FR2595867A1

FR2595867A1 - Interrupteur de circuit a limitation du courant

Info

Publication number: FR2595867A1
Application number: FR8703044A
Authority: FR
Inventors: Edward Keith Howell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1986-03-14
Filing date: 1987-03-06
Publication date: 1987-09-18
Also published as: JPS62254334A; US4656324A; IT8719690A0; IT1204939B; DE3643530A1; BR8700335A; CA1303653C

Abstract

UNE PAIRE DE CONTACTS PRINCIPAUX 30, 31; 32, 33 ET UNE PAIRE DE CONTACTS PARE-ETINCELLE 36, 37 SONT INTERCONNECTES ELECTRIQUEMENT ET MECANIQUEMENT A L'INTERIEUR D'UN INTERRUPTEUR DE CIRCUIT LIMITANT LE COURANT. UN ACTIONNEUR COMMUN 35 SOLLICITE LES CONTACTS PRINCIPAUX A L'ETAT DE FERMETURE, TOUT EN SOLLICITANT SIMULTANEMENT LES CONTACTS PARE-ETINCELLE A L'ETAT D'OUVERTURE. UN ORGANE 35 D'ENTRAINEMENT DE CONTACT SERVANT A OUVRIR LES CONTACTS PRINCIPAUX FERME SIMULTANEMENT LES CONTACTS PARE-ETINCELLE, D'OU LE PASSAGE DU COURANT DU CIRCUIT TANT DANS LES CONTACTS PRINCIPAUX QUE DANS LES CONTACTS PARE-ETINCELLE. UN DEPLACEMENT ULTERIEUR DES CONTACTS MOBILES DIRIGE ENTIEREMENT LE COURANT DANS LES CONTACTS PARE-ETINCELLE POUR QU'IL Y AIT REPULSION ELECTROMAGNETIQUE ET FORMATION D'ARC A L'INTERIEUR D'UNE STRUCTURE MAGNETIQUE 43. APPLICATION AUX INTERRUPTEURS DE COURANT.

Description

La pr6sente invention concerne un interrupteur de circuit à limitation du

courant. L'utilisation de contacts 5 principaux s6parés et de contacts pare-étincelle dans un

dispositif d'interruption de circuit est décrite dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique n 4 039 983 et dans le brevet britannique 1 103 746. Dans ces deux brevets, le courant traverse les contacts principaux et pare-étincelle 10 jusqu'à ce qu'il y ait séparation des contacts principaux.

La demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 674 810 déposée le 26 novembre 1984, ayant pour titre "Current Limiting Circuit Breaker" (Disjoncteur de circuit à limitation du courant) décrit un interrupteur de circuit à 15 haute vitesse à limitation du courant, qui utilise une paire de contacts principaux reliés électriquement en parallèle à une paire de contacts pare-étincelle disposés aux extrémités de bras de contact mobiles. Au moment de la séparation des contacts principaux, le courant du circuit est transf6ré aux 20 contacts pare-étincelle, d'o la séparation des bras par répulsion électromagnétique et la création d'un arc, lequel

est ensuite étouffé à l'intérieur d'une cage de soufflage.

Les avantages que pr6sentent les contacts principaux et pare-étincelle font l'objet d'une description dans 25 la demande de brevet américain citée ci-dessus et comportent

- 2 l'emploi d'un métal hautement conducteur pour que les contacts principaux laissent passer continuellement le courant ainsi que l'utilisation d'un métal réfractaire pour les contacts pare-étincelle. Dans cette demande de brevet améri5 cain on décrit en outre l'expédient consistant à disposer les contacts pare-étincelle aux extrémités de bras de faible épaisseur qui ne sont pas parcourus en permanence par le courant. Dans les conceptions des interrupteurs de circuit 10 à limitation de courant dont il est question ci-dessus, dans lesquelles les contacts principaux et les contacts pareétincelle sont montés électriquement en parallèle, des courants relativement intenses peuvent traverser les contacts pare-étincelle jusqu'au moment o ceux-ci se repoussent 15 électromagnétiquement et o il y a formation d'un arc. Les

contacts et les bras portant des contacts doivent être suffisamment volumineux pour supporter les intensités élevées sans être victimes d'un échauffement.

La présente invention prévoit un agencement de 20 contacts entre les contacts principaux et pare-étincelle,

qui donne l'assurance que ces derniers ne sont pas introduits dans le circuit protégé tant que les contacts principaux n'ont pas commencé à se séparer.

Dans un interrupteur de circuit à limitation du 25 courant selon la présente invention, les contacts principaux supportant continuellement le courant d'un circuit électrique sont disposés par rapport à une paire de contacts pareétincelle fixés aux extrémités de bras mobiles allongés. Les contacts principaux sont sollicités électriquement et méca30 niquement par un mécanisme commun de fermeture de contact

qui sollicite les contacts principaux pour les mettre à l'état de fermeture, tout en maintenant les contacts pareétincelle a l'état ouvert. Le déplacement de l'actionneur des contacts principaux a pour effet de séparer simultané35 ment ces contacts tout en amenant les contacts pareétin-

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celle à l'état feriné. La séparation des contacts principaux provoque un transfert complet du courant du circuit aux contacts pare-étincelle pour qu'il y ait répulsion électromaqnétique des bras amovibles et production d'un arc entre 5 les contacts pare-étincelle. Une structure magnétique améliore la vitesse de répulsion électromagnetique tout en provoquant l'allongement et l'extinction de l'arc à l'instant de son apparition.

La description qui va suivre se réfère aux figures 10 annexées qui représentent respectivement:

Figure 1, une vue de dessus d'un interrupteur de

circuit à limitation du courant, comportant des contacts principaux et pare-étincelle qui sont reliés électriquement selon l'art antérieur.

figure 2, une vue de dessus d'un interrupteur de circuit à limitation du courant selon la présente invention; figure 2a, une vue en bout de l'interrupteur de circuit à limitation du courant de la figure 2; figure 3, une vue de dessus de l'interrupteur de 20 circuit à limitation du courant de la figure 2 à l'instant o les contacts pare-étincelle se touchent; et figure 4, une vue de dessus de l'interrupteur de

circuit à limitation du courant de la figure 2 après que les contacts principaux se soient complètement séparés et qu'un 25 arc se soit formé entre les contacts pare-étincelle.

Avant de procéder à la description de l'interrupteur de circuit à limitation du courant selon la présente invention, il est utile de revoir l'agencement de contacts 10 de l'art antérieur, faisant l'objet de la figure 1. Cet 30 agencement est décrit dans la demande de brevet des EtatsUnis citée ci-dessus et comprend une paire de lamelles de contact 11, 12, chaque lamelle comprenant un contact principal 13, 14, entre lesquels est disposé un contact de shuntage 15 se déplaçant jusqu'à la position d'ouverture, repré35 sentée en trait mixte, sous l'effet d'une force Fol01 d'ou-

-4 verture de contact. Dans les conditions normales de fonctionnement à l'état de repos, le courant 11 passe par la lamelle 12, le contact principal 14, le contact de shuntage 15, le contact principal 13 pour atteindre la lamelle 11. 5 Une paire de bras mobiles 16, 17 supportant chacun un contact pare-étincelle 18, 19 a l'une de leurs extrémités et montés en pivotement au moyen d'axes 20, 21 a leurs extrémités opposées, est disposée électriquement en parallèle avec les contacts principaux. Une partie 12 du courant du 10 circuit passe par la lamelle 12, le bras mobile 17, les contacts 19, 18, le bras mobile 16, pour atteindre la lamelle 11. Comme les contacts principaux 13, 14 et le contact de shuntage 15 sont réalisés en alliage d'argent ayant une faible résistance électrique, la majeure partie du courant 15 les traverse et seule une fraction du courant du circuit à l'état constant passe par les contacts 18, 19 qui sont réalisés en alliage de tungstène ayant une résistance beaucoup plus élevée. Lorsqu'il y a détection d'une surcharge par courtcircuit, une force d'ouverture F01 est appliquée 20 au contact de shuntage 15 afin de le séparer des contacts principaux 13, 14, d'o la formation d'arcs entre les contacts 14, 15 et 13, 15 et le transfert du courant aux bras mobiles 16, 17, ce qui provoque leur répulsion électromagnétique sous l'effet de la force d'ouverture F02, comme cela 25 est représenté en tirets. L'arc se produisant entre les

contacts est rapidement éteint dans une cage de soufflage 22 grâce à la présence d'une multitude de plaques 23. Un bloc isolant 9, disposé entre les lamelles 11, 12 évite l'apparition d'un arc entre elles lorsque le contact de shuntage 30 s'éloigne des contacts principaux. Dans un mode de réalisation préféré, on utilise un matériau de varistor pour constituer le bloc isolant 9 afin de dévier rapidement le courant et l'énergie de l'arc, d'o l'obtention d'un action de limitation du courant avec une récupération rapide de la 35 tension. Aux fins de la présente description, la force de

- 5 fermeture agissant sur les contacts pare-étincelle est une force FC qui est fournie par des ressorts de fermeture de contact (non représentés) , qui doit être vaincue par une force de répulsion FR de manière à séparer les contacts. 5 Comme une petite fraction du courant de surcharge de courte durée passe par les bras mobiles 16, 17, la force Fc des contacts doit être supérieure à la force électromagnétique de répulsion FR créée par le courant dans les bras mobiles 16, 17 pour toute intensité du courant inférieure à un 10 niveau de déclenchement dit "instantané". Pour assurer que les bras ne s'échauffent pas avant la répulsion électrodynamique, on les construit sous forme d'une barre en cuivre, suffisamment lourde, ce qui ajoute à son tour aux forces nécessaires pour séparer les bras pendant la répulsion 15 électromagnétique. On vient de déterminer qu'on peut réduire

sensiblement les dimensions des bras mobiles pour obtenir une interruption plus rapide du circuit en employant un interrupteur 43 de circuit à limitation du courant, tel que celui décrit en figure 2, qui est l'objet de la présente 20 invention.

L'interrupteur 43, représenté en figure 2, comporte une paire de lamelles, 24, 25, auxquelles sont fixes une paire de bras mobiles 26, 27 en forme de L au moyen d'une paire d'axes de pivotement 28, 29. Le bras 26 présente 25 une première branche principale 26A de faible épaisseur et une première branche secondaire 26B de forte épaisseur, perpendiculaire à la précédente, avec une seconde branche principale similaire 27A de faible épaisseur et une seconde branche secondaire 27B de forte épaisseur pour l'autre bras 30 27. Les branches secondaires 26B, 27B de forte épaisseur comporte chacune un contact principal 30, 31 pour liaison électrique avec une paire de contacts de shuntage 32, 33 disposés sur un support 34. Les contacts principaux et de shuntage sont en alliage d'argent de manière à rendre mini35 male la résistance entre contacts lorsqu'ils sont traversés - 6 par le courant IT du circuit, comme cela est indiqué. Les branches 26B, 27B sont telles qu'à l'état constant, le courant n'en provoque pas l'échauffement. Le support 34 des contacts de shuntage est relié fonctionnellement par une 5 tige d'actionnement 35 à un mécanisme d'actionnement qui, bien que non représenté, est semblable a celui qu'on décrit dans le brevet des Etats-Unis n 4 001 742, incorporé ici à titre de référence. Un dispositif de détection de courant constitué d'un transformateur de courant et d'un circuit 10 électronique de détection tel que celui décrit dans le brevet des Etats-Unis 4 115 829 est utilisé avec le mécanisme d'actionnement. Ce brevet est également incorporé ici à titre de référence. En dehors du mécanisme standard d'actionnement décrit, par exemple, dans le brevet des Etats15 Unis n 4 001 742, on peut également employer un actionneur de contact à action rapide, tel que celui décrit dans la demande de brevet américain n 814 865, déposée le 30 décembre 1985 sous le titre "High Speed Contact Driver For Circuit Interruption Device" (Actionneur de contact à haute 20 vitesse pour dispositif d'interruption de circuit) afin de séparer rapidement le support des contacts de shuntage et les contacts qui y sont fixés dans le cas o l'on désire une interruption du circuit à haute vitesse. Les contacts pareétincelle, 36, 37 sont constitués d'un alliage de tungstène 25 de manière à présenter une certaine résistance A l'érosion de l'arc se formant lorsqu'ils se séparent en cas de courant de surcharge. Une structure magnétique 43 enferme les bras des contacts mobiles en forme de L et comporte une multitude de tôles magnétiques fendues 42 afin de renforcer le champ 30 magnétique produit lorsque le courant du circuit est amené à traverser les bras mobiles dans des directions opposées. Une paire de plaques 38 en céramique, qu'on voit le mieux en figure 2A, est placée A l'intérieur des tôles magnétiques de manière à les isoler électriquement de l'arc se formant lors 35 de la séparation des contacts. Afin de refroidir et éteindre -7 l'arc se produisant entre les contacts 36, 37, on peut placer dans leur voisinage une cage de soufflage constituée d'une multitude de plaques métalliques espacées. Pour aider à l'extinction de l'arc et à la dissipation de son énergie, 5 on peut monter un varistor entre les lamelles 24, 25 ou interposer une multitude de varistors entre les plaques métalliques. L'utilisation de varistors en combinaison avec des plaques métalliques dans des dispositifs d'interruption de circuit est décrite dans la demande de brevet des Etats10 Unis d'Amérique n 41 PS-6370 intitulée "Varistor Quenched arc chute for current limiting circuit interrupter" (Cage de soufflage à extinction par varistor pour interrupteurs de circuit à limitation du courant). Toujours en liaison avec la figure 2, l'interrupteur de circuit à limitation du 15 courant fonctionne de la façon suivante. Le support 34 des contacts de shuntage est positionné, au moyen du mécanisme d'actionnement des contacts, de manière à buter contre les contacts principaux 30, 32 et 31, 33 et à séparer les contacts pare- étincelle 36, 37. Afin d'assurer une bonne liai20 son électrique entre les contacts principaux et de shuntage -33 et de réduire la résistance électrique entre eux, on a représenté des ressorts séparés de fermeture de contact agissant sur les branches secondaires 26B et 27B par des forces élastiques de fermeture Fc qui produisent une force 25 de réaction FC2 sur le support de contact 34. Grâce à

l'agencement des contacts principaux sur le côté -inférieur des branches secondaires, les contacts pare-étincelle 36, 37 se maintiennent dans la position ouverte de sorte qu'ils ne sont pas parcourus par le courant du circuit alors que les 30 contacts principaux 30, 31 sont incorporés dans le circuit.

En figure 3, on a représenté l'interrupteur 43, dans lequel une force d'ouverture FO est appliquée au support 43 des contacts de shuntage dans le sens indiqué lors de l'apparition d'un courant prédéterminé, désigné 35 ci-après par "courant d'interruption". Après déplacement des -8

contacts de shuntage suivant une courte distance, de l'ordre de quelques centièmres de millimètre, les contacts pareétincelle 36, 37 se touchent et le courant d'interruption commence à être transféré des contacts principaux et de 5 shuntage aux contacts pare-étincelle, les contacts pareétincelle, comme indiqué en figure 3 dans laquelle le courant IM traverse les contacts principaux et de shuntage et le courant IA passe par les contacts pare-étincelle.

Lorsque les contacts principaux commencent a se séparer, il 10 se produit des petits arcs entre les contacts principaux et les contacts de shuntage qui développent une paire de tensions, ayant chacune une valeur d'environ 15 volts, produisant une tension totale d'arc d'environ 30 volts entre les bras 26, 27. Comme les bras sont très près l'un de l'autre 15 pour que l'inductance soit minimum entre les contacts de shuntage et pareétincelle, le courant d'interruption sera totalement transféré aux bras mobiles en moins de quelques microsecondes, même si un arc peut se développer entre les contacts 36, 37. Ce transfert rapide limite l'érosion des 20 contacts principaux et de shuntage et permet une désionisation accélérée des arcs qui se sont formés entre eux pour une récupération rapide de la tension. Avec le courant d'interruption circulant maintenant entièrement dans les bras mobiles, la force élevée de réduction électromagnétique 25 FR repousse rapidement les bras, d'o la production d'un arc 44 entre les contacts se séparant, comme on le voit le mieux en figure 4. Comme l'arc se trouve à l'intérieur de la structure magnétique 43, une force électromagnétique élevée FA s'exerce sur l'arc, d'o l'étalement rapide de celui-ci 30 et son refroidissement et par conséquent l'augmentation de la tension de l'arc, ce qui a pour effet de ramener rapidement à zéro le courant d'interruption. L'utilisation d'un ou de plusieurs varistors fournit un trajet conducteur parallèle dès que la tension de l'arc atteint la tension de 35 blocage du varistor, d'o le transfert aux varistors d'une -9 partie du courant de l'arc et la réduction de ce courant. La caractéristique négative de résistance de l'arc en parallèle avec les varistors provoque l'instabilité de l'arc, ce qui se traduit finalement par le transfert aux varistors de la 5 totalité du courant de l'arc. Ainsi, l'énergie dissipée dans l'arc est grandement réduite par l'élévation très rapide de la tension de l'arc jusqu'à la valeur de blocage des varistors. L'énergie emmagasinée dans le dispositif électrique, à l'intérieur duquel est monté l'interrupteur de circuit à 10 limitation du courant, est alors dissipée passivement dans les varistors. On notera que le moyen d'actionnement des contacts qui est choisi pour provoquer le déplacement du support 34 des contacts de shuntage n'a besoin que d'être transitoire car la répulsion électromagnétique des bras des 15 contacts mobiles sépare les contacts principaux et les contacts de shuntage. Il faut un mécanisme supplémentaire pour maintenir séparés les bras mobiles à l'état d'ouverture et ce mecanisme peut être libéré ou déclenché par le mouvement transitoire du support des contacts de shuntage. Ainsi, 20 pour des courants d'interruption très faibles, le mécanisme

répondra pour séparer les bras à la place des forces électromagnétiques de répulsion.

On vient donc de montrer que l'utilisation d'une paire double de contacts de shuntage et de contacts princi25 paux pour simultanément maintenir séparée et débrancher une paire correspondante de contacts pare-étincelle, se traduit par une interruption idéale d'un circuit à limitation du courant. Le transfert du courant d'interruption des contacts principaux et des contacts de shuntage aux contacts pare30 étincelle est avantageusement assuré par la coopération

entre le mécanisme d'actionnement et le courant d'interruption.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Interrupteur de circuit à limitation de courant, caractérisé en ce qu'il comprend: une paire de bras de contact mobiles, (26, 27), 5 ayant chacun un contact principal (30, 31) à proximité d'une extrémité et un contact pare-étincelle (36, 37) à l'extrémité opposée; un support (34) de contacts de shuntage comportant une paire de contacts de shuntage (32, 33) placés près des 10 contacts principaux en étant opposés à ceux-ci; et un moyen (35) de sollicitation de contact relié fonctionnellement au support des contacts de shuntage afin de les maintenir ansi que les contacts principaux en liaison électrique tout en conservant les contacts pareétincelle 15 exempts de liaison électrique lorsque le support des contacts de shuntage se trouve dans une première position et pour déplacer les contacts pare-étincelle et les amener en liaison électrique lorsque ce support se trouve dans une seconde position et pour séparer les contacts de shuntage et 20 les contacts principaux lorsque le support se trouve dans

une troisième position.

2. Interrupteur de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bras de contact (26, 27) ont la forme d'un L, ayant des branches courtes (26B, 27B) et 25 branches longues (26A, 27A) perpendiculaires, les contacts principaux (30, 31) étant fixés à la branche courte et les

contacts pare-étincelle (36, 37) à la branche longue.

3. Interrupteur de circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que les contacts principaux (30, 31) et 30 les contacts de shuntage (32, 33) sont en alliage d'argent

et les contacts pare-étincelle (36, 37) en alliage de tungstène.

4. Interrupteur de circuit selon la revendication

2, caractérisé en ce que les branches longues (26A, 27A) et 35 les contacts pare-étincelle (36, 37) sont disposés à l'in-

- il térieur d'une structure magnétique fendue (43) afin d'améliorer la répulsion électromagnétique entre les branches longues lorsque le courant d'interruption passe par les

branches longues et par les contacts pare-étincelle.

5. Interrupteur de circuit selon la revendication

4, caractérisé en ce qu'il comprend une cage de soufflage à proximité des contacts pare-étincelle (36, 37) à l'intérieur de la structure magnétique (43) afin de repousser électromagnétiquement un arc se formant entre lesdits contacts 10 lorsque les branches longues (26A, 27A) se séparent.

6. Interrupteur de circuit selon la revendication , caractérisé en ce que la cage de soufflage comporte une multitude de plaques métalliques alignées, espacées les unes

des autres.

7. Interrupteur de circuit selon, la revendication 1, caractérisé en ce que la section en coupe des branches de courte longueur (26B, 27B) est plus grande que la section en

coupe des branche de grande longueur (26A, 27A).

8. Interrupteur de circuit selon la revendication 20 2, caractérisé en ce que les bras de contact mobiles en forme de L (26, 27) sont fixés en pivotement a une paire de conducteurs (24, 25) au moyen d'axes (28, 29) traversant les

branches de courte longueur (26B, 27B).

9. Interrupteur de circuit selon la revendication 25 1, caractérisé en ce qu'un varistor est monté en parallèle

avec les bras de contact mobiles (26, 27).

10. Interrupteur de circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce que les plaques métalliques comportent une multitude correspondante d'éléments de varistors places 30 entre elles pour refroidir rapidement l'arc et abaisser sa température.