FR2614730A1

FR2614730A1 - Thermal balancing device for polyphase electrical appliance, especially for cutout apparatus

Info

Publication number: FR2614730A1
Application number: FR8706587A
Authority: FR
Inventors: Bernard Coudert
Original assignee: SIMPLEX APPAREILS
Current assignee: SIMPLEX APPAREILS
Priority date: 1987-04-28
Filing date: 1987-04-28
Publication date: 1988-11-04
Also published as: FR2614730B1

Abstract

This device limits the heating up of the most heavily loaded phase, in the event of unbalanced operation. A thermal coupling element 12 is arranged between the various phases I, II, III, N. In the event of imbalance between phases, this element 12 provides, by thermal conduction, for heat transfer from the most heavily loaded phase to the other phases, whilst preserving the electrical insulation between the phases. Application to cut out apparatuses such as circuit breakers.

Description

"Dispositif d'équilibrage thermique pour appareillage
électrique polyphasé, notamment pour appareil de coupure"
La présente invention concerne un dispositif d'équilibrage thermique pour appareillage électrique polyphasé. Cette invention se rapporte plus particulièrement, quoique non exclusivement, aux appareils de coupure tels que ceux destinés à la protection, du côté "basse tension", des transformateurs électriques polyphasés de distribution électrique, notamment ceux des réseaux ruraux."Thermal balancing device for apparatus
polyphase electric, especially for switching device "
The present invention relates to a thermal balancing device for polyphase electrical equipment. This invention relates more particularly, although not exclusively, to switching devices such as those intended for the protection, on the "low voltage" side, of polyphase electrical transformers for electrical distribution, in particular those of rural networks.

Dans un transformateur triphasé, la contrainte à prendre en considération pour l'exploitation du réseau est la température maximale atteinte par les bobinages. Par construction, il existe un couplage thermique entre les trois phases du transformateur. In a three-phase transformer, the constraint to be taken into account for network operation is the maximum temperature reached by the windings. By construction, there is a thermal coupling between the three phases of the transformer.

Si le transformateur est protégé par un disjoncteur classique, la coupure du circuit électrique est commandée dès que le courant électrique passant par une phase quelconque atteint une valeur limite. Il n'est pas tenu compte de la possibilité de surcharge sur une phase, alors que les autres phases restent sous une charge inférieure à la normale. Le transformateur se trouve ainsi "sur-protégé", le déclenchement du disjoncteur pouvant se produire dans des situations où il n'apparaît pas nécessaire. If the transformer is protected by a conventional circuit breaker, the electric circuit is cut off as soon as the electric current passing through any phase reaches a limit value. The possibility of overloading on one phase is not taken into account, while the other phases remain under a load lower than normal. The transformer is thus "over-protected", tripping of the circuit breaker can occur in situations where it does not appear necessary.

Pour éviter cet inconvénient, on a récemment mis au point des disjoncteurs pourvus de déclencheurs reproduisant une "image thermique" du transformateur - voir les brevets français 2 214 959 et 2 432 211 au nom de la Demanderesse. Ces disjoncteurs permettent de ternir compte des déséquilibres entre phases, en ne provoquant le déclenchement qu'à partir du moment où ia température maximale atteinte par les bobinages présente réellement un risque. Le transformateur peut donc accepter temporairement une surcharge sur une phase, lorsque les deux autres phases ont une charge inférieure à la normale. To avoid this drawback, circuit breakers have recently been developed equipped with trip units reproducing a "thermal image" of the transformer - see French patents 2 214 959 and 2 432 211 in the name of the Applicant. These circuit breakers make it possible to tarnish imbalances between phases, by causing tripping only from the moment when the maximum temperature reached by the windings really presents a risk. The transformer can therefore temporarily accept an overload on one phase, when the other two phases have a lower than normal load.

Les problèmes thermiques sont, dans ce cas, reportés sur les appareils de coupure qui sont soumis à des déséquilibres de courants entre phases avec échauffement supplémentaire de la phase la plus chargée et augmentation de la température du point le plus chaud de l'appareil de coupure. The thermal problems are, in this case, carried over to the breaking devices which are subjected to current imbalances between phases with additional heating of the most charged phase and increase of the temperature of the hottest point of the breaking device .

Les solutions ordinairement employées pour limiter l'échauffement des appareils de coupure sont les suivantes
- Une première solution consiste à augmenter les sections des barres conductrices ; cette solution est coûteuse puisqu'elle implique une quantité plus importante de matériau conducteur tel que cuivre.The solutions usually used to limit the heating of switching devices are as follows
- A first solution consists in increasing the cross-sections of the busbars; this solution is expensive since it involves a larger amount of conductive material such as copper.

- Il est aussi possible d'améliorer les contacts, par un revêtement approprié (utilisation de cuivre étamé ou argenté) ou en rapportant des pastilles adaptées aux coupures et aux échauffements. Cette deuxième solution concerne seulement des dispositions très localisées, donc limitées dans leurs effets. - It is also possible to improve the contacts, by an appropriate coating (use of tinned or silver-plated copper) or by bringing back pellets suitable for cuts and overheating. This second solution only concerns very localized provisions, therefore limited in their effects.

- Une troisième solution connue consiste à créer une circulation d'air à travers le disjoncteur, en prévoyant des ouvertures. L'aération du disjoncteur amène une accélération du processus de corrosion, si bien que le recours à cette dernière solution est déconseillé. - A third known solution consists in creating an air circulation through the circuit breaker, by providing openings. The ventilation of the circuit breaker accelerates the corrosion process, so that the latter solution is not recommended.

La présente invention évite les inconvénients de toutes les solutions rappelées ci-dessus, en fournissant une nouvelle solution particulièrement économique et performante. The present invention avoids the drawbacks of all the solutions mentioned above, by providing a new particularly economical and efficient solution.

A cet effet, I'invention a essentiellement pour objet un dispositif d'équilibrage thermique pour appareillage électrique polyphasé, notamment pour appareil de coupure, ce dispositif comprenant, entre les différentes phases, au moins un élément de couplage thermique, apte à assurer par conduction thermique, en cas de déséquilibre entre phases, un transfert de chaleur depuis la phase la plus chargée vers les autres phases, tout en conservant l'isolation électrique entre les phases. To this end, the invention essentially relates to a thermal balancing device for polyphase electrical equipment, in particular for switching device, this device comprising, between the different phases, at least one thermal coupling element, capable of ensuring by conduction thermal, in the event of imbalance between phases, a transfer of heat from the most charged phase to the other phases, while retaining the electrical insulation between the phases.

Ainsi, la solution proposée par la présente invention utilise la masse métallique des phases sous-chargées pour refroidir la phase la plus chargée, ceci au moyen d'un élément réalisant tin couplage thermique entre les phases. En cas de déséquilibre, la chaleur dégagée dans une phase surchargée est rapidement évacuée vers les autres phases, par conduction de cette chaleur dans l'élément de couplage thermique, toute la surface des conducteurs des phases étant finalement mise à profit pour refroidir, par convection, la phase la plus chargée. Thus, the solution proposed by the present invention uses the metallic mass of the underloaded phases to cool the most charged phase, this by means of an element carrying out a thermal coupling between the phases. In the event of imbalance, the heat released in an overloaded phase is quickly evacuated towards the other phases, by conduction of this heat in the element of thermal coupling, the whole surface of the conductors of the phases being finally used to cool, by convection , the busiest phase.

Le dispositif d'équilibrage thermique, objet de l'invention, évite ainsi l'apparition de points chauds qui seraient incompatibles avec la tenue thermique et mécanique des matériaux utilisés, et il supprime les problèmes habituellement rencontrés tels que : ramollissement des matériaux, augmentation de la résistance de contact, vieillissement prématuré de l'appareil de coupure. The thermal balancing device, object of the invention, thus avoids the appearance of hot spots which would be incompatible with the thermal and mechanical behavior of the materials used, and it eliminates the problems usually encountered such as: softening of the materials, increase in contact resistance, premature aging of the switching device.

Le dispositif proposé n'ir,,ervier.t pas en cas c ncLinnenle,lt équilibré, mais il ne se pose, dans ce cas, aucun problème thermique. Par contre, en cas de déséquilibre, ce dispositif de par son principe est d'autant plus efficace que le déséquilibre est important ; en effet, le transfert de
température depuis la phase la plus chaude vers la phase la plus froide est d'autant plus rapide que l'écart de température est grand entre cette phase
et les autres phases.The proposed device does not go, ervier.t not in case c ncLinnenle, lt balanced, but there arises, in this case, no thermal problem. On the other hand, in the event of imbalance, this device by its principle is all the more effective as the imbalance is significant; indeed, the transfer of
temperature from the hottest phase to the coldest phase is faster the greater the temperature difference between this phase
and the other phases.

L'amélioration de l'équilibre thermique, obtenue par le dispositif objet de l'invention, permet d'élargir vers le haut les gammes de puissance des appareils de coupure existants, tels que disjoncteurs, sans modifier la conception ou les dimensions de ces appareils. The improvement in thermal equilibrium, obtained by the device which is the subject of the invention, makes it possible to widen the power ranges of existing breaking devices, such as circuit breakers, without changing the design or dimensions of these devices. .

Dans une forme de réalisation de l'invention, I'élément de couplage thermique est constitué par une barre métallique, disposée
transversalement aux différentes phases et serrée contre toutes ces phases avec interposition d'un matériau isolant électriquement mais bon conducteur thermiquement. La barre métallique peut être enveloppée entièrement par le matériau isolant électriquement mais bon conducteur thermiquement, qui assure l'isolation électrique entre toutes les phases. Il est à noter que ce matériau assure une double isolation électrique entre deux quelconques des phases puisque sur le trajet passant d'une phase à une. autre phase on rencontre nécessairement deux épaisseurs dudit matériau.In one embodiment of the invention, the thermal coupling element consists of a metal bar, arranged
transversely to the different phases and clamped against all these phases with the interposition of an electrically insulating material but good thermally conductive. The metal bar can be entirely enveloped by the electrically insulating but thermally conductive material, which provides electrical insulation between all the phases. It should be noted that this material provides double electrical insulation between any two of the phases since on the path passing from one phase to one. in another phase, two thicknesses of said material are necessarily encountered.

Le dispositif, réalisé comme il vient d'être indiqué, est d'une conception très simple et entièrement statique, et il ne nécessite aucun entretien, ce qui le rend particulièrement fiable et économique. De plus, ce dispositif nécessite pour sa mise en place un volume très réduit ce qui permet de l'ajouter dans de nombreux appareils existants, en le fixant à l'emplacement où le problème thermique est le plus critique, notamment à proximité de connexions ou de contacts soumis à l'action de ressorts ; le dispositif est alors particulièrement performant. The device, produced as just indicated, is of a very simple and entirely static design, and it requires no maintenance, which makes it particularly reliable and economical. In addition, this device requires for its installation a very reduced volume which makes it possible to add it to many existing devices, by fixing it at the location where the thermal problem is most critical, in particular near connections or contacts subject to the action of springs; the device is then particularly efficient.

Ainsi, dans le cas où l'invention est appliquée à un appareil de coupure polyphasé, tel que disjoncteur, I'élément de couplage thermique est avantageusement mis en place au niveau des contacts fixes et mobiles de cet appareil, qui réalisent la continuité du circuit électrique ou la coupure. Thus, in the case where the invention is applied to a polyphase breaking device, such as a circuit breaker, the thermal coupling element is advantageously placed at the level of the fixed and mobile contacts of this device, which provide continuity of the circuit electric or cutoff.

Plus précisément, I'élément de couplage thermique peut être appliqué contre les contacts fixes de toutes les phases, y compris le neutre.More specifically, the thermal coupling element can be applied against the fixed contacts of all the phases, including the neutral.

Dans une forme de réalisation particulière, I'élément de couplage thermique, en forme de barre, est inséré dans des encoches de plots isolants servant à la fixation des contacts fixes, et il est maintenu serré contre ces -contacts fixes par le serrage de vis prévues pour la fixation desdits contacts. Cette construction est très simple puisqu'elle ne nécessite aucun organe supplémentaire, pour la fixation de l'élément de couplage thermique, tout en assurant un serrage énergique de cet élément contre les contacts fixes de toutes les phases. Bien entendu, on peut recourir aussi à d'autres moyens pour le maintien en place de l'élément de couplage thermique, pourvu que ces moyens ne compromettent pas l'isolation électrique entre les phases. In a particular embodiment, the thermal coupling element, in the form of a bar, is inserted into notches of insulating pads used for fixing the fixed contacts, and it is held tight against these fixed contacts by tightening screws. provided for fixing said contacts. This construction is very simple since it does not require any additional member, for fixing the thermal coupling element, while ensuring an energetic clamping of this element against the fixed contacts of all the phases. Of course, other means can also be used to hold the thermal coupling element in place, provided that these means do not compromise the electrical insulation between the phases.

De toute façon, I'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de ce dispositif d'équilibrage thermique pour appareillage électrique polyphasé, appliquée à un appareil de coupure
Figure 1 est une vue de face d'un disjoncteur, supposé ouvert, équipé du dispositif objet de l'invention
Figure 2 est une vue de côté du disjoncteur de figure I
Figure 3 montre un détail de ce disjoncteur, en coupe et à échelle agrandie.In any case, the invention will be better understood with the aid of the description which follows, with reference to the appended schematic drawing representing, by way of nonlimiting example, an embodiment of this thermal balancing device for apparatus polyphase electric, applied to a switching device
Figure 1 is a front view of a circuit breaker, assumed open, equipped with the device object of the invention
Figure 2 is a side view of the circuit breaker of Figure I
Figure 3 shows a detail of this circuit breaker, in section and on an enlarged scale.

Dans l'exemple représenté au dessin et décrit ci-après l'appareil de coupure est un disjoncteur pour réseau de distribution triphasé, associé à un transformateur non représenté, les organes de l'appareil étant contenus dans une cuve I fermée par un couvercle 2. Le circuit électrique traversant l'appareil se compose des trois phases proprement dites 1,11 et ilI et du neutre N (voir figure 1), désignés globalement par "les phases". In the example shown in the drawing and described below, the breaking device is a circuit breaker for a three-phase distribution network, associated with a transformer not shown, the organs of the device being contained in a tank I closed by a cover 2 The electrical circuit passing through the apparatus consists of the three phases proper 1.11 and 11 and of the neutral N (see FIG. 1), designated overall by "the phases".

Ce circuit électrique comprend des raccordements amont 3, auxquels sont raccordés des contacts supérieurs fixes 4 qui coopèrent avec des contacts mobiles 5 et auxquels sont associées des chambres de coupure 6. Les contacts fixes 4 et les contacts mobiles 5 portent des pastilles en argent 7 respectives, venant en appui les unes sur les autres dans la position de fermeture du circuit électrique. This electrical circuit comprises upstream connections 3, to which fixed upper contacts 4 which cooperate with movable contacts 5 and to which are associated breaking chambers 6. The fixed contacts 4 and the movable contacts 5 carry respective silver discs 7 , coming to bear on each other in the closed position of the electrical circuit.

Les contacts mobiles 5 sont reliés à des raccordements aval 8 par l'intermédiaire de barres conductrices 9 et 10. Un bloc déclencheur 11, placé au niveau des barres conductrices 9, reproduit une "image thermique" du transformateur et commande le déclenchement du disjoncteur, c'est-à-dire la manoeuvre rapide de contacts mobiles 5 dans le sens de l'ouverture, lorsque la température du point le plus chaud du transformateur atteint une valeur limite prédéterminée, à ne pas dépasser pour preserser le transformateur.Le fonctionnement du bloc déclencheur 11 est tel qufil admet temporairement un fonctionnement déséquilibré, avec par exemple dans la phase Il un courant d'intensité double de celle des courants circulant dans les phases adjacentes I et III, auquel cas il circule aussi, dans le neutre
N, un courant de niveau semblable à ceux des phases I et 111. Dans ce genre de situation, les conditions thermiques rencontrées sont les- plus difficiles lorsque les intensités des courants correspondent à des temps de déclenchement longs (I heure par exemple) : la phase la plus chargée, telle que la phase II en reprenant l'exemple précédent, s'échauffe alors de manière importante.The movable contacts 5 are connected to downstream connections 8 by means of conductive bars 9 and 10. A trip unit 11, placed at the level of the conductive bars 9, reproduces a "thermal image" of the transformer and controls the tripping of the circuit breaker, that is to say the rapid operation of movable contacts 5 in the opening direction, when the temperature of the hottest point of the transformer reaches a predetermined limit value, not to be exceeded to presert the transformer. trip unit 11 is such that it temporarily admits unbalanced operation, with, for example in phase II a current of intensity double that of the currents flowing in adjacent phases I and III, in which case it also flows, in neutral
N, a level current similar to that of phases I and 111. In this type of situation, the thermal conditions encountered are the most difficult when the intensities of the currents correspond to long tripping times (I hour for example): the busiest phase, such as phase II, using the previous example, then heats up significantly.

Selon l'invention, cet échauffement de la phase la plus chargée est limité par un élément de couplage thermique, désigné dans son ensemble par 12, et constitué par une barre de cuivre 13 enveloppée d'un matériau polymérique 14. La barre de cuivre 13, bonne conductrice de la chaleur, est mise en place transversalement aux différentes phases, au niveau des contacts fixes 4. Cette barre 13 possède une section de forme générale rectangulaire, avec des angles arrondis ; elle est appliquée contre une face de tous les contacts fixes 4 par l'intermédiaire du matériau polymérique 14, isolant électriquement mais bon conducteur thermiquement. According to the invention, this heating of the most charged phase is limited by a thermal coupling element, generally designated by 12, and constituted by a copper bar 13 wrapped in a polymeric material 14. The copper bar 13 , a good conductor of heat, is placed transversely to the different phases, at the level of the fixed contacts 4. This bar 13 has a generally rectangular section with rounded corners; it is applied against one face of all the fixed contacts 4 by means of the polymeric material 14, electrically insulating but good thermally conductive.

Comme le montre plus particulièrement la figure 3, I'élément de couplage thermique 12, constitué comme indiqué précédemment, est inséré dans des encoches 15 des plots isolants 16 de la cuve 1 servant de façon connue à la fixation des contacts fixes 4, et cet élément de couplage thermique 12 est maintenu serré contre les quatre contacts fixes 4 par les serrage des vis 17 habituellement prévues pour la fixation desdits contacts 4. As shown more particularly in FIG. 3, the thermal coupling element 12, constituted as indicated above, is inserted into notches 15 of the insulating pads 16 of the tank 1 serving in known manner for fixing the fixed contacts 4, and this thermal coupling element 12 is held tight against the four fixed contacts 4 by tightening the screws 17 usually provided for fixing said contacts 4.

L'élément de couplage thermique 12 réalise un transfert de chaleur depuis la phase la plus chargée, soit la phase II dans l'exemple considéré, vers les deux autres phases I et III ainsi que vers le neutre N. The thermal coupling element 12 transfers heat from the most charged phase, ie phase II in the example considered, to the other two phases I and III as well as to neutral N.

L'excédent de chaleur dégagé dans la phase Il est ainsi transféré vers les autres phases, et l'ensemble des conducteurs est finalement refroidi par la convection naturelle à l'intérieur de la cuve 1.The excess heat released in phase II is thus transferred to the other phases, and all of the conductors are finally cooled by natural convection inside the tank 1.

II va de soi que l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de ce dispositif d'équilibrage thermique qui a été décrite ci-dessus, à titre d'exemple ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. Ainsi,
I'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention en modifiant la forme ou la position de l'élément de couplage thermique, ou en utilisant d'autres matériaux appropriés pour la réalisation de cet élément. Le système proposé n'est nullement limité aux disjoncteurs triphasés, mais il peut concerner tous les appareils de coupure polyphasés pour réseaux électriques basse tension soumis à des régimes de courants déséquilibrés, qu'il s'agisse de disjoncteurs, d'interrupteurs, de contacteurs ou de sectionneurs, et ceci quel que soit le nombre des phases. L'invention s'applique aussi à tout appareillage électrique polyphasé autre que les appareils de coupure, mais soumis à des régimes de courants déséquilibrés et comprenant des connexions à réaliser dans un volume réduit, tel que : tableaux de distribution, armoires de branchement, enveloppes de branchement pour réseaux souterrains, etc. It goes without saying that the invention is not limited to the sole embodiment of this thermal balancing device which has been described above, by way of example; on the contrary, it embraces all of the variant embodiments and applications respecting the same principle. So,
One would not depart from the scope of the invention by modifying the shape or the position of the thermal coupling element, or by using other suitable materials for the production of this element. The proposed system is by no means limited to three-phase circuit breakers, but it can concern all polyphase breaking devices for low-voltage electrical networks subject to unbalanced current regimes, whether they are circuit breakers, switches, contactors or disconnectors, regardless of the number of phases. The invention also applies to any polyphase electrical apparatus other than breaking devices, but subject to unbalanced current regimes and comprising connections to be made in a reduced volume, such as: distribution boards, connection cabinets, enclosures connection for underground networks, etc.

Claims

I. Thermal balancing device for polyphase electrical equipment, in particular for switching device, characterized in that it comprises, between the different phases (I, II, III, N), at least one thermal coupling element (12) , capable of ensuring by thermal conduction, in the event of imbalance between phases, a transfer of heat from the most charged phase to the other phases, while retaining the electrical insulation between phases.

2. A thermal balancing device for multi-phase electrical equipment according to claim 1, characterized in that the thermal coupling element (12) consists of a metal bar (13), arranged transversely to the different phases (I, II, III , N) and clamped against all these phases with the interposition of a material (14) electrically insulating but good conductor thermally.

3. A thermal balancing device for polyphase electrical apparatus according to claim 2, characterized in that the metal bar (13) of the thermal coupling element (12) is entirely enveloped by the material (14) electrically insulating but good conductor thermally.

4. A thermal balancing device for polyphase electrical apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the metal bar (13) of the thermal coupling element (12) is a copper bar.

5. thermal balancing device for polyphase electrical apparatus according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the material (14) electrically insulating but good thermally conductive, interposed between the metal bar (13) and the different phases (I, II, III, N), is a polymeric material.

6. thermal balancing device for polyphase electrical equipment according to any one of claims 1 to 5, applied to a polyphase breaking device such as a circuit breaker, characterized in that the thermal coupling element (12) is put in place at the fixed and mobile contacts (4,5) of this device, which carry out the continuity of the electrical circuit or the break.

7. A thermal balancing device for a multi-phase breaking device, according to claim 6, characterized in that the thermal coupling element (12) is applied against the fixed contacts (4) of all the phases, including the neutral ( 1, II, 111, N).

8. A thermal balancing device for a multi-phase switching device, according to all of claims 2 and 7, characterized in that the thermal coupling element (12), in the form of a bar, is inserted into these notches (15) insulating pads (16) used for fixing the fixed contacts (4), and is held tight against these fixed contacts (4) by tightening screws (17) provided for fixing said contacts (4).