FR2599187A1

FR2599187A1 - Gas-insulation electric circuit breaker with electromagnetic blasting coil for rotation of the arc

Info

Publication number: FR2599187A1
Application number: FR8607610A
Authority: FR
Inventors: Michel Barrault; Georges Bernard
Original assignee: Merlin Gerin SA
Current assignee: Merlin Gerin SA
Priority date: 1986-05-26
Filing date: 1986-05-26
Publication date: 1987-11-27
Anticipated expiration: 2006-05-26
Also published as: FR2599187B1

Abstract

The arc extinguishing device 30 of an SF6 insulated circuit breaker includes a pair of separable contacts 12, 14, an electromagnetic coil 16 for rotating the arc, and phase-shifting means cooperating with the coil 16 in order to preserve a sufficient magnetic field at a time favourable to the extinguishing of the arc, in this instance on the passing of the current to zero. The coil 16 is axially framed by a pair of short-circuited annuli 50, 52 intended to prevent any spatial deformation of the magnetic field within the arc zone 18, independently of the instant of the phase of the AC current to be interrupted. Application: medium- or high-voltage circuit breaker or switch.

Description

DISJONCTEUR ELECTRIQUE A ISOLEMENT GAZEUX ET A BOBINE DE
SOUFFLAGE ELECTROMAGNETIQUE POUR LA ROTATION DE L'ARC
L'invention est relative à un disjoncteur électrique ayant un dispositif d'extinction d'arc à soufflage magnétique logé dans une enveloppe étanche remplie d'un gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment de l'hexafluorure de soufre, et comprenant - une paire de contacts séparables, dont l'élément de contact mobile est monté à coulissement dans la direction axiale de l'enveloppe, - une bobine électromagnétique de soufflage entourantcoaxialement au moins un des contacts, en étant parcourue par le courant à interrompre, de manière à engendrer un champ magnétique dans la zone de formation et d'extension de l'arc, et imposer une rotation de l'arc tiré entre lesdits contacts lors de la séparation de ces derniers, - et des moyens de déphasage coopérant avec la bobine pour conserver un champ magnétique suffisant au passage à zéro du courant alternatif.ELECTRIC CIRCUIT BREAKER WITH GAS INSULATION AND COIL
ELECTROMAGNETIC BLOWER FOR ARC ROTATION
The invention relates to an electric circuit breaker having an arc extinguishing device with magnetic blowing housed in a sealed envelope filled with an insulating gas with high dielectric strength, in particular sulfur hexafluoride, and comprising - a pair of separable contacts, the movable contact element of which is slidably mounted in the axial direction of the envelope, - an electromagnetic blowing coil coaxially surrounding at least one of the contacts, being traversed by the current to be interrupted, so as to generate a magnetic field in the zone of formation and extension of the arc, and to impose a rotation of the arc drawn between said contacts during the separation of the latter, - and phase-shifting means cooperating with the coil to preserve a magnetic field sufficient for zero current crossing of the alternating current.

Un disjoncteur connu du genre mentionné est décrit dans le brevet français NO 2 441 261 de la demanderesse. Le principe de soufflage magnétique d'un tel disjoncteur à arc tournant est représenté schématiquement sur la figure 1. Le dispositif d'extinction 10 d'arc est logé dans une enveloppe (non représentée) étanche remplie de gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment du SF 6, et comporte une paire de contacts 12, 14, séparables montés en alignement axial à l'intérieur de l'enveloppe. Le contact fixe 12 est entouré coaxialement par une bobine 16 électromagnétique de forme tubulaire, susceptible d'engendrer un champ magnétique B dans la zone 18 de formation et d'extension de l'arc 20 tiré entre les contacts 12, 14, lors de leur séparation.En position de fermeture, le contact mobile 14 coulissant se trouve en aboutement avec le contact fixe 12, à l'intérieur de la bobine 16, logée dans une carcasse 22 métallique ferromagnétique.A known circuit breaker of the kind mentioned is described in French patent No. 2,441,261 of the applicant. The principle of magnetic blowing of such a rotary arc circuit breaker is shown diagrammatically in FIG. 1. The arc extinguishing device 10 is housed in a sealed envelope (not shown) filled with insulating gas with high dielectric strength, in particular of SF 6, and comprises a pair of separable contacts 12, 14 mounted in axial alignment inside the envelope. The fixed contact 12 is surrounded coaxially by an electromagnetic coil 16 of tubular shape, capable of generating a magnetic field B in the area 18 of formation and extension of the arc 20 drawn between the contacts 12, 14, during their In the closed position, the sliding movable contact 14 is located at the abutment with the fixed contact 12, inside the coil 16, housed in a ferromagnetic metal carcass 22.

L'extrémité postérieure de la bobine 16 est reliée électriquement au contact fixe 12 par l'intermédiaire de la carcasse 22, tandis que l'extrémité opposée antérieure est soudée à une électrode 24 annulaire faisant saillie du bord interne de la face frontale 26 annulaire de la bobine 16.The rear end of the coil 16 is electrically connected to the fixed contact 12 via the carcass 22, while the opposite front end is welded to an annular electrode 24 projecting from the internal edge of the annular front face 26 of coil 16.

L'électrode 24 comporte un orifice axial de passage du contact mobile 14 coulissant, et est réalisée en un matériau bon conducteur résistant à l'action de l'arc 20. L'électrode 24 est couplée étroitement à la bobine 16 de soufflage, et constitue à la fois un anneau en court-circuit de déphasage permettant une conservation du champ magnétique au passage du courant alternatif par zéro, et une piste de migration de l'arc tournant.The electrode 24 has an axial orifice for the passage of the movable sliding contact 14, and is made of a good conductive material resistant to the action of the arc 20. The electrode 24 is tightly coupled to the blowing coil 16, and constitutes at the same time a ring in short-circuit of phase shift allowing a conservation of the magnetic field at the passage of the alternating current by zero, and a migration track of the rotating arc.

Le fonctionnement du dispositif d'extinction 10 d'arc est le suivant - l'ouverture du disjoncteur s'opère par coulissement vers la gauche du contact mobile 1 4 (voir flèche F, figure 1), accouplé mécaniquement à un dispositif de commande (non représenté).The operation of the arc extinguishing device 10 is as follows - the circuit breaker is opened by sliding the movable contact 1 4 to the left (see arrow F, FIG. 1), mechanically coupled to a control device ( not shown).

L'arc initial tiré entre les deux contacts 12, 14, commute rapidement sur l'électrode 24 en mettant en circuit la bobine 16.The initial arc drawn between the two contacts 12, 14, quickly switches to the electrode 24 by switching on the coil 16.

Le champ magnétique engendré par le passage du courant d'excitation dans la bobine 1 6 provoque la rotation de l'arc dans la zone 18. L'électrode 24 constitue une piste de migration de faible largeur de la racine d'arc, et positionne la zone 18 de formation d'arc au centre de l'enveloppe. Le courant d'excitation de la bobine. 16 correspond au courant à interrompre, et il est indispensable que l'induction magnétique
B ne soit pas nulle à l'instant du passage par zéro du courant qui est favorable à l'extinction de l'arc. A cet effet, l'électrode 24 accolée à la bobine 16 constitue une spire en court-circuit qui est le siège d'un courant induit déphasé par rapport au courant dans la bobine 16, et procurant ainsi un champ magnétique auxiliaire déphasé non nul lors du zéro de courant.On remarque sur le tracé de la figure 3, que les lignes du champ magnétique B se centrent sur llélectrode 24 au passage à zéro du courant, alors qu'elles se trouvent centrées sur la bobine 16 (figure 2), lorsque le courant est au voisinage de la valeur crete. La présence de l'électrode 24 sur le bord interne de la face frontale de la bobine 16 permet de conserver un champ magnétique de soufflage de l'arc à un moment favorable à l'extinction de l'arc, en ltoccurrence au passage à zéro du courant, mais dans la zone d'arc 18, ce champ varie par déformation temporelle et spatiale des lignes de champ. Cette variation du champ influence le mouvement de rotation de l'arc, et peut perturber le phénomene d'extinction de l'arc. Les performances de coupure d'un tel disjoncteur à arc tournant sont limitées.The magnetic field generated by the passage of the excitation current in the coil 1 6 causes the rotation of the arc in the area 18. The electrode 24 constitutes a migration path of small width from the arc root, and positions the arc forming zone 18 in the center of the envelope. The excitation current of the coil. 16 corresponds to the current to be interrupted, and it is essential that the magnetic induction
B is not zero at the instant of the zero crossing of the current which is favorable to the extinction of the arc. To this end, the electrode 24 attached to the coil 16 constitutes a short-circuited turn which is the seat of an induced current phase-shifted with respect to the current in the coil 16, and thus providing a non-zero phase-shifted auxiliary magnetic field during of the zero of current. We note on the plot of FIG. 3, that the lines of the magnetic field B are centered on the electrode 24 when the current crosses zero, while they are centered on the coil 16 (FIG. 2), when the current is near the peak value. The presence of the electrode 24 on the internal edge of the front face of the coil 16 makes it possible to maintain a magnetic field for blowing the arc at a moment favorable to the extinction of the arc, in this case at zero crossing. of the current, but in the arc zone 18, this field varies by temporal and spatial deformation of the field lines. This variation of the field influences the rotational movement of the arc, and can disturb the phenomenon of extinction of the arc. The breaking performance of such a rotary arc circuit breaker is limited.

L'objet de l'invention consiste à réaliser un disjoncteur à arc tournant et à bobine de soufflage, susceptible d'engendrer un champ magnétique sensiblement uniforme dans la zone dlarc, indépendemment de l'instant de la phase du courant alternatif à interrompre.The object of the invention consists in making a circuit breaker with a rotating arc and a supply coil, capable of generating a substantially uniform magnetic field in the dlarc region, independently of the instant of the phase of the alternating current to be interrupted.

Le disjoncteur selon l'invention est caractérisé en ce que les moyens de déphasage du dispositif d'extinction d'arc comportent au moins un anneau en court-circuit réalisé en un matériau ayant une bonne conductivité électrique, ledit anneau étant positionné le long de la direction axiale de l'enveloppe, entre le contact fixe et la face frontale postérieure de la bobine, de manière à éviter toute déformation spatiale du champ magnétique dans la zone d'arc, durant la phase d'extinction.The circuit breaker according to the invention is characterized in that the phase-shifting means of the arc extinguishing device comprise at least one short-circuited ring made of a material having good electrical conductivity, said ring being positioned along the axial direction of the envelope, between the fixed contact and the posterior front face of the coil, so as to avoid any spatial deformation of the magnetic field in the arc zone, during the extinction phase.

Le contact fixe est solidarisé avantageusement au bord interne d'une bague accolée à la face frontale antérieure de la bobine.The fixed contact is advantageously secured to the internal edge of a ring attached to the front front face of the coil.

La bague métallique est soit fendue, soit réalisée en un matériau ayant une résistivité électrique supérieure à celle de l'anneau en court-circuit. Ce dernier procure une fonction de déphasage entre le champ et le courant, alors que la bague sert de piste de migration d'arc. The metal ring is either split or made of a material having an electrical resistivity greater than that of the short-circuited ring. The latter provides a phase shift function between the field and the current, while the ring serves as an arc migration track.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la bobine est encadrée axialement par une paire d'anneaux conformée en entretoises ayant sensiblement le même diamètre que les spires conductrices de la bobine, l'une des entretoises étant intercalée entre le contact fixe et la face frontale antérieure de la bobine.According to a first embodiment of the invention, the coil is surrounded axially by a pair of rings shaped as spacers having substantially the same diameter as the conductive turns of the coil, one of the spacers being interposed between the fixed contact and the front face of the coil.

Selon un deuxième mode de réalisation, l'anneau en court-circuit est disposé dans la partie médiane de la bobine, de manière à assurer le centrage permanent du champ magnétique sur ladite partie médiane, et une direction constante des lignes de force dans la zone d'arc.According to a second embodiment, the short-circuited ring is arranged in the middle part of the coil, so as to ensure permanent centering of the magnetic field on said middle part, and a constant direction of the lines of force in the area arc.

Selon un troisième mode de réalisation, les moyens de déphasage comportent une succession d'anneaux en court-circuit imbriqués dans les spires élémentaires de la bobine.According to a third embodiment, the phase shifting means comprise a succession of short-circuit rings nested in the elementary turns of the coil.

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de différents modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un disjoncteur de l'art antérieur, utilisant un soufflage magnétique par rotation de l'arc - les figures 2 et 3 montrent les tracés du champ magnétique engendré par la bobine du disjoncteur selon la figure 1, respectivement pour une valeur crête et au passage à zéro du courant alternatif ; - la figure 4 représente une vue en coupe axiale du dispositif d'extinction d'arc selon l'invention, le dis,j oncteur étant illustré en position de fermeture sur la demi-vue supérieure, et en position de coupure sur la demi-vue inférieure ; ; - les figures 5 et 6 sont des vues identiques à celles des figures 2 et 3, pour le disjoncteur de la figure 4 - les figures 7 et 8 montrent des vues identiques à la figure 4 de deux variantes de réalisation.Other advantages and characteristics will emerge more clearly from the description which follows of different embodiments of the invention, given by way of nonlimiting examples and represented in the appended drawings, in which - FIG. 1 is a view schematic of a circuit breaker of the prior art, using a magnetic blowing by rotation of the arc - Figures 2 and 3 show the plots of the magnetic field generated by the coil of the circuit breaker according to Figure 1, respectively for a peak value and when the alternating current crosses zero; - Figure 4 shows an axial sectional view of the arc extinguishing device according to the invention, the dis, j unctor being illustrated in the closed position on the upper half-view, and in the cut-off position on the half lower view; ; - Figures 5 and 6 are views identical to those of Figures 2 and 3, for the circuit breaker of Figure 4 - Figures 7 and 8 show views identical to Figure 4 of two alternative embodiments.

Sur la figure 4, 'les mêmes numéros de repères seront utilisés pour désigner des pièces identiques ou similaires à celles du disjoncteur selon la figure 1. Le dispositif d'extinction 30 d'arc est logé dans un compartiment 32 de coupure d'un disjoncteur à autoexpansion isolé au gaz SF 6. Le compartiment 32 de coupure est délimité par des parois 34, 36, 38, isolantes et communique avec un compartiment d'expansion (non représenté) par l'intermédiaire des contacts 12, 14, creux constituant des voies d'échappement du gaz comprimé dans le compartiment 32 de coupure par l'échauffement de l'arc. Le contact fixe 12 annulaire est fixé par soudage sur le bord interne d'une bague 40 métallique frontale, et est en liaison électrique avec un tube support 42 fixe par l'intermédiaire de la bobine 16 et d'un organe de connexion 44 en matériau conducteur.La bobine 16 tubulaire est formée par un empilage de spires conductrices, du type décrit dans le brevet français nO 2 464 550, et est agencée coaxialement autour d'un fourreAu 46 ferromagnétique avec interposition d'une douille 48 isolante. Le fourreau 46 est destiné à renforcer le champ magnétique engendré par les courants de faibles intensités, et s'étend entre le contact fixe 12 et l'organe de connexion 44.In FIG. 4, the same reference numbers will be used to designate parts identical or similar to those of the circuit breaker according to FIG. 1. The arc extinguishing device 30 is housed in a compartment 32 for breaking a circuit breaker with SF gas-insulated autoexpansion 6. The breaking compartment 32 is delimited by insulating walls 34, 36, 38 and communicates with an expansion compartment (not shown) by means of the contacts 12, 14, hollow constituting exhaust routes of compressed gas in the compartment 32 of cut-off by the heating of the arc. The annular fixed contact 12 is fixed by welding to the internal edge of a front metal ring 40, and is in electrical connection with a fixed support tube 42 by means of the coil 16 and a connection member 44 made of material conductor. The tubular coil 16 is formed by a stack of conductive turns, of the type described in French Patent No. 2,464,550, and is arranged coaxially around a ferromagnetic carrier 46 with the interposition of an insulating sleeve 48. The sheath 46 is intended to reinforce the magnetic field generated by the currents of low intensities, and extends between the fixed contact 12 and the connection member 44.

Selon l'invention, la bobine 16 de soufflage est encadrée axialement par une paire d'entretoises 50, 52, en matériau de bonne conductivité électrique, par exemple en cuivre ou alliage de cuivre constituant des spires en court-circuit de déphasage ayant le même diamètre que la bobine 16. La première entretoise 50 est intercalée entre la bague 40 frontale et l'une des faces de la bobine16, tandis que la deuxième entretoise est insérée entre la face opposée de la bobine 16 et l'organe de connexion 44. Des moyens de serrage 54 assurent l'assemblage axial des différents éléments (40, 50, 16, 52, 44), de manière à former un sous ensemble fixe porté par le tube support 42.La bague 40 frontale est réalisée en un matériau métallique ayant une résistivité électrique supérieure à celle des entretoises 50, 52, de manière à éviter la formation de courants induits dans la bague 40.According to the invention, the blowing coil 16 is axially framed by a pair of spacers 50, 52, made of material of good electrical conductivity, for example copper or copper alloy constituting turns in phase-shift short-circuit having the same diameter than the coil 16. The first spacer 50 is interposed between the front ring 40 and one of the faces of the coil16, while the second spacer is inserted between the opposite face of the coil 16 and the connection member 44. Clamping means 54 ensure the axial assembly of the various elements (40, 50, 16, 52, 44), so as to form a fixed sub-assembly carried by the support tube 42. The front ring 40 is made of a metallic material having an electrical resistivity greater than that of the spacers 50, 52, so as to avoid the formation of induced currents in the ring 40.

La bague 40 frontale peut également être constituée par une rondelle métallique fendue.The front ring 40 can also be constituted by a split metal washer.

Le tracé des lignes du champ magnétique engendré dans le disjoncteur de la figure 4, montre que le champ reste centré sur la bobine 16, lorsque le courant se trouve à la valeur crête (figure 5), et est légèrement décalé axialement vers les entretoises 50, 52, (figure 6) au passage à zéro du courant. Dans la zone d'arc 18, les lignes du champ ne sont pratiquement pas déformées spatialement. La présence des deux entretoises 50, 52, de part et d'autre de la bobine 16 permet ainsi de conserver l'uniformité du champ dans la zone 18' durant la phase d'extinction de l'arc.The layout of the lines of the magnetic field generated in the circuit breaker of Figure 4, shows that the field remains centered on the coil 16, when the current is at the peak value (Figure 5), and is slightly offset axially towards the spacers 50 , 52, (Figure 6) at zero current crossing. In the arc zone 18, the lines of the field are practically not spatially deformed. The presence of the two spacers 50, 52, on either side of the coil 16 thus makes it possible to maintain the uniformity of the field in the zone 18 'during the phase of extinction of the arc.

La figure 7 montre une variante de réalisation, avec une seulc spire de déphasage formée par une entretoise 56 disposée au centre delta bobine 1 6. Le champ reste touj ours centré sur la zone médiane de la bobine 16 et sur l'entretoise 56, quel que soit l'instant de la phase du courant. Il en résulte une uniformité de la répartition du champ magnétique dans la zone d'arc 18, grâce à la direction constanté des lignes de force.Figure 7 shows an alternative embodiment, with a single phase shift formed by a spacer 56 arranged in the coil delta center 1 6. The field always remains centered on the middle zone of the coil 16 and on the spacer 56, which let the moment of the current phase be. This results in a uniformity of the distribution of the magnetic field in the arc zone 18, thanks to the constant direction of the lines of force.

Selon l'autre variante de la fiqgure 8, une pluralité d'anneaux 58 en court-circuit de déphasage sont imbriqués alternativement avec les spires 60 élémentaires conductrices de la bobine 16.According to the other variant of FIG. 8, a plurality of rings 58 in phase shift short-circuit are nested alternately with the elementary conductive turns 60 of the coil 16.

La bague frontale 40 métallique de chaque dispositif des figures 4, 7 et 8 sert de piste de migration de l'arc, mais ne procure aucune fonction de déphasage entre le champ magnétique et le courant à interrompre. Les entretoises 50, 52, 56, 58, constituant les anneaux de déphasage peuvent avoir des diamètres différents de celui des spires de la bobine 16 de soufflage. La bobine 16 est excitée en permanence des la séparation des contacts 12, 14, jusqu'à la fin de la phase de coupure.The metal front ring 40 of each device in FIGS. 4, 7 and 8 serves as a migration path for the arc, but does not provide any phase shift function between the magnetic field and the current to be interrupted. The spacers 50, 52, 56, 58 constituting the phase shift rings may have diameters different from that of the turns of the blowing coil 16. The coil 16 is permanently excited from the separation of the contacts 12, 14, until the end of the breaking phase.

Le dispositif d'extinction d'arc 30 des figures 4, 7 et 8 peut être utilsié dans les interrupteurs ou disjoncteur à arc tournant avec ou sans autoexpansion de gaz isolant. La pièce de contact fixe 12, au lieu d'être solidaire de la bague 40, pourrait être assujettie à un organe semi-fixe traversant coaxialement la bobine 16. The arc extinguishing device 30 of FIGS. 4, 7 and 8 can be used in rotary arc switches or circuit breakers with or without self-expansion of insulating gas. The fixed contact piece 12, instead of being integral with the ring 40, could be subjected to a semi-fixed member passing coaxially through the coil 16.

Claims

1. Electric circuit breaker having an arc extinguishing device (10, 30) with magnetic blow, housed in a sealed envelope filled with an insulating gas with high dielectric strength, in particular sulfur hexafluoride, and comprising - a pair of separable contacts (12, 14), the movable contact element (14) of which is slidably mounted in the axial direction of the envelope, - an electromagnetic blowing coil (16) coaxially surrounding at least one of the contacts ( 12, 14) while being traversed by the current to be interrupted, so as to generate a magnetic field in the zone (18) of formation and extension of the arc, and to impose a rotation of the arc drawn between said contacts, during the separation of the latter, - and phase shifting means cooperating with the coil 116) to maintain a sufficient magnetic field at a time favorable for the extinction of the arc, in this case when the alternating current passes to zero , characterized in that the phase shifting means of the arc extinguishing device (30) comprises at least one short-circuit ring (50, 52, 56, 58) made of a material having good electrical conductivity, said ring being positioned along the axial direction of the envelope between the fixed contact (12) and the posterior front face of the coil (16), so as to avoid any spatial deformation of the magnetic field in the arc zone (18) during the extinction phase.

2. An electrical circuit breaker according to claim 1, characterized in that the fixed contact (12) is secured to the internal edge of a ring 40 attached to the front front face of the coil 1 6, and that said ring (40) and the fixed contact (12) are made of a metallic material having an electrical resistivity greater than that of the ring (50, 52, 56, 58) under-circuit.

3. An electric circuit breaker according to claim 1 or 2, characterized in that the coil (16) is surrounded axially by a pair of rings (50, 52) shaped as spacers having substantially the same diameter as the conductive turns of the coil 16 , one (50) of the spacers being interposed between the fixed contact (12) and the front end face of the coil (16).

4. An electrical circuit breaker according to claim 1 or 2, characterized in that the short-circuit ring (56) is disposed in the middle part of the coil (16), so as to ensure permanent centering of the magnetic field on said middle part, and a constant direction of the lines of force in the arc zone (18).

5. An electrical circuit breaker according to claim 1 or 2, characterized in that the phase shifting means comprise a succession of rings (58) in short circuit nested in the elementary turns of the coil (16).

6. Electric circuit breaker according to one of claims 2 to 5, characterized in that the metal ring (40), disposed on the front end face of the coil (16) comprises a slot intended to avoid any formation of currents induced by the action of the magnetic field produced by the coil (16).

7. Electric circuit breaker according to one of claims 2 to 6, the coil (16) comprising a stack of elementary turns isolated from each other and electrically connected in series, characterized in that clamping means (54) pass through the coil (16) in the axial direction to ensure the mechanical assembly and the electrical connection of the front ring (40) and the rings (50, 52, 56, 58) in short circuit with the elementary turns of the coil ( 16).

8. Self-expanding electric circuit breaker according to one of claims 1 to 7, characterized in that the arc extinguishing device (30) with a blow coil (16) is arranged in a cut-off compartment (32), capable of communicating with an expansion compartment via at least one hollow contact (12, 14).

9. Electric circuit breaker according to one of claims 1 to 8, characterized in that the coil (16) is crossed by a sheath (46) made of ferromagnetic material intended to strengthen the magnetic field in the arc zone (18).