EP2565889A1 - Appareil de coupure électrique à haute tenue électrodynamique - Google Patents

Appareil de coupure électrique à haute tenue électrodynamique Download PDF

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EP2565889A1
EP2565889A1 EP12360064A EP12360064A EP2565889A1 EP 2565889 A1 EP2565889 A1 EP 2565889A1 EP 12360064 A EP12360064 A EP 12360064A EP 12360064 A EP12360064 A EP 12360064A EP 2565889 A1 EP2565889 A1 EP 2565889A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
movable contact
fixed contacts
current loop
current
forces
Prior art date
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Granted
Application number
EP12360064A
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German (de)
English (en)
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EP2565889B1 (fr
Inventor
Marc Serpinet
Yves Trichard
Arnaud Marchal
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Socomec SA
Original Assignee
Socomec SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Socomec SA filed Critical Socomec SA
Publication of EP2565889A1 publication Critical patent/EP2565889A1/fr
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Publication of EP2565889B1 publication Critical patent/EP2565889B1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
    • H01H1/20—Bridging contacts
    • H01H1/2083—Bridging contact surfaces directed at an oblique angle with respect to the movement of the bridge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/50—Manual reset mechanisms which may be also used for manual release
    • H01H71/56—Manual reset mechanisms which may be also used for manual release actuated by rotatable knob or wheel

Definitions

  • the present invention relates to a high electrodynamic power cut-off device provided with a control module associated with at least one cut-off module corresponding to a phase of an electrical network, this cut-off module comprising at least one moving contact associated with at least one pair of fixed contacts, said movable contact being coupled to an actuation mechanism controlled by said control module to be displaced between at least one triggered position in which the moving contact is remote from the fixed contacts and the electrical circuit is open , and an engaged position in which the movable contact bears against the fixed contacts and the electrical circuit is closed.
  • electrical switchgear devices When two electrical conductors are pressed against each other, they form a point or a contact area allowing the electric current to pass from one conductor to the other.
  • the passage of the electric current produces a heating at the point of contact which depends on the nature of the conductors, the pressure force on the conductors and the intensity of the current flowing through the point of contact.
  • repulsive forces tend to separate the two conductors simultaneously from the point of contact.
  • electrical switchgear devices are provided with return means arranged to exert an effort presser (Fp) on at least one of the drivers and press against the other.
  • the limit of the electrodynamic resistance is reached when the repulsion force (Fr) becomes greater than the pressing force (Fp) or when the heating produced by the current at the point of contact causes the melting of the metal which results in a welding of the two conductors during cooling.
  • the pressure force Fp of a return spring is used.
  • the electrodynamic resistance remains low.
  • the increase of the pressing force Fp which is proportional to 12 finds its limit in the implementation of the actuating mechanism of the moving contacts.
  • the combination of the pressing force Fp of a return spring and a so-called compensation force (Fc) generated by the current itself is used.
  • the current lines induce in the conductors electromagnetic forces called Laplace forces.
  • the two fixed contacts are bridged by two parallel and opposite mobile contacts.
  • the two parallel mobile contacts are each traversed by half the current which generates Laplace forces or Fc compensation forces proportional to the product of the currents through each contact.
  • These compensating forces Fc oppose the repulsion forces Fr and tend to bring the two moving contacts together, and thus to press them on the fixed contacts.
  • the electrodynamic resistance is high.
  • these movable contacts are generally placed in the closed position on the fixed contacts by sliding according to a displacement force Fd perpendicular to the forces Fp and Fc.
  • An input chamfer is then provided to facilitate the insertion of the fixed contacts between the movable contacts and ensure a wear race and a sufficient contact pressure.
  • the compensation forces Fc appear as soon as the contacts are approached on the input chamfer, and generate additional forces to be overcome in order to obtain a complete closure of the contacts.
  • the Closing power of a switchgear is limited by these parasitic forces if their level becomes such that they stop the movement of the moving contacts before the complete rise of the input chamfer. It follows a destruction of contacts.
  • the present invention aims at overcoming these drawbacks by proposing an electrical switching device whose breaking modules are configured according to a new internal architecture in which the compensation forces Fc do not oppose the displacement Fd of the moving contacts but on the contrary the accompanying in the direction of closure of the contacts, the resulting contact pressure is sufficient to avoid the problems of local melting and soldering contacts, and the damaging effects of the electric arc on closing and opening are reduced or even eliminated so that the power cut remains possible regardless of its intensity (from 0 to 10xI nominal) and the type of current (continuous or alternating).
  • the invention relates to an electrical breaking device of the kind indicated in the preamble, characterized in that the fixed contacts and the movable contact are arranged in an architecture forming an omega-shaped current loop symmetrical with respect to a median axis so that the so-called Laplace electromagnetic forces, called compensation forces, generated by the flow of current in said current loop, when said breaking module is in the engaged position, are oriented in a direction from the inside towards the outside of the current loop, and in that said movable contact is arranged to move inside the current loop, from its triggered position to its engaged position in a direction which is identical to the direction of said forces compensation, ie a direction from the inside to the outside of the current loop, the direction of the compe nsation and displacement forces of said movable contact being merged with the median axis of said current loop.
  • the fixed contacts and the movable contact respectively comprise contact zones through which the current flows when said breaking module is in the engaged position, said contact zones being able to be included in a plane perpendicular to said central axis or each in a plane inclined with respect to this median axis.
  • said plane is inclined with respect to said median axis at an angle substantially equal to 45 °.
  • the movable contact may comprise a central boss which, when said breaking module is in the engaged position, extends in the free space between said fixed contacts outside said current loop and is arranged to move the arc. electrical generated by the current at the opening of said electric circuit in the direction of said compensation forces.
  • It can also be associated with an insulating screen, which when said cutoff module is in the engaged position, extends in the free space between said fixed contacts outside said current loop and is arranged to stretch the arc electrical generated by the current at the opening of said electrical circuit.
  • said breaking module is completed by fractionating chambers disposed outside said current loop and arranged to receive and extinguish the electric arc when it has left said movable contact.
  • the electrical switching device 1 referred to in the invention usually consists of a control module 2 associated with one or more cutoff modules 3 each corresponding to a phase of an electrical network.
  • the device 1 comprises three cut-off modules 3.
  • Each cut-off module 3 comprises in known manner an insulating housing 30 inside which are housed at least two fixed contacts 4 extended outside said housing by connection terminals 40, and at least one movable contact 5 coupled to an actuating mechanism 6 controlled by the control module 2 to be displaced between at least one triggered position in which it is remote from the fixed contacts and the electrical circuit is open, and an engaged position in which it bears against the fixed contacts and the electrical circuit is closed.
  • the control module 2 can be operated manually by a handle 20 and / or automatically by a motor (not shown).
  • the cut-off device 1 comprises in the example shown fractionating chambers 7 arranged above the fixed contacts 4 and the moving contact 5 for capturing and extinguishing the electric arc that is generated by the current at each change of state of said apparatus.
  • the cut-off device 1 is distinguished from the state of the art by the internal architecture of its cut-off modules 3 as shown in more detail in FIGS. Figures 2 and 3 .
  • the fixed contacts 4 and the moving contact 5 are arranged to form a current loop so that the so-called Laplace electromagnetic forces, called compensating forces Fc, generated by the circulation of the current I in the current loop (shown in broken lines). on the figure 2 ) are oriented in a direction from the inside to the outside of the current loop having the effect of pressing the movable contact 5 on the fixed contacts 4 in the engaged position.
  • the actuating mechanism 6 is arranged to move the movable contact 5 from its tripped position to its engaged position, within said current loop, in a direction Fd identical to the direction of the compensation forces Fc.
  • the compensation forces Fc generated by the current I which are proportional to the square of the current I, are added to, and do not conflict with, the displacement forces Fd of the movable contact 5 in the direction of the closure of the contact.
  • This architecture makes it possible to limit the energy required to move the moving contacts 5, thus reducing the size of the control module 2, and to reduce manufacturing costs.
  • This architecture also makes it possible, as explained below, to facilitate and accelerate the movement of the electric arc that is created when the electric circuit is opened towards the fractionating chambers 7.
  • the current loop has an omega-shaped geometry, symmetrical with respect to a median axis A coincides with the displacement axis Fd of the movable contact 5 and at the point of application of the compensation forces Fc .
  • the conductive parts forming the fixed contacts 4 are rigidly fixed to the housing 30, are folded approximately S, arranged in opposition and separated by a free median space.
  • the conductive part forming the movable contact 5 has a width greater than the free space between the two fixed contacts 4 for, in the engaged position, to be pressed against the fixed contacts 4.
  • These conductive parts each offer a contact area C situated in a plane inclined with respect to the central axis A d an angle ⁇ substantially equal to 45 °.
  • the contact areas C can be included in a plane inclined with respect to the median axis A at an angle ⁇ which can be between 0 ° and 90 ° in which the value 0 ° is excluded.
  • the advantage of an angle of 45 ° makes it possible to minimize the repulsion forces Fr associated with the passage of the current I in the contact zones C and opposing the compensating forces Fc. These repulsion efforts Fr are reduced to their Fry component, which is a value of 0.707 times the value of Fr.
  • This architecture thus makes it possible to reduce the dimensions of the current loop, and therefore the volume of copper required, and to reduce manufacturing costs.
  • the stroke of the movable contacts 5 must be greater than 1,414 times the stroke if the contact areas C are at 90 ° of the central axis A.
  • the actuating mechanism 6 of the movable contacts 5 comprises a drive shaft 60 rotatably connected to the handle 20 by an angle gear (not visible) and / or controlled by a second member (no shown) nested in the square bore 61.
  • a system for converting the rotational movement of the drive shaft 60 into a translation movement makes it possible to move a carriage 64 carrying the movable contact 5 in the median axis A.
  • This The motion transformation system comprises a pair of hinged rods 62, 63, but any other equivalent means is conceivable.
  • the first link 62 is integral with the drive shaft 60 and rotatably coupled to the second link 63 by a first link B1.
  • the second connecting rod 63 is coupled in rotation with the carriage 64 by a second articulation B2.
  • the carriage 64 is guided in translation relative to the housing 30 by means of rails, ribs or any other equivalent means.
  • a return member 65 is interposed between the carriage 64 and the movable contact 5 to exert a pressing force Fp determined on the moving contact 5 when it is plated. against fixed contacts 4. This pressing force Fp is added to the compensation forces Fc generated by the current I.
  • the movable contact 5 comprises in its upper part a central boss 50 conferring on said moving contact 5 a substantially triangular shape symmetrical with respect to the central axis A.
  • the boss 50 extends in the free space between the fixed contacts 4 outside the current loop.
  • This boss 50 is connected to the contact areas C by a shoulder 51 forming a nose on which clings the electric arc generated by the current at the opening of the electrical circuit, thus quickly releasing the contact areas C.
  • This boss 50 then defines a slope which rises in the direction of the compensating forces Fc and accompanies the displacement of said electric arc pushed by these compensating forces Fc towards the fractionating chambers 7.
  • FIGS 4A to 4F illustrate each step of the displacement of the electric arc at the opening of the electrical circuit, that is to say from the engaged position to the tripped position of the breaking module.
  • the cutoff module 3 is in the engaged position, the electrical circuit is closed.
  • the movable contact 5 is pressed against the fixed contacts 4 by the return member 65 compressed by the relative displacement of the carriage 64 in the direction Fd with respect to the movable contact 5 stopped in its path by the fixed contacts 4.
  • the drive shaft 60 has been rotated counterclockwise R 'to reach the maximum stroke of the carriage 64.
  • the link B1 of the connecting rods 62, 63 has passed the other side of the central axis A and contributes to stabilize the engaged position of the cut-off module 3.
  • the opening of the electrical circuit is obtained by pivoting the drive shaft 60 in the clockwise direction R, generating the descent of the carriage 64 and the release of the return member 65 allowing the movable contact 5 to leave the fixed contacts 4.
  • the electric arc E stretches until it forms more than one electric arc that extends between the two spark arresters 41 (cf. Fig. 4D ).
  • the compensating forces Fc propel it inside the fractionating chambers 7 (cf. Fig. 4E and 4F ) where it will go off after being stretched, split and cooled.
  • FIGS. 5A to 5C illustrate the formation of the single electric arc.
  • the moving contact 5 comprises, in extension of its boss 50, an insulating screen 52 centered on the median axis A.
  • the displacement of the electric arc at the opening of the electric circuit for small DC currents is illustrated in FIGS. FIGS. 5A to 5C which represent the three main stages.
  • an electric arc E is established in the contact areas C between the fixed contacts 4 and the moving contact 5. Then, it continues its movement (cf. Fig. 5B ) towards the top of the boss 50 of the movable contact 5 and bypasses the end of the fixed contacts 4 to be established on spark arresters 41 associated with these fixed contacts 4.
  • the electric arc E stretches from side to side other than the insulating screen 52. If the current is weak, less than a few 0.1 In, the the presence of the insulating screen 52 prevents the formation of the single electric arc above said screen.
  • the two elementary arcs E remain confined on each side of the insulating screen 52 where they are stretched and then cooled locally until they are extinguished. If the current is greater than In, the compensation forces Fc contribute to lengthening the electric arc beyond the insulating screen 52 to form a single electric arc (cf. Fig. 5C ) which will be propelled inside the fractionating chambers 7 to extinguish after being elongated, fractionated and cooled.
  • the invention makes it possible to achieve the goals set, in particular to overcome the limits of electrodynamic strength and closing power known in the state of the art while minimizing the necessary energy of the mechanism of 6.
  • the invention achieves high breaking capacity currents with a very high level of electrical endurance.

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  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un appareil de coupure électrique (1) à haute tenue électrodynamique dans lequel les contacts fixes (4) et le contact mobile (5) sont disposés selon une architecture formant une boucle de courant de sorte que les forces électromagnétiques dites de Laplace, appelées efforts de compensation (Fc), générées par la circulation du courant I dans ladite boucle de courant sont orientées dans une direction allant de l'intérieur vers l'extérieur de la boucle de courant, et dans lequel ledit mécanisme d'actionnement (6) est agencé pour déplacer ledit contact mobile (5) à l'intérieur de ladite boucle de courant, de sa position déclenchée à sa position enclenchée dans une direction (Fd) qui est identique à la direction desdits efforts de compensation (Fc).

Description

    Domaine technique:
  • La présente invention concerne un appareil de coupure électrique à haute tenue électrodynamique pourvu d'un module de commande associé à au moins un module de coupure correspondant à une phase d'un réseau électrique, ce module de coupure comportant au moins un contact mobile associé à au moins une paire de contacts fixes, ledit contact mobile étant couplé à un mécanisme d'actionnement commandé par ledit module de commande pour être déplacé entre au moins une position déclenchée dans laquelle le contact mobile est éloigné des contacts fixes et le circuit électrique est ouvert, et une position enclenchée dans laquelle le contact mobile est en appui contre les contacts fixes et le circuit électrique est fermé.
    • Technique antérieure :
  • Un exemple de ce type d'appareil de coupure électrique est décrit dans les publications FR 2 818 434 et FR 2 891 395 du même demandeur et concerne notamment des interrupteurs, des interrupteurs fusibles, des commutateurs, des commutateurs-inverseurs, des disjoncteurs, ou similaires.
  • Quand deux conducteurs électriques sont appuyés l'un contre l'autre, ils forment un point ou une zone de contact permettant au courant électrique de transiter d'un conducteur vers l'autre. Le passage du courant électrique produit un échauffement au point de contact qui dépend de la nature des conducteurs, de l'effort de pression sur les conducteurs et de l'intensité du courant qui traverse le point de contact. Il se produit simultanément audit point de contact des efforts dits de répulsion (Fr) qui tendent à écarter les deux conducteurs. Pour pallier ces inconvénients, les appareils de coupure électrique sont dotés de moyens de rappel agencés pour exercer un effort presseur (Fp) sur au moins un des conducteurs et le plaquer contre l'autre. La limite de la tenue électrodynamique est atteinte lorsque l'effort de répulsion (Fr) devient supérieur à l'effort presseur (Fp) ou lorsque l'échauffement produit par le courant au point de contact provoque la fusion du métal qui se traduit par une soudure des deux conducteurs lors du refroidissement.
  • Pour répondre au besoin de tenue électrodynamique dans des appareils de coupure dont le calibre en intensité est inférieur à 100 A, on utilise l'effort presseur Fp d'un ressort de rappel. La tenue électrodynamique reste faible. L'augmentation de l'effort presseur Fp qui est proportionnel à 12 trouve sa limite dans la mise en oeuvre du mécanisme d'actionnement des contacts mobiles.
  • Dans des appareils de coupure dont le calibre en intensité est supérieur à 100A, on utilise la combinaison de l'effort presseur Fp d'un ressort de rappel et d'un effort dit de compensation (Fc) généré par le courant lui-même. En effet, les lignes de courant induisent dans les conducteurs des forces électromagnétiques appelées forces de Laplace. Dans ce type d'appareils, on utilise un pontage des deux contacts fixes par deux contacts mobiles parallèles et opposés. Les deux contacts mobiles parallèles sont traversés chacun par la moitié du courant qui génère des forces de Laplace ou efforts de compensation Fc proportionnels au produit des courants traversants chaque contact. Ces efforts de compensation Fc s'opposent aux efforts de répulsion Fr et tendent à rapprocher les deux contacts mobiles, donc à les plaquer sur les contacts fixes. Dans ce cas, la tenue électrodynamique est élevée. Néanmoins, ces contacts mobiles sont généralement mis en position fermée sur les contacts fixes par glissement selon une force de déplacement Fd perpendiculaire aux efforts Fp et Fc. Un chanfrein d'entrée est alors prévu pour faciliter l'insertion des contacts fixes entre les contacts mobiles et garantir une course d'usure ainsi qu'une pression de contact suffisante. Lors d'un court-circuit, les efforts de compensation Fc apparaissent dès l'accostage des contacts sur le chanfrein d'entrée, et génèrent des efforts supplémentaires à vaincre pour obtenir une fermeture complète des contacts. Le pouvoir de fermeture d'un appareil de coupure est limité par ces efforts parasites si leur niveau devient tel qu'ils arrêtent le mouvement des contacts mobiles avant la montée complète du chanfrein d'entrée. Il s'ensuit une destruction des contacts. Pour augmenter le niveau de tenue électrodynamique, il faut augmenter l'énergie du mécanisme d'actionnement donc de l'effort de déplacement Fd. L'état de l'art est un compromis entre le niveau de tenue électrodynamique et l'effort de manoeuvre des contacts mobiles. D'autre part l'état de l'art montre qu'au delà d'un courant de 10 kA traversant le point de contact, la pression de contact résultante (Frés. = Fp+Fc-Fr) doit être fortement augmentée pour éviter les phénomènes de fusion locale du contact suivis en générale d'une soudure des deux contacts. Les appareils existants montrent des capacités d'endurance électrique médiocres. En effet, l'arc électrique prenant naissance dans la zone du chanfrein d'entrée modifie rapidement les caractéristiques de ce chanfrein et augmente fortement l'effort Fd nécessaire pour atteindre une position fermée stable.
  • Les publications US 2,356,040 et EP 0 473 014 A2 illustrent des appareils de coupure équipés de chambres de fractionnement des arcs électriques. Dans ces publications, le contact mobile est déplacé à l'extérieur d'une boucle de courant définie par la disposition des contacts fixes et du contact mobile. De fait, les efforts de compensation s'opposent au déplacement du contact mobile à l'enclenchement au lieu de l'accompagner. Ces publications n'apportent donc pas de solution satisfaisante au problème posé.
    • Exposé de l'invention :
  • La présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un appareil de coupure électrique dont les modules de coupure sont configurés selon une nouvelle architecture interne dans laquelle les efforts de compensation Fc ne s'opposent pas au déplacement Fd des contacts mobiles mais au contraire l'accompagnent dans le sens de la fermeture des contacts, la pression de contact résultante est suffisante pour éviter les problèmes de fusion locale et de soudure des contacts, et les effets néfastes de l'arc électrique à la fermeture et à l'ouverture sont réduits voire supprimés pour que la coupure du courant reste possible quel que soit son intensité (de 0 à 10xI nominale) et le type de courant (continu ou alternatif).
  • Dans ce but, l'invention concerne un appareil de coupure électrique du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce que les contacts fixes et le contact mobile sont disposés selon une architecture formant une boucle de courant en forme d'oméga symétrique par rapport à un axe médian de sorte que les forces électromagnétiques dites de Laplace, appelées efforts de compensation, générées par la circulation du courant dans ladite boucle de courant, lorsque ledit module de coupure est en position enclenchée, sont orientées dans une direction allant de l'intérieur vers l'extérieur de la boucle de courant, et en ce que ledit contact mobile est agencé pour se déplacer à l'intérieur de la boucle de courant, de sa position déclenchée à sa position enclenchée dans une direction qui est identique à la direction desdits efforts de compensation, c'est à dire une direction allant de l'intérieur vers l'extérieur de la boucle de courant, la direction des efforts de compensation et des efforts de déplacement dudit contact mobile étant confondue avec l'axe médian de ladite boucle de courant.
  • Avantageusement, les contacts fixes et le contact mobile comportent respectivement des zones de contact à travers lesquelles le courant passe lorsque ledit module de coupure est en position enclenchée, lesdites zones de contact pouvant être comprises dans un plan perpendiculaire audit axe médian ou chacune dans un plan incliné par rapport à cet axe médian. De préférence, ledit plan est incliné par rapport audit axe médian suivant un angle sensiblement égal à 45°.
  • Le contact mobile peut comporter un bossage central qui, lorsque ledit module de coupure est en position enclenchée, s'étend dans l'espace libre entre lesdits contacts fixes à l'extérieur de ladite boucle de courant et est agencé pour déplacer l'arc électrique généré par le courant à l'ouverture dudit circuit électrique dans la direction desdits efforts de compensation.
  • Il peut aussi être associé à un écran isolant, qui lorsque ledit module de coupure est en position enclenchée, s'étend dans l'espace libre entre lesdits contacts fixes à l'extérieur de ladite boucle de courant et est agencé pour étirer l'arc électrique généré par le courant à l'ouverture dudit circuit électrique.
  • De préférence, ledit module de coupure est complété par des chambres de fractionnement disposées à l'extérieur de ladite boucle de courant et agencées pour réceptionner et éteindre l'arc électrique lorsqu'il a quitté ledit contact mobile.
    • Description sommaire des dessins :
  • La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels:
    • la figure 1 est une vue en perspective d'un appareil de coupure électrique selon l'invention comportant un module de commande associé à trois modules de coupure, dans lequel le dernier module de coupure est ouvert,
    • la figure 2 est une vue partielle en coupe et agrandie d'un des modules de coupure de l'appareil de la figure 1, montrant l'architecture intérieure des contacts fixes et mobiles avec la répartition des forces en jeu,
    • la figure 3 est une vue en coupe du module de coupure de la figure 2 en position enclenchée,
    • les figures 4A à 4F sont des vues du module de coupure de la figure 3 dans différentes positions d'ouverture jusqu'à la position déclenchée, montrant le déplacement de l'arc électrique, et
    • les figures 5A à 5C sont des vues similaires aux figures 4A, 4D et 4F d'un module de coupure selon une variante de réalisation de l'invention.
    Illustrations de l'invention et différentes manières de la réaliser :
  • En référence à la figure 1, l'appareil de coupure électrique 1 visé dans l'invention est habituellement constitué d'un module de commande 2 associé à un ou plusieurs modules de coupure 3 correspondant chacun à une phase d'un réseau électrique. Dans l'exemple illustré, l'appareil 1 comporte trois modules de coupure 3. Chaque module de coupure 3 comporte de manière connue un boîtier isolant 30 à l'intérieur duquel sont logés au moins deux contacts fixes 4 prolongés à l'extérieur dudit boîtier par des bornes de raccordement 40, et au moins un contact mobile 5 couplé à un mécanisme d'actionnement 6 commandé par le module de commande 2 pour être déplacé entre au moins une position déclenchée dans laquelle il est éloigné des contacts fixes et le circuit électrique est ouvert, et une position enclenchée dans laquelle il est en appui contre les contacts fixes et le circuit électrique est fermé. Le module de commande 2 peut être actionné manuellement par une poignée 20 et/ou automatiquement par une motorisation (non représentée). L'appareil de coupure 1 comporte dans l'exemple représenté des chambres de fractionnement 7 disposées au dessus des contacts fixes 4 et du contact mobile 5 pour capturer et éteindre l'arc électrique qui est généré par le courant à chaque changement d'état dudit appareil.
  • Cet appareil de coupure 1 doit pouvoir établir et couper des courants I dits normaux ou de défaut d'une valeur de 0 à 10In, In étant la valeur du courant nominal qui peut traverser l'appareil en permanence. Cet appareil doit aussi pouvoir établir, et le cas échéant couper, des courants de court-circuit dont la valeur peut atteindre 100 à 300 fois le courant nominal In. De par sa conception détaillée ci-après, l'appareil de coupure l selon l'invention permet ainsi :
    • de minimiser l'énergie nécessaire au déplacement des contacts mobiles 5 même sous des conditions très sévères notamment en cas de court-circuit,
    • d'atteindre une endurance électrique très élevée (cycles d'ouverture et de fermeture répétés), et
    • de surpasser les caractéristiques électrodynamiques de l'état de l'art dans un volume réduit et avec une énergie de commande réduite.
  • A cet effet, l'appareil de coupure 1 selon l'invention se distingue de l'état de l'art par l'architecture interne de ses modules de coupure 3 comme représenté plus en détail aux figures 2 et 3. Les contacts fixes 4 et le contact mobile 5 sont disposés pour former une boucle de courant de sorte que les forces électromagnétiques dites de Laplace, appelées efforts de compensation Fc, générées par la circulation du courant I dans la boucle de courant (représentée en traits interrompus sur la figure 2) sont orientées dans une direction allant de l'intérieur vers l'extérieur de la boucle de courant ayant pour effet de plaquer le contact mobile 5 sur les contacts fixes 4 en position enclenchée. De plus, le mécanisme d'actionnement 6 est agencé pour déplacer le contact mobile 5 de sa position déclenchée à sa position enclenchée, à l'intérieur de ladite boucle de courant, dans une direction Fd identique à la direction des efforts de compensation Fc. Ainsi, les efforts de compensation Fc engendrés par le courant I, qui sont proportionnels au carré du courant I, s'ajoutent, et ne s'opposent pas, aux efforts de déplacement Fd du contact mobile 5 dans le sens de la fermeture du contact mobile 5 sur les contacts fixes 4. Cette architecture permet de limiter l'énergie nécessaire au déplacement des contacts mobiles 5, donc de diminuer l'encombrement du module de commande 2, et de réduire les coûts de fabrication. Cette architecture permet également, comme expliqué plus loin, de faciliter et d'accélérer le déplacement de l'arc électrique qui se crée à l'ouverture du circuit électrique en direction des chambres de fractionnement 7.
  • Dans l'exemple représenté, la boucle de courant a une géométrie en forme d'oméga, symétrique par rapport à un axe médian A confondu avec l'axe de déplacement Fd du contact mobile 5 et au point d'application des efforts de compensation Fc. Les pièces conductrices formant les contacts fixes 4 sont rigidement fixées au boîtier 30, sont pliées approximativement en S, disposées en opposition et séparées par un espace médian libre. La pièce conductrice formant le contact mobile 5 a une largeur supérieure à l'espace libre entre les deux contacts fixes 4 pour, en position enclenchée, être plaquée contre les contacts fixes 4. Ces pièces conductrices offrent chacune une zone de contact C située dans un plan incliné par rapport à l'axe médian A d'un angle α sensiblement égal à 45°. Cet exemple n'est pas limitatif étant donné que les zones de contact C peuvent être comprises dans un plan incliné par rapport à l'axe médian A selon un angle α pouvant être compris entre 0° et 90° dans lequel la valeur 0° est exclue. L'intérêt d'un angle de 45° permet de minimiser les efforts de répulsion Fr liés au passage du courant I dans les zones de contact C et s'opposant aux efforts de compensation Fc. Ces efforts de répulsion Fr sont réduits à leur composante Fry soit une valeur de 0,707 fois la valeur de Fr. Cette architecture permet ainsi de diminuer les dimensions de la boucle de courant, donc le volume de cuivre nécessaire et de réduire les coûts de fabrication. En contrepartie, la course des contacts mobiles 5 doit être plus grande de 1,414 fois la course si les zones de contact C sont à 90° de l'axe médian A.
  • Dans l'exemple représenté, le mécanisme d'actionnement 6 des contacts mobiles 5 comporte un axe d'entraînement 60 lié en rotation avec la poignée 20 par un renvoi d'angle (non visible) et/ou commandé par un second organe (non représenté) emboîté dans l'alésage carré 61. Un système de transformation du mouvement de rotation de l'axe d'entraînement 60 en un mouvement de translation permet de déplacer un chariot 64 portant le contact mobile 5 dans l'axe médian A. Ce système de transformation de mouvement comporte une paire de bielles 62, 63 articulées, mais tout autre moyen équivalent est envisageable. La première bielle 62 est solidaire de l'axe d'entraînement 60 et couplée en rotation à la seconde bielle 63 par une première articulation B1. La seconde bielle 63 est couplée en rotation avec le chariot 64 par une seconde articulation B2. Le chariot 64 est guidé en translation par rapport au boîtier 30 au moyen de rails, de nervures ou de tout autre moyen équivalent. Un organe de rappel 65 est interposé entre le chariot 64 et le contact mobile 5 pour exercer un effort presseur Fp déterminé sur le contact mobile 5 lorsqu'il est plaqué contre les contacts fixes 4. Cet effort presseur Fp s'ajoute aux efforts de compensation Fc générés par le courant I.
  • Dans l'exemple représenté, le contact mobile 5 comporte dans sa partie supérieure un bossage central 50 conférant audit contact mobile 5 une forme sensiblement triangulaire symétrique par rapport à l'axe médian A. Bien entendu, toute autre forme peut convenir. Lorsque le module de coupure 3 est en position enclenchée, le bossage 50 s'étend dans l'espace libre entre les contacts fixes 4 à l'extérieur de la boucle de courant. Ce bossage 50 est relié aux zones de contact C par un épaulement 51 formant un nez sur lequel s'accroche l'arc électrique généré par le courant à l'ouverture du circuit électrique, libérant ainsi rapidement les zones de contact C. Ce bossage 50 définit ensuite une pente qui monte dans la direction des efforts de compensation Fc et accompagne le déplacement dudit arc électrique poussé par ces efforts de compensation Fc en direction des chambres de fractionnement 7.
  • Les figures 4A à 4F illustrent chaque étape du déplacement de l'arc électrique à l'ouverture du circuit électrique, c'est-à-dire depuis la position enclenchée jusqu'à la position déclenchée du module de coupure. A la figure 3, le module de coupure 3 est en position enclenchée, le circuit électrique est fermé. Dans cette position, le contact mobile 5 est pressé contre les contacts fixes 4 par l'organe de rappel 65 comprimé par le déplacement relatif du chariot 64 dans la direction Fd par rapport au contact mobile 5 arrêté dans sa course par les contacts fixes 4. L'axe d'entraînement 60 a été pivoté dans le sens antihoraire R' jusqu'à atteindre la course maximale du chariot 64. L'articulation B1 des bielles 62, 63 est passée de l'autre côté de l'axe médian A et contribue à stabiliser la position enclenchée du module de coupure 3. L'ouverture du circuit électrique est obtenue en pivotant l'axe d'entraînement 60 dans le sens horaire R, générant la descente du chariot 64 et le relâchement de l'organe de rappel 65 autorisant le contact mobile 5 à quitter les contacts fixes 4.
  • Dès l'ouverture du circuit électrique (cf. fig. 4A), un arc électrique E s'établit dans les zones de contact C entre les contacts fixes 4 et le contact mobile 5. Puis très rapidement (cf. fig. 4B), dès que la distance entre les zones de contact C dépasse la distance entre le nez formé par l'épaulement 51 du contact mobile 5 et l'extrémité des contacts fixes 4, l'arc électrique E saute entre cet épaulement 51 et l'extrémité des contacts fixes 4 en épargnant les zones de contact C. Ensuite, il poursuit son déplacement (cf. fig. 4C) vers le sommet du bossage 50 du contact mobile 5 et contourne l'extrémité des contacts fixes 4 pour s'établir sur des pare-étincelles 41 associés à ces contacts fixes 4. L'arc électrique E s'étire jusqu'à ne former plus qu'un seul arc électrique qui s'étend entre les deux pare-étincelles 41 (cf. fig. 4D). Les efforts de compensation Fc le propulsent à l'intérieur des chambres de fractionnement 7 (cf. fig. 4E et 4F) où il s'éteindra après avoir été allongé, fractionné et refroidi.
  • Lors de la coupure des petits courants continus, typiquement d'une valeur d'environ 0,1 In, les forces de Laplace ou efforts de compensation Fc ne sont pas suffisants pour propulser l'arc électrique à l'intérieur des chambres de fractionnement 7. On prévoit dans ce cas un écran isolant 52, placé sur le bossage 50 du contact mobile 5, et évitant la formation de l'arc électrique unique. Cette variante de réalisation est illustrée par les figures 5A à 5C. Le contact mobile 5 comporte, en prolongement de son bossage 50, un écran isolant 52 centré sur l'axe médian A. Le déplacement de l'arc électrique à l'ouverture du circuit électrique pour de faibles courants continus est illustré aux figures 5A à 5C qui représentent les trois étapes principales.
  • Dès l'ouverture du circuit électrique (cf. fig. 5A), un arc électrique E s'établit dans les zones de contact C entre les contacts fixes 4 et le contact mobile 5. Puis, il poursuit son déplacement (cf. fig. 5B) vers le sommet du bossage 50 du contact mobile 5 et contourne l'extrémité des contacts fixes 4 pour s'établir sur des pare-étincelles 41 associés à ces contacts fixes 4. L'arc électrique E s'étire de part et d'autre de l'écran isolant 52. Si le courant est faible, inférieur à quelques 0,1 In, la présence de l'écran isolant 52 empêche la formation de l'arc électrique unique au-dessus dudit écran. Les deux arcs élémentaires E restent confinés de chaque côté de l'écran isolant 52 où ils sont étirés puis refroidis localement jusqu'à leur extinction. Si le courant est supérieur à In, les efforts de compensation Fc contribuent à allonger l'arc électrique au-delà de l'écran isolant 52 pour ne former qu'un seul arc électrique (cf. fig. 5C) qui sera propulsé à l'intérieur des chambres de fractionnement 7 pour s'éteindre après avoir été allongé, fractionné et refroidi.
  • Il ressort clairement de cette description que l'invention permet d'atteindre les buts fixés, notamment de surpasser les limites de tenue électrodynamique et de pouvoir de fermeture connues de l'état de l'art tout en minimisant l'énergie nécessaire du mécanisme d'actionnement 6. De par sa gestion de l'arc électrique, l'invention permet d'atteindre de fortes capacités de coupure des courants avec un niveau d'endurance électrique très élevé.
  • La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées.

Claims (7)

  1. Appareil de coupure électrique (1) à haute tenue électrodynamique pourvu d'un module de commande (2) associé à au moins un module de coupure (3) correspondant à une phase d'un réseau électrique, ledit module de coupure comportant au moins deux contacts fixes (4) et au moins un contact mobile (5), ledit contact mobile (5) étant couplé à un mécanisme d'actionnement (6) commandé par ledit module de commande (2) pour être déplacé entre au moins une position déclenchée dans laquelle le contact mobile est éloigné des contacts fixes et le circuit électrique est ouvert, et une position enclenchée dans laquelle le contact mobile est en appui contre les contacts fixes et le circuit électrique est fermé, caractérisé en ce que les contacts fixes (4) et le contact mobile (5) sont disposés selon une architecture formant une boucle de courant en forme d'oméga symétrique par rapport à un axe médian (A) de sorte que les forces électromagnétiques dites de Laplace, appelées efforts de compensation (Fc), générées par la circulation du courant I dans ladite boucle de courant, lorsque ledit module de coupure (3) est en position enclenchée, sont orientées dans une direction allant de l'intérieur vers l'extérieur de la boucle de courant, et en ce que ledit contact mobile (5) est agencé pour se déplacer à l'intérieur de la boucle de courant, de sa position déclenchée à sa position enclenchée dans une direction (Fd) qui est identique à la direction desdits efforts de compensation (Fc), c'est-à-dire une direction allant de l'intérieur vers l'extérieur de la boucle de courant, la direction des efforts de compensation (Fc) et des efforts de déplacement (Fd) dudit contact mobile (5) étant confondue avec l'axe médian (A) de ladite boucle de courant.
  2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits contacts fixes (4) et ledit contact mobile (5) comportent respectivement des zones de contact (C) à travers lesquelles le courant passe lorsque ledit module de coupure (3) est en position enclenchée, lesdites zones de contact (C) étant comprises dans un plan perpendiculaire audit axe médian (A).
  3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits contacts fixes (4) et ledit contact mobile (5) comportent respectivement des zones de contact (C) à travers lesquelles le courant passe lorsque ledit module de coupure (3) est en position enclenchée, lesdites zones de contact (C) étant comprises chacune dans un plan incliné par rapport audit axe médian (A).
  4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit plan est incliné par rapport audit axe médian (A) suivant un angle (α) sensiblement égal à 45°.
  5. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit contact mobile (5) comporte un bossage central (50) qui, lorsque ledit module de coupure (3) est en position enclenchée, s'étend dans l'espace libre entre lesdits contacts fixes (4) à l'extérieur de ladite boucle de courant et est agencé pour déplacer l'arc électrique généré par le courant à l'ouverture dudit circuit électrique dans la direction desdits efforts de compensation (Fc).
  6. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit contact mobile (5) est associé à un écran isolant (52), qui lorsque ledit module de coupure (3) est en position enclenchée, s'étend dans l'espace libre entre lesdits contacts fixes (4) à l'extérieur de ladite boucle de courant et est agencé pour étirer l'are électrique généré par le courant à l'ouverture dudit circuit électrique.
  7. Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que ledit module de coupure (3) comporte des chambres de fractionnement (7) disposées à l'extérieur de ladite boucle de courant et agencées pour réceptionner et éteindre l'arc électrique lorsqu'il a quitté ledit contact mobile (5).
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