cylinder 8 arranged as shown in FIG. 2, which extends to the periphery of the contact.
  • the hollow 80 of the winding 8 is devoid of material.
  • the hollow cylindrical winding 8 comprises slots 81 made helically around the longitudinal axis Y and opening at the same time on the inside and the outside of the cylinder 8. The space between two consecutive slots 81 defines a turn 82 .
  • Each contact 2, 3 comprises a mechanical connection portion 20, 30 and a contact body 21, 31 secured to this mechanical connection.
  • the body 21, 31 comprises the winding 8 and an electrode portion 22, 32 in the form of a circular plate.
  • This plate 22 or 32 constitutes the mutual physical contact surface with the other plate 32 or 22 when the contacts are in the closed position.
  • These contact surfaces 22, 32 are the surfaces on which the arc must be diffused as uniformly and as widely as possible.
  • the windings 8 are each secured to both the mechanical connection portion 20 or 30 and to the circular plate 22 or 32.
  • the windings 8 and the electrode portions 22, 32 according to the invention have an outside diameter of between 90 and 150 mm in applications in which the current to be cut has a value greater than or equal to 63 kA, for example 80 kA. or above.
  • Such a particularly targeted application is that in which the vacuum interrupter is used as an alternator circuit breaker at the output of a power plant.
  • Figure 3 is an exemplary schematic representation for cross-sectional view of a winding 8 according to the state of the art, the cut being projected in the same plane.
  • the slot portions 81 are uniformly distributed over the diameter of the winding 8 (12 in number) and all of the same size.
  • the angular length of a slot 81 is of the order of 115 °.
  • This configuration corresponds to that described in the patent application on behalf of the applicant FR 09 53855 filed on June 10, 2009 and entitled: "WINDING FOR CONTACT OF VACUUM BULB VACUUM MEDIUM VOLTAGE IMPROVED ENDURANCE, BULB VACUUM AND CIRCUIT BREAKER, TEL AN ALTERNATOR DISCONNECT CIRCUIT BREAKER ASSOCIATED ".
  • FIG. 3A illustrates the shape and level of the AMF magnetic field obtained by an electrical contact integrating a winding according to FIG. 3, that is to say with slots made in a helix but with an angular length (X limited to 115 ° It is specified here that the contact is traversed by a normalized current I.
  • the abscissa X of the illustrated curve represents the radial X axis of the contact 2.
  • the magnetic field thus illustrated AMF is along this radial axis X.
  • the maximum value of the AMF field obtained is of the order of 6.5.
  • the inventors have sought to further increase the value of the magnetic field.
  • the problem of the invention is in other words to generate a high value magnetic field by improving its uniformity at the contact surface and reducing the cost of manufacture.
  • FIG. 4 illustrates a first embodiment of a winding according to the invention.
  • the winding consists of a hollow cylinder 8 which comprises two slots 810, 811 parallel to each other and made helically.
  • Each propeller 810, 811 has an angular length approximately of the order of 360 °. This angular length of 360 ° corresponds to the angle traveled by each propeller 810, 811 between its two ends 8100, 8101 respectively 8110, 8111 along its length.
  • the ends 8101, 8111 of the slots 810, 811 which open on the upper part of the cylinder 8 are diametrically opposed.
  • the turns 82 of the hollow cylinder 8 delimited individually by the two slots 810, 811 also have substantially the same height in their central part with ends 820 of lower height, typically h of the order of 1 mm.
  • the current I which passes through the winding 8 thus circulates in a dextral type helix by making a complete revolution over the entire height of the cylinder 8.
  • FIG. 5 illustrates another embodiment of a winding according to the invention.
  • the hollow cylinder 8 constituting the winding comprises six slots 810, 811, 812, 813, 814, 815 parallel to each other and made helically.
  • Each helix 810-815 has, as the embodiment of Figure 4 an angular length of the order of 360 °.
  • the ends 8101, 8111, 8121, 8131, 8141 and 8151 which open on the upper part of the cylinder 8 are distributed uniformly, that is to say, being distant from each other by 60 °.
  • FIG. 5A illustrates the shape and level of the AMF magnetic field obtained by a contact electric integrating a winding according to Figure 5 that is to say with the six slits 810-815 made helically and each with an angular length of the order of 360 °. It is specified here that the test conditions are the same as for the winding contact according to the state of the art (FIG. 3): same winding dimensions 8, same arrangement with respect to the mechanical connection part 20 and plate contact circular 22 and the same normalized value of the current I N which passes through the winding.
  • the maximum value of the AMF field obtained for the winding according to the invention is of the order of 19.5.
  • the value gain of the AMF magnetic field by virtue of the invention is equal to 3 (ratio between the maximum value of 19.5 of FIG. 5A and the maximum value of 6.5 of FIG. 3A).
  • FIG. 5 Another electrical contact has been made according to the invention: it comprises a first winding made according to FIG. 5 and a second winding as claimed in the patent application FR 09 53852 filed on June 10, 2009 by the applicant and entitled "CONTACT FOR BULB MEDIUM - VOLTAGE VACUUM WITH IMPROVED ARC CUTOUT, VACUUM BULB AND CIRCUIT BREAKER, SUCH AS AN ALTERNATOR DISCONNECT CIRCUIT BREAKER.
  • the second winding 9 is arranged concentrically in the first winding 8. This second winding 9 is thus electrically mounted in parallel with the first winding 8 and adapted to generate a magnetic field which is superimposed on the magnetic field generated by the first cylinder 8.
  • This second hollow cylinder 9 comprises slots (not shown) made helically around its axis and opening to the faith on the inside and outside of the cylinder.
  • This second hollow cylinder 9 is centered on the longitudinal axis Y, arranged concentrically with the first cylinder 8, having one end secured to the mechanical connection portion 20 and the other end secured to the circular plate 22.
  • the two windings 8 and 9 are electrically connected in parallel: thus the two cylinders are secured to the connection base 20 and to the electrode plate 22.
  • each helix of the slots of the second winding 9 is made with an angular length of at least 360 °.
  • FIG. 6 illustrates the shape and level of the AMF magnetic field obtained by an electrical contact integrating the two windings 8 and 9 as described above. It states here that the conditions are the same as for the winding contact according to the state of the art (FIG. 3): same winding dimensions 8, same arrangement with respect to the mechanical connection part 20 and the contact circular plate 22 and even normalized value of the current I N passing through the winding.
  • the paces of the fields obtained respectively in FIG. 3A and 6 are different.
  • the arrangement of a second winding 9 as described above makes it possible to obtain an AMF magnetic field without any sagging at the center of the contact provided with it.
  • the maximum value of the AMF field obtained for the contact according to the invention is of the order of 19.
  • the gain in value of the magnetic field AMF thanks to the invention is here of the order of 2.9 (ratio between the maximum value of 19 of FIG. 6 and the maximum value of 6.5 of FIG. 3A).
  • the winding generates a better distributed magnetic field on the contact surface at the time of the ignition of the arc, which allows an effective cut of the currents of 'bow, - reduce the path of the eddy currents induced by the alternating current when it passes through the arc control.
  • these induced currents generate a magnetic field that opposes the axial magnetic field useful for cutting: the slots according to the invention opening onto the surface create a discontinuity of the surface of the contact, which reduces the path of the eddy currents induced,
  • the resistance of the vacuum interrupter has no effect on 1 heating circuit breaker.

Landscapes

  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Abstract

L'invention concerne une nouvelle conception d'un enroulement (8) à base d'un matériau de faible résistivité électrique, tel que le cuivre, et de diamètre typiquement supérieur à 90 mm, destiné à engendrer un champ magnétique dans un contact électrique (2, 3) pour ampoule à vide (1) à moyenne tension, constitué d'un cylindre creux (8) comprenant des fentes (81) dépourvues de matériau et réalisées en hélice autour de son axe longitudinal et débouchant à la fois dans le creux et à l'extérieur du cylindre. Selon l'invention, la longueur angulaire de chaque hélice est au moins égale à 360°. L'invention permet d'augmenter le niveau du champ magnétique AMF obtenu par l' (les) enroulement (s) incorporé (s) dans un contact électrique d'ampoule à vide tout en améliorant l'uniformité, la symétrie du champ et le coût de production.

Description

ENROULEMENT POUR CONTACT D'AMPOULE À VIDE À MOYENNE TENSION À COUPURE D'ARC AMELIOREE, AMPOULE À VIDE ET DISJONCTEUR, TEL QU'UN DISJONCTEUR SECTIONNEUR
D'ALTERNATEUR ASSOCIES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L' invention concerne le domaine des interrupteurs à vide à moyenne tension, couramment appelés ampoules à vide ou encore ampoules sous vide.
Elle a trait plus particulièrement à l'amélioration de la coupure d'arc de telles ampoules à vide .
L'application principale est celle dans laquelle une ampoule à vide est utilisée en tant qu'interrupteur de coupure dans un disjoncteur sectionneur d'alternateurs à la sortie des centrales de production d'énergie.
ART ANTÉRIEUR
Les ampoules à vide sont utilisées depuis de très nombreuses années dans les appareillages électriques de distribution à moyenne tension pour couper des courants de court-circuit de l'ordre de quelques kA, typiquement 25 kA, en quelques kV, typiquement 36 kV. Dans ce type d'appareillage de distribution, les ampoules à vide doivent en outre supporter le passage de courant permanent, typiquement de l'ordre de 1250 A, sans subir un échauffement excessif. En effet, leur implantation dans le réseau de distribution fait que de telles ampoules à vide sont en position fermée en fonctionnement normal du réseau et sont traversées par le courant nominal permanent.
Il est connu que pour couper ces courants de court-circuit, il est nécessaire de concevoir les contacts d'arc de telle sorte qu'à leur extrémité en regard l'une de l'autre, des flux magnétiques intenses axiaux (usuellement dénommés AMF, abréviation d' «Axial Magnetic Flux » en anglais) ou radiaux (usuellement dénommés RMF, abréviation de « Radial Magnetic Flux » en anglais) soient générés afin de réaliser le contrôle de l'arc lors de la séparation mutuelle des contacts.
Autrement dit, la coupure de courants élevés dans des ampoules à vide nécessite l'intégration de ces moyens de contrôle d'arc dans les contacts d'arc : ceux-ci font donc partie intégrante de l'ampoule à vide.
La fonction recherchée pour ces moyens de contrôle d'arc est que la densité de l'énergie de l'arc créé à travers les contacts d' arc pendant une coupure reste en dessous des limites requises à la fois pour couper le courant et pour supporter la tension de rétablissement dans l'espace de vide immédiatement après l'interruption du courant.
Les flux AMF mentionnés ci-dessus sont générés parallèlement à l'axe de l'ampoule à vide alors que les flux RMF également susmentionnés créent une force magnétique qui va engendrer une rotation de l'arc à la périphérie de la surface mécanique de contact.
Ces flux magnétiques AMF ou RMF sont créés par le courant lui-même qui circule à travers les contacts du contrôle d'arc. Typiquement, les moyens de contrôle d'arc générant des flux AMF ou RMF comprennent deux enroulements dont l'un est monté dans le contact d'arc mobile et l'autre dans le contact d'arc fixe d'une ampoule à vide. Si le courant circule selon le même sens dans les deux enroulements, les flux magnétiques résultant s'ajoutent dans une direction axiale de l'ampoule à vide dans l'espace de vide entre les deux contact d'arc en position d'ouverture ou séparée l'un de l'autre. Si le courant circule dans un enroulement donné dans un sens inverse à celui dans l'autre enroulement, il en résulte un flux magnétique qui s'étend radialement dans l'espace de vide entre les deux contacts d'arc séparés.
Les moyens de contrôle d'arc générant des flux AMF ont théoriquement comme effet technique premier d'empêcher une contraction de l'arc dans une zone précise. Autrement dit, ils doivent élargir l'arc sur une surface de contact la plus large possible. Le résultat que l'on cherche ainsi à atteindre est une distribution de l'énergie d'arc sur une surface la plus large possible et permettre ainsi la coupure du courant alternatif au passage naturel à zéro.
Des moyens de contrôle d' arc par flux AMF efficaces doivent donc générer un flux magnétique élevé et homogène sur toute la surface de contact.
Typiquement, la coupure de courants dans la gamme de 30 à 50kA nécessite l'utilisation de contacts de diamètre compris entre 50 et 80 mm. Pour de tels diamètres, les moyens de contrôle d'arc AMF actuellement mis en œuvre donnent globalement satisfaction .
Or, certaines ampoules à vide de par leur application peuvent être soumises à des courants de court-circuit à couper de quelques kilo ampères, typiquement de 63 kA, 80kA jusqu'à 160 kA. Cela nécessite impérativement l'utilisation de contacts de diamètre supérieurs typiquement compris entre 90 et 150 mm .
Avec de tels diamètres, les inventeurs ont pu constater qu' il se produisait une distribution non homogène sur la surface de contact physique du champ magnétique AMF créé avec un affaissement dans la partie centrale, ce qui a comme conséquence de baisser les performances de coupure de l'ampoule à vide.
Plusieurs solutions ont déjà été proposées pour améliorer les flux magnétiques générés par les contacts d'une ampoule à vide tout en leur permettant de supporter des courants permanents en position fermée.
Certaines solutions existantes consistent soit à implanter des matériaux supplémentaires de type ferromagnétique dans la partie enroulement du contact et/ou dans la partie électrode soit à réaliser des fentes dans le corps de contact afin de réduire les courants de Foucault localement soit à combiner les deux .
En ce qui concerne l'implantation de matériaux ferromagnétiques, on peut citer le brevet US 6,747,233 Bl qui divulgue l'utilisation d'anneaux magnétiques avec des saturations et permittivités μ différentes afin d'avoir des champs magnétiques de profil et valeur différents en fonction de la valeur du courant, c'est-à-dire différents pour des faibles ou forts courants. Plus précisément, il est prévu l'implantation combinée d'un matériau magnétique saturable 101, 401 avec un matériau magnétique non saturable 102, 402 dans un corps de contact 104, 404 qui est plein et essentiellement conducteur lui-même solidaire d'une partie tige de connexion mécanique 103 essentiellement conducteur. Selon le mode de réalisation envisagé, la valeur relative de résistivité électrique des matériaux saturables est opposée à celle des matériaux non saturables. Ainsi, selon le mode de réalisation illustré aux figures 1A à 3, le matériau saturable 101 présente une forte résistivité électrique et est implanté autour d'un matériau non saturable 102 de faible résistivité électrique. On peut considérer que l'inconvénient majeur de l'utilisation de matériaux ferromagnétiques dans un contact est lié au fait que ceux-ci s'aimantent et subissent donc en quelque sorte la force créée par le champ magnétique. Cette force s'inverse toutes les 10 ms pour un courant alternatif sinusoïdal à 50Hz. La présence de cette force en permanence sur les matériaux supposés contrôler l'arc en court-circuit tend à fragiliser la structure propre du contact. En outre, la valeur du champ magnétique obtenu en insérant des matériaux ferromagnétiques n'est pas nécessairement supérieure à celle obtenue sans ceux-ci .
On peut citer les brevets DE 195 03 661 et
US 4,390,762 qui divulguent chacun une solution combinée de réalisation de fentes et d' implantation supplémentaire de matériaux ferromagnétiques.
Plus précisément, le brevet DE 195 03 661 divulgue un contact 1 comprenant un tube cylindrique creux 2, en tant que partie tige de connexion mécanique, auquel est solidarisé la partie contact proprement dite 3 qui est magnétique. Cette partie contact magnétique 3 est évidée en son centre et comprend une partie cylindrique pleine d'enroulement 4 et une partie disque d'électrode 8 séparées entre elles par une cale magnétique 9 et une plaque en acier inoxydable ou en céramique 10. Trois fentes identiques 5 sont pratiquées en spirale en étant réparties à 120° l'une de l'autre dans le contact 3 évidé depuis son diamètre interne 7 confondu avec le diamètre externe du tube 2 jusqu'à son diamètre externe 6. Une telle géométrie permet d' obtenir un champ magnétique qui s'étend axialement tout en étant réparti radialement et donc, de créer un arc rotatif qui atteint une surface des contacts plus grande. En d'autres termes, ce document divulgue la génération d'un champ magnétique radial qui fait tourner l'arc sur une zone annulaire à la périphérie des contacts.
Le brevet US 4,390,762 divulgue, quant à lui, un contact avec une partie tige de connexion mécanique tubulaire 1 à laquelle est fixée une base cylindrique 2 évidée en son centre qui constitue la partie enroulement du contact et sur laquelle est fixée une couronne annulaire de contact de faible hauteur 4. La tige de connexion mécanique 1 et la base cylindrique sont constitués essentiellement de cuivre tandis que la couronne annulaire de contact 4 est constitué à base d'une matrice de chrome saturée par du cuivre. Comme visible sur la figure 2, la partie enroulement 2 comprend deux parties concentriques 3 séparées entre elles d'un acier de grade élevé 6 qui rempli un évidement annulaire 5 qui s'étend verticalement. Sur une partie de la hauteur de chacune de ces parties 3 sont pratiquées des fentes rectilignes qui s'étendent radialement. Ces fentes sont réparties uniformément sur la périphérie et sont orientées selon la même inclinaison par rapport à l'axe du cylindre 2, sans intersecter ce dernier. La structure ainsi divulguée dans ce document permet d' augmenter la tenue mécanique des contacts.
Une autre solution existante est celle décrite dans la publication au nom de la société TOSHIBA, dans le manuel Proceedings ISDEIV 1998, pages 417-418, et intitulée « Physical and theoretical aspects of a new vacuum arc control technology ». Cette solution consiste en l'ajout d'un deuxième enroulement plus petit que le premier enroulement. L'inconvénient de cette solution est que les champs magnétiques générés par les enroulements décrits s'opposent mutuellement, ce qui tend à réduire considérablement le champ magnétique total effectif.
Pour résoudre ce problème, la demanderesse a proposé dans la demande de brevet FR 09 53852 déposée le 10 Juin 2009 et intitulée « CONTACT POUR AMPOULE A VIDE A MOYENNE TENSION A COUPURE D'ARC AMELIOREE, AMPOULE A VIDE ET DISJONCTEUR SECTIONNEUR D'ALTERNATEUR ASSOCIES », de monter un deuxième enroulement électriquement en parallèle avec le premier enroulement et adapté pour engendrer un champ magnétique qui se superpose au champ magnétique engendré par le premier enroulement .
Cette solution est globalement satisfaisante dans la mesure où elle permet d'augmenter et d'éviter l'affaissement du champ magnétique axial AMF en son centre en lui donnant un profil donné effectif sur toute la surface de contact d'extrémité.
Le brevet DE 195 13790 décrit un enroulement 33 destiné à engendrer un champ magnétique axial AMF dans un contact d'ampoule à vide, qui dans son mode de réalisation de la figure 5, comprend des fentes 50 en hélice de longueur limitée qui ne permet pas d'avoir un champ magnétique uniforme à la fois sur la surface des contacts de contrôle d' arc et dans l'espace entre les contacts de l'ampoule.
Le but de l'invention est de proposer une solution améliorée qui permette d'augmenter encore le champ magnétique axial AMF dans un contact électrique pour ampoule à vide à moyenne tension, tout en lui évitant de s'affaisser au centre du contact.
Un autre but de l'invention est d'améliorer l'uniformité du champ magnétique sur la surface des contacts et dans l'espace entre les contacts d'une ampoule à vide tout en réduisant le coût de fabrication .
EXPOSÉ DE L' INVENTION
Pour ce faire, l'invention concerne un enroulement à base d'un matériau de faible résistivité électrique, tel que le cuivre, et de diamètre typiquement supérieur à 90 mm, destiné à engendrer un champ magnétique dans un contact électrique pour ampoule à vide à moyenne tension, constitué d'un cylindre creux comprenant des fentes parallèles entre elles, dépourvues de matériau et réalisées en hélice autour de son axe longitudinal et débouchant à la fois dans le creux et à l'extérieur du cylindre.
Selon l'invention, la longueur angulaire de chaque hélice est au moins égale à 360°. On précise ici que la notion de « longueur angulaire » des hélices est à comprendre comme usuellement au sens mathématiques : ainsi, en considérant la projection d'une hélice sur un plan perpendiculaire à son axe, la longueur angulaire d'un hélice est la valeur de l'angle parcouru entre ses deux extrémités en suivant sa longueur.
En réalisant de manière méthodique des fentes en hélice parallèles entre elles avec une longueur angulaire au moins égale à 360°, on pallie les inconvénients des enroulements selon l'état de l'art.
En effet, les inventeurs ont pu constater que des enroulements à fente en hélice de longueur moindre selon l'état de l'art génèrent une non homogénéité des flux magnétiques au moment de la création de l'arc en une zone concentrée, en particulier en périphérie de contact qui en est muni. En effet, dans les enroulements selon l'état de l'art, le courant ne circule, au moins pendant une certaine durée, que dans une partie limitée des spires délimitées individuellement par deux fentes. Ceci est du au fait que l'arc peut démarrer à n'importe quel point de la surface (le dernier point de contact des deux électrodes avant leur séparation) . Il est en effet très rare voir impossible d'avoir plus d'un point de séparation entre les deux surfaces des deux contacts. L'autre partie des spires ne concoure peu ou pas à générer le flux magnétique total. C'est ce qui concentre le flux magnétique AMF alors que celui-ci devrait être réparti sur toute la surface de l'arc afin de diffuser l'arc. De plus, et même si l'arc arrive très rapidement à être alimenté par toutes les spires du contrôle d'arc, il subsiste des zones de faibles champs ou autrement dit des puits de champs créés par la discontinuité des spires entre elles. Ces zones de faibles champs augmentent le risque de constriction . Ces zones de non uniformité du champ magnétique d'un enroulement impliquent des zones de non uniformité du champ magnétique dans l'espace entre les deux contacts et sont donc des zones de perturbation du plasma lors d'une coupure de courant. La conséquence néfaste, est l'obtention d'une charge thermique non uniforme sur la surface des contacts. Pour des valeurs de courant de court-circuit importantes, ceci peut affecter les performances de coupure d'une ampoule à vide. Plus le diamètre du contrôle d' arc est grand, plus ces zones de faibles champs sont grandes. Plus le nombre de spires est petit, plus ces zones sont grandes (dans le cas d'une géométrie similaire à celle selon l'état de l'art de la figure 3) .
Le flux (champ) magnétique axial AMF engendré par un enroulement selon l'invention implanté dans un contact à moyenne tension est homogène, c'est-à-dire symétrique et constant, à la fois sur la surface du contact et dans l'espace entre contacts, et de valeur bien plus élevée que celles engendrées par des enroulements selon l'état de l'art.
Pour une valeur de longueur angulaire d' au moins 360°, un enroulement selon l'invention peut générer un flux magnétique axial AMF augmenté d'un facteur de 2 à 3 par rapport à celui généré par un enroulement selon l'état de l'art.
En outre, un enroulement selon l'invention permet d'augmenter l'endurance mécanique d'un contact 2, 3 de grande taille, typiquement compris entre 90 mm et 150 mm, qui l'incorpore.
De plus, la stabilité du contrôle d'arc AMF lors d'une coupure de courant est améliorée avec un enroulement selon l'invention. En effet, les inventeurs ont constaté que pour des longueurs d'enroulement inférieures à 360°, le champ magnétique AMF n'était pas nécessairement homogène au moment où l'arc se crée localement. Dans ce cas, le courant va, au moins pendant une certaine durée, circuler de manière préférentielle uniquement dans une ou deux spires de l'enroulement. Ainsi, les autres spires ne contribuent peu ou pas à l'obtention du champ magnétique total. Cela a pour résultat de localiser le champ magnétique AMF alors que pour qu'il soit efficace il doit être réparti sur la plus grande surface possible de contact. Ainsi, un enroulement selon l'invention avec des longueurs angulaires d'hélice des fentes au moins égal à 360° génère un champ magnétique AMF élevé et uniforme quelle que soit la position de l'arc initial. De préférence, la largeur de chaque fente est inférieure à 0.5 mm pour un diamètre externe 0ext du cylindre creux supérieur à 90 mm.
De préférence encore, chaque spire délimitée individuellement par deux fentes en hélices consécutives présente une section en coupe parallèlement à l'axe longitudinal de l'enroulement qui est sensiblement rectangulaire et identique sur toute la hauteur de l'enroulement.
Selon une caractéristique avantageuse, le nombre de fentes en hélice parallèles entre elles est au moins égal à deux, avantageusement égal à 6.
L' invention concerne également un procédé de réalisation d'un enroulement à base d'un matériau de faible résistivité électrique, tel que le cuivre, destiné à engendrer un champ magnétique dans un contact électrique pour ampoule à vide à moyenne tension, comprenant l'étape de réalisation d'un cylindre creux avec fentes en hélice autour de son axe longitudinal et débouchant à la fois dans le creux et à l'extérieur du cylindre, en étant dépourvues de matériau, étape selon laquelle la longueur angulaire de chaque hélice est au moins égale à 360°.
Avantageusement, les fentes en hélice de longueur angulaire supérieure ou égale à 300° sont réalisées par électroérosion. Le procédé de réalisation d'un enroulement selon l'invention a un coût réduit car le nombre d'opérations pour réaliser les fentes l'est.
Comparée à la géométrie de la figure 3, la nouvelle géométrie d'un enroulement selon l'invention ne présente qu'un nombre de six spires au lieu de douze. De plus, la réalisation des douze spires dans un enroulement selon l'état de l'art de la figure 3, nécessite un nombre égal (douze) de passages de coupes. Or, la réalisation des six spires dans la nouvelle géométrie de l'enroulement selon l'invention ne nécessite que trois passages de coupes. Ainsi, grâce à l'invention, il y a un facteur de réduction égal à quatre dans le nombre de passages de coupes.
L' invention concerne également un contact électrique pour ampoule à vide à moyenne tension s' étendant selon un axe longitudinal Y et comprenant :
- une partie de connexion mécanique qui s'étend selon l'axe longitudinal Y,
- un corps de contact comprenant :
· un premier enroulement tel que décrit précédemment,
• une plaque circulaire de même diamètre que celui extérieur du premier cylindre creux, ladite plaque étant également centrée sur l'axe longitudinal Y et solidarisée à l'extrémité du premier cylindre creux opposée à celle solidarisée à la partie de connexion mécanique .
Selon une variante, les hélices des fentes du premier enroulement sont de type dextre depuis la partie de connexion mécanique jusqu'à la plaque circulaire de contact. On précise ici que le terme « dextre » est celui utilisé en mathématiques et signifie qu'un observateur placé à l'extérieur du contact voit les hélices montées de gauche à droite depuis la partie de connexion mécanique vers la plaque circulaire . Selon un mode de réalisation avantageux, le contact comprend un deuxième enroulement et dont l'agencement fait l'objet de la demande de brevet FR 09 53852 déposée le 10 Juin 2009 par la demanderesse et intitulée « CONTACT POUR AMPOULE A VIDE A MOYENNE TENSION A COUPURE D'ARC AMELIOREE, AMPOULE A VIDE ET DISJONCTEUR, TEL QU'UN DISJONCTEUR SECTIONNEUR D'ALTERNATEUR ASSOCIES ».
Ce deuxième enroulement est ainsi monté électriquement en parallèle avec le premier enroulement et adapté pour engendrer un champ magnétique qui se superpose au champ magnétique engendré par le premier enroulement .
Selon une première variante, le deuxième enroulement peut être constitué par un enroulement selon l'invention, avec une longueur angulaire de chaque fente au moins égale à 360°.
Le deuxième cylindre creux est alors centré sur l'axe longitudinal Y, agencé concentriquement au premier cylindre, en ayant une extrémité solidarisée à la partie de connexion mécanique et l'autre extrémité solidarisée à la plaque circulaire, les creux des cylindres étant dépourvus de matériau.
Les hélices des fentes du deuxième enroulement peuvent être de type dextre depuis la partie de connexion mécanique jusqu'à la plaque circulaire de contact.
Le mode de fabrication utilisé (électroérosion par fil) permet la réalisation du deuxième enroulement en même temps que l'enroulement principal et en taillant dans le même bloc de matière. Il n'y a donc pas de pièce ni de passage de coupe supplémentaire .
Selon un mode de réalisation avantageux, le contact comprend au moins une colonnette telle que revendiquée dans la demande de brevet FR 09 53853 déposée le 10 Juin 2009 par la demanderesse et intitulée « CONTACT POUR AMPOULE A VIDE A MOYENNE TENSION A STRUCTURE RENFORCEE, AMPOULE A VIDE ET DISJONCTEUR, TEL QU'UN DISJONCTEUR SECTIONNEUR D'ALTERNATEUR ASSOCIES ». La colonnette est ainsi distincte de (s) l'enroulement (s) et agencée, dans le creux du premier cylindre, en entretoise entre la partie de connexion mécanique et la plaque circulaire du corps de contact de manière à éviter l'effondrement de cette dernière lors d'une manœuvre de fermeture et dans la position de fermeture de l'ampoule à vide, la (les) colonnette ( s ) ayant une forte résistivité électrique telle que lorsqu'un courant donné circule dans le contact, la quantité de courant qui circule dans la (les) colonnette ( s ) est négligeable par rapport à celle qui circule dans l' (les) enroulement ( s ) .
Le diamètre extérieur du premier enroulement et de la plaque circulaire est compris entre 90 et 150 mm, ce qui convient parfaitement pour une application dans laquelle les courants de court- circuit à couper ont une valeur supérieure ou égale à 63 kA, typiquement jusqu'à 100 kA.
L' invention concerne également une ampoule à vide à moyenne tension comprenant au moins un contact électrique décrit précédemment. L'ampoule à vide peut comprendre une paire de contacts électriques avec un contact fixe décrit précédemment et un contact mobile décrit précédemment.
De préférence, dans l'ampoule à vide, les fentes des enroulements de longueur angulaire supérieure à 360° débouchent du côté de l'espace de séparation entre contacts où se forme l'arc lors de la coupure de courant .
L' invention concerne également un disjoncteur, tel qu'un disjoncteur sectionneur d' alternateur comprenant au moins une ampoule à vide comme ci-dessus.
En fonction de l'application, une ampoule à vide selon l'invention pourra ou non être traversée par le courant nominal de charge et bien sûr par le courant de court-circuit en cas de défaut.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue en coupe verticale partielle d'une ampoule à vide moyenne tension conforme à l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique réalisée au niveau des contacts d'une ampoule à vide moyenne tension et montrant le champ magnétique généré par un contact électrique intégrant un enroulement selon l'état de l'art (courbe en pointillés), - la figure 3 est une vue en coupe transversale réalisée au niveau d'un enroulement à base de cuivre selon l'état de l'art et projetée dans un plan,
- la figure 3A est une illustration graphique de l'allure et du niveau du champ magnétique généré par un contact électrique intégrant un enroulement selon la figure 3,
- la figure 4 est une vue en perspective d'un enroulement selon un mode de réalisation de
1 ' invention,
- la figure 5 est une vue en perspective d'un enroulement selon un autre mode de réalisation de 1 ' invention,
- la figure 5A est une illustration graphique de l'allure et du niveau du champ magnétique généré par un contact électrique intégrant un enroulement selon la figure 5,
- la figure 6 est une illustration graphique de l'allure et du niveau du champ magnétique généré par un contact électrique intégrant un enroulement selon l'invention et un enroulement selon l'état de l'art.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Telle que représentée en figure 1, une ampoule à vide 1 conforme à l'invention s'étend selon un axe longitudinal Y et comprend essentiellement une paire de contacts dont l'un 2 est fixe et l'autre 3 est mobile entre une position ouverte (voir la partie représentée à droite) et une position fermée (voir la partie représentée à gauche) sous l'action d'une tige de manœuvre 4. Les contacts 2 et 3 sont de grande taille (diamètre > 35 mm) .
La séparation des contacts 2, 3 dans une ampoule à vide a usuellement pour but de couper un arc de courant susceptible de se produire dans l'espace 5 de séparation entre ces contacts.
Quelle que soit la position fermée ou ouverte des contacts 2, 3, ceux-ci sont agencés dans un écran 6 lui-même à l'intérieur de l'enveloppe 7 de l'ampoule à l'intérieur de laquelle le vide règne.
La coupure de courants alternatifs de valeur élevée nécessite un contrôle de l'arc qui se crée .
Les moyens de contrôle de l'arc sont usuellement partis intégrante de l'ampoule à vide. Ils doivent donc assurer que la densité d'énergie de l'arc au niveau des contacts 2, 3 reste en dessous de limites acceptables pour pouvoir couper le courant et tenir la tension transitoire de rétablissement TTR.
Un type de contrôle d' arc connu est couramment appelé contrôle d' arc par champ magnétique axial (en anglais Axial Magnetic Field AMF) .
Ces moyens de contrôle d' arc par champ magnétique axial AMF consistent à créer un champ magnétique parallèlement à l'axe longitudinal Y de 1 ' ampoule 1.
Ces moyens de contrôle d' arc AMF sont supposés empêcher une contraction de l'arc et, en conséquence l'élargir sur une zone des surfaces des contacts en regard l'un de l'autre qui est la plus large possible. Cela a normalement pour résultat de distribuer l'énergie de l'arc sur une surface plus grande et donc permettre la coupure du courant au zéro naturel du courant alternatif.
Autrement dit, des moyens de contrôle d'arc
AMF efficaces exigent l'obtention d'un champ magnétique réellement généré par l'enroulement qui soit élevé et réparti uniformément afin de diffuser l'arc efficacement sur les surfaces des contacts en regard l'une de l'autre.
Ces moyens de contrôle d'arc AMF sont ainsi constitués par au moins un élément sous la forme d'une bobine ou autrement dit enroulement à base de cuivre qui est un cylindre 8 creux agencé comme représenté sur la figure 2, qui s'étend à la périphérie du contact.
Le creux 80 de l'enroulement 8 est dépourvu de matériau. L'enroulement cylindrique creux 8 comprend des fentes 81 réalisées en hélice autour de l'axe longitudinal Y et débouchant à la fois sur l'intérieur et sur l'extérieur du cylindre 8. L'espace entre deux fentes consécutives 81 définit une spire 82.
Chaque contact 2, 3 comprend une partie connexion mécanique 20, 30 et un corps de contact 21, 31 solidarisé à cette connexion mécanique.
Le corps 21, 31 comprend l'enroulement 8 et une partie électrode 22, 32 sous la forme d'une plaque circulaire. Cette plaque 22 ou 32 constitue la surface de contact physique mutuel avec l'autre plaque 32 ou 22 lorsque les contacts sont en position fermée. Ces surfaces de contact 22, 32 sont donc les surfaces sur lesquelles l'arc doit être diffusé le plus uniformément et le plus largement possible.
Les enroulements 8 sont solidarisés chacun à la fois à la partie de connexion mécanique 20 ou 30 et à la plaque circulaire 22 ou 32.
Typiquement, les enroulements 8 et les parties d'électrodes 22, 32 selon l'invention ont un diamètre extérieur compris entre 90 et 150 mm dans des applications dans lesquelles le courant à couper a une valeur supérieure ou égale à 63kA, par exemple 80 kA ou au-dessus .
Une telle application particulièrement visée est celle où l'ampoule à vide est utilisée en tant que disjoncteur d'alternateur en sortie de centrale de production d'énergie.
La figure 3 est un exemple de représentation schématique en vue de coupe transversale d'un enroulement 8 selon l'état de l'art, la coupe étant projetée dans un même plan.
Selon cette coupe, on voit que les parties de fentes 81 sont uniformément réparties sur le diamètre de l'enroulement 8 (au nombre de 12) et toutes de même dimension. La longueur angulaire d'une fente 81 est a de l'ordre de 115°. Cette configuration correspond à celle décrite dans la demande de brevet au nom de la demanderesse FR 09 53855 déposée le 10 Juin 2009 et intitulée : « ENROULEMENT POUR CONTACT D'AMPOULE A VIDE A MOYENNE TENSION A ENDURANCE AMELIOREE, AMPOULE A VIDE ET DISJONCTEUR, TEL QU'UN DISJONCTEUR SECTIONNEUR D'ALTERNATEUR ASSOCIES ». La figure 3A illustre l'allure et le niveau du champ magnétique AMF obtenu par un contact électrique intégrant un enroulement selon la figure 3 c'est-à-dire avec des fentes réalisées en hélice mais avec une longueur angulaire (X limitée à 115°. On précise ici que le contact est traversé par un courant I N de valeur normalisée. L'abscisse X de la courbe illustrée représente l'axe X radial du contact 2. Le champ magnétique ainsi illustré AMF est le long de cet axe radial X .
Comme indiquée en ordonnées la valeur maximale du champ AMF obtenue est de l'ordre de 6.5.
Le champ magnétique total effectif obtenu avec un enroulement selon l'état de l'art (figure 3) avec une longueur angulaire de fentes de l'ordre de 115° a donc une valeur globalement élevée et présente un très faible affaissement au centre ( X=0) .
Les inventeurs ont cherché à augmenter encore la valeur du champ magnétique. La problématique de l'invention est en d'autres termes d'engendrer un champ magnétique de valeur élevée en améliorant son uniformité à la surface de contact et en réduisant le coût de fabrication.
Pour augmenter le champ magnétique total effectif dans le contact, pour des contacts 2, 3 de diamètre important (compris entre 90 et 150 mm) , les inventeurs ont ainsi pensé à augmenter la longueur angulaire de l'hélice de chaque fente 81.
La figure 4 illustre un premier mode de réalisation d'un enroulement selon l'invention. L'enroulement est constitué d'un cylindre creux 8 qui comprend deux fentes 810, 811 parallèles entre elles et réalisées en hélice. Chaque hélice 810, 811 a une longueur angulaire approximativement de l'ordre de 360°. Cette longueur angulaire de 360° correspond à l'angle parcouru par chaque hélice 810, 811 entre ses deux extrémités 8100, 8101 respectivement 8110, 8111 en suivant sa longueur. Les extrémités 8101, 8111 des fentes 810, 811 qui débouchent sur la partie supérieure du cylindre 8 sont diamétralement opposées. Les spires 82 du cylindre creux 8 délimitées individuellement par les deux fentes 810, 811 ont par ailleurs sensiblement la même hauteur dans leur partie centrale avec des extrémités 820 de hauteur moindre, typiquement h de l'ordre de 1 mm. Le courant I qui traverse l'enroulement 8 circule ainsi selon une hélice de type dextre en faisant un tour complet sur toute la hauteur du cylindre 8.
La figure 5 illustre un autre mode de réalisation d'un enroulement selon l'invention. Le cylindre creux 8 constituant l'enroulement comprend six fentes 810, 811, 812, 813, 814, 815 parallèles entre elles et réalisées en hélice. Chaque hélice 810-815 a, tout comme le mode de réalisation de la figure 4 une longueur angulaire de l'ordre de 360°. Les extrémités 8101, 8111, 8121, 8131, 8141 et 8151 qui débouchent sur la partie supérieure du cylindre 8 sont réparties uniformément, c'est-à-dire en étant distantes l'une de 1 ' autre de 60 ° .
La figure 5A illustre l'allure et le niveau du champ magnétique AMF obtenu par un contact électrique intégrant un enroulement selon la figure 5 c'est-à-dire avec les six fentes 810-815 réalisées en hélice et avec chacune une longueur angulaire de l'ordre de 360°. On précise ici que les conditions d'essais sont les mêmes que pour le contact avec enroulement selon l'état de l'art (figure 3) : mêmes dimensions d'enroulement 8, même agencement par rapport au partie de connexion mécanique 20 et plaque circulaire 22 de contact et même valeur normalisée du courant IN qui traverse l'enroulement.
Les allures des champs obtenus respectivement en figure 3A et 5A sont identiques.
Par contre, comme indiquée en ordonnées en figure 5A, la valeur maximale du champ AMF obtenue pour l'enroulement selon l'invention est de l'ordre de 19.5.
Ainsi, le gain de valeur du champ magnétique AMF grâce à l'invention est égal à 3 (rapport entre la valeur maximale de 19.5 de la figure 5A et la valeur maximale de 6.5 de la figure 3A) .
On a réalisé un autre contact électrique selon l'invention: il comprend une premier enroulement réalisé selon la figure 5 et un deuxième enroulement comme revendiqué dans la demande de brevet FR 09 53852 déposée le 10 Juin 2009 par la demanderesse et intitulée « CONTACT POUR AMPOULE A VIDE A MOYENNE TENSION A COUPURE D'ARC AMELIOREE, AMPOULE A VIDE ET DISJONCTEUR, TEL QU'UN DISJONCTEUR SECTIONNEUR D'ALTERNATEUR ASSOCIES ».
Le deuxième enroulement 9 est agencé de manière concentrique dans le premier enroulement 8. Ce deuxième enroulement 9 est ainsi monté électriquement en parallèle avec le premier enroulement 8 et il adapté pour engendrer un champ magnétique qui se superpose au champ magnétique engendré par le premier cylindre 8.
Il consiste en un deuxième cylindre creux 9 comprenant des fentes (non représentées) réalisées en hélice autour de son axe et débouchant à la foi sur l'intérieur et l'extérieur du cylindre. Ce deuxième cylindre creux 9 est centré sur l'axe longitudinal Y, agencé concentriquement au premier cylindre 8, en ayant une extrémité solidarisée à la partie de connexion mécanique 20 et l'autre extrémité solidarisée à la plaque circulaire 22.
Les deux enroulements 8 et 9 sont montés électriquement en parallèle : ainsi les deux cylindres sont solidarisés à la base de connexion 20 et à la plaque d'électrode 22.
Par contraste avec l'enroulement 8 selon l'invention, chaque hélice des fentes du deuxième enroulement 9 est réalisée avec une longueur angulaire d' au moins 360°.
De préférence, les fentes de longueur angulaire d'au moins 360° débouchent sur la plaque 22 ou 32, c'est-à-dire dans l'espace de séparation 5 des entre contacts 2, 3 où se forme l'arc lors de la coupure de courant .
La figure 6 illustre l'allure et le niveau du champ magnétique AMF obtenu par un contact électrique intégrant les deux enroulements 8 et 9 comme décrit ci-dessus. On précise ici que les conditions d'essais sont les mêmes que pour le contact avec enroulement selon l'état de l'art (figure 3) : mêmes dimensions d'enroulement 8, même agencement par rapport au partie de connexion mécanique 20 et plaque circulaire 22 de contact et même valeur normalisée du courant IN qui traverse l'enroulement.
Les allures des champs obtenus respectivement en figure 3A et 6 sont différentes. Ainsi, l'agencement d'un deuxième enroulement 9 comme décrit ci-dessus permet d'obtenir un champ magnétique AMF sans aucun affaissement au centre du contact qui en est muni .
Par contre, comme indiquée en ordonnées en figure 6, la valeur maximale du champ AMF obtenue pour le contact selon l'invention est de l'ordre de 19.
Ainsi, le gain de valeur du champ magnétique AMF grâce à l'invention est ici de l'ordre de 2.9 (rapport entre la valeur maximale de 19 de la figure 6 et la valeur maximale de 6.5 de la figure 3A) .
L'invention qui vient d'être décrite permet d' obtenir les avantages suivants :
- augmenter le champ magnétique AMF d'un facteur pouvant aller de 2 à 3 par rapport aux champs magnétiques AMF obtenus avec des enroulements selon l'état de l'art,
- améliorer la répartition du champ magnétique engendré par un enroulement selon l'invention: l'enroulement engendre un champ magnétique mieux réparti sur la surface de contact au moment de l'ignition de l'arc, ce qui permet une coupure efficace des courants d'arc, - réduire le parcours des courants de Foucault induits par le courant alternatif lorsqu' il traverse le contrôle d'arc. Comme il est connu, ces courants induits génèrent un champ magnétique qui s'oppose au champ magnétique axial utile à la coupure : les fentes selon l'invention débouchant sur la surface créent une discontinuité de la surface du contact, ce qui réduit le parcours des courants de Foucault induits ,
- simplifier le procédé de réalisation de l'enroulement et réduire ainsi le coût y afférent, la réalisation des fentes par électroérosion deux par deux ou quatre par quatre (dans le cas d'un enroulement supplémentaire intérieur) étant plus simple,
- obtenir des fentes de largeur inférieure au mm par le procédé d' électroérosion,
- augmenter la stabilité mécanique d'un contact d'une ampoule à vide comprenant un enroulement selon l'invention. L'augmentation des longueurs de fente et leur épaisseur constante augmente de fait la longueur des spires, et donc la stabilité mécanique. Cette stabilité mécanique permet de répondre aux standards ANSI ou CEI. L'endurance mécanique de l'ampoule à vide s'en trouve améliorée significativement jusqu'à permettre la réalisation de 30000 cycles d'ouverture/fermeture. La longueur angulaire des spires avantageusement supérieure ou égale à 360°, se traduit par une longueur linéaire des spires supérieure à celle dans les bobines selon l'état de l'art. La résistance électrique des spires s'en trouve augmentée. Ceci est un inconvénient mineur de l'invention par rapport à une géométrie selon l'état de l'art similaire à celle de la figure 3, étant donné que l'augmentation de la résistance est faible. Et la contribution des enroulements à la résistance totale de l'ampoule à vide est minime. De plus, dans le cas ou l'ampoule à vide n'est sollicitée que pour couper le courant de court circuit et non pas de conduire le courant nominal de façon permanente, la résistance de l'ampoule à vide n'a aucun effet sur 1 ' échauffement du disjoncteur.
- optimiser (réduire) la taille et le coût de l'enroulement du fait de la meilleure stabilité du contrôle d' arc AMF,
- s'affranchir de l'ajout de matériaux ferromagnétiques supplémentaires susceptibles de conduire à la détérioration du contrôle d'arc,
- s'affranchir de la réalisation de fentes à la surface de contact 22 susceptibles de réduire la tenue ou performance diélectrique ou de modifier les caractéristiques électriques par érosion des contacts.
D'autres améliorations sont possibles dans le cadre de l'invention, à savoir réaliser un enroulement 8 avec des fentes 81 parallèles entre elles et réalisées en hélice de longueur angulaire au moins égale à 360°. Comme décrit au moins en partie ci- dessus, il est possible de réaliser un contact électrique 2, 3 qui intègre l'enroulement selon l'invention et en outre :
- un deuxième enroulement 9 comme décrit et revendiqué dans la demande de brevet FR 09 53852 déposée le 10 Juin 2009 et intitulée « CONTACT POUR AMPOULE A VIDE A MOYENNE TENSION A COUPURE D'ARC AMELIOREE, AMPOULE A VIDE ET DISJONCTEUR, TEL QU'UN DISJONCTEUR SECTIONNEUR D'ALTERNATEUR ASSOCIES »,
- au moins une colonnette 7 comme décrit et revendiqué dans la demande de brevet FR 09 53853 déposée le 10 Juin 2009 et intitulée « CONTACT POUR AMPOULE A VIDE A MOYENNE TENSION A STRUCTURE RENFORCEE, AMPOULE A VIDE ET DISJONCTEUR, TEL QU'UN DISJONCTEUR SECTIONNEUR D'ALTERNATEUR ASSOCIES »,
avec une largeur de fentes 81 inférieure au mm comme décrit et revendiqué dans la demande de brevet FR 09 53855 déposée le 10 Juin 2009 et intitulée « ENROULEMENT POUR CONTACT D'AMPOULE A VIDE A MOYENNE TENSION A ENDURANCE AMELIOREE, AMPOULE A VIDE ET DISJONCTEUR, TEL QU'UN DISJONCTEUR SECTIONNEUR D'ALTERNATEUR ASSOCIES ».

Claims

REVENDICATIONS
1. Enroulement (8) à base d'un matériau de faible résistivité électrique, tel que le cuivre, et de diamètre typiquement supérieur à 90 mm, destiné à engendrer un champ magnétique dans un contact électrique (2, 3) pour ampoule à vide (1) à moyenne tension, constitué d'un cylindre creux (8) comprenant des fentes (81) parallèles entre elles, dépourvues de matériau et réalisées en hélice autour de son axe longitudinal et débouchant à la fois dans le creux et à l'extérieur du cylindre, enroulement dans lequel la longueur angulaire de chaque hélice est au moins égale à 360° .
2. Enroulement selon la revendication 1, dans lequel la largeur de chaque fente est de 0.5 mm à 1 mm pour un diamètre externe 0ext du cylindre creux supérieur à 90 mm.
3. Enroulement selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque spire délimitée individuellement par deux fentes en hélices consécutives présente une section en coupe parallèlement à l'axe longitudinal de l'enroulement qui est sensiblement rectangulaire et identique sur toute la hauteur de l'enroulement.
4. Enroulement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le nombre de fentes en hélice parallèles entre elles est au moins égal à deux.
5. Enroulement selon la revendication 4, dans lequel le nombre de fentes en hélice parallèles entre elles est égal à 6.
6. Procédé de réalisation d'un enroulement à base d'un matériau de faible résistivité électrique, tel que le cuivre, destiné à engendrer un champ magnétique dans un contact électrique (2, 3) pour ampoule à vide (1) à moyenne tension, comprenant l'étape de réalisation d'un cylindre creux avec fentes en hélice autour de son axe longitudinal et débouchant à la fois dans le creux et à l'extérieur du cylindre, en étant dépourvues de matériau, étape selon laquelle la longueur angulaire de chaque hélice est au moins égale à 360 ° .
7. Procédé de réalisation d'un enroulement selon la revendication 6, selon lequel les fentes en hélice de longueur angulaire supérieure ou égale à 360° sont réalisées par électroérosion.
8. Contact électrique (2, 3) pour ampoule à vide (1) à moyenne tension s' étendant selon un axe longitudinal Y et comprenant :
- une partie de connexion mécanique (20,
30) qui s'étend selon l'axe longitudinal Y,
- un corps de contact (21, 31) comprenant: • un premier enroulement selon l'une des revendications 1 à 6,
· une plaque circulaire (22, 32) de même diamètre que celui extérieur du premier cylindre creux, ladite plaque (22, 32) étant également centrée sur l'axe longitudinal Y et solidarisée à l'extrémité du premier cylindre creux opposée à celle solidarisée à la partie de connexion mécanique.
9. Contact électrique (2, 3) selon la revendication 8, dans lequel les hélices des fentes du premier enroulement sont de type dextre depuis la partie de connexion mécanique jusqu'à la plaque circulaire de contact.
10. Contact électrique (2, 3) selon la revendication 8 ou 9, comprenant un deuxième enroulement (9, 10) monté électriquement en parallèle avec le premier enroulement (8) et adapté pour engendrer un champ magnétique qui se superpose au champ magnétique engendré par le premier enroulement (8) .
11. Contact électrique (2, 3) selon la revendication 11, dans lequel le deuxième enroulement est un enroulement selon l'une des revendications 1 à 5, le deuxième cylindre creux (9) étant centré sur l'axe longitudinal Y, agencé concentriquement au premier cylindre (8), en ayant une extrémité solidarisée à la partie de connexion mécanique et l'autre extrémité solidarisée à la plaque circulaire (22, 32), les creux (80, 90) des cylindres étant dépourvus de matériau.
12. Contact électrique (2, 3) selon la revendication 11, dans lequel les hélices des fentes du deuxième enroulement sont de type dextre depuis la partie de connexion mécanique jusqu'à la plaque circulaire de contact.
13. Contact électrique (2, 3) selon l'une des revendications 8 à 12, comprenant au moins une colonnette (7) distincte de (s) 1 ' enroulement ( s ) et agencée, dans le creux du premier cylindre (8), en entretoise entre la partie de connexion mécanique (20, 30) et la plaque circulaire (22, 32) du corps de contact de manière à éviter l'effondrement de cette dernière lors d'une manœuvre de fermeture et dans la position de fermeture de l'ampoule à vide, la (les) colonnette ( s ) ayant une forte résistivité électrique telle que lorsqu'un courant donné circule dans le contact, la quantité de courant qui circule dans la (les) colonnette ( s ) est négligeable par rapport à celle qui circule dans l' (les) enroulement ( s ) .
14. Contact électrique selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, dans lequel le diamètre extérieur du premier enroulement et de la plaque circulaire est compris entre 90 et 150 mm.
15. Ampoule à vide (1) à moyenne tension comprenant au moins un contact électrique (2, 3) selon l'une des revendications 8 à 14.
16. Ampoule à vide (1) selon la revendication 15, comprenant une paire de contacts électriques avec un contact fixe (2) selon l'une quelconque des revendications 8 à 14 et un contact mobile (3) selon l'une quelconque des revendications 8 à 14.
17. Ampoule à vide (1) selon la revendication 15 ou 16, dans laquelle les fentes (81) des enroulements de longueur supérieure ou égale à 360° débouchent du côté de l'espace de séparation (5) entre contacts (2, 3) où se forme l'arc lors de la coupure de courant .
18. Disjoncteur, tel qu'un disjoncteur sectionneur d' alternateur comprenant au moins une ampoule à vide (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 17.
19. Utilisation d'une ampoule à vide selon l'une des revendications 15 à 17 selon laquelle elle est traversée par un courant de court-circuit en cas de défaut et le cas échéant le courant nominale de charge.
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