EP2923367B1 - Dispositif de commande a ressort pour un disjoncteur - Google Patents

Dispositif de commande a ressort pour un disjoncteur Download PDF

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EP2923367B1
EP2923367B1 EP13792691.1A EP13792691A EP2923367B1 EP 2923367 B1 EP2923367 B1 EP 2923367B1 EP 13792691 A EP13792691 A EP 13792691A EP 2923367 B1 EP2923367 B1 EP 2923367B1
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spring
control device
circuit breaker
drive shaft
type
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Simon ARDYNA
Jean-Pierre Dupraz
David Berard
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General Electric Technology GmbH
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General Electric Technology GmbH
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    • H01H2235/00—Springs
    • H01H2235/018—Spring seat

Definitions

  • the invention relates to the field of medium and high voltage electrical distribution networks, and in particular spring control devices for circuit breakers.
  • circuit breakers used in the substations are coupled with control devices. These provide energy through a couple, to close and open the movable contacts of the circuit breaker.
  • control devices can be hydraulic, pneumatic or spring type.
  • the European patent document EP-0 658 909 and the French patent document FR-2,840,726 show mechanical controls to spring for medium or high voltage circuit breakers.
  • the spring is connected to the drive shaft, by means of tension devices, such as a chain.
  • tension devices such as a chain
  • a chain is attached to the drive shaft via a lever system.
  • a pulley is used to change the chain of direction.
  • One end of the spring is mounted on the housing of the device. The other end of the spring can therefore be compressed by the chain. It uses a toothed wheel rotated by the spring from a first angular position to a second angular position and a pinion cooperating with the toothed wheel.
  • the type of spring used in such a mechanism is of the helical type. However, this type of spring is relatively heavy and expensive.
  • the Belgian patent BE 662 849 discloses an ⁇ -shaped spring used in actuating the movable contacts of an electrical switching device.
  • the main object of the invention is a spring-loaded control device for a circuit breaker operating in a high or medium voltage network, the device comprising a drive shaft to allow to actuate very quickly at least one contact. mobile circuit breaker.
  • the spring is a curved composite spring, C-shaped or ⁇ .
  • control device has a frame consisting of two parallel flanges between which is fixed a fixed rod, and fixed to a first end of the spring, the second end of the spring being always placed between the two flanges constituting the frame of the device.
  • Figure 1 a spring 1 C-shaped or omega ( ⁇ ). It is specified that it is, according to the invention, spring type composite.
  • a composite material that can be used to form the spring is a material comprising a fiberglass matrix and epoxy resin.
  • Each of these ends 2 and 3 has a hook shape.
  • the spring 1 is in the form of a curved blade.
  • the first end 2 is fixed to a fixed rod 5, fixed relative to the frame of the control device.
  • the second end 3 hook-shaped is movable in that its position can vary by relative to the fixed rod 5.
  • the first end 2 of the spring 1 remains in a fixed position.
  • the second end 3 of the spring 1, which is also hook-shaped, is fixed around a movable rod 4 which is movable in position.
  • this movable rod 4 is placed at the end of a lever system 7, that is to say placed between the two distal ends of two levers 7A and 7B which are parallel.
  • the other ends of these two levers 7A and 7B are attached to a drive shaft 6, which is notched or grooved, so as to be integral in rotation with the latter.
  • Spring 1 is loaded in compression.
  • the second end 3 of the spring 1 has a first determined position relative to the first end 2 of the spring 1.
  • the spring 1 is suddenly discharged, that is to say, it relaxes, the second end 3 moves a little time away from the first end 2 of the spring 1.
  • the radius of the curvature of the spring 1 increases slightly.
  • the central portion 8 of the spring 1 is close to a plane defined by the axes of the two fixed and movable rods 5 and 4.
  • the spring 1 is inserted in a spring drive device, used to operate the high voltage circuit breakers.
  • a spring drive device used to operate the high voltage circuit breakers.
  • EP-0 658 909 which shows such a type of control device.
  • the spring 1 is integrated between the two flanges 10A and 10B of the frame of the device, which are placed in parallel.
  • the spring 1 is integrated in part inside the control device.
  • the lever system 7 protrudes with respect to the two flanges 10A and 10B, as does the movable rod 4, which is fixed to the second end 3 of the spring 1.
  • the position of the lever device 7 therefore depends on the fact that the spring 1 is charged or not.
  • the spring 1 is therefore used for opening operations of the circuit breaker, requiring a very high speed of intervention.
  • the closing spring is generally a conventional helical spring.
  • the invention of a composite spring shaped curved C or ⁇ allows a reduction of 10% of the mass of the assembly.
  • the resonance frequency of the spring is increased. Indeed, considering the following formula: f ⁇ 1 m where f is the resonant frequency of the spring and m the mass of the spring. This may be important in the design of the spring loaded controller.
  • This type of spring has excellent creep resistance over time.
  • control device has been designed to equip gas-insulated circuit breakers (GIS), but it can also equip air-insulated circuit breakers, those with oil bath or those with low volume of oil.
  • GIS gas-insulated circuit breakers

Landscapes

  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Springs (AREA)

Description

    Domaine de l'invention
  • L'invention concerne le domaine des réseaux de distribution électrique moyenne et haute tensions, et en particulier les dispositifs de commande à ressorts pour les disjoncteurs.
    • Art antérieur et problème posé
  • De manière générale, les disjoncteurs utilisés dans les postes électriques sont couplés avec des dispositifs de commande. Ces derniers procurent l'énergie par, l'intermédiaire d'un couple, pour fermer et ouvrir les contacts mobiles du disjoncteur. Ces dispositifs de commande peuvent être hydrauliques, pneumatiques ou du type à ressort.
  • Dans le cas du développement des systèmes de commande du type à ressort, plusieurs aspects ou critères sont à considérer : le fonctionnement, les performances, des éventuelles réductions de coûts, la sûreté, la sécurité, l'accessibilité.
  • On éprouve en particulier le besoin de disposer de dispositifs de commande à ressort pour des disjoncteurs à durée de coupure de deux périodes. Les disjoncteurs haute tension, utilisés dans les réseaux électriques à 60 Hertz, doivent réagir dans un temps court, qui est limité à 33,3 millisecondes. Pour parer à un défaut, à une fréquence de 60 Hertz, la vitesse de déplacement des contacts dans le disjoncteur doit être optimalisée. Les dispositifs de commande à ressort récemment développés, doivent donc présenter une vitesse de déplacement des contacts mobiles accrue à l'intérieur du disjoncteur, sans pour cela devoir utiliser des ressorts du type « à énergie largement supérieure ». De plus, les dispositifs de commande à ressorts que l'on souhaite développer, doivent présenter une durée de vie de 40 ans, ou un nombre d'opérations d'ouverture/fermeture de l'ordre de 10 000 fois.
  • Or, dans le document de Max SARDOU, intitulé « Light weight, low cost, composite coil springs are a reality, SAE 2005 », on montre l'utilisation de différents types de ressorts composites, tels que les ressorts hélicoïdaux et les ressorts recourbés en forme de C ou de Q. De tels ressorts en C ou en Q ont été testés pendant des essais de fatigue.
  • Parmi les avantages de ce type de ressort, on peut noter :
    • un fluage minimal ;
    • une haute fréquence de résonnance ;
    • la possibilité d'être utilisé dans des milieux plus ou moins corrosifs ou pollués.
  • D'autre part, le document de brevet européen EP-0 658 909 et le document de brevet français FR-2 840 726 montrent des commandes mécaniques à ressort pour disjoncteurs moyenne ou haute tension. Dans ce type de mécanisme, le ressort est connecté à l'arbre d'entraînement, au moyen de dispositifs de tension, tels qu'une chaîne. Une telle chaîne est fixée à l'arbre d'entraînement par l'intermédiaire d'un système de levier. Pour que la chaîne applique un couple à l'arbre d'entraînement, on utilise une poulie pour changer la chaîne de direction. Une des extrémités du ressort est montée sur le carter du dispositif. L'autre extrémité du ressort peut donc être comprimée par la chaîne. On y utilise une roue dentée entraînée en rotation par le ressort depuis une première position angulaire vers une deuxième position angulaire et un pignon coopérant avec la roue dentée. Le type de ressort utilisé dans un tel mécanisme est de type hélicoïdal. Toutefois, ce type de ressort est relativement lourd et coûteux.
  • Le brevet belge BE 662 849 décrit un ressort en forme de Ω utilisé dans l'actionnement des contacts mobiles d'un dispositif de commutation électrique.
  • Enfin, le document de brevet US-7 311 124 montre un procédé de fabrication de fils pour constituer des ressorts, entre autres des ressorts de compression. Or, c'est ce type de ressort qui est utilisé dans les dispositifs de commande à ressort.
  • On éprouve donc le besoin d'équiper les dispositifs de commande à ressort pour les disjoncteurs moyenne et haute tensions, autrement que par ce type de ressorts.
    • Résumé de l'invention
  • A cet effet, l'objet principal de l'invention est un dispositif de commande à ressort pour un disjoncteur fonctionnant dans un réseau haute ou moyenne tension, le dispositif comprenant un arbre d'entraînement devant permettre d'actionner très rapidement au moins un contact mobile du disjoncteur.
  • Selon l'invention, le ressort est un ressort composite recourbé, en forme de C ou de Ω.
  • Dans la réalisation principale de l'invention, le ressort comprend :
    • une première extrémité, qui a une forme en crochet et qui est fixée à un bâti du dispositif de commande ; et
    • une deuxième extrémité, qui a une forme de crochet et qui est mobile, est fixée par pivotement à une extrémité distale d'un système à leviers fixé, lui-même, de manière solidaire à l'arbre d'entraînement par son autre extrémité.
  • Dans la réalisation préférentielle de l'invention, le dispositif de commande possède un bâti constitué de deux flasques parallèles entre lesquels est fixée une tige fixe, et fixée à une première extrémité du ressort, la deuxième extrémité du ressort étant placée toujours entre les deux flasques constituant le bâti du dispositif.
    • Liste des figures
  • L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de deux figures représentant respectivement :
    • figure 1, en vue cavalière, le ressort utilisé dans le dispositif de commande selon l'invention ; et
    • figure 2, en vue cavalière, un exemple de réalisation du dispositif de commande selon l'invention.
    Description détaillée d'une réalisation de l'invention
  • Sur la figure 1, figure un ressort 1 en forme de C ou en forme d'oméga (Ω). On précise qu'il s'agit, selon l'invention, de ressort de type composite. Un matériau composite utilisable pour constituer le ressort est un matériau comprenant une matrice en fibres de verre et de la résine époxy. Chacune de ces extrémités 2 et 3 a une forme en crochet. Le ressort 1 se présente sous la forme d'une lame recourbée.
  • La première extrémité 2 est fixée à une tige fixe 5, fixée par rapport au bâti du dispositif de commande. La deuxième extrémité 3 en forme de crochet est mobile en ce sens que sa position peut varier par rapport à la tige fixe 5. Ainsi, la première extrémité 2 du ressort 1 reste dans une position fixe.
  • La deuxième extrémité 3 du ressort 1, qui est également en forme de crochet, est fixée autour d'une tige mobile 4 qui est mobile en position. En effet, cette tige mobile 4 est placée à l'extrémité d'un système à levier 7, c'est-à-dire placée entre les deux extrémités distales de deux leviers 7A et 7B qui sont parallèles. Les autres extrémités de ces deux leviers 7A et 7B sont fixées à un arbre d'entraînement 6, qui est cranté ou cannelé, de manière à pouvoir être solidaire en rotation avec ce dernier.
  • Le ressort 1 est chargé en compression. A ce stade, la deuxième extrémité 3 du ressort 1 a une première position déterminée par rapport à la première extrémité 2 du ressort 1. Lorsque le ressort 1 est subitement déchargé, c'est-à-dire qu'il se détend, la deuxième extrémité 3 s'éloigne un temps soit peu de la première extrémité 2 du ressort 1. En d'autres termes, le rayon de la courbure du ressort 1 augmente légèrement. Pour mieux définir cette déformation, on peut dire que la partie centrale 8 du ressort 1 se rapproche d'un plan défini par les axes des deux tiges fixe 5 et mobile 4.
  • De fait de cette détente, la tige mobile 4 change de position et fait légèrement tourner le système de levier 7, entraînant ainsi en rotation l'arbre d'entraînement 6. Deux flèches montrent le mouvement vers le bas de la partie centrale 8 du ressort 1 et la rotation de l'arbre d'entraînement 6. La solidarisation de l'arbre d'entraînement avec le système de levier 7 se fait, au moyen d'un système à crantage et/ou au moyen de cannelures.
  • En référence à la figure 2, le ressort 1 est inséré dans un dispositif d'entraînement par ressort, utilisé pour manoeuvrer les disjoncteurs haute tension. On peut d'ailleurs faire référence au document de brevet européen EP-0 658 909 qui montre un tel type de dispositif de commande. Ici le ressort 1 est intégré entre les deux flasques 10A et 10B du bâti du dispositif, qui sont placés de manière parallèle. Le ressort 1 est donc intégré en partie à l'intérieur du dispositif de commande.
  • On distingue, sur cette figure 2, la tige immobile 5 fixée à la première extrémité 2 du ressort 1 qui est placée de manière fixe par rapport aux deux flasques 10A et 10B du bâti du dispositif de commande. Elle reste donc immobile pendant le fonctionnement du ressort 1.
  • Le système de levier 7 dépasse par rapport aux deux flasques 10A et 10B, tout comme la tige mobile 4, qui est fixée à la deuxième extrémité 3 du ressort 1. La position du dispositif de levier 7 dépend donc du fait que le ressort 1 est chargé ou non.
  • Du fait qu'il n'a pas été envisagé d'augmenter la hauteur des flasques 10A et 10B, le ressort et le dispositif de levier dépassent par le haut par rapport au bâti du dispositif de commande. On pourrait envisager d'augmenter la hauteur des deux flasques 10A et 10B pour qu'ils entourent entièrement le ressort 1 et le dispositif de levier 7.
  • Le ressort 1 est donc utilisé pour les opérations d'ouverture du disjoncteur, nécessitant une très grande vitesse d'intervention.
  • Concernant les fermetures du disjoncteur, on utilise, de façon connue, un ressort traditionnel, placé dans un boîtier 11, fixé au bâti, sur le côté de celui-ci. Le ressort de fermeture est généralement un ressort conventionnel hélicoïdal.
    • Avantages de l'invention
  • L'invention d'un ressort composite en forme recourbée en C ou en Ω permet une réduction de 10 % de la masse de l'ensemble.
  • Du fait de cette réduction de masse, la fréquence de résonnance du ressort est augmentée. En effet, en considérant la formule suivante : f ∝ 1 m
    Figure imgb0001
     où f est la fréquence de résonance du ressort et m la masse du ressort. Ceci peut avoir une importance importante lors de la conception du dispositif de commande à ressort.
  • L'utilisation de ressorts du type « composite » permet d'augmenter la durée de vie du dispositif de commande. On rappelle qu'un ressort de type « recourbé », en forme de C ou de Ω, de type « composite », peut endurer des tests d'efforts comportant 6 000 000 de cycles.
  • Ce type de ressort présente une excellente résistance au fluage dans le temps.
  • Comparée à la solution présentée dans le document EP-0 658 909 , aucune chaîne n'est utilisée dans le dispositif de commande selon l'invention, pour relier le ressort utilisé à l'arbre d'entraînement. Ceci minimise le taux de pannes potentielles de l'ensemble.
  • Si ce type de dispositif de commande a été conçu pour équiper les disjoncteurs du type à isolation gazeuse (GIS), mais il peut également équiper les disjoncteurs à isolation par air, ce à bain d'huile ou ceux à faible volume d'huile.
  • Les applications de toutes ces mises en oeuvre sont relativement diverses car elles concernent, à la fois, les installations extérieures que les intérieures.

Claims (2)

  1. Dispositif de commande à ressort pour un disjoncteur dans un réseau électrique à haute ou moyenne tension, le dispositif comprenant un arbre d'entraînement (6) devant permettre l'actionnement très rapide d'au moins un contact mobile du disjoncteur, caractérisé en ce que le ressort (1) est un ressort composite, du type « recourbé » en forme de C ou de Ω et qu'il a :
    - une première extrémité (2) qui a une forme de crochet et qui est fixée à un bâti (10A, 10B) du dispositif de commande ; et
    - une deuxième extrémité (3), qui a une forme de crochet, qui est mobile et qui est fixée par pivotement à une extrémité distale d'un système à leviers (7), l'extrémité distale du système à leviers étant fixée en rotation à l'arbre d'entraînement (6) par son autre extrémité.
  2. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bâti est constitué de deux flasques parallèles (10A, 10B) entre lesquels est fixée une tige fixe (5), fixée à la première extrémité (2) du ressort (1), la deuxième extrémité (3) du ressort (1) étant mobile entre les deux flasques (10A, 10B).
EP13792691.1A 2012-11-21 2013-11-20 Dispositif de commande a ressort pour un disjoncteur Not-in-force EP2923367B1 (fr)

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