EP3230997B1 - Dispositif de coupure electrique haute tension a autosoufflage optimise - Google Patents

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EP3230997B1
EP3230997B1 EP15805543.4A EP15805543A EP3230997B1 EP 3230997 B1 EP3230997 B1 EP 3230997B1 EP 15805543 A EP15805543 A EP 15805543A EP 3230997 B1 EP3230997 B1 EP 3230997B1
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contacts
contact
insulating member
circuit breaker
opening
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General Electric Technology GmbH
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Definitions

  • the invention relates to insulated puff gas circuit breakers intended for high voltage electrical applications of the order of 72.5 kV to 12000 Kv, such circuit breakers being typically of the so-called rotating arc type.
  • a gas-insulated rotating arc circuit breaker comprises a first contact and a second movable contact in translation, both tubular and extending in line with one another, and an inductor located in a chamber cutoff containing an insulating gas such as SF6.
  • the circuit breaker is provided with so-called means of self-blowing of the arc.
  • This blowing is obtained by a rise in pressure of the insulating gas situated in a closed volume surrounding the arcing contacts at the beginning. opening, followed by a flow of this gas which passes into the tubular contacts spaced from each other when the instantaneous value of the alternating current approaches zero.
  • the object of the invention is to propose a solution to overcome this disadvantage.
  • the document " FR 2 389 219 A1 discloses an electric puffing cutoff device according to the preamble of claim 1.
  • the insulating member is established in case of occurrence of an arc during opening, to quickly increase the pressure in the interrupting chamber, to promote rapid extinction of the arc.
  • This member also makes it possible to delay blowing to obtain a greater increase in pressure in the interrupting chamber, which further contributes to making blowing more vigorous.
  • the invention also relates to a device thus defined, in which the insulating member is made of a polytetrafluoroethylene type material.
  • the invention also relates to a device thus defined, wherein the insulating member has a tubular shape provided with holes for delaying the evacuation of gas during the opening of the device.
  • the invention also relates to a device thus defined, wherein the contacts each comprise a central channel and both have a tubular body.
  • the invention also relates to a device thus defined, wherein the insulating member comprises a central wall closing the communication between its ends.
  • the invention also relates to a device thus defined, wherein the insulating member has a length sufficient to maintain an end engaged in the second contact including in the open position.
  • the idea underlying the invention is to use a material which is established under the effect of the heat generated by an electric arc, that is to say which sublimates under the effect of this heat to cause a rapid and significant rise in pressure within the interrupting chamber to promote the extinction of the arc.
  • the circuit breaker according to the invention 1 which is represented in the Figures 1 and 2 comprises a main body 2, inside which are mounted a first contact 3 which is here fixed and a second contact 4 which is here movable, these contacts extending in the extension of one another.
  • the first contact 3 can also be movable, along the same axis as the contact 4, and in the opposite direction to the contact 4, these two contacts extending in the extension of one another.
  • the main body 2 has a shape of revolution about a longitudinal axis AX of the circuit breaker, and the first contact 3 and the second contact 4 are also hollow elements having shapes of revolution and which are coaxial with the longitudinal axis AX .
  • the second contact 4 is displaceable in translation along the longitudinal axis AX between an electrically closed position as in the figure 1 and an electrically open position as in the figure 2 .
  • the second contact 4 In the electrically closed position that corresponds to the configuration of the figure 1 , the second contact 4 has its end or key 7 which is in contact and in contact with the end or key 6 of the first contact 3. The current can thus pass through the first and the second contact.
  • the second contact 4 has instead its key 7 spaced from the key 6 of the first contact, so that the circuit breaker 1 can no longer be traversed by an electric current.
  • this circuit breaker is filled with dielectric gas such as SF6, to improve its electrical resistance and its breaking capacity.
  • the main body 2 comprises in its inner region two partition walls in the form of rings oriented normal to the axis AX, marked by 8 and 9, and which respectively surround the first contact 3 and the second contact 4. to delimit a breaking chamber 11.
  • Each wall thus has an outer diameter corresponding to the internal diameter of the body 2, and an inner diameter corresponding to the outer diameter of the first contact 3 and the second contact 4.
  • the interrupting chamber 11 is an annular space surrounding the contacts 3 and 4, and which contains insulating gas.
  • Each contact 3, 4 comprises a tubular body having a narrowed contact end, bearing a key 6, 7 in the form of a ring, and delimiting an opening of diameter smaller than that of the tubular body.
  • Each hollow contact 3, 4 thus comprises a central channel, these channels being marked respectively by 12 and 13.
  • the first contact 3 carries an insulating member 14 which is engaged in the opening of its end by being rigidly fixed thereto, and which is also engaged in the opening of the end of the second contact without being therein. secured.
  • the member 14 is an insulating element made of a material which is established under the effect of heat, particularly in the event of the appearance of an electric arc to cause a rapid rise in the pressure in the vicinity of the arc .
  • This member is for example made of PTFE, that is to say polytetrafluoroethylene.
  • This insulating member 14 has a generally tubular shape, its outer diameter corresponds to the internal diameter of the end openings of the contacts 3 and 4. Thus, when the second contact 4 is moved along the axis AX, it slides around this insulating member 14 to discover its outer surface.
  • This insulating member comprises at its end located in the first contact 3 a flange 16 forming flare, which is supported on the inner face of the restriction of the end of the first contact. Fixing the insulating member 14 to the first contact 3 is provided for example by screws 17 each passing through the flange 16 to screw into the end restriction.
  • the body of the member 14 further comprises a central wall 15, optional, normal to the axis longitudinal AX, and which separates into two halves the internal channel that defines the tubular body of the member 14, so that these two halves do not communicate with each other.
  • the member 14 has holes 18, 19 passing radially through the wall of its tubular body so as to put in communication the cutting chamber 11, located around the member 14, with the channels 12 and 13, located at each end of the member 14, to evacuate the insulating gas during the opening of the circuit breaker.
  • the blowing of the insulating gas present in the interrupting chamber 11 during the opening of the circuit breaker is optimized to promote the extinction of an arc formed between the contacts.
  • the second contact 4 is moved to move away from the first contact 3, which also discovers the member 14.
  • This displacement gives rise to the formation of 'an electric arc, spotted by A in the figure 2 which is established between the keys 6 and 7, extending longitudinally, that is to say approximately parallel to the axis AX.
  • the member 14 thus has its outer face uncovered and in the vicinity of the electric arc formed between the two contacts.
  • This arc causes a heating in its vicinity, so that the pressure of the gas increases in the chamber 11.
  • this increase in pressure is greatly accentuated: the material of the member 14 heated by the arc sublimates to increase the pressure more quickly.
  • the rapid increase in the pressure in the cutting chamber due to the ablation of the material of the insulating member significantly increases the blowing of the arc in the vicinity of the zero crossing of the current alternative to promote arc extinction. It allows to increase by the same device power cutoff.
  • the opening of the contacts discovers the insulating member but also its holes to let the pressurized gas to evacuate from the chamber 11 to the channels 12 and 13.
  • the arrangement and inclination of the holes 18 and 19 of the member 14 is advantageously optimized to achieve the most effective blowing profile of the arc vis-à-vis its characteristics during the opening.
  • these holes may also be inclined relative to the axis AX instead of being oriented radially, so as to limit the turbulence they introduce to promote intense blowing of the electric arc.
  • the central partition 15 of the member 14 separates the flow of gas from the chamber 11 into a portion evacuating to the channel 12 of the first contact 3, and another portion discharging to the channel 13 of the second contact 4.
  • the member 14 has a length large enough for its end remains engaged in the first contact when the second contact is open. But it could also be shorter so that its end is removed from the second contact at the end of opening, which would then favor a sharp increase in the intensity of the blowing end of opening.
  • the insulating member 14 makes it possible, on the one hand, to increase the pressure in the ablation cutting chamber more strongly, and on the other hand to delay and adjust the blowing to increase the flow rate. efficiency.
  • the gas pressure in the chamber 11 is thus greater and the breath is more energetic and later, that is to say, more effective to extinguish the arc.

Landscapes

  • Circuit Breakers (AREA)

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • L'invention concerne les disjoncteurs isolés au gaz à autosoufflage destinés à des applications de hautes tensions électriques de l'ordre de 72,5 kV à 12000Kv, de tels disjoncteurs étant typiquement du type dit à arc tournant.
    • ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
  • Un disjoncteur à arc tournant isolé au gaz comprend un premier contact et un second contact qui est mobile en translation, tous deux tubulaires et qui s'étendent dans le prolongement l'un de l'autre, ainsi qu'un inducteur situés dans une chambre de coupure contenant un gaz isolant tel que du SF6.
  • Dans un tel disjoncteur, lorsqu'un arc électrique s'établit entre les contacts lors de leur séparation durant l'ouverture du disjoncteur, le champ magnétique généré par l'inducteur donne lieu à des forces de Lorentz agissant sur l'arc pour le faire tourner autour de l'axe du disjoncteur afin de favoriser son extinction.
  • Pour favoriser encore l'extinction de l'arc, notamment en cas d'application à fort courant, le disjoncteur est pourvu de moyens dits d'auto soufflage de l'arc. Ce soufflage est obtenu par une montée en pression du gaz isolant situé dans un volume fermé entourant les contacts d'arc en début d'ouverture, suivie d'un écoulement de ce gaz qui passe dans les contacts tubulaires espacés l'un de l'autre lorsque la valeur instantanée du courant alternatif s'approche de zéro.
  • La montée en pression du gaz est néanmoins pénalisée par le fait que dès le début de l'ouverture du disjoncteur, ce gaz commence à s'écouler dans les contacts tubulaires. Autrement dit, le volume entourant les contacts et dans lequel le gaz se pressurise sous l'effet de l'échauffement généré par l'arc, s'ouvre en fait rapidement par l'écartement des contacts, ce qui atténue significativement sa montée en pression.
  • Comme on le comprend, le fait que la montée en pression est limitée, limite par conséquent le soufflage, et par suite le pouvoir d'extinction de l'arc électrique du disjoncteur.
  • Le but de l'invention est de proposer une solution permettant de remédier à cet inconvénient. Le document " FR 2 389 219 A1 " décrit un dispositif de coupure électrique à autosoufflage selon le préambule de la revendication 1.
    • EXPOSÉ DE L'INVENTION
  • A cet effet, l'invention concerne un dispositif de coupure électrique à autosoufflage, tel qu'un disjoncteur ou un sectionneur, comprenant :
    • un premier contact et un second contact s'étendant dans le prolongement l'un de l'autre, au moins l'un des contact étant déplaçable en translation par rapport à l'autre contact entre une position fermée dans laquelle les deux contacts sont en appui l'un contre l'autre et une position ouverte dans laquelle les deux contacts sont espacés l'un de l'autre ;
    • une chambre de coupure entourant les deux contacts pour délimiter un espace fermé lorsque les contacts sont en position fermée ;
    • un canal central dans au moins l'un des contacts, ce canal central s'ouvrant vers l'autre contact tout en étant destiné à permettre l'évacuation de gaz issus de la chambre de coupure en phase d'ouverture du dispositif ;
    • un organe isolant porté par l'autre contact et s'engageant dans le canal en position fermée, cet organe isolant s'étendant entre les deux contacts en position ouverte ;
    et dans lequel cet organe isolant est en un matériau qui s'ablate sous l'effet de la chaleur générée par un arc s'établissant entre les contacts en phase d'ouverture, pour rendre plus importante l'augmentation de pression s'établissant dans la chambre de coupure en cas d'apparition d'un tel arc en phase d'ouverture du disjoncteur.
  • Avec cet agencement, l'organe isolant s'ablate en cas d'apparition d'un arc lors de l'ouverture, pour faire croître rapidement la pression dans la chambre de coupure, afin de favoriser une extinction rapide de l'arc. Cet organe permet en outre de retarder le soufflage pour obtenir une plus forte augmentation de pression dans la chambre de coupure, ce qui contribue en outre à rendre ce soufflage plus énergique.
  • L'invention concerne également un dispositif ainsi défini, dans lequel l'organe isolant est fabriqué en un matériau de type polytétrafluoroéthylène.
  • L'invention concerne également un dispositif ainsi défini, dans lequel l'organe isolant présente une forme tubulaire pourvue de trous pour retarder l'évacuation de gaz lors de l'ouverture du dispositif.
  • L'invention concerne également un dispositif ainsi défini, dans lequel les contacts comportent chacun un canal central et ont tous deux un corps tubulaire.
  • L'invention concerne également un dispositif ainsi défini, dans lequel l'organe isolant comporte une paroi centrale fermant la communication entre ses extrémités.
  • L'invention concerne également un dispositif ainsi défini, dans lequel l'organe isolant présente une longueur suffisante pour conserver une extrémité engagée dans le second contact y compris en position ouverte.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
    • La figure 1 est une vue partielle en coupe du disjoncteur selon l'invention lorsqu'il est fermé ;
    • La figure 2 est une vue partielle en coupe d'une partie du disjoncteur selon l'invention lorsqu'il est ouvert.
    EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
  • L'idée à la base de l'invention est d'utiliser un matériau qui s'ablate sous l'effet de la chaleur générée par un arc électrique, c'est-à-dire qui se sublime sous l'effet de cette chaleur pour provoquer une montée en pression rapide et importante au sein de la chambre de coupure afin de favoriser l'extinction de l'arc.
  • Le disjoncteur selon l'invention 1 qui représenté dans les figures 1 et 2 comporte un corps principal 2, à l'intérieur duquel sont montés un premier contact 3 qui est ici fixe et un deuxième contact 4 qui est ici mobile, ces contacts s'étendant dans le prolongement l'un de l'autre.
  • En variante, le premier contact 3 peut aussi être mobile, selon le même axe que le contact 4, et dans le sens opposé au contact 4, ces deux contacts s'étendant dans le prolongement l'un de l'autre.
  • Le corps principal 2 a une forme de révolution autour d'un axe longitudinal AX du disjoncteur, et le premier contact 3 ainsi que le second contact 4 sont aussi des éléments creux ayant des formes de révolution et qui sont coaxiaux avec l'axe longitudinal AX.
  • Le second contact 4 est déplaçable en translation le long de l'axe longitudinal AX entre une position électriquement fermée comme dans la figure 1 et une position électriquement ouverte comme dans la figure 2.
  • Dans la position électriquement fermée qui correspond à la configuration de la figure 1, le second contact 4 a son extrémité ou touche 7 qui est en appui et en contact avec l'extrémité ou touche 6 du premier contact 3. Le courant peut ainsi traverser le premier et le second contact.
  • Dans la position électriquement ouverte, le second contact 4 a au contraire sa touche 7 espacée de la touche 6 du premier contact, de sorte que le disjoncteur 1 ne peut plus être traversé par un courant électrique.
  • D'une manière générale, ce disjoncteur est rempli de gaz diélectrique tel que du SF6, pour améliorer sa tenue électrique et son pouvoir de coupure.
  • A cet effet, le corps principal 2 comporte dans sa région intérieure deux parois de séparation en forme de couronnes d'orientation normale à l'axe AX, repérées par 8 et 9, et qui entourent respectivement le premier contact 3 et le second contact 4 pour délimiter une chambre de coupure 11.
  • Chaque paroi présente ainsi un diamètre externe correspondant au diamètre interne du corps 2, et un diamètre interne correspondant au diamètre externe du premier contact 3 et du second contact 4. Lorsque le disjoncteur est fermé comme dans la figure 1, la chambre de coupure 11 est un espace annulaire entourant les contacts 3 et 4, et qui contient du gaz isolant.
  • Chaque contact 3, 4 comporte un corps tubulaire ayant une extrémité de contact resserrée, portant une touche 6, 7 en forme de couronne, et délimitant une ouverture de diamètre inférieur à celui du corps tubulaire. Chaque contact creux 3, 4 comporte ainsi un canal central, ces canaux étant repérés respectivement par 12 et 13.
  • Comme visible dans les figures, le premier contact 3 porte un organe isolant 14 qui est engagé dans l'ouverture de son extrémité en y étant rigidement fixé, et qui est également engagé dans l'ouverture de l'extrémité du second contact sans y être solidarisée.
  • L'organe 14 est un élément isolant fabriqué dans un matériau qui s'ablate sous l'effet de la chaleur, en particulier en cas d'apparition d'un arc électrique pour provoquer une montée rapide de la pression au voisinage de l'arc. Cet organe est par exemple fabriqué en PTFE, c'est-à-dire en Polytétrafluoroéthylène.
  • Cet organe isolant 14 a une forme générale tubulaire, son diamètre externe correspond au diamètre interne des ouvertures d'extrémité des contacts 3 et 4. Ainsi, lorsque le second contact 4 est déplacé le long de l'axe AX, il coulisse autour de cet organe isolant 14 pour découvrir sa surface extérieure.
  • Cet organe isolant comporte au niveau de son extrémité située dans le premier contact 3 une collerette 16 formant évasement, qui est en appui sur la face interne de la restriction de l'extrémité du premier contact. La fixation de l'organe isolant 14 au premier contact 3 est assurée par exemple par des vis 17 traversant chacune la collerette 16 pour se visser dans la restriction d'extrémité.
  • Le corps de l'organe 14 comprend encore une paroi centrale 15, optionnelle, normale à l'axe longitudinal AX, et qui sépare en deux moitiés le canal interne que délimite le corps tubulaire de cet organe 14, de sorte que ces deux moitiés ne communiquent pas l'une avec l'autre.
  • Complémentairement, l'organe 14 comporte des perçages 18, 19 traversant radialement la paroi de son corps tubulaire de façon à mettre en communication la chambre de coupure 11, située autour de l'organe 14, avec les canaux 12 et 13, situés à chaque extrémité de l'organe 14, pour évacuer le gaz isolant durant l'ouverture du disjoncteur.
  • Grâce à l'organe 14, le soufflage du gaz isolant présent dans la chambre de coupure 11 pendant l'ouverture du disjoncteur, est optimisé afin de favoriser l'extinction d'un arc se formant entre les contacts.
  • Plus particulièrement, lors de l'ouverture des contacts alors que le disjoncteur est sous tension, le second contact 4 est déplacé pour s'écarter du premier contact 3, ce qui découvre également l'organe 14. Ce déplacement donne lieu à la formation d'un arc électrique, repéré par A dans la figure 2, qui s'établit entre les touches 6 et 7, en s'étendant longitudinalement, c'est-à-dire à peu près parallèlement à l'axe AX. L'organe 14 a ainsi sa face externe découverte et au voisinage de l'arc électrique se formant entre les deux contacts.
  • Cet arc provoque un échauffement dans son voisinage, ce de sorte que la pression du gaz augmente dans la chambre 11. Grâce au choix d'un organe 14 fabriqué dans un matériau qui s'ablate, cette augmentation de pression est fortement accentuée : le matériau de l'organe 14 échauffé par l'arc se sublime pour faire croître la pression plus rapidement.
  • Au fur et à mesure que le second contact 4 continue de s'éloigner du premier contact, il continue de s'ablater et de faire croître significativement la pression afin de favoriser l'extinction de l'arc. Durant cette progression, des trous 18, 19 de l'organe 14 continuent de se libérer pour permettre l'évacuation du gaz hors de la chambre de coupure, c'est-à-dire le soufflage.
  • D'une manière générale, l'augmentation rapide de la pression dans la chambre de coupure due à l'ablation du matériau de l'organe isolant, permet d'accroître significativement le soufflage de l'arc au voisinage du passage par zéro du courant alternatif pour favoriser l'extinction d'arc. Elle permet d'accroître par là même le pouvoir de coupure du dispositif.
  • Complémentairement, l'ouverture des contacts découvre l'organe isolant mais également ses trous pour laisser passer le gaz pressurisé afin qu'il s'évacue depuis la chambre 11 vers les canaux 12 et 13.
  • En début d'ouverture du disjoncteur, seuls quelques trous 18 et 19 sont libérés pour laisser passer le gaz, alors qu'en fin d'ouverture, tous les trous sont libérés, ce qui augmente la section de passage du gaz. Ces trous permettent ainsi par eux-mêmes d'accroître l'intensité du soufflage de l'arc A, ce soufflage étant par ailleurs augmenté aussi du fait de l'accroissement élevé de la pression dû à l'ablation du matériau constituant l'organe 14.
  • Les trous 18, 19 répartis à la surface de l'organe 14, le soufflage atteint son intensité maximale en fin d'ouverture lorsque l'arc A est le plus allongé, c'est-à-dire dans la phase la plus favorable à son extinction.
  • La disposition et l'inclinaison des trous 18 et 19 de l'organe 14 est avantageusement optimisée pour aboutir au profil de soufflage le plus efficace de l'arc vis-à-vis de ses caractéristiques au cours de l'ouverture.
  • Ainsi, plus les trous 18 et 19 sont proches de la région centrale de l'organe 14, plus le soufflage est important en début d'ouverture. Au contraire, plus les trous 18 et 19 sont écartés de cette région centrale, plus ils favorisent un soufflage important en fin d'ouverture.
  • Complémentairement, ces trous peuvent aussi être inclinés par rapport à l'axe AX au lieu d'être orientés radialement, de manière à limiter les turbulences qu'ils introduisent afin de favoriser un soufflage intense de l'arc électrique.
  • La paroi de séparation centrale 15 de l'organe 14 permet de séparer le flux de gaz issu de la chambre 11 en une partie s'évacuant vers le canal 12 du premier contact 3, et une autre partie s'évacuant vers le canal 13 du second contact 4.
  • Dans l'exemple des figures, l'organe 14 a une longueur suffisamment importante pour que son extrémité reste engagée dans le premier contact lorsque le second contact est ouvert. Mais il pourrait aussi être plus court pour que son extrémité soit écartée du second contact en fin d'ouverture, ce qui favoriserait alors un fort accroissement de l'intensité du soufflage en fin d'ouverture.
  • D'une manière générale, l'organe isolant 14 permet d'une part de faire croître plus fortement la pression dans la chambre de coupure par effet d'ablation, et d'autre part de retarder et ajuster le soufflage pour en accroître l'efficacité.
  • La pression de gaz dans la chambre 11 est ainsi plus importante et le souffle est plus énergique et plus tardif, c'est-à-dire plus efficace pour éteindre l'arc.

Claims (6)

  1. Dispositif de coupure électrique (1) à autosoufflage, tel qu'un disjoncteur (1) ou un sectionneur, comprenant :
    - un premier contact (3) et un second contact (4) s'étendant dans le prolongement l'un de l'autre, au moins l'un des contact étant déplaçable en translation par rapport à l'autre contact entre une position fermée dans laquelle les deux contacts sont en appui l'un contre l'autre et une position ouverte dans laquelle les deux contacts sont espacés l'un de l'autre ;
    - une chambre de coupure (11) entourant les deux contacts pour délimiter un espace fermé lorsque les contacts sont en position fermée ;
    - un canal central (12, 13) dans au moins l'un des contacts (3, 4), ce canal central (12, 13) s'ouvrant vers l'autre contact (3, 4) tout en étant destiné à permettre l'évacuation de gaz issus de la chambre de coupure (11) en phase d'ouverture du dispositif ;
    - un organe isolant (14) porté par l'autre contact et s'engageant dans le canal (12, 13) en position fermée, caractérisé en ce que cet organe isolant (14) s' étend entre les deux contacts (3, 4) en position ouverte ;
    et dans lequel cet organe isolant (14) est en un matériau qui s'ablate sous l'effet de la chaleur générée par un arc (A) s'établissant entre les contacts (3, 4) en phase d'ouverture, pour rendre plus importante l'augmentation de pression s'établissant dans la chambre de coupure (11) en cas d'apparition d'un tel arc (A) en phase d'ouverture du disjoncteur.
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'organe isolant (14) est fabriqué en un matériau de type polytétrafluoroéthylène.
  3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'organe isolant (14) présente une forme tubulaire pourvue de trous pour retarder l'évacuation de gaz lors de l'ouverture du dispositif.
  4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les contacts (3, 4) comportent chacun un canal central (14) et ont tous deux un corps tubulaire.
  5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel l'organe isolant (14) comporte une paroi centrale (15) fermant la communication entre ses extrémités.
  6. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel l'organe isolant (14) présente une longueur suffisante pour conserver une extrémité engagée dans le second contact (4) y compris en position ouverte.
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