FR2672424A1 - Fast circuit breaker for high currents - Google Patents

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FR2672424A1 FR9101085A FR9101085A FR2672424A1 FR 2672424 A1 FR2672424 A1 FR 2672424A1 FR 9101085 A FR9101085 A FR 9101085A FR 9101085 A FR9101085 A FR 9101085A FR 2672424 A1 FR2672424 A1 FR 2672424A1
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    • H01H33/002Very heavy-current switches

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Abstract

This circuit breaker (1) comprises: - contact pieces (6-15) arranged in a stack in which each piece comes into contact with the adjacent piece, each of the end pieces (6, 15) being linked to one pole (19, 18) of the circuit breaker, - means (16) for guiding the pieces in translation along the direction of the stack, - actuator means (20), linked to one (6) of the end pieces, suitable for loading the stack in the direction of compression, and - means of triggering the circuit breaker, cooperating with the actuator means in order to: - in closed position, activate the latter so as to exert axial compression on the stack overcoming the axial forces resulting from the current forces produced by the current passing through the stack, and - in open position, release the latter so as to allow the various pieces to move apart axially from one another under the effect of the said ampere forces, thus forming, between the successive pairs of pieces, a plurality of arcs dissipating the switching energy in a distributed way.

Description

Coupe-circuit rapide pour courants élevés
La présente invention concerne un coupe-circuit rapide pour courants élevés.
Fast circuit breaker for high currents
The present invention relates to a quick circuit breaker for high currents.

Par courants élevés on entendra des courants d'une valeur typique de l'ordre du mégaampère et même plus. À de tels niveaux de courant, il est difficile de réaliser sur le plan industriel des coupecircuits susceptibles de réagir de façon suffisamment rapide. Le passage de l'état de conduction à l'état de non-conduction doit se faire, dans le cas le plus facile, en quelques dizaines de microsecondes et, dans le cas le plus difficile, en quelques dizaines de nanosecondes (ces valeurs ne sont en aucune façon limitatives et dépendent très largement de l'application envisagée). By high currents we mean currents of a typical value of the order of megaampere and even more. At such current levels, it is difficult to achieve industrial circuit breakers that can react quickly enough. The transition from the conduction state to the non-conduction state must be done, in the easiest case, in a few tens of microseconds and, in the most difficult case, in a few tens of nanoseconds (these values do not are in no way limiting and very largely depend on the envisaged application).

Pendant assez longtemps on a utilisé, pour les coupures de fortes intensités de courant, des dispositifs basés sur l'autodestruction d'un fil explosif traversé par le courant du circuit à interrompre. For quite a long time, devices have been used for breaking high currents, based on the self-destruction of an explosive wire crossed by the current of the circuit to be interrupted.

Dans ces dispositifs, lorsque le courant atteint une certaine valeur les contraintes subies par le fil sous l'effet de l'intensité traversante produisent une fragmentation explosive soudaine de celui-ci. Ensuite, dans une deuxième phase, le phénomène est différent, car il y a formation d'arc, puis d'un plasma entre les différents fragments, si du moins la tension appliquée aux bornes du fil est suffisante; dans le cas où cette tension est insuffisante, il y a a interruption du courant à la fin de la première phase.In these devices, when the current reaches a certain value, the stresses undergone by the wire under the effect of the crossing intensity produce a sudden explosive fragmentation of the latter. Then, in a second phase, the phenomenon is different, because there is the formation of an arc, then of a plasma between the different fragments, if at least the voltage applied to the terminals of the wire is sufficient; in the event that this voltage is insufficient, there is an interruption of the current at the end of the first phase.

Le premier inconvénient, évident, d'un tel dispositif est son caractère autodestructeur, qui empêche tout fonctionnement répétitif, puisque le fil explosif devra être changé après chaque ouverture du circuit. The first obvious drawback of such a device is its self-destructive nature, which prevents any repetitive operation, since the explosive wire must be changed after each opening of the circuit.

En second lieu, l'instant précis de déclenchement de ce coupe-circuit n'est pas contrôlable avec précision puisqu'il va dépendre de l'intensité parcourant le fil ; ce dispositif n'est donc pas commandable de façon externe. Secondly, the precise instant of triggering of this circuit breaker cannot be precisely controlled since it will depend on the intensity traversing the wire; this device cannot therefore be controlled externally.

De tels fils explosifs sont décrits par exemple par Nasilovski dans un article publié dans Exploding Wires (W.G. Chase, H.K. Moore editors), Vol. 3, Plenum, New York, 1964, sous le titre Unduloids and Stria tex Disintegration of Wires. Such explosive wires are described for example by Nasilovski in an article published in Exploding Wires (W.G. Chase, H.K. Moore editors), Vol. 3, Plenum, New York, 1964, under the title Unduloids and Stria tex Disintegration of Wires.

Dans une tentative expérimentale, exposée par Ruscak et Bruce dans un article intitulé Multi-Arc Generator et publié dans les
IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. PS 15, 1987, page 51, il a été proposé d'éviter la destruction du coupe-circuit en remplaçant le fil par un conducteur segmenté de grand diamètre, les segments successifs étant constitués d'éléments alternativement en cuivre et en aluminium disposés dans un tube de verre.
In an experimental attempt, exposed by Ruscak and Bruce in an article entitled Multi-Arc Generator and published in
IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. PS 15, 1987, page 51, it has been proposed to avoid the destruction of the circuit breaker by replacing the wire with a segmented conductor of large diameter, the successive segments being made up of elements alternately of copper and aluminum arranged in a glass tube.

Ce dispositif, qui n'en est resté qu'au stade expérimental, présente cependant un temps de commutation relativement important du fait de la formation du plasma entre les segments, qui a tendance à prolonger le passage du courant dans le fil. En outre, comme dans le cas des fils explosifs, ce dispositif s'autodéclenche dès le franchissement d'un certain seuil de courant, sans possibilité de contrôle externe temporel précis de la coupure. This device, which only remained at the experimental stage, however has a relatively long switching time due to the formation of plasma between the segments, which tends to prolong the passage of current in the wire. In addition, as in the case of explosive wires, this device triggers as soon as a certain current threshold is crossed, without the possibility of precise external temporal control of the cut-off.

La technique la plus courante actuellement consiste à utiliser des interrupteurs conçus à partir des propriétés des plasmas. Elle s'est concrétisée dans deux types principaux de coupe-circuits : les coupe-circuits à ouverture par érosion de plasma dits PEOS (Plasma Erosion Opening Switches) et les coupe-circuits à écoulement de plasma dits PFS (Plasma Flow Switches). On peut trouver l'état de l'art sur ces coupe-circuits rapides à vide (fast opening vacuum switches) dans le numéro de décembre 1987 des IEEE
Transactions on Plasma Science, Vol. PS 15, qui leur est consacré.
The most common technique currently is to use switches designed from the properties of plasmas. It has materialized in two main types of circuit breakers: plasma erosion opening circuit breakers called PEOS (Plasma Erosion Opening Switches) and plasma flow circuit breakers called PFS (Plasma Flow Switches). The state of the art can be found on these fast opening vacuum switches in the December 1987 issue of IEEE
Transactions on Plasma Science, Vol. PS 15, which is dedicated to them.

Ils sont encore actuellement l'objet de recherches diverses et sont encore des produits de laboratoire, soit orientés vers l'alimentation de circuits de propulsion du type canon électromagnétique, soit vers l'obtention de plasmas pour la recherche en fusion contrôlée. En particulier, le PFS est dérivé du dispositif servant aux expériences de focalisation de plasma (plasma focus) qui ont été et continuent à être des tentatives infructueuses en fusion contrôlée. Vu son principe, le PFS ne permet pas une opération répétitive, du moins sous sa forme usuelle actuellement, car son fonctionnement nécessite l'explosion d'un réseau de fils à l'impact de l'onde électromagnétique.They are still currently the subject of various researches and are still laboratory products, either oriented towards the supply of propulsion circuits of the electromagnetic gun type, or towards obtaining plasmas for research in controlled fusion. In particular, PFS is derived from the device used for plasma focus experiments which have been and continue to be unsuccessful attempts at controlled fusion. Given its principle, the PFS does not allow a repetitive operation, at least in its usual form today, because its operation requires the explosion of a network of wires at the impact of the electromagnetic wave.

La présente invention propose un dispositif qui vise à obtenir des performances semblables à celles des PEOS, mais selon un principe totalement différent. Le coupe-circuit objet de l'invention autorise le transfert de courants de l'ordre du mégaampère sans aucune destruction du dispositif - donc avec possibilité de déclenchement récurrent -' le déclenchement étant contrôlé de façon externe indépendamment du niveau de courant traversant le dispositif. n permet aussi un isolement galvanique complet entre le circuit où le courant passait avant son fonctionnement et le circuit où il passe après son fonctionnement. Le dispositif proposé est ainsi un véritable commutateur. The present invention provides a device which aims to obtain performances similar to those of PEOS, but according to a completely different principle. The circuit breaker object of the invention allows the transfer of currents of the order of megaampere without any destruction of the device - therefore with the possibility of recurrent tripping - the tripping being controlled externally regardless of the level of current flowing through the device. n also allows complete galvanic isolation between the circuit where the current passed before its operation and the circuit where it passes after its operation. The proposed device is thus a real switch.

On verra en outre que la structure de l'invention autorise une commutation extrêmement rapide, compatible avec des temps de coupure typiques de l'ordre de quelques microsecondes ou inférieurs à la microseconde. It will also be seen that the structure of the invention allows extremely fast switching, compatible with typical cut-off times of the order of a few microseconds or less than the microsecond.

Enfin, du point de vue énergétique, comme tout coupe-circuit le dispositif de l'invention devra inévitablement dissiper une certaine quantité d'énergie pour provoquer le transfert du courant vers une autre branche de circuit. Toutefois, comme on le verra, dans le cas de l'invention, cette énergie de commutation - et donc la dissipation de chaleur - est répartie sur un nombre important d'arcs de coupure au lieu d'être concentrée sur un seul arc comme avec les coupe-circuits classiques. Grâce à cette caractéristique, on minimisera la fusion et l'érosion des pièces de contact, autorisant ainsi un fonctionnement pendant un nombre plus important de cycles. Finally, from an energy point of view, like any circuit breaker, the device of the invention will inevitably have to dissipate a certain amount of energy to cause the transfer of current to another branch of the circuit. However, as will be seen, in the case of the invention, this switching energy - and therefore the heat dissipation - is distributed over a large number of breaking arcs instead of being concentrated on a single arc as with classic circuit breakers. Thanks to this characteristic, the melting and erosion of the contact parts will be minimized, thus allowing operation during a greater number of cycles.

Le principe de l'invention repose sur l'utilisation de la force d'Ampère entre éléments de courant. The principle of the invention is based on the use of Ampere force between current elements.

Ce concept avait été proposé au siècle dernier (voir notamment
A.-M. Ampère, Mémoire sur la détermination de la formule qui représente l'action mutuelle de deux portions infiniment petites de conducteurs voltaïques, lu à l'Académie des Sciences le 10 juin 1822) sur des bases empiriques, mais son existence n'avait pas été confortée par la théorie, compte tenu en particulier du fait que l'on avait jusqu'à présent cru qu'il contredisait les lois de Maxwell.
This concept had been proposed in the last century (see in particular
A.-M. Ampère, Memoir on the determination of the formula which represents the mutual action of two infinitely small portions of voltaic conductors, read at the Académie des Sciences on June 10, 1822) on an empirical basis, but its existence n had not been supported by theory, especially given the fact that it had so far been believed to contradict Maxwell's laws.

Or les lois proposées par Ampère, qui permettaient d'expliciter les forces mises en jeu entre des éléments de courant, viennent de se révéler parfaitement compatibles avec la théorie de la Relativité (force de Lorentz). L'absence de contradiction - et donc la réalité probable des forces d'Ampère - vient en effet d'être reconnue par
M. Rambaut et J. P.Vigier comme ne contredisant pas la Relativité, dans trois articles de Physics Letters A, l'un dans le volume 142, n" 8-9 du 25 décembre 1989, page 447 et intitulé The Simultaneous
Existence ofEM Grassmann-Lorentz Forces (Acting on Charged Particles) and Ampère Forces (Acting on Charged Conducting Elements)
Does not Contradict Relativity Theory, l'autre dans le volume 148, n" 5 du 20 août 1990 et intitulé Ampère Forces Considered as Collective Non-relativistic Limit of the Sum of All Lorentz Interactions
Acting on Individual Current Elements :: Possible Consequences for
Electromagnetic Discharge Stability and Tokamak Behaviour, et le troisième étant programmé pour être publié sous le nom de
M. Rambaut et intitulé Macroscopic Non-relativistic Ampère EM
Interactions between Current Elements Reflet the Conducting Electrons Accelerations by the Ion's Electric Field.
Now the laws proposed by Ampère, which made it possible to explain the forces brought into play between current elements, have just proved to be perfectly compatible with the theory of Relativity (Lorentz force). The absence of contradiction - and therefore the probable reality of Ampère's forces - has just been recognized by
M. Rambaut and JPVigier as not contradicting Relativity, in three articles of Physics Letters A, one in volume 142, n "8-9 of December 25, 1989, page 447 and entitled The Simultaneous
Existence ofEM Grassmann-Lorentz Forces (Acting on Charged Particles) and Ampère Forces (Acting on Charged Conducting Elements)
Does not Contradict Relativity Theory, the other in volume 148, no. 5 of August 20, 1990 and entitled Ampère Forces Considered as Collective Non-relativistic Limit of the Sum of All Lorentz Interactions
Acting on Individual Current Elements :: Possible Consequences for
Electromagnetic Discharge Stability and Tokamak Behavior, and the third being scheduled to be released as
M. Rambaut and entitled Macroscopic Non-relativistic Ampère EM
Interactions between Current Elements Reflet the Conducting Electrons Accelerations by the Ion's Electric Field.

On pourra également se référer sur ce sujet à l'étude de Peter
Graneau intitulée Ampère-Neumann Electrodynamics of Metallic
Conductors, publiée chez Hadronic Press, à Nonantum, Massachusetts, USA, 1985.
We can also refer on this subject to Peter's study.
Graneau entitled Ampère-Neumann Electrodynamics of Metallic
Conductors, published in Hadronic Press, Nonantum, Massachusetts, USA, 1985.

Comme cela a été démontré dans ces documents, dans un conducteur donné la force d'Ampère produit une attraction transversale entre éléments de courants parallèles et, surtout, une répulsion longitudinale entre éléments de courants colinéaires. En particulier, c'est ce dernier effet qui sera utilisé dans le dispositif de l'invention pour produire, par voie purement électrique et sans destruction d'aucun élément, une force susceptible de séparer des éléments de circuit pour produire ainsi la coupure de ce circuit. As has been demonstrated in these documents, in a given conductor the force of Ampère produces a transverse attraction between elements of parallel currents and, above all, a longitudinal repulsion between elements of collinear currents. In particular, it is this latter effect which will be used in the device of the invention to produce, by purely electric means and without destruction of any element, a force capable of separating circuit elements to thereby produce the breaking of this circuit.

Plus précisément, selon l'invention, le coupe-circuit comprend une pluralité de pièces de contact disposées en un empilement où chaque pièce vient en contact mécanique et électrique avec la pièce adjacente, chacune des des pièces de contact d'extrémité étant électriquement reliée à un pôle respectif du coupe-circuit; des moyens de guidage des pièces de contact en translation axiale, suivant la direction de l'empilement ; des moyens actionneurs, reliés à l'une des pièces de contact d'extrémité, propres à solliciter mécaniquement l'empilement dans le sens de la compression; et des moyens de déclenchement du coupe-circuit, coopérant avec les moyens actionneurs de manière à, en position fermée, activer les moyens actionneurs de manière à exercer sur l'empilement une compression axiale suffisante pour surmonter les efforts axiaux résultant des forces d'Ampère produites par le courant traversant l'empilement et, en position ouverte, relâcher les moyens actionneurs de manière à permettre aux différentes pièces de contact de s'écarter axialement les unes des autres sous l'effet desdites forces d'Ampère, formant ainsi, entre les différentes paires successives de pièces de contact, une pluralité d'arcs dissipant de façon répartie l'énergie de commutation. More specifically, according to the invention, the circuit breaker comprises a plurality of contact pieces arranged in a stack where each piece comes into mechanical and electrical contact with the adjacent piece, each of the end contact pieces being electrically connected to a respective pole of the circuit breaker; means for guiding the contact parts in axial translation, in the direction of the stack; actuator means, connected to one of the end contact pieces, adapted to mechanically stress the stack in the direction of compression; and means for triggering the circuit breaker, cooperating with the actuator means so as, in the closed position, to activate the actuator means so as to exert on the stack sufficient axial compression to overcome the axial forces resulting from Ampere forces produced by the current flowing through the stack and, in the open position, releasing the actuator means so as to allow the different contact pieces to move axially apart from one another under the effect of said Ampere forces, thus forming, between the different successive pairs of contact parts, a plurality of arcs dissipating the switching energy in a distributed manner.

Très avantageusement, ce coupe-circuit comprend une enveloppe formée de deux tubes cylindriques conducteurs mis bout à bout et séparés par une bague intercalaire isolante, chacun des tubes étant relié à un pôle respectif du coupe-circuit, et l'enveloppe entourant coaxialement, à distance de celles-ci, les pièces de contact de l'empilement. Very advantageously, this circuit breaker comprises an envelope formed by two conductive cylindrical tubes placed end to end and separated by an insulating intermediate ring, each of the tubes being connected to a respective pole of the circuit breaker, and the envelope coaxially surrounding, distance from these, the contact pieces of the stack.

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D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés.
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Other characteristics of the invention will appear on reading the detailed description below, made with reference to the accompanying drawings.

La figure 1 montre le circuit équivalent d'un dispositif selon l'invention associant en un même dispositif un organe d'ouverture du circuit du générateur et un organe de fermeture du circuit de la charge. FIG. 1 shows the equivalent circuit of a device according to the invention associating in the same device a member for opening the generator circuit and a member for closing the load circuit.

La figure 2 est une vue en coupe d'un mode de réalisation du coupe-circuit de l'invention. Figure 2 is a sectional view of an embodiment of the circuit breaker of the invention.

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À titre liminaire, il y a lieu de noter que, bien que l'invention soit décrite ci-dessous dans le cadre d'un circuit d'alimentation d'un dispositif de type canon-rail (railgun), cette application n'est cependant donnée qu'à titre purement illustratif et le coupe-circuit de l'invention peut trouver des applications dans des domaines extrêmement divers, en particulier chaque fois qu'il y a lieu de délivrer une énergie élevée sous forme d'impulsions rapides.
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At the outset, it should be noted that, although the invention is described below in the context of a supply circuit of a device of the cannon-rail type (railgun), this application is not however given that purely by way of illustration and the circuit breaker of the invention can find applications in extremely diverse fields, in particular whenever it is necessary to deliver high energy in the form of rapid pulses.

Tel est le cas des canons-rails, des canons à arcs dans l'eau (water-arc guns), des circuits d'alimentation de puissance des radars, etc. This is the case of rail guns, water-arc guns, power circuits for radars, etc.

L'invention peut également trouver des applications comme organe de sécurité, chaque fois qu'il y a lieu d'interrompre de façon parfaitement contrôlée des courants importants. The invention can also find applications as a safety device, whenever it is necessary to interrupt in a perfectly controlled manner large currents.

Dans le circuit illustré figure 1, on utilise un générateur G fermé sur une inductance de stockage d'énergie L par l'intermédiaire d'un organe de coupure K1 maintenu normalement à l'état fermé (coupecircuit). Le schéma comprend également, comme illustré, un organe de commutation K2, maintenu normalement à l'état ouvert, en série avec une charge Z (organe d'utilisation à faible impédance) pour fermer le circuit de cette dernière (on verra par la suite que les deux organes K1 et K2 sont en fait associés en un seul dispositif 1 et opèrent simultanément et soudainement les deux commutations) ainsi que, éventuellement, un autre organe de fermeture K3, qui peut être à fermeture lente, en série avec l'inductance L. In the circuit illustrated in FIG. 1, a generator G is used which is closed on an energy storage inductor L by means of a cut-off member K1 normally maintained in the closed state (circuit breaker). The diagram also includes, as illustrated, a switching member K2, normally maintained in the open state, in series with a load Z (user member with low impedance) to close the circuit of the latter (we will see later that the two members K1 and K2 are in fact associated in a single device 1 and operate simultaneously and suddenly the two switching operations) as well as, possibly, another closing member K3, which may be slow closing, in series with the inductor L.

Si le courant traversant l'ensemble générateur-inductance peut être rapidement dérivé vers la charge Z par ouverture de K1 et fermeture simultanée de K2, l'ensemble de l'énergie stockée sera transféré sous forme d'une impulsion rapide vers cette charge Z. En particulier, l'ouverture de K1 engendre un arc ou une série d'arcs créant une tension de commutation inverse relativement importante ayant pour effet de forcer le courant à passer par la branche contenant l'organe à faible impédance, c'est-à-dire la charge Z. If the current flowing through the generator-inductance assembly can be quickly diverted to load Z by opening K1 and simultaneously closing K2, all of the stored energy will be transferred in the form of a rapid pulse to this load Z. In particular, the opening of K1 generates an arc or a series of arcs creating a relatively large reverse switching voltage having the effect of forcing the current to pass through the branch containing the low-impedance member, that is to say - say the charge Z.

Le générateur G peut notamment être une génératrice homopolaire, dispositif susceptible de délivrer en quelques dizaines de millisecondes, à forte intensité et tension réduite, des énergies de l'ordre de quelques dizaines de mégajoules - caractéristiques convenant parfaitement à un accélérateur de canon-rail. Lorsque le courant (continu) circule dans cette boucle générateur-inductance, une partie de l'énergie se trouve accumulée sous forme d'énergie cinétique du rotor, le reste étant accumulé sous forme d'énergie magnétique dans l'inductance. The generator G can in particular be a zero sequence generator, a device capable of delivering in a few tens of milliseconds, at high intensity and reduced voltage, energies of the order of a few tens of megajoules - characteristics which are perfectly suitable for a canon-rail accelerator. When the (direct) current flows in this generator-inductance loop, part of the energy is accumulated in the form of kinetic energy from the rotor, the rest being accumulated in the form of magnetic energy in the inductance.

Le coupe-circuit proposé par l'invention présente la structure générale illustrée figure 2, où l'on retrouve le générateur G, I'inductance de stockage L et la charge Z, constituée par l'accélérateur de canon-rail avec un projectile métallique 2 court-circuitant deux rails longitudinaux 3 et 4 formant glissières. The circuit breaker proposed by the invention has the general structure illustrated in FIG. 2, where we find the generator G, the storage inductance L and the load Z, constituted by the gun-rail accelerator with a metal projectile 2 short-circuiting two longitudinal rails 3 and 4 forming slides.

L'élément principal du coupe-circuit 1 est un empilement de pièces cylindriques de contact, qui sont au nombre de dix dans l'exemple illustré (pièces référencées 6 à 15), et dont on empêche le déplacement transversal au moyen d'une tige centrale 16 en matériau diélectrique, par exemple en céramique d'alumine. L'empilement repose par la pièce inférieure 15 sur une base 17 en matériau métallique, électriquement reliée à une première borne 18 du coupecircuit. The main element of the circuit breaker 1 is a stack of cylindrical contact parts, of which there are ten in the example illustrated (parts referenced 6 to 15), and the transverse displacement of which is prevented by means of a rod. central unit 16 made of dielectric material, for example of alumina ceramic. The stack rests by the lower part 15 on a base 17 of metallic material, electrically connected to a first terminal 18 of the circuit breaker.

La pièce supérieure 6 de l'empilement, quant à elle, est électriquement reliée à l'autre borne 19 du coupe-circuit et mécaniquement reliée à un actionneur 20 permettant, par l'intermédiaire de la tige ou biellette 21, de forcer cette pièce supérieure 6 contre la pièce adjacente 7 et, de proche en proche, d'exercer ainsi une sollicitation de l'empilement dans le sens de la compression. The upper part 6 of the stack, for its part, is electrically connected to the other terminal 19 of the circuit breaker and mechanically connected to an actuator 20 allowing, by means of the rod or rod 21, to force this part upper 6 against the adjacent part 7 and, step by step, thus exerting stress on the stack in the direction of compression.

L'actionneur 20 peut être un actionneur pneumatique ou hydraulique, un actionneur mécanique à came entraînée par un moteur, ou tout autre dispositif connu approprié permettant de remplir la fonction voulue. Une région déformable 22 permet à la pièce 6 d'être en permanence électriquement reliée à la borne 19 du dispositif. The actuator 20 may be a pneumatic or hydraulic actuator, a mechanical cam actuator driven by a motor, or any other suitable known device making it possible to fulfill the desired function. A deformable region 22 allows the part 6 to be permanently electrically connected to the terminal 19 of the device.

Les pièces de contact sont logées dans un tube conducteur cylindrique coaxial comprenant une moitié supérieure 23 et une moitié inférieure 24 séparées par une bague diélectrique 25 formant barrière d'isolement. Les rails 3 et 4 du canon-rail sont reliés à ces deux moitiés de tube respectives 23, 24. The contact parts are housed in a coaxial cylindrical conductive tube comprising an upper half 23 and a lower half 24 separated by a dielectric ring 25 forming an insulation barrier. The rails 3 and 4 of the barrel-rail are connected to these two respective tube halves 23, 24.

La moitié supérieure 23 comporte de préférence une lèvre péri phérique 26 formant butée, pour limiter la course de la pièce de contact supérieure 6 déplacée par l'actionneur par venue en contact avec un épaulement 27 de cette pièce. The upper half 23 preferably comprises a peripheral lip 26 forming a stop, in order to limit the stroke of the upper contact part 6 displaced by the actuator by coming into contact with a shoulder 27 of this part.

On va maintenant décrire le fonctionnement de ce coupe-circuit. We will now describe the operation of this circuit breaker.

Initialement, le coupe-circuit est dans la position illustrée figure 2, correspondant à un état ouvert entre les bornes 18 et 19. En effet, la pièce de contact supérieure 6 est en position haute, donc séparée de la pièce adjacente 7 par un intervalle 28 dimensionné de façon appropriée (par exemple d'1 cm dans l'application envisagée). Initially, the circuit breaker is in the position illustrated in FIG. 2, corresponding to an open state between the terminals 18 and 19. In fact, the upper contact part 6 is in the high position, therefore separated from the adjacent part 7 by an interval 28 appropriately sized (for example 1 cm in the intended application).

On active alors l'actionneur 20 de façon à abaisser la pièce de contact supérieure 6, venant ainsi mettre en contact celle-ci avec les autres pièces de l'empilement et basculer le coupe-circuit à l'état fermé. The actuator 20 is then activated so as to lower the upper contact part 6, thereby bringing it into contact with the other parts of the stack and switching the circuit breaker to the closed state.

Le conducteur interne constitué par l'empilement des pièces de contact 6 à 15 se trouve isolé en tout point de la partie supérieure 23 du tube conducteur coaxial, et donc du rail 3 du canon-rail qui lui est relié. The internal conductor constituted by the stack of contact parts 6 to 15 is isolated at all points from the upper part 23 of the coaxial conductive tube, and therefore from the rail 3 of the barrel-rail which is connected to it.

Au fur et à mesure de l'accroissement du courant de charge dans la boucle constituée par le générateur G, l'inductance de stockage L et le coupe-circuit 1, les forces d'Ampère, qui sont, comme on l'a expliqué plus haut, des forces électrodynamiques longitudinales, vont augmenter progressivement et tendre à éloigner les unes des autres, en direction axiale, les diverses pièces de contact. On notera que l'effet des forces d'Ampère est d'autant plus marqué ici que, du fait de la géométrie de l'empilement, les lignes de courant sont essentiellement parallèles à l'axe du tube
La pression exercée par l'actionneur 20 sur l'empilement est toutefois suffisante pour empêcher la séparation des différentes pièces de contact sous l'effet des forces d'Ampère.
As the load current increases in the loop formed by the generator G, the storage inductance L and the circuit breaker 1, the Ampere forces, which are, as explained higher, longitudinal electrodynamic forces, will gradually increase and tend to move away from each other, in an axial direction, the various contact parts. It will be noted that the effect of the Ampere forces is all the more marked here since, due to the geometry of the stack, the streamlines are essentially parallel to the axis of the tube.
The pressure exerted by the actuator 20 on the stack is however sufficient to prevent the separation of the different contact parts under the effect of Ampère forces.

Une fois achevée la charge de l'inductance L, on envoie à l'actionneur 20 une commande qui aura pour effet de supprimer la pression exercée sur l'empilement par celui-ci et même, très avantageusement, de solliciter activement vers le haut la pièce de contact supérieure 6 jusqu'en butée contre l'épaulement 26. Once the charging of the inductor L has been completed, a command is sent to the actuator 20 which will have the effect of eliminating the pressure exerted on the stack by the latter and even, very advantageously, of actively urging the upper contact piece 6 until it stops against the shoulder 26.

Cette commande pourra être réalisée dans un intervalle qui, typiquement, pourra être de l'ordre de 10 à 50 lls suivant la commande de commutation. Pendant cette brève période vont se former dix arcs de commutation (entre chacune des dix pièces de contact, et entre la pièce inférieure 15 et la base 17) sous l'action des forces d'Ampère longitudinales. This command can be carried out in an interval which, typically, can be of the order of 10 to 50 μls depending on the switching command. During this brief period, ten switching arcs will form (between each of the ten contact parts, and between the lower part 15 and the base 17) under the action of longitudinal Ampere forces.

L'effet collectif de ces arcs sera d'établir une tension de commutation inverse relativement élevée entre les deux bornes 18 et 19 du coupe-circuit, donc de transférer l'énergie accumulée dans l'induc- tance (énergie magnétique) et dans la génératrice (énergie cinétique) vers la charge à faible impédance Z constituée par le canon-rail, permettant ainsi le tir du projectile 2. The collective effect of these arcs will be to establish a relatively high reverse switching voltage between the two terminals 18 and 19 of the circuit breaker, therefore to transfer the energy accumulated in the inductance (magnetic energy) and in the generator (kinetic energy) towards the low impedance charge Z constituted by the gun-rail, thus allowing the firing of projectile 2.

La rapidité à laquelle a lieu le transfert de courant dépend essentiellement des trois facteurs suivants:
- l'inductance du circuit d'alimentation, formant stockage d'é
nergie inductif, ainsi que celle du coupe-circuit, qui tendront à
maintenir un courant constant dans celui-ci,
- l'inductance propre de la charge, qui s'opposera au transfert
du courant, et
- I'inductance mutuelle entre le coupe-circuit et la charge, qui
s'opposera au développement des f.é.m. autoinduites dans ces
deux branches de circuit.
The speed at which the current transfer takes place depends essentially on the following three factors:
- the inductance of the supply circuit, forming storage of
inductive energy, as well as that of the circuit breaker, which will tend to
maintain a constant current therein,
- the own inductance of the load, which will oppose the transfer
current, and
- mutual inductance between the circuit breaker and the load, which
will oppose the development of f.é.m. self-induced in these
two circuit branches.

On notera que, avec la géométrie coaxiale proposée, les f.é.m. Note that, with the proposed coaxial geometry, the f.é.m.

autoinduites sont largement annulées par les f.é.m. mutuellement induites. Et la faible inductance effective de la structure coaxiale du dispositif va permettre un transfert de courant très rapide.self-induced are largely canceled by f.é.m. mutually induced. And the low effective inductance of the coaxial structure of the device will allow a very fast current transfer.

Lorsque la commutation est achevée, les arcs formés entre les pièces de contact s'éteignent tous et l'empilement revient à la position illustrée figure 2. Le coupe-circuit reste à l'état entièrement ouvert, jusqu'à réception de la commande de charge suivante appliquée à l'actionneur 20. When the switching is complete, the arcs formed between the contact parts all go out and the stack returns to the position illustrated in FIG. 2. The circuit breaker remains in the fully open state, until reception of the command to next load applied to actuator 20.

Le cycle de fonctionnement complet peut être extrêmement bref, ce qui autorise des temps de récurrence aussi faibles que quelques millisecondes, valeur tout à fait compatibles, notamment, avec un fonctionnement à une fréquence secteur de 50 ou 60 Hz. The complete operating cycle can be extremely short, which allows recurrence times as low as a few milliseconds, a value which is entirely compatible, in particular, with operation at a mains frequency of 50 or 60 Hz.

Dans le cas d'un tel fonctionnement répétitif à cadence élevée, il peut être nécessaire de prévoir des systèmes de refroidissement appropriés, réalisés selon des technologies en elles-mêmes classiques. In the case of such repetitive operation at a high rate, it may be necessary to provide suitable cooling systems, produced according to technologies in themselves conventional.

On notera par ailleurs que, sur le plan énergétique, le dispositif de l'invention permet de répartir l'énergie de commutation sur un nombre important d'arcs de coupure, entre les diverses pièces de contact, au lieu d'être concentrée sur un seul arc comme avec les coupe-circuits classiques à éclateur. L'érosion des pièces s'en trouve notablement réduite et la longévité du dispositif en est accrue d'autant.  It will also be noted that, from an energy point of view, the device of the invention makes it possible to distribute the switching energy over a large number of breaking arcs, between the various contact parts, instead of being concentrated on one single arc as with conventional spark gap circuit breakers. The erosion of the parts is thereby significantly reduced and the longevity of the device is increased accordingly.

Claims (4)

REVENDICATIONS pant de façon répartie l'énergie de commutation. distributed switching power. successives de pièces de contact, une pluralité d'arcs dissi of contact parts, a plurality of dissected arcs forces d'Ampère, formant ainsi, entre les différentes paires Ampere forces, thus forming, between the different pairs s'écarter axialement les unes des autres sous l'effet desdites deviate axially from each other under the effect of said manière à permettre aux différentes pièces de contact de so that the different contact parts can en position ouverte, relâcher les moyens actionneurs de in the open position, release the actuator means lement, et and forces d'Ampère produites par le courant traversant l'empi Ampere forces produced by the current flowing through the empi suffisante pour surmonter les efforts axiaux résultant des sufficient to overcome the axial forces resulting from manière à exercer sur l'empilement une compression axiale so as to exert an axial compression on the stack en position fermée, activer les moyens actionneurs de in the closed position, activate the actuator means of les moyens actionneurs de manière à:: the actuator means so as to: - des moyens de déclenchement du coupe-circuit, coopérant avec - circuit breaker release means, cooperating with l'empilement dans le sens de la compression, et stacking in the direction of compression, and contact d'extrémité, propres à solliciter mécaniquement end contact, suitable for mechanical stress - des moyens actionneurs (20), reliés à l'une (6) des pièces de - actuator means (20), connected to one (6) of the parts tion axiale, suivant la direction de l'empilement, axial tion, in the direction of the stack, - des moyens (16) de guidage des pièces de contact en transla - Means (16) for guiding the contact parts in transla pectif (19, 18) du coupe-circuit, pectif (19, 18) of the circuit breaker, d'extrémité (6, 15) étant électriquement reliée à un pôle res end (6, 15) being electrically connected to a res pole que avec la pièce adjacente, chacune des des pièces de contact that with the adjacent piece, each of the contact pieces lement où chaque pièce vient en contact mécanique et électri where each part comes into mechanical and electrical contact - une pluralité de pièces de contact (6-15) disposées en un empi - a plurality of contact pieces (6-15) arranged in an empi I. Un coupe-circuit (1) rapide pour courants élevés, caractérisé en ce qu'il comprend: I. A fast circuit breaker (1) for high currents, characterized in that it comprises: 2. Le coupe-circuit de la revendication 1, comprenant une enveloppe formée de deux tubes cylindriques conducteurs (23, 24) mis bout à bout et séparés par une bague intercalaire isolante (25), chacun des tubes étant relié à un pôle respectif (19, 18) du coupe-circuit, et l'enveloppe entourant coaxialement, à distance de celles-ci, les pièces de contact de l'empilement.  2. The circuit breaker of claim 1, comprising an envelope formed by two conductive cylindrical tubes (23, 24) placed end to end and separated by an insulating intermediate ring (25), each of the tubes being connected to a respective pole ( 19, 18) of the circuit breaker, and the envelope coaxially surrounding, at a distance from them, the contact parts of the stack. 3. Le coupe-circuit de la revendication 1, dans lequel lesdits moyens actionneurs sont des moyens à double effet et lesdits moyens de déclenchement du coupe-circuit coopèrent, lors du passage de la position fermée à la position ouverte, avec ces moyens actionneurs en activant ceux-ci de manière à solliciter activement la pièce de contact d'extrémité reliée à ces derniers dans le sens de l'éloignement axial par rapport aux autres pièces de contact. 3. The circuit breaker of claim 1, wherein said actuator means are double-acting means and said triggering means of the circuit breaker cooperate, when passing from the closed position to the open position, with these actuator means in activating these so as to actively urge the end contact part connected to the latter in the direction of the axial distance with respect to the other contact parts. 4. Le coupe-circuit de la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de guidage comprennent une tige (16) en matériau isolant traversant axialement les pièces successives de l'empilement.  4. The circuit breaker of claim 1, wherein said guide means comprise a rod (16) of insulating material axially passing through the successive pieces of the stack.
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DE955795C (en) * 1944-10-08 1957-01-10 Aeg Electrical switching device for high breaking capacities
US4651024A (en) * 1985-11-27 1987-03-17 General Electric Company Electromagnetically actuated high DC current switch

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Title
SIEMENS FORSCH. U. ENTWICK.-BER. vol. 4, no. 1, 1975, ERLANGEN pages 33 - 38; K. KRAUSE UND J. MENTEL: 'Magnetic forces acting on current-carrying contacts before and after contact separation ' *

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