FR2606929A1 - Dispositif interrupteur pour appareil de protection - Google Patents

Abstract

APPAREIL ELECTRIQUE DE PROTECTION CONTRE DES DEFAUTS DE COURANT DE DIFFERENTES INTENSITES. DANS UN CIRCUIT INTERNE 15 SONT DISPOSES EN SERIE UN PREMIER INTERRUPTEUR A OUVERTURE AUTOMATIQUE 8, QUI EST COMMANDE PAR DES NIVEAUX DE COURANT MODERES, ET UN SECOND INTERRUPTEUR A OUVERTURE AUTOMATIQUE 17 AYANT DES PROPRIETES DE LIMITATION DES COURANTS DE COURT-CIRCUIT; UN COMPOSANT LIMITEUR DE TENSION 23 A L'OXYDE DE ZINC, QUI EST PLACE EN PARALLELE SUR CE DERNIER, POSSEDE UN SEUIL DE STABILISATION ASSEZ BAS POUR QUE DES COURANTS DERIVES, LE TRAVERSANT LORS D'UNE OUVERTURE SUR COURT-CIRCUIT, S'ETENDENT JUSQU'A LA PORTION RESISTIVE DE LA CARACTERISTIQUE QUI SUCCEDE AU PALIER DE STABILISATION.

Description

DISPOSITIF INTERRUPTEUR POUR APPAREIL DE PROTECTION.

L'invention concerne un appareil électrique de protection pour l'interruption automatique de courants de défauts

atteignant différents niveaux, dans lequel un circuit inter-

ne placé entre une borne d'entrée reliée au réseau et une borne de sortie allant vers une charge comporte:

- 1 - un dispositif interrupteur mécanique dont l'ouvertu-

re est opérée lorsque le circuit est traversé par un courant atteignant un premier niveau; - 2 - un dispositif limiteur de courant qui réagit plus rapidement que le précédent lorsque la vitesse de croissance du courant résulte de l'existence d'un

court-circuit en atteignant un second niveau supé-

rieur, et qui développe très rapidement à ses bornes une différence de potentiel, ce limiteur étant alors l'objet d'un dégagement initial d'énergie; - 3 - des moyens statiques stabilisateurs de tension qui sont disposés en parallèle sur ce dispositif limiteur

pour transférer à travers lui une fraction des cou-

rants lorsque cette différence de potentiel atteint une valeur égale à la tension de stabilisation de ces

moyens statiques.

- 2 - De tels dispositifs interrupteurs sont, par exemple, connus par le brevet USA 3.249.810, dans lequel sur un premier interrupteur mécanique limiteur de courant se trouvent

placés en parallèle une résistance à coefficient de tempéra-

ture élevée et une résistance non linéaire limitatrice de tension; dans ce dispositif connu, on assiste, lors de l'ouverture de ce premier interrupteur, d'une part, à un transfert à travers la première résistance du courant qui aurait traversé l'interrupteur et, d'autre part, à un effet

de protection de cette première résistance qui est dévelop-

pée par la résistance limitatrice de tension. La présence d'un second interrupteur dont l'ouverture est légèrement retardée par rapport à celle du premier, permet d'établir

ensuite un isolement complet du circuit.

Ainsi que cela apparaît clairement dans le texte de ce docu-

ment, la tension de seuil de la résistance limitatrice de tension est adaptée à l'apparition de tensions pouvant atteindre deux à trois fois la tension normale de crête du réseau et son rôle, qui est, par principe, réduit à celui d'un moyen de protection de la résistance à coefficient de température positif, implique donc nécessairement que cette tension de seuil soit relativement élevée; les effets du montage proposé antérieurement, qui se traduisent par une diminution des contraintes auxquelles un tel interrupteur aurait été exposé dans cet artifice, ne semblent, par suite, intervenir que lorsque ces contraintes atteignent déjà des

valeurs élevées.

Comme par ailleurs, l'un des rôles dévolus à cette dernière résistance stabilisatrice est orienté vers une limitation de l'énergie thermique dégagée dans la première résistance, on peut être assuré que les intensités qui la traversent ne s'écartent à aucun moment de la plage de travail ayant un seuil de tension stable, au-delà de laquelle apparaît un

régime de fonctionnement de type résistif classique.

-3- La présente invention se propose d'apporter à un dispositif interrupteur, dont la constitution permet de dériver au moment de l'ouverture des contacts une fraction des courants comme dans le dispositif antérieur, des mesures propres à faire intervenir plus rapidement le phénomène de transfert de courant, afin de réduire les dimensions des boîtiers d'arc et les manifestations qui s'y développent, tout en observant que certains matériaux connus qui bénéficient de propriétés limitatrices de tension peuvent tolérer sans dommage une courte excursion de leur point de fonctionnement

dans une branche à caractère résistif que l'on évitait anté-

rieurement de parcourir.

Ces mesures sont en particulier avantageuses pour des appareils o les énergies mises en jeu sont de l'ordre de quelques KJ et o les courants limités sont de l'ordre de

quelques KA.

Selon l'invention, le but visé est atteint grâce au fait que

les moyens stabilisateurs de tension comprennent un compo-

sant à l'oxyde de Zinc, présentant les propriétés suivan-

tes: a - la tension de seuil est inférieure ou égale à la tension qui apparaît aux bornes du dispositif limiteur lorsque circule entre les bornes d'entrée et de sortie un courant correspondant à l'apparition dans le dispositif

limiteur d'un dégagement d'énergie ayant une valeur prédé-

terminée réduite,

b - une première branche de caractéristique stabili-

satrice de ce composant ayant une étendue telle que les

courants initiaux transférés soient voisins de, et infé-

rieurs à un courant définissant dans cette caractéristique la présence d'un coude à partir duquel s'élève une seconde branche de caractéristique résistive, cette dernière ayant une pente telle que la circulation de courants ultérieurs transférés, qui sont supérieurs aux premiers courants -4- dérivés développe aux bornes de ce composant une tension

atteignant rapidement la tension instantanée du réseau.

Des résistances stabilisatrices de tension faisant notam-

ment appel à l'oxyde de Zinc, peuvent actuellement tolérer

sans défaillance des surcharges dont l'énergie peut attein-

dre dans un court intervalle de temps un ordre de grandeur de 500 J/cm3, de sorte que leur incorporation dans un boîtier moulé d'appareil interrupteur de protection n'est

pas accompagnée d'une augmentation d'encombrement qui vien-

drait diminuer par ailleurs les bénéfices de réduction de

volume des chambres d'arc.

Par ailleurs, des résistances à coefficient de température positif élevé, mettant en euvre des polymères chargés avec des éléments conducteurs appropriés, peuvent actuellement

tolérer des pointes de quelques KW pendant un court inter-

valle de temps.

D'une façon générale, on doit considérer que toute énergie sous quelque forme que ce soit qui est dissipée, soit instantanément au moment de l'apparition d'un courant de court-circuit, soit emmagasinée puis restituée après le

passage de celui-ci, concourt à la limitation de ce courant.

On peut, par suite, aborder de façon cohérente le comporte-

ment des moyens interrupteurs, respectivement limiteurs de courant, dans le cadre d'un bilan énergétique général prenant en compte l'énergie développée, que celle-ci soit instantanément transformée en un phénomène intense de nature mécanique ou thermique, soit que, au contraire, celleci soit en quelque sorte emmagasinée sous forme thermique puis ultérieurement rediffusée de façon plus modérée. On verra

ultérieurement que tous ces phénomènes devront être accompa-

gnés, à un moment ou à un autre, par un développement rapide

d'une tension susceptible de s'opposer à celle du réseau.

-5-

L'invention, ainsi que des variantes de réalisation auxquel-

les celle-ci peut conduire, seront mieux comprises à la

lecture de la description ci-dessous et à l'examen des

figures annexées qui représentent: A la figure 1, un schéma de principe d'un premier mode de réalisation de l'invention, o le premier dispositif limiteur de courant est constitué par une résistance particulière; A la figure 2, un diagramme de l'évolution de la résistance d'un composé conducteur à base organique du type polymère conducteur; Aux figures 3a et 3b des diagrammes de l'évolution

de la tension apparaissant aux bornes de résis-

tances limitatrices de tension à l'oxyde de Zinc,

lorsqu'elles sont traversées par des courants crois-

sants; A la figure 4, un diagramme de l'évolution des courants traversant le circuit de la figure 1 lors de l'apparition de courts-circuits; A la figure 5, un schéma de principe d'un second mode de réalisation dans lequel le dispositif limiteur de courant est constitué par un premier interrupteur mécanique; A la figure 6, un perfectionnement applicable à l'un des dispositifs selon les circuits des figures 1, 8 ou 9; Aux figures 7a, 7b, deux diagrammes de l'évolution

des courants et tensions apparaissant dans un dispo-

sitif conforme à celui de la figure 5 lors de l'appa-

rition de courts-circuits; - 6 - A la figure 8, un mode de réalisation d'un dispositif de protection o la limitation des courants est opérée à l'aide d'un pont de contact pouvant être, en

outre, actionné par un électro-aimant de télécomman-

de; A la figure 9, un mode de réalisation d'un dispositif de protection o un contact limiteur de constitution particulière est associé à un électro-aimant de télécommande; A la figure 10, un dispositif faisant appel à deux interrupteurs associés offrant une autre possibilité d'obtenir l'isolement du circuit; Aux figures 11, 12, 13, des seconde, troisième et quatrième organisations des moyens interrupteurs utilisés à la figure 5; A la figure 14, une partie d'un circuit interrupteur de courants de défaut, dans lequel des moyens de surveillance, qui sont associés à des composants thermiquement chargés, opèrent une protection contre une remise en service trop rapide; A la figure 15, un schéma des circuits de protection contre les courants de défaut o l'interrupteur limiteur est d'un type particulier; A la figure 16, une variante d'exécution de moyens d'ouverture télécommandés qui sont appliqués ici à un interrupteur d'isolement; A la figure 17 un premier montage particulier de deux composants stabilisateurs ayant des propriétés différentes; - 7 A la figure 20 un second montage particulier de deux composants stabilisateurs ayant des propriétés différentes; Aux figures 18 et 19 deux courbes décrivant des modes

de fonctionnement faisant appel à des montages paral-

lèles de composants stabilisateurs; A la figure 21 un diagramme représentant l'évolution de décroissance rapide du courant après une coupure

automatique suivant l'apparition d'un court-circuit.

Un appareil de protection 1 contre des défauts de courants susceptibles d'apparaître sur une ligne et, le cas échéant, sur une charge placée en série, est illustré à la figure 1, o 2 représente un boîtier isolant comprenant au moins, entre deux bornes de raccordement 3, 4 d'une phase, un circuit interne 5, qui est placé en série avec une charge externe 6 et qui est alimenté par un réseau R, S. Le circuit 5 comprend, en série, un dispositif statique limiteur de courant 7, un interrupteur mécanique disjoncteur d'isolement 8, un détecteur de surcharges instantanées de courant 9 de type magnétique, et un détecteur thermique de surcharges modérées, mais prolongées 10; le détecteur 9

réagit à un premier niveau ou seuil de courant - Ip -.

Ces deux dispositifs détecteurs, qui provoquent le déclen-

chement d'un mécanisme 11, préalablement armé par un organe manuel 11a ou par un moyen de télécommande tel qu'un moteur 12, servent essentiellement à protéger la charge 6, tandis que le dispositif limiteur statique 7 est dimensionné pour réagir lors de l'apparition de courants de court-circuit, dont la croissance doit être limitée pour protéger notamment

les lignes d'alimentation.

En parallèle, sur le dispositif limiteur de courant 7 qui est ici constitué par une résistance ayant un coefficient de - 8 - température positif très élevé faisant par exemple appel à

des polymères conducteurs, se trouve placé un organe stati-

que limiteur de tension 13 dont le matériau de base fait appel à l'oxyde de Zinc. La nature de ces organes 7 et 13, ainsi que leurs dimensions ont été choisies pour que d'une part, la croissance des courants de courtcircuit développe très rapidement dans le premier une élévation de température

qui fasse augmenter très rapidement sa résistance - R7 -

lorsque circule un courant croissant - i -; la courbe g visible à la figure 2, donne une idée de l'allure de cette évolution. D'autre part, l'organe statique limiteur de tension 13 est choisi pour que son seuil de stabilisation - Us -, visible à la figure 3a ait une valeur suffisamment basse pour que des courants de transfert croissants - id - le traversent avant qu'un dégagement d'énergie thermique trop important, ou destructif de ses propriétés, se soit développé par effet Joule dans la résistance limitatrice de courant 7 lorsque celle-ci est traversée par un courant de court-circuit initial - i - atteignant une certaine valeur; en d'autres g termes, des courants dérivés élevés - id - commencent à traverser le composant stabilisateur de tension 13 dès qu'apparaît aux bornes de la résistance 7 une différence de

potentiel supérieure à ce seuil de tension.

Le transfert de courant qui est ainsi opéré dans cet organe

limiteur de tension lorsque l'excursion du courant - id -

s'opère sur la branche - A - horizontale visible à la figure 3a, peut atteindre, selon l'invention, des proportions

d'environ deux ordres de grandeur avant que ne soit concer-

née une branche ascendante - B - présentant un caractère résistif de pente a très prononcée, qui succède à un coude - C - de la caractéristique survenant pour un courant

- ij-; le choix des valeurs - Us, - ij - et - a - résul-

te du partage de l'énergie que- l'on souhaite établir entre

la résistance 7 et le composant 13 pour que ceux-ci conser-

vent leurs propriétés sans risque de détérioration.

-9-- L'évolution des comportements de ces organes doit être telle que la branche - B - soit effectivement parcourue par des courants importants, mais non destructeurs, et pendant un court intervalle de temps o s'effectue en quelque sorte une mise en parallèle de deux résistances; ce mode de fonction- nement est matérialisé sur les figures correspondantes 1 et 3a par le fait que l'organe stabilisateur de tension 13 est représenté ici par la combinaison série de deux éléments associés 13a' 13b répondant chacun aux caractéristiques de

la branche correspondante - A - respectivement - B -.

L'évolution des courants dans les deux branches est illus-

trée à la figure 4.

Au terme du court intervalle de temps qui a été nécessaire

pour que se développent de façon conjuguée les deux phénomè-

nes, le détecteur magnétique de courant 9 réagit à son tour pour libérer l'énergie mécanique accumulée dans l'organe 11; cette dernière est à son tour utilisée pour provoquer l'ouverture de l'interrupteur 8 à qui ne sont dévolues que les fonctions de coupure d'un courant considérablement réduit - ie - et celle de l'établissement d'un isolement total du circuit, voir figures 4 et 7a. Si les courants de défaut n'atteignent pas le niveau de ceux du court-circuit,

seul l'interrupteur 8 opère une fonction de disjonction.

Selon une variante de réalisation 21 du circuit visible à la figure 5, o les pièces ayant les mêmes fonctions que celles de la figure 1, sont accompagnées par des repères identiques à ceux de cette figure, un second interrupteur mécanique 17

opère ici la fonction d'organe limiteur de courant de court-

circuit. Un tel interrupteur peut faire appel aux forces de répulsion électro-dynamiques qui deviennent efficaces pour

des courants très importants.

Au moment de l'ouverture d'un tel interrupteur, l'évolution de la tension d'arc - Ua - apparaissant à ses bornes par rapport à la tension du réseau, gouverne la croissance du courant - if - dans le circuit 15; on sait que l'évolution

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de cette tension d'arc dont la croissance doit être aussi rapide que possible, est notamment déterminée par la vitesse d'allongement de l'arc (éventuellement fractionné sur des ailettes) et/ou par la vitesse de réduction de sa section (éventuellement forcée par un étranglement), ainsi que par la vitesse de refroidissement. Chacun de ces artifices ou des combinaisons d'entre eux, ainsi que l'utilisation d'un pont de contact à double coupure pourront être choisis pour développer, le cas échéant, à l'aide de moyens appropriés

tels que, par exemple, un écran isolant 20 passant rapide-

ment entre les contacts, une rapide croissance de la tension d'arc. Comme dans le précédent mode de réalisation de la figure 1, un organe statique limiteur de tension 23, assimilable à la mise en série d'un organe limiteur pur 23a ayant un seuil de tension - Us - s'étendant jusqu'à un coude - C - pour un

courant - ij -, et d'un organe résistif 23b de pente - a -

dans sa partie caractéristique - B -, est placé en parallèle

sur l'interrupteur mécanique 17, voir aussi figure 3b.

Lors de l'apparition d'un court-circuit dans le circuit 15, voir figures 7a et 7b, un courant partant d'une intensité nominale - In - et ayant une croissance de direction Icc commence à s'établir à l'instant to; à l'instant tl, ce courant atteint une valeur - I - pour laquelle réagiraient P les détecteurs de courant tels que 8 si cette croissance était moins rapide. Cette valeur - I - est, par exemple, de P l'ordre de grandeur de 12 à 15 fois le courant nominal - In - lorsque l'on souhaite par exemple protéger un moteur

représentant la charge.

L'ouverture effective de l'interrupteur limiteur 17 s'effectue lorsque le courant qui le traverse atteint une valeur - ic - qui est de l'ordre de 50 à 100 fois celle du

courant nominal, à l'instant t2.

- il -

Dans les interrupteurs limiteurs classiques utilisés en basse tension, o l'on fait se développer rapidement la tension d'arc d'un interrupteur mécanique, celle-ci part d'une valeur initiale de l'ordre de 15 à 20 V pour atteindre des valeurs maximum de par exemple 800 V afin que soit rapidement établie une crête de courant limité - im -. Ce phénomène qui est gouverné par l'équation L di + Ri = U - U dt r a o L et R sont l'inductance et la résistance du circuit, et

o Ur et Ua représentent les tensions du réseau et respecti-

vement la tension d'arc, montre que la crête de courant

limité - iM - est pratiquement atteinte dès que Ua = Ur.

Dans le circuit 15 mis en oeuvre à la figure 5, on a, par exemple, choisi une résistance limitatrice 23 ayant un seuil de tension - Us - de l'ordre de 20 V, qui s'étend le long d'une partie caractéristique - A -, o le courant - ij - du

coude - C - est voisin de la valeur du courant - ic.

Par suite, dès que - Ua - atteint 20 V, on assiste à un

transfert très rapide du courant qui traversait l'interrup-

teur 17, vers le composant stabilisateur 23 qui se comporte pratiquement comme un shunt de très faible résistance traversé par un courant dérivé id -; faute d'une tension suffisante - U - à ses bornes, l'arc s'éteint alors au

voisinage de l'instant t2 en t'2.

Il est toutefois nécessaire, si l'on veut établir par voie statique un mode de fonctionnement limiteur comparable à celui qui s'établirait en présence d'un arc, que l'on substitue à une tension d'arc croissante, une autre tension croissante, ainsi que cela se produit pour le circuit 5 de

la figure 1.

Cette tension croissante -Uz - est obtenue ici, grâce au fait qu'une région - B1 - de la courbe caractéristique du -12 - composant 13 présente après le coude - C1 - une branche ascendante d'allure résistive de pente a1 - autorisant le passage d'un courant ultérieur - iz - qui est accompagné par le développement à ses bornes d'une tension croissante - Uz - de pente - 1 -, voir figure 3b. Plus cette pente sera élevée, plus tôt sera atteint un

instant t3, pour lequel Ur = Uz, et o le courant - iz -

atteint une valeur de crête égale à - im -, voir figures 7a

et 7b.

On constate bien à l'examen de ces figures que la majeure

partie de l'énergie dégagée par cette coupure a été consom-

mée et emmagasinée dans le composant à ZnO, 23, tandis que l'interrupteur 17 n'a été le siège que d'un développement extrêmement limité d'énergie sous forme d'un arc de durée

très courte.

Les manifestations extérieures thermiques, mécaniques et sonores, ainsi que l'érosion des contacts de l'interrupteur

se trouvent par suite considérablement limitées.

Il est donc avantageux d'utiliser un composant ZnO qui

présente simultanément en - A1 - un seuil de tension - Usl -

de faible valeur, une pente de caractéristique résistive

- a1 - de valeur élevée ou rapidement croissante en - B1 -

et une plage de stabilisation ayant une étendue qui soit compatible, d'une part, avec le courant maximum que l'on

souhaite transférer pour éteindre l'arc au moment o celui-

ci a dégagé une énergie prédéterminée et faible, et soit compatible, d'autre part, avec l'énergie maximum que peut

absorber sans dommage le composant ZnO afin que la réversi-

bilité de son fonctionnement soit assurée pour un nombre de

cycles de fonctionnement fixé à l'avance.

L'une des manières de permettre à un composant limiteur de tension à ZnO de mieux supporter un choc thermique déterminé

ou évolué à l'avance consiste à le réaliser par l'associa-

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tion en parallèle de deux éléments ayant des propriétés analogues.

Si, dans ces conditions, l'étendue de la plage stabilisatri-

ce peut être diminuée pour que chacun de ces composants soit traversé par un courant moins intense, par exemple - id/2 -, il faudra par contre choisir ceux d'entre eux qui présentent des pentes - a - plus élevées afin que la croissance de la tension - U - à leurs bornes conserve sensiblement la même z

allure.

Une seconde facon de partager l'énergie dégagée dans plu-

sieurs composants limiteurs de tension à Zn 0 associés, consiste à monter en parallèle deux d'entre eux 23c, 23d

présentant des seuils de stabilisation - U' -l - U"s -

sensiblement différents; dans ce cas, lorsqu'est atteint un courant - izl -, développant aux bornes du premier composant 23c une tension - Uzl égale à la tension de seuil plus élevée - U" - du second composant, on assiste à un second s transfert de courant, de sorte que le premier composant

n'est plus l'objet d'un développement d'énergie aussi impor-

tant, voir figures 17 et 18.

Il est clair que la réalité de ce second transfert de courant ne peut être établie que si le courant de coude - i" - du composant 23d, est supérieur au courant de coude J

- i'j - du composant 23c.

Par ailleurs, la valeur de la pente de croissance de la tension résultant de la mise en parallèle de deux branches de type - B - à caractéristiques résistives distinctes, laisse prévoir une diminution de la pente de croissance - E - de la tension, qui suivra après ce second transfert une allure globale correspondante de pente plus faible; on peut écarter ce désavantage en choisissant un composant dont

le courant de coude - i"j - est élevé.

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On peut également envisager d'établir un dispositif de transfert de courant utilisant en parallèle des composants à seuils de tension - Us3 -, - Us4 - différents, pour que la caractéristique de fonctionnement présente une propriété d'hystérésis, et afin que la diminution du courant, après l'atteinte de sa valeur de crête, se fasse en passant, au

retour, par un seuil de tension - Us4 - qui soit très large-

ment supérieur au seuil de tension - Us3 -, concerné à

l'aller, voir figure 19.

La mise en euvre d'un tel dispositif qui permet de donner ou de conserver à la pente - y - de décroissance du courant une valeur importante, concourt à la réduction du temps de

coupure total - t6 -.

Selon un premier circuit 90 visible à la figure 20, o deux composants ZnO, 91, 92 à seuils de tension très différents (par exemple 20 V pour l'un et 600 V pour l'autre) sont placés en parallèle sur un interrupteur limiteur 93, on utilise un semi-conducteur commandé 94 dans la première branche 95 recevant le premier composant 91 dont la tension

de seuil est la plus basse.

Selon le circuit particulier 96 représenté à la figure 17, on place en parallèle sur l'interrupteur limiteur mécanique 97: - d'une part, un premier composant limiteur de tension 98 à l'oxyde.de Zinc, ayant un seuil de tension - Us3 - de valeur voisine de 20 V, qui est monté en série avec une résistance à coefficient de température très élevé 99 faisant appel à des polymères conducteurs, - d'autre part, un second composant limiteur de tension 100 à l'oxyde de Zinc, ayant un seuil de tension

- Us4 - de valeur élevée, par exemple voisin de 600 V lors-

que la tension du réseau est de l'ordre de 380 V à 440 V.

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Au moment o s'ouvre l'interrupteur limiteur 97 et o s'opère le transfert de courant - idl - dans la première branche 101, on assiste comme précédemment à l'extinction de l'arc et il s'établit dans la résistance 99 un dégagement d'énergie très important; ce phénomène peut prendre plusieurs allures selon que l'augmentation rapide de résistance s'établit sensiblement au moment o le courant atteint la valeur - Ij - du coude - C -, voir courbe en traits pleins, ou ultérieurement pour un courant - ijl -, voir courbe en

traits pointillés.

Dans les deux cas, la pente de croissance résistive est modifiée par rapport à la pente que présenterait un seul

composant à seuil.

Dès que la tension aux bornes de la première branche 101 atteint une valeur égale au seuil de tension - U4 - du second composant 100, un courant - id2 - se transfère dans

la seconde branche 102.

La présence de la résistance à coefficient de températures positif, qui se trouve encore à une température élevée, et présente par suite une résistance très importante, fait que le courant ne peut traverser la branche 101 en suivant la caractéristique du composant 98. La tension aux bornes est alors maîtrisée par la seule présence du second composant , ce qui revient à dire que lors de la diminution du courant, celle-ci s'opère en observant les conditions de la branche - D - le long de laquelle se déplace le point de

fonctionnement, voir figure 21.

L'équation L di + Ri = U - U dt r s possède donc à cet instant un second membre Ur - Us4 qui di r qu

reste très inférieur à zéro, de sorte que d- suit une évolu-

tion comparable; il en résulte une diminution très rapide

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du courant qui concourt à réduire le temps de coupure total - t6 - et à provoquer par suite, une réduction de l'énergie

dégagée entre les instants - to - et - t6 -.

Une amélioration supplémentaire de la diminution d'énergie dégagée par l'arc dans un circuit selon la figure 5 peut être obtenue en plaçant en parallèle sur l'interrupteur limiteur 17 une résistance à coefficient de température élevé 19 représentée en pointillés et comparable à celle

utilisée précédemment avec la référence 7, voir figure 5.

Le rôle de cette résistance, qui n'est pas ici identique à celui qu'elle jouait dans l'exemple précédent de la figure 1, est de permettre d'une part, l'apparition immédiate d'un courant dérivé supplémentaire - ig avant que ne soit

atteint le seuil de tension - Us de la résistance stabili-

satrice 23, tout en provoquant d'autre part, une importante consommation d'énergie avant que soit atteinte la branche ascendante de la portion de caractéristique résistive de la résistance limitatrice de tension qui sera à son tour

parcourue par le courant - iz -. L'allure du double phénomène de transfert de courant montre que si le

courant limité ne subit qu'une modeste réduction

de sa valeur de crête, l'énergie dégagée de façon instanta-

née par l'arc (exprimée par exemple par fi2 dt) est réduite

dans d'intéressantes proportions.

Comme dans l'exemple précédent, une ouverture ultérieure de l'interrupteur mécanique 18 qui n'a plus qu'à s'exercer sur un courant sensiblement limité, permet d'opérer l'isolement

total du circuit.

Toutefois, avec un seul composant ZnO à 20 V de seuil, le moment - t4 - o s'opère cette dernière ouverture doit précéder l'instant - tS - pour lequel réapparaît aux bornes

de l'appareil une tension de rétablissement - Um - supérieu-

re à la tension de seuil.

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L'énergie, qui a été emmagasinée sous une forme thermique

dans les résistance 19 et composant 23 est dissipée ulté-

rieurement dans une ou des régions 24, 25 du boîtier 22, qui sont étudiées pour en permettre l'évacuation rapide, voir figure 6. On peut associer à ces régions dans un appareil perfectionné 31 des détecteurs de température par exemple bimétalliques tels que 26, 29 pour rendre impossible par voie mécanique 28, 28b ou respectivement électrique 28, 28a un réarmement

manuel ou télécommandé du mécanisme 11, tant que les résis-

tance et/ou composant stabilisateurs n'ont pas retrouvé un équilibre thermique déterminé; si la constitution des interrupteurs 17 respectivement 27 le permet, ces détecteurs de température peuvent également empêcher, puis autoriser

leur refermeture volontaire après une ouverture automati-

que, par exemple en agissant sur le circuit d'alimentation d'un électroaimant de commande à distance 30 à l'aide de l'interrupteur série 35a, voir figure 14; un interrupteur 44 comprenant un contact mobile limiteur 44 et un contact a

pseudo-fixe 44b actionné par l'électro-aimant 30 peut conve-

nir pour cette dernière application.

Dans le cas d'une telle commande à distance, s'opérant en l'absence de défaut, on devra prévoir une mise hors circuit supplémentaire des résistances 19, 23 pour que l'isolement de la ligne soit total, lorsque cette manoeuvre est effectuée

avec un interrupteur 8 fermé.

Dans le cas o l'interrupteur limiteur 37 d'un appareil 41 est du type à pont de contact 38, on peut relier ce dernier par exemple à l'aide d'une tresse conductrice 37a à des bornes 32, 32' des résistances 33 respectivement 39, dont les autres bornes 34, 34' sont reliées directement soit à la borne d'alimentation 3 du circuit 35, soit à l'interrupteur

8, voir figure 8. Dans un tel montage, on peut éventuelle-

ment supprimer cet interrupteur 8 en faisant agir le

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mécanisme 11 sur l'interrupteur 37 parallèlement à l'action

de l'électro-aimant de télécommande 30.

Dans le mode de réalisation 31a illustré à la figure 9, l'interrupteur limiteur 27', dont l'ouverture peut être télécommandée par l'électroaimant 30, possède un contact mobile 27a qui s'applique en position de fermeture sur deux contacts fixes isolés 27b, 27c dont l'un est relié à l'interrupteur 8, tandis que l'autre est relié aux deux résistances 23, 19, de sorte que l'ouverture de ce contact

mobile établit un isolement total du circuit 35a.

Si l'interrupteur limiteur 47 d'un appareil 41a est du type à simple coupure par contact mobile, il faudra prévoir un

interrupteur supplémentaire 42 dont le mouvement sera asso-

cié ou non à celui de l'interrupteur limiteur, voir figure

, pour écarter du circuit 45 les deux résistances et obte-

nir un isolement total.

Il est également possible d'opérer une ouverture télécomman-

dée d'un circuit 85 appartenant à un appareil 81 visible à

la figure 16, en faisant agir un électro-aimant de télécom-

mande 30 sur l'un des contacts mobile 8a ou fixe 8b d'un interrupteur 8c associé au mécanisme 11 de façon appropriée pour opérer soit des fonctions de disjonction, soit des

fonctions d'isolement.

Selon une première variante de réalisation 51 visible à la figure 11, o l'on a opéré une combinaison des mesures prises aux figures 1 et 5, la résistance stabilisatrice 53

est branchée en parallèle sur le montage série d'un inter-

rupteur limiteur mécanique 57 et d'une résistance à coeffi-

cient de température positif élevé 59; ici encore l'isole-

* ment complet du circuit 55 ne peut être opéré que par

l'ouverture ultérieure de l'interrupteur 8.

Selon une seconde variante de réalisation 51a, visible à la figure 12, o l'on a opéré une combinaison comparable à la

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précédente, la résistance stabilisatrice 53a est branchée en parallèle avec un interrupteur limiteur 57 et ce montage parallèle est à son tour placé en série avec la résistance à fort coefficient de température positif 59a dans le circuit 55 a' Enfin, dans un mode de réalisation 61 représenté à la figure 13, un interrupteur limiteur 67 est placé en série avec une résistance à coefficient de température positif élevé 69, ce montage série étant lui-même placé en parallèle dans le circuit 65 avec un montage série comprenant un interrupteur

d'isolement 68 et une résistance limitatrice de tension 63.

Dans une première phase de fonctionnement en régime de

courant de court-circuit, ce dispositif de protection fonc-

tionne comme celui de la figure 11, en raison de l'ouverture préalable de l'interrupteur limiteur 67 qui doit interrompre d'abord un courant - ig -; le courant dérivé - id - qui a

provoqué simultanément une élévation importante de la résis-

tance de l'élément 63 est ensuite coupé par l'ouverture de l'interrupteur d'isolement 68 lorsqu'un bobinage magnétique

9 provoque le déclenchement du mécanisme 11.

Ce type de circuit nécessite évidemment une certaine conju-

gaison mécanique 62, 64 de l'action du mécanisme 11 sur les deux interrupteurs 68, 57 de façon à établir un isolement total lorsque les défauts de courant ne sont détectés que

par le bobinage 9 ou par la bilame 10.

Parmi les possibilités qui s'offrent pour réaliser des appa-

reils à interrupteurs limiteurs 17, 27, 37, 47, 57, 67 dont le calibre nominal est plus faible, il faut mentionner celle illustrée à la figure 15, o le contact mobile 77 à simple ou à double coupure, est l'objet d'une percussion

communiquée lors de l'apparition de courants de court-

circuit, par exemple par le déplacement instantané d'un noyau plongeur 71 qui est associé à un second bobinage

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magnétique rapide 72 placé en série avec un premier bobinage 73 dont la fonction plus lente est comparable à celle du

bobinage 9 de la figure 1.

Enfin, il est possible d'associer aux contacts mobiles des interrupteurs d'isolement, des structures magnétisables en

forme de U qui sont connues et sont susceptibles de communi-

quer à ces contacts des forces électro-dynamiques propres renforcer, d'une part, la pression de contact dans le sens de la fermeture lorsque circulent les courants élevés imputables aux courts-circuits, et aptes, d'autre part, à délester cette pression de contact au moment o l'intensité

de ces courants de courts-circuits ayant sensiblement dimi-

nuée, on doit opérer le déplacement du contact mobile dans

le sens de l'ouverture.

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Claims (14)

Revendications

1. Appareil électrique de protection pour l'inter-

ruption automatique de courants de défauts ayant différents niveaux, dans lequel un circuit interne (5) placé entre une borne d'entrée (3) reliée au réseau et une borne de sortie (4) allant vers une charge (6) comporte: 1 - un dispositif interrupteur mécanique (8) dont

l'ouverture est opérée lorsque le circuit est traver-

sé par un courant atteignant un premier niveau; - 2 - un dispositif limiteur de courant (7, 17) qui réagit plus rapidement que le précédent lorsque la vitesse de croissance du courant résulte de l'existence d'un court-circuit en atteignant un second niveau ( Ic -) supérieur, et qui développe très rapidement à ses bornes une différence de potentiel (- Ua ), ce

dispositif limiteur étant alors l'objet d'un dégage-

ment initial d'énergie; - 3 - des moyens statiques stabilisateurs de tension (13, 23) qui sont disposés en parallèle sur ce dispositif

limiteur pour transférer à travers ces moyens stati-

ques une fraction (- I -) des courants lorsque cette g différence de potentiel atteint une valeur égale à la tension de stabilisation (- Us -) de ces moyens statiques, caractérisé en ce que les moyens stabilisateurs de tension comprennent un composant à l'oxyde de Zinc (13), présentant les propriétés suivantes: a - la tension de seuil (- U -) est inférieure ou s égale à la tension (- Uc -) qui apparaît aux bornes (j), (k) du dispositif limiteur de courant (7) lorsque circule entre

les bornes d'entrée et de sortie un courant (- I -) corres-

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pondant à l'apparition dans le dispositif limiteur d'un dégagement d'énergie (- E -) ayant une valeur prédéterminée réduite, b - une première branche de caractéristique stabili- satrice (- A -) ayant une étendue telle que les courants

initiaux transférés (- Id -) soient voisins de, et infé-

rieurs à un courant (- Ij -) définissant dans cette caracté-

ristique la présence d'un coude (- C -) à partir duquel s'élève une seconde branche de caractéristique résistive (- B -), cette dernière ayant une pente (- a -) telle que la

circulation de courants ultérieurs transférés (-I - A -

qui sont supérieurs aux premiers courants dérivés (- Id -) développe aux bornes (j), (k) de ce composant (13) une

tension (- Uz -) atteignant rapidement la tension instanta-

née (- Ur -) du réseau.

2. Dispositif interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier moyen limiteur de courant

est une résistance à polymère conducteur (7) ayant un coef-

ficient de température positif élevé, le seuil de tension du composant limiteur de tension (13) étant choisi pour que le dégagement d'énergie (E -) consécutif à l'apparition d'un

courant de court-circuit permette un fonctionnement réver-

sible de cette résistance (7).

3. Dispositif interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier moyen limiteur de courant est un interrupteur à contacts mécanique (17, 27,...), le seuil de tension du composant limiteur de tension (23) étant choisi pour être voisin de 20 V à 30 V.

4. Dispositif interrupteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que, en parallèle, sur le composant

limiteur de tension (23), est placée une résistance à poly-

mère conducteur (19) ayant un coefficient de température

positif élevé.

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5. Dispositif interrupteur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que des moyens (20) respectivement (71, 72) sont associés à l'interrupteur limiteur mécanique (27) pour faire croître rapidement la tension d'arc initiale.

6. Dispositif interrupteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le composant limiteur de tension (53) est placé en parallèle sur un montage série comprenant un interrupteur limiteur (57) et une résistance à coefficient

de température élevé (59).

7. Dispositif interrupteur selon la revendication 3,

caractérisé en ce que la résistance à coefficient de tempé-

rature élevé (59a) est placée en série avec un montage parallèle comprenant l'interrupteur limiteur (57a) et le

composant limiteur de tension (53a).

8. Dispositif interrupteur selon la revendication 3 et/ou la revendication 6, caractérisé en ce que le premier interrupteur limiteur de tension (67) est placé en série avec une résistance à coefficient de température élevé (69), ce premier montage

série étant lui-même placé en parallèle sur un second monta-

ge série comprenant le composant limiteur de tension (63) et

l'interrupteur d'isolement (68).

9. Dispositif interrupteur selon l'une des revendi-

cations 1 à 8, caractérisé en ce que des moyens de surveillance thermique (26, 29) associés à la résistance ayant un coefficient de

température élevé (19), respectivement au composant limi-

teur de tension (23), établissent par voie mécanique (28, 28b) respectivement électrique (28, 28a), une interdiction de refermeture de l'interrupteur d'isolement (8), tant

qu'une stabilité thermique n'a pas été atteinte.

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10. Dispositif interrupteur selon l'une des revendi-

cations 3 à 9, caractérisé en ce que des moyens électro-magnétiques (30) permettent d'actionner à distance l'interrupteur limiteur (37, 27a, 47), ce dernier étant associé à des moyens élec-

triques de liaison (37a), respectivement (27b, 27c), respec-

tivement (42), qui placent la résistance à coefficient de température élevé et le composant limiteur de tension hors

du circuit (35) respectivement (35a), respectivement (45).

11. Dispositif interrupteur selon l'une des revendi-

cations 1 à 9, caractérisé en ce que des moyens électro-magnétiques (30a)

permettent d'actionner à distance l'interrupteur d'isolé-

ment (8 a, 8b, 8c) indépendamment d'un mécanisme de déclen-

chement (11) qui lui est associé.

12. Dispositif interrupteur selon l'une des revendi-

cations 1 à 12, caractérisé en ce que deux composants statiques limiteurs de tension (98, 100) présentant des seuils de stabilisation (- U's -) respectivement (- U"s -), l'un bas et l'autre élevé, sont placés dans un montage parallèle de façon que deux courants dérivés les traversent successivement lors de la croissance de la tension existant aux bornes des moyens

limiteurs de courant (97).

13. Dispositif interrupteur selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'une branche (101) respectivement (95)

du montage parallèle comprenant le composant (98) respecti-

vement (91) dont le seuil de stabilisation (- Us3 -) est le plus bas, comporte des moyens (99) respectivement (94) opérant un blocage de cette branche lorsque décroît la tension aux bornes de ce montage, après être passée par une valeur égale à celle du seuil de stabilisation le plus élevé

(- Us4 -)-

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14. Dispositif interrupteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que ces moyens de blocage placés en série avec le composant (98, 91) font appel à une résistance à coefficient de température élevé (99), respectivement à un

interrupteur statique commandé (94).