FR2827077A1

FR2827077A1 - Excess current electrical motor/transformer protection having fusible circuit breaker polymer current limiter fusible ring connected outer tubing and spring removing contact when fuse operates.

Info

Publication number: FR2827077A1
Application number: FR0108987A
Authority: FR
Inventors: Michel Collod
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-10
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: FR2827077B1

Abstract

The fusible circuit breaker has a polymer current limiter (2) normally connected between two connectors (3,4) and fixed to an isolation support (1). There is a thermofusible connection (7) connecting the current limiter and submitted to a return force (F) which removes the second connection.

Description

L'invention concerne les fusibles limiteurs de courant utilisés plus particulièrement pour protéger les appareillages électriques contre les surcourants. Ces appareils sont par exemple des moteurs électriques, des transformateurs ou autres. The invention relates to current limiting fuses used more particularly to protect electrical equipment against overcurrents. These devices are for example electric motors, transformers or the like.

Les fusibles limiteurs de courant sont classiquement constitués d'un boîtier en matière isolante dans lequel est disposée une lame fusible en argent tendue entre deux bornes électriquement conductrices du fusible. La lame fusible est calibrée pour couper des surcourants dont l'intensité est généralement supérieure à 5 ou 6 fois l'intensité du courant nominal, typiquement quelques ampères à quelques centaines d'ampères en moyenne tension. Dans certains cas, des faibles surcourants dont l'intensité est supérieure à celle du courant nominal mais inférieure à celle du courant de coupure, typiquement une intensité comprise entre 1,5 fois et 5 fois l'intensité nominale, doivent être interrompus car ils conduisent dans le temps à une usure prématurée des appareillages à protéger. En particulier, ces faibles surcourants accélèrent le vieillissement des isolations des transformateurs. Pour élargir la plage de coupure d'un fusible limiteur de courant à lame fusible, il est connu de déposer sur la lame du fusible une goutte de métal, notamment une goutte en étain, qui par diffusion à haute température, modifie la composition de la lame et augmente en conséquence sa résistivité. Il est également connu de munir une lame en argent d'encoches isolées thermiquement, accélérant ainsi la fusion de la lame pour des faibles surcourants. Mais ces deux techniques s'avèrent complexes à mettre en oeuvre pour obtenir une coupure intégrale, c'est-à-dire une coupure des faibles surcourants dont l'intensité est comprise entre 1,5 fois et 5 fois l'intensité du courant nominal tout en assurant une coupure des forts surcourants dont l'intensité est supérieure à 5 fois celle du courant nominal. Current limiting fuses conventionally consist of a housing made of insulating material in which a silver fusible blade is arranged stretched between two electrically conductive terminals of the fuse. The fuse blade is calibrated to cut overcurrents whose intensity is generally greater than 5 or 6 times the intensity of the nominal current, typically a few amps to a few hundred amperes at medium voltage. In certain cases, weak overcurrents whose intensity is higher than that of the nominal current but lower than that of the breaking current, typically an intensity ranging between 1,5 times and 5 times the nominal current, must be interrupted because they lead over time to premature wear of the equipment to be protected. In particular, these low overcurrents accelerate the aging of transformer insulations. To widen the breaking range of a current limiting fuse with a fusible blade, it is known to deposit on the blade of the fuse a drop of metal, in particular a drop of tin, which by diffusion at high temperature, modifies the composition of the blade and consequently increases its resistivity. It is also known to provide a silver blade with thermally insulated notches, thus accelerating the fusion of the blade for low overcurrents. However, these two techniques prove to be complex to implement in order to obtain an integral cut-off, that is to say a cut-off of the weak overcurrents whose intensity is between 1.5 times and 5 times the intensity of the nominal current. while ensuring a cut-off of strong overcurrents whose intensity is greater than 5 times that of the nominal current.

Le but de l'invention est de proposer un fusible limiteur de courant à coupure intégrale qui soit d'une conception simple et peu coûteuse. The object of the invention is to propose a current limiting fuse with integral cut-out which is of a simple and inexpensive design.

A cet effet, l'invention a pour objet un fusible limiteur de courant à coupure intégrale, caractérisé en ce qu'il comprend un élément polymère limiteur de courant qui est normalement connecté électriquement à deux bornes conductrices du fusible, cet élément polymère étant immobilisé sur un support électriquement isolant par une liaison thermofusible tout en étant soumis à une force de rappel tendant à le déplacer par rapport à au moins une des deux bornes conductrices et en ce que ladite liaison To this end, the subject of the invention is a current limiting fuse with integral breaking, characterized in that it comprises a polymer current limiting element which is normally electrically connected to two conductive terminals of the fuse, this polymer element being immobilized on an electrically insulating support by a hot-melt connection while being subjected to a restoring force tending to move it relative to at least one of the two conductive terminals and in that said connection

thermofusible est chauffée par conduction thermique jusqu'à sa température de fusion par ledit élément polymère lorsqu'il est traversé par un courant ayant une intensité supérieure à une valeur critique de sorte à permettre le déplacement de l'élément polymère quand la liaison thermofusible a fondu. hot-melt is heated by thermal conduction to its melting temperature by said polymer element when it is crossed by a current having an intensity greater than a critical value so as to allow the displacement of the polymer element when the hot-melt bond has melted .

Un élément polymère limiteur de courant est une composition polymère se comportant comme une résistance électrique à coefficient de température positif, c'est-à-dire dont la résistivité augmente de façon non linéaire en fonction de la température lorsque l'élément polymère est traversé par un courant d'une certaine intensité. De telles compositions polymères sont connues et sont largement utilisées dans les dispositifs électriques. Un élément polymère limiteur de courant inclut des particules conductrices, telles que du noir de carbone, des particules de graphite ou métalliques, dispersées dans une matrice polymère, tel qu'un polymère thermoplastique, un polymère élastomère ou un polymère thermodurcissable. Le comportement d'un polymère limiteur de courant se caractérise par une transition brutale de sa résistivité quand sa température franchit un seuil particulier, connu sous le nom de température de transition, Ts. Plus particulièrement, quand le courant traversant la composition polymère excède une certaine valeur critique d'intensité pour une composition donnée, la composition polymère s'échauffe et devient résistante. Si le courant reste suffisamment élevé pendant assez longtemps, la composition s'échauffe jusqu'à sa température de transition Ts à partir de laquelle la résistivité de la composition s'élève très rapidement ce qui limite le passage du courant. Des compositions polymères limiteur de courant sont décrites notamment dans les documents de brevet US-5920251, US-4238812, US-4545926, US-5363083. Dans le fusible selon l'invention, la composition de l'élément polymère limiteur de courant atteint sa température de transition quand le courant qui traverse la composition polymère excède par exemple 1,5 fois le courant nominal. La liaison thermofusible sera de préférence choisie pour avoir une température de fusion sensiblement égale à la température de transition de l'élément polymère. Ainsi, la liaison thermofusible fond quand l'élément polymère atteint sa température de transition, c'est-à-dire quand l'élément polymère est dans un état très résistant et s'oppose au passage du courant. A current limiting polymer element is a polymer composition behaving like an electrical resistance with a positive temperature coefficient, that is to say the resistivity of which increases non-linearly as a function of the temperature when the polymer element is crossed by a current of a certain intensity. Such polymeric compositions are known and are widely used in electrical devices. A current limiting polymer element includes conductive particles, such as carbon black, graphite or metallic particles, dispersed in a polymer matrix, such as a thermoplastic polymer, an elastomeric polymer, or a thermosetting polymer. The behavior of a current limiting polymer is characterized by a sudden transition in its resistivity when its temperature crosses a particular threshold, known as the transition temperature, Ts. More particularly, when the current passing through the polymer composition exceeds a certain critical intensity value for a given composition, the polymer composition heats up and becomes resistant. If the current remains high enough for a sufficiently long time, the composition heats up to its transition temperature Ts from which the resistivity of the composition rises very quickly, which limits the passage of the current. Current-limiting polymer compositions are described in particular in patent documents US-5920251, US-4238812, US-4545926, US-5363083. In the fuse according to the invention, the composition of the current limiting polymer element reaches its transition temperature when the current flowing through the polymer composition exceeds, for example 1.5 times the nominal current. The hot-melt bond will preferably be chosen to have a melting temperature substantially equal to the transition temperature of the polymer element. Thus, the hot-melt bond melts when the polymer element reaches its transition temperature, that is to say when the polymer element is in a very resistant state and opposes the flow of current.

L'élément polymère peut être connecté électriquement par simple contact avec une des deux bornes du fusible de sorte que la coupure du The polymer element can be electrically connected by simple contact with one of the two terminals of the fuse so that the cut of the

courant est réalisée par le déplacement de l'élément polymère par rapport à la borne conductrice du fusible. Dans une application moyenne tension, un arc électrique est susceptible de se former entre l'élément polymère et cette borne conductrice lors du déplacement de l'élément polymère. Dans ce cas, la coupure du courant peut être réalisée par l'intermédiaire d'un percuteur actionné par le déplacement de l'élément polymère, lequel percuteur à son tour peut actionner un interrupteur de courant de charge qui interrompra le courant limité par l'élément polymère Le fonctionnement de l'interrupteur de courant de charge, déclenché par le percuteur se produit quand le courant est faible, voire bien inférieur au courant nominal, ce qui facilite la coupure. Le courant coupé étant par nature un courant résistif de faible intensité, un interrupteur de courant de charge simple peut parfaitement convenir à une ouverture de circuit triphasé. current is achieved by moving the polymer element relative to the conductive terminal of the fuse. In a medium voltage application, an electric arc is likely to form between the polymer element and this conductive terminal during the displacement of the polymer element. In this case, the power cut can be achieved by means of a striker actuated by the movement of the polymer element, which striker in turn can actuate a load current switch which will interrupt the current limited by the polymer element The operation of the load current switch, triggered by the striker, occurs when the current is low or even much lower than the nominal current, which facilitates breaking. Since the cut current is by nature a resistive current of low intensity, a simple load current switch can be perfectly suitable for opening a three-phase circuit.

Le fusible limiteur de courant selon l'invention est décrit ci-après en détail et illustré sur les figures. The current limiting fuse according to the invention is described below in detail and illustrated in the figures.

La figure 1 illustre un premier exemple de réalisation du fusible selon l'invention. Figure 1 illustrates a first embodiment of the fuse according to the invention.

La figure 2 illustre un second exemple de réalisation du fusible selon l'invention. FIG. 2 illustrates a second embodiment of the fuse according to the invention.

Sur la figure 1, le fusible limiteur de courant à coupure intégrale selon l'invention comporte ici un boîtier cylindrique 1 électriquement isolant dans lequel est disposé un élément polymère limiteur de courant 2 se présentant également sous la forme d'un cylindre coaxial au boîtier 1. Le boîtier 1 est réalisé par exemple en porcelaine ou en résine chargée en fibres de verre. L'élément polymère 2 est constitué d'une composition polymère choisie pour atteindre sa température de transition (de l'ordre de 2000C) quand le courant qui traverse la composition polymère excède par exemple 1,5 fois le courant nominal du fusible. In FIG. 1, the current limiting fuse with full cutoff according to the invention here comprises an electrically insulating cylindrical housing 1 in which a polymeric current limiting element 2 is arranged, also in the form of a cylinder coaxial with the housing 1 The housing 1 is made for example of porcelain or of resin loaded with glass fibers. The polymer element 2 consists of a polymer composition chosen to reach its transition temperature (of the order of 2000C) when the current flowing through the polymer composition exceeds, for example 1.5 times the nominal current of the fuse.

Le boîtier 1 est fermé à ses deux extrémités par une première borne électriquement conductrice 3 en contact électrique avec l'extrémité supérieure de l'élément polymère 2 et par une seconde borne électriquement conductrice 4 reliée électriquement à l'extrémité inférieure de l'élément polymère 2 par un fil conducteur souple 5. Plus particulièrement, la borne 3 est en contact électrique avec une électrode conductrice (en cuivre par exemple) de l'élément polymère couvrant l'ensemble de la surface supérieure de l'élément polymère 2 et le fil conducteur 5 est reliée électriquement à une autre électrode conductrice The housing 1 is closed at both ends by a first electrically conductive terminal 3 in electrical contact with the upper end of the polymer element 2 and by a second electrically conductive terminal 4 electrically connected to the lower end of the polymer element 2 by a flexible conductive wire 5. More particularly, the terminal 3 is in electrical contact with a conductive electrode (made of copper for example) of the polymer element covering the entire upper surface of the polymer element 2 and the wire conductor 5 is electrically connected to another conductive electrode

de l'element polymère couvrant l'ensemble de la surface inférieure de l'élément polymère 2. of the polymer element covering the entire lower surface of the polymer element 2.

Un organe élastique 6 est disposé dans le boîtier 1 pour exercer une force de rappel, indiquée par la flèche F, tendant à déplacer l'élément polymère 2 vers l'extrémité inférieure du boîtier 1 pour le séparer de la borne 3 Dans le cas présent, l'organe élastique 6 est un ressort spiralé tendu entre l'extrémité inférieure de l'élément polymère 2 et la borne 4 de sorte que l'élément polymère est déplacé dans le boîtier selon une direction axiale. Les deux extrémités du ressort 6 peuvent par exemple être soudées respectivement à l'électrode inférieure de l'élément polymère et à la borne 4. An elastic member 6 is disposed in the housing 1 to exert a restoring force, indicated by the arrow F, tending to move the polymer element 2 towards the lower end of the housing 1 to separate it from the terminal 3 In the present case , the elastic member 6 is a spiral spring stretched between the lower end of the polymer element 2 and the terminal 4 so that the polymer element is moved in the housing in an axial direction. The two ends of the spring 6 can for example be welded respectively to the lower electrode of the polymer element and to the terminal 4.

L'élément polymère 2 est maintenu en contact électrique avec les deux bornes 3 et 4 et plus particulièrement avec la borne 3, contre l'action du ressort 6, par une liaison thermofusible 7 électriquement isolante qui est ici une couche de colle thermofusible disposée entre la surface extérieure cylindrique de l'élément polymère 2 et la surface intérieure cylindrique du boîtier 1. Le composant de la liaison thermofusible 7 est choisi pour avoir une température de fusion proche de la température de transition de l'élément polymère de sorte que la liaison thermofusible, échauffée par conduction thermique par l'élément polymère, fond quand l'élément polymère atteint sa température de transition. La liaison thermofusible 7 pourra par exemple être un polyamide 12. De la sorte, quand le courant qui traverse le fusible devient supérieur à 1,5 fois le courant nominal du fusible, l'élément polymère 2 chauffe par conduction thermique la colle thermofusible 7 jusqu'à sa température de fusion. Quand la colle thermofusible a fondu, ce qui ne peut se produire que en état de limitation de courant, l'élément polymère est déplacé dans le boîtier 1 sous l'action du ressort 6 de sorte que l'élément polymère 2 est séparé de la borne 3. La liaison électrique entre les deux bornes 3 et 4 est ainsi rompue. Comme la coupure de la liaison électrique entre les deux bornes 3 et 4 s'effectue alors que le courant est limité à une valeur bien inférieure au courant nominal (voire pratiquement nulle), il n'y a pas de risque en basse tension qu'un arc électrique se maintienne entre l'élément polymère et la borne 3. En prévoyant un déplacement suffisant de l'élément polymère 2 dans le boîtier sous l'action du ressort 6, on empêchera tout risque de réamorçage électrique entre les deux bornes 3 et 4 après la coupure. The polymer element 2 is maintained in electrical contact with the two terminals 3 and 4 and more particularly with the terminal 3, against the action of the spring 6, by an electrically insulating hot-melt connection 7 which is here a layer of hot-melt adhesive placed between the cylindrical outer surface of the polymer element 2 and the cylindrical inner surface of the housing 1. The component of the hot-melt bond 7 is chosen to have a melting temperature close to the transition temperature of the polymer element so that the bond hot-melt, heated by thermal conduction by the polymer element, melts when the polymer element reaches its transition temperature. The hot-melt connection 7 could for example be a polyamide 12. In this way, when the current flowing through the fuse becomes greater than 1.5 times the nominal current of the fuse, the polymer element 2 heats the hot-melt adhesive 7 by thermal conduction. 'at its melting temperature. When the hot-melt adhesive has melted, which can only happen in a current limitation state, the polymer element is moved in the housing 1 under the action of the spring 6 so that the polymer element 2 is separated from the terminal 3. The electrical connection between the two terminals 3 and 4 is thus broken. As the electrical connection between the two terminals 3 and 4 is cut while the current is limited to a value much lower than the nominal current (or even practically zero), there is no risk at low voltage that an electric arc is maintained between the polymer element and the terminal 3. By providing for sufficient displacement of the polymer element 2 in the housing under the action of the spring 6, any risk of electrical re-ignition between the two terminals 3 and 4 after the cut.

Dans une application moyenne tension, un percuteur 9 est prévu dans le boîtier 1 du fusible pour déclencher le fonctionnement d'un interrupteur de courant de charge non représenté. Ce percuteur 9 se présente sous la forme d'un doigt coulissant traversant la borne inférieure 4 et s'étendant à l'intérieur du boîtier 1 sur le trajet de l'élément polymère 2 de telle sorte que l'élément polymère 2 en se déplaçant selon la direction F vient pousser le percuteur 9 vers l'extérieur du boîtier. Le déplacement correspondant du percuteur 9 (comme illustré en traits pointillés) à l'extérieur du boîtier 1 permet d'actionner l'ouverture d'un interrupteur de courant de charge qui interrompra le courant limité par l'élément polymère. In a medium voltage application, a striker 9 is provided in the fuse box 1 to trigger the operation of a charging current switch not shown. This striker 9 is in the form of a sliding finger crossing the lower terminal 4 and extending inside the housing 1 on the path of the polymer element 2 so that the polymer element 2 moving in the direction F pushes the striker 9 towards the outside of the housing. The corresponding movement of the striker 9 (as illustrated in dotted lines) outside the housing 1 makes it possible to actuate the opening of a charge current switch which will interrupt the current limited by the polymer element.

Dans une application BT ou MT, comme visible sur la figure 1, les deux bornes conductrices 3 et 4 sont des calottes métalliques. Pour éviter un collage de la borne 3 sur l'élément polymère 2 par effet de succion quand l'élément polymère est tiré vers le bas du boîtier par le ressort 6, la calotte 3 est une calotte flexible bombée du côté de l'élément polymère de sorte à réduire la surface de contact entre la calotte 3 et l'élément polymère. In a LV or MV application, as visible in FIG. 1, the two conductive terminals 3 and 4 are metal caps. To avoid bonding of terminal 3 on the polymer element 2 by suction effect when the polymer element is pulled down from the housing by the spring 6, the cap 3 is a flexible domed cap on the side of the polymer element so as to reduce the contact surface between the cap 3 and the polymer element.

Le boîtier 1 peut être muni d'un ou plusieurs évents 8 permettant l'échappement de gaz vers l'extérieur du boîtier lorsque l'élément polymère est déplacé vers le bas du boîtier. Ces évents 8 sont disposés de préférence dans la partie basse du boîtier entre la calotte 4 et l'extrémité inférieure de l'élément polymère quand ce dernier a été complètement déplacé par le ressort 6 vers le bas du boîtier. The housing 1 can be provided with one or more vents 8 allowing the escape of gas towards the outside of the housing when the polymer element is moved down the housing. These vents 8 are preferably arranged in the lower part of the housing between the cap 4 and the lower end of the polymer element when the latter has been completely displaced by the spring 6 towards the bottom of the housing.

La figure 2 illustre très schématiquement un autre mode de réalisation du fusible à coupure intégrale selon l'invention. Ici, le fusible comprend deux bornes conductrices 3', 4' disposées sur un support l' électriquement isolant. Les deux bornes 3', 4' sont en contact électrique avec un élément polymère 2'qui est monté rotatif autour d'un axe central A solidaire du support 1'. La flèche sur la figure 2 montre le mouvement rotatif de l'élément polymère 2'autour de l'axe A. Un organe élastique 6' est tendu entre une extrémité de l'élément polymère 2'et le support l' pour exercer une force de rappel F tendant à entraîner en rotation autour de l'axe A l'élément polymère de manière à le séparer des deux bornes 3' et 4'. Dans ce mode de réalisation, l'élément polymère se présente donc comme une lame rotative. La liaison thermofusible 7'qui maintient l'élément polymère 2'en contact électrique avec les deux bornes 3', 4', contre l'action de l'organe élastique 6', est ici un doigt thermofusible fixé FIG. 2 very schematically illustrates another embodiment of the integral cut-off fuse according to the invention. Here, the fuse comprises two conductive terminals 3 ', 4' arranged on an electrically insulating support. The two terminals 3 ', 4' are in electrical contact with a polymer element 2 'which is rotatably mounted around a central axis A secured to the support 1'. The arrow in FIG. 2 shows the rotary movement of the polymer element 2 'around the axis A. An elastic member 6' is stretched between one end of the polymer element 2 'and the support l' to exert a force return F tending to drive in rotation about the axis A the polymer element so as to separate it from the two terminals 3 'and 4'. In this embodiment, the polymer element is therefore presented as a rotary blade. The hot melt link 7 ′ which keeps the polymer element 2 ′ in electrical contact with the two terminals 3 ′, 4 ′, against the action of the elastic member 6 ′, is here a fixed hot melt finger

au support l'et bloquant le mouvement angulaire de l'élément polymère. Ce doigt 7'peut avantageusement être disposé pour traverser l'élément polymère de manière à augmenter sa surface de contact avec l'élément polymère. L'échauffement de l'élément polymère, en présence d'un surcourant sur les bornes 3', 4' provoque la fusion du doigt 7'pour permettre la rotation de l'élément polymère 2'. Il s'ensuit que les deux bornes 3'et 4'sont déconnectées en même temps de l'élément polymère 2'. Le support l'peut être conçu comme un boîtier étanche rempli d'un gaz diélectrique sous une pression contrôlée. to the support and blocking the angular movement of the polymer element. This finger 7 ′ can advantageously be arranged to pass through the polymer element so as to increase its contact surface with the polymer element. The heating of the polymer element, in the presence of an overcurrent on the terminals 3 ', 4' causes the fusion of the finger 7 'to allow the rotation of the polymer element 2'. It follows that the two terminals 3 ′ and 4 ′ are disconnected at the same time from the polymer element 2 ′. The support can be designed as a sealed housing filled with a dielectric gas under controlled pressure.

Claims

1 / Current limiting fuse with integral breaking, characterized in that it comprises a polymeric current limiting element (2) which is normally electrically connected to two conductive terminals (3,4) of the fuse, this polymeric element (2) being immobilized on an electrically insulating support (1) by a hot-melt link (7) while being subjected to a restoring force (F) tending to move it relative to at least one of the two conductive terminals and in that said hot-melt link ( 7) is heated by thermal conduction to its melting temperature by said polymer element (2) when it is crossed by a current having an intensity greater than a critical value so as to allow the displacement of the polymer element when the hot melt bond has melted.

2 / A fuse according to claim 1, in which the support (1) is a cylindrical case in which the polymer element (2) is arranged, in which the case is closed at its two ends respectively by a first conductive terminal (3) in electrical contact with the polymer element and by a second conductive terminal (4) electrically connected to the polymer element by means of a flexible conductive wire (5) and in which the restoring force (F) is exerted by an elastic member (6) stretched between the polymer element and the second conductive terminal.

3 / Fuse according to claim 2, wherein the hot melt connection (7) is a layer of adhesive disposed between the polymer element and the housing.

4 / Fuse according to claim 2 or 3, wherein the first electrical terminal (3) is a flexible metal cap domed on the side of the polymer element.

5 / Fuse according to one of claims 2 to 4, wherein the housing is provided with vents (8) for the escape of gas to the outside of the housing.

6 / Fuse according to one of claims 2 to 4, wherein a striker (9) is mounted in the housing (1) so as to be pushed by the polymer element (2) during movement of the latter.