FR3040556A1 - Dispositif d'extinction d'arcs electriques pour systeme de distribution d'energie electrique triphasee et systeme de distribution d'energie electrique correspondant - Google Patents

Abstract

Ce dispositif d'extinction d'arcs électriques pour système de distribution d'énergie électrique triphasée comporte au moins une lame métallique (6) et au moins un support isolant (7) sur lequel est montée la lame et comprenant des moyens de fixation du dispositif entre des barres de distribution de courant s'étendant côte à côte, le support comprenant des faces latérales (11) d'appui contre lesdites barres, la lame étant montée sur le support de manière à être intérieurement décalée par rapport auxdites faces latérales.

Description

D ispositif d’extinction d’arcs électriques pour système de distribution d’énergie électrique triphasée et système de distribution d’énergie électrique correspondant L’invention concerne, de manière générale, les systèmes de distribution d’énergie électrique triphasée et, en particulier, les systèmes de distribution d’énergie électrique dotés de barres de distribution de courant.

Elle se rapporte plus particulièrement à un dispositif d’extinction d’arcs électriques susceptibles de se propager le long des barres de distribution.

Une application particulièrement intéressante de l’invention concerne les systèmes de distribution d’énergie électrique fondés sur l’utilisation de barres de distribution de courant prévues dans des armoires ou cœurs de distribution d’énergie électrique d’aéronefs.

Toutefois, l’invention s’applique également aux systèmes de distribution d’énergie électrique triphasée dans tous types d’équipement, notamment dans des batteries, des convertisseurs, par exemple AC/DC, ...

Comme on le sait, un réseau de distribution d’énergie électrique au sein d’un aéronef a une structure pyramidale.

La puissance électrique est tout d’abord produite en utilisant une partie de la puissance fournie par les moteurs de l’aéronef pour entraîner des générateurs d’énergie électrique. L’énergie électrique générée est fournie à des armoires de distribution, également désignées par le terme de « cœurs » de distribution, pour être ensuite redistribuée soit vers des charges, soit vers des boîtiers de distribution secondaires, à des ampérages différents. Des barres de distribution électrique triphasées, également connues sous le terme de « busbars », sont utilisées pour véhiculer les courants au sein de l’armoire de distribution. Les puissances véhiculées au sein de l’armoire sont relativement importantes. Elles peuvent atteindre des valeurs de l’ordre du mégawatt.

La section des barres de distribution détermine le courant maximum qui peut circuler avec sécurité dans les barres.

Chaque armoire de distribution primaire ou secondaire intègre des composants de distribution, dont certains ont pour fonction de commuter l’énergie vers une barre de distribution primaire, comme c’est le cas pour les contacteurs de ligne, vers des charges électriques à bord de l’aéronef ou encore vers des sous-réseaux de distribution secondaires qui redistribuent de nouveau l’énergie vers des charges de moindre puissance. D’autres composants de distribution ont pour fonction de protéger le réseau en cas notamment de défauts électriques, tel qu’un court-circuit.

Systématiquement, chaque câble qui sort d’une armoire de distribution pour distribuer l’énergie électrique est protégé soit par un disjoncteur, soit par un fusible, soit par un contacteur-disjoncteur. Le fonctionnement de ces composants est déclenché à partir d’une surcharge de courant. Le temps de déclenchement est inversement proportionnel au courant de surcharge. L’élément de commutation le plus en amont, c’est-à-dire le plus proche de la source électrique, est constitué par le contacteur de ligne. La protection la plus en amont du réseau électrique est par conséquent celle qui contrôle le générateur et commande le contacteur de ligne. Cette protection est basée sur une mesure du courant afin d’identifier une surcharge et d’isoler le défaut si aucune autre protection en aval n’a pu le faire, prouvant par conséquent que le défaut est situé au niveau du réseau primaire, entre le contacteur de ligne et les dispositifs de protection situés en aval. La protection prévue au niveau du réseau primaire ne peut être déclenchée qu’après une durée suffisante pour que les protections situées en aval puissent fonctionner dans le cas où le défaut serait situé à leur niveau. Cette durée de déclenchement peut être aujourd’hui au maximum de 5 secondes, ce qui est suffisamment long pour provoquer des dommages.

Ainsi, la protection prévue au niveau du générateur et du contacteur de ligne est la plus longue à mettre en œuvre. De ce fait, un défaut apparaissant directement en aval, sur le réseau primaire pourra, compte tenu du temps de déclenchement de cette protection, provoquer des dégâts avant d’être isolé.

On notera par ailleurs que l’ensemble des dispositifs de protection prévus dans les armoires de distribution primaire ou secondaire ne permettent pas d’assurer une protection contre tous les types de défauts susceptibles d’être rencontrés dans un cœur électrique.

Bien qu’elles soient efficaces pour couvrir des défauts tels que des sur-courants ou des courts-circuits, certains types de courts-circuits ne sont toutefois pas couverts par ces protections.

Par exemple, des objets métalliques (tournevis, écrous, etc...) laissés par erreur dans une armoire électrique lors d’une opération de maintenance, sont susceptibles de provoquer des courts-circuits lorsqu’ils entrent en contact avec les barres de distribution électrique. De tels courts-circuits ne seront pas vus par les dispositifs de protection du réseau primaire et sont susceptibles de provoquer l’apparition d’arcs électriques susceptibles de se propager le long des barres de distribution et de provoquer des dégâts importants susceptibles de compromettre la sécurité de l’aéronef. L’effet destructeur d’un arc n’apparaît toutefois que lorsque l’arc est ralenti. Dans ce cas, il ronge le métal des barres de distribution en projetant du métal en fusion autour de lui. Tel est également le cas lorsqu’il rencontre un obstacle, qu’il soit métallique ou isolant.

Il a en effet été constaté qu’un arc électrique qui se propage sur des barres de distribution a généralement une hauteur de l’ordre de 2 à 3cm, pour des valeurs de courant, de fréquence et de tension dans le domaine de l’aéronautique. C’est la raison pour laquelle il est nécessaire de prévoir dans les armoires de distribution une zone de sûreté d’environ 3 à 4cm autour des barres de distribution pour éviter qu’un arc électrique qui se propage sur les barres ne vienne accrocher un élément métallique de l’armoire, ce qui peut s’avérer contraignant.

Il a déjà été proposé, dans l’état de la technique, des solutions permettant d’imposer une trajectoire à l’arc, une fois créé, et de modifier sa forme afin, notamment, de le confiner dans un volume restreint.

On pourra, à cet égard, se référer à la demande de brevet FR 1 451 860, non publiée.

Au vu de ce qui précède, le but de l’invention est de confiner l’arc dans une trajectoire imposée et dans un volume restreint tout en diminuant son intensité de manière à provoquer son extinction. L’invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un dispositif d’extinction d’arcs électriques pour système de distribution électrique triphasée comportant au moins une lame métallique et au moins un support isolant sur lequel est montée la lame et comprenant des moyens de fixation du dispositif entre deux barres de distribution de courant s’étendant côte à côte, le support comprenant des faces latérales d’appui contre lesdites barres, la lame étant montée sur le support de manière à être intérieurement décalée par rapport auxdites faces latérales.

Ainsi, lorsqu’un arc se propage le long des barres de distribution, la lame, qui est isolée des barres de distribution, sépare l’arc en deux arcs, ce qui augmente la tension de l’arc en diminuant de manière consécutive son courant, jusqu’à son étouffement.

Selon une autre caractéristique du dispositif d’extinction d’arc, celui-ci comprend une base munie desdits moyens de fixation et deux bras s’étendant parallèlement à partir de la base et comprenant des extrémités libres par lesquelles un arc se propage dans le dispositif, la lame s’étendant à partir de la base en direction de l’extrémité libre des bras.

Selon encore une autre caractéristique, la base comprend un orifice transversal pour la fixation du support sur les barres au moyen d’un écrou en matériau électriquement isolant.

Dans un mode de réalisation, le support comporte des pions latéraux polygonaux ou cylindriques s’insérant dans des trous correspondants pratiqués dans les barres.

On peut également prévoir une plaque en matériau électriquement isolant sur au moins l’une des faces de la base.

Selon encore une autre caractéristique du dispositif selon l’invention, la lame comporte une unique arête d’extrémité.

Cette arête peut être arrondie, biseautée ou triangulaire. L’invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un système de distribution d’énergie électrique triphasée, comprenant un ensemble de barres de distribution de courant s’étendant côte à côte et revêtues d’un isolant et comprenant des zones en regard dépourvues d’isolant.

Ce système comporte un ensemble de dispositifs d’extinction d’arcs électriques montés chacun entre deux barres de distribution de courant et comprenant chacun au moins une lame métallique et au moins un support isolant sur lequel est monté la lame, le dispositif comprenant des moyens de fixation du support sur les barres, le support comprenant des faces latérales d’appui contre lesdites barres, la lame étant montée sur les bras de manière à être intérieurement décalée par rapport auxdites faces latérales. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : -la figure 1 illustre l’architecture générale d’un réseau de distribution d’énergie électrique embarqué à bord d’un aéronef ; -la figure 2 montre la propagation d’un arc sur des barres de distribution de courant non isolé ; -la figure 3 montre la propagation d’un arc sur des barres de distribution revêtues d’un isolant et comprenant des zones en regard dépourvues d’isolant ; -la figure 4 est une vue en perspective de barres de distribution triphasée dotées d’une paire de dispositifs d’extinction d’arc selon l’invention ; -la figure 5 est une vue en perspective d’un dispositif d’extinction d’arc conforme à l’invention ; -la figure 6 illustre le montage du dispositif d’extinction d’arc de la figure 5 ; -les figures 7a à 7c sont des vues en coupe d’une lame illustrant diverses formes de la lame du dispositif de la figure 5 ; -la figure 8 illustre un autre exemple de réalisation d’un dispositif d’extinction d’arc conforme à l’invention ; et -la figure 9 illustre un autre mode de réalisation d’un dispositif d’extinction d’arc conforme à l’invention.

On se référera tout d’abord à la figure 1 qui illustre l’architecture générale d’un réseau de distribution d’énergie électrique pour aéronef.

Le réseau comporte tout d’abord un étage de génération d’énergie électrique comprenant un générateur G, associé à un contrôleur 1, qui utilise une partie de la puissance fournie par les moteurs de l’aéronef pour délivrer une énergie électrique, laquelle est délivrée à un réseau primaire, à un réseau secondaire et à des charges électriques.

Le réseau primaire comporte essentiellement une armoire ou cœur de distribution 2 dans laquelle sont prévues des barres 3 de distribution de courant triphasé qui reçoivent l’énergie électrique délivrée par le générateur par l’intermédiaire d’un contacteur de lignes 4 et qui redistribuent l’énergie électrique vers un autre réseau primaire ou vers le réseau secondaire ou encore directement vers les charges par l’intermédiaire de contacteurs 5 respectifs ou d’un contacteur-disjoncteur 6 commandés par un dispositif 7 de contrôle des contacteurs.

Le réseau secondaire, quant à lui, comprend également une armoire 8 de distribution secondaire comprenant également des barres 9 de distribution de courant triphasé alimentant directement les charges C par rintermédiaire de contacteurs 10 ou d’interrupteurs 10’. Par exemple, et comme illustré sur la figure 1, des charges alimentées à des intensités comprises entre 35 et 200 ampères sont directement alimentées par l’armoire de distribution primaire 2, tandis que des charges électriques C alimentées par des courants d’intensité comprise entre 3 et 25 ampères sont raccordées à l’armoire de distribution secondaire 8.

Comme indiqué précédemment, il peut arriver que des objets métalliques laissés par erreur dans une armoire de distribution, et en particulier dans l’armoire de distribution primaire 2, entrent en contact avec les barres de distribution primaire et génèrent de la sorte des courts-circuits qui ne sont pas détectés et pris en compte par les dispositifs de protection du réseau primaire.

De tels courts-circuits sont susceptibles de provoquer des arcs électriques qui se propagent dans les barres de distribution et dans l’armoire de distribution et provoquent des dégâts relativement importants.

En se référant à la figure 1, une barre de distribution de courant est réalisée à partir d’un matériau électriquement conducteur, notamment en métal. Pour la distribution d’une énergie électrique triphasée, on utilise trois barres de distribution de courant 3a, 3b et 3c disposées côte à côte, à savoir deux barres latérales 3a et 3c et une barre médiane 3b.

Dans un système de distribution d’énergie électrique conventionnel, les barres de distribution de courant 3a, 3b et 3c sont non isolées. Ainsi, un arc électrique qui se propage le long de telles barres de distribution non isolées suit la loi de Laplace et se déplace dès lors uniquement dans le sens de propagation des charges (flèche F).

Dans ce cas, l’arc électrique A a une forme de U inversé et se propage plus particulièrement au-dessus des barres. L’arc électrique A qui se propage en saillie au-delà des barres de distribution est susceptible d’atteindre des zones métalliques du cœur de distribution électrique.

Afin de confiner l’arc électrique entre les barres de distribution et, dès lors, dans un volume restreint, chaque barre est revêtue d’un isolant. Il peut s’agir avantageusement d’un isolant non organique, par exemple un isolant réalisé à partir d’une peinture époxy, du polyamide 11, ou un isolant en polyamide.

Toutefois, les barres 3a, 3b et 3c comportent des zones, telles que 4 dépourvues d’isolant et prévues sur les faces en regard des barres.

Ainsi, la face latérale de la barre 3a tournée vers la barre médiane 3b comporte une zone 4 dépourvue d’isolant, tandis que les faces mutuellement opposées de la barre médiane 3b sont chacune dotée d’une telle zone 4 dépourvue d’isolant.

Bien que non représentée sur la figure 3, l’autre barre latérale 3c comporte également une zone dépourvue d’isolant, en regard de la zone correspondante de la barre médiane 3b.

Comme on le voit, les zones 4 dépourvues d’isolant s’étendent longitudinalement le long des barres et forment dès lors une bande délimitant un rail électriquement conducteur dans les barres. Ainsi, comme le montre la figure 3, un arc créé dans un système de distribution d’énergie électrique n’est susceptible de se propager qu’à l’endroit des zones électriquement conductrices dépourvues d’isolant et n’est pas en mesure de se propager dans les zones isolées. L’arc électrique est dès lors localisé et confiné dans les zones interbarres. L’arc ne peut ainsi plus accrocher d’élément métallique à proximité.

Il a ainsi été constaté qu’à bord d’un aéronef, et en particulier pour des valeurs de courant rencontrées à bord des aéronefs, la hauteur d’un arc électrique se propageant le long de barres non isolées est de l’ordre de 2-3 cm. Au contraire, pour des barres de distribution isolée mais dotées de zones dépourvues d’isolant et ayant une hauteur de 15 mm, l’arc sphérique ne dépasse pas des barres ou ne dépasse que de quelques mm au-dessus des barres, limitant dès lors les risques que l’arc ne vienne en contact avec des éléments métalliques du cœur de distribution électrique.

En se référant à la figure 4, le système de distribution d’énergie électrique est par ailleurs doté d’un dispositif d’extinction d’arcs placé entre chaque zone interbarres.

Dans un système de distribution triphasé, on prévoira deux dispositifs d’extinction d’arcs 5.

Un tel dispositif comporte essentiellement une lame 6 montée sur un support 7 qui vient se monter sur les barres de sorte que la lame 6 s’étende selon la direction de propagation de l’arc, perpendiculairement à l’axe général de l’arc.

Dans le mode de réalisation de la figure 5, le support 7 comporte une base 8 dotée de moyens de fixation du dispositif sur les barres et deux bras 9 et 10 s’étendant à partir de la base 8 et entre lesquels est montée la lame 6.

La lame 6 s’étend ainsi à partir de la base 8 en direction de l’extrémité libre des bras tout en restant en retrait de cette extrémité.

Comme on le voit, les bras 9 et 10 ont ici une section en coupe transversale rectangulaire et comportent ainsi deux faces latérales longitudinales, telles que 11, qui sont destinées chacune à venir en appui contre les barres de courant. La largeur des bras 9 et 10 est toutefois choisie de sorte que la lame 6 soit en retrait par rapport aux faces latérales 11 de manière à être espacée, au montage, des barres et à être isolée de ces dernières.

On notera que le support 7 peut être monté sur les barres par tout moyen de fixation approprié pour l’utilisation envisagée.

Dans l’exemple représenté, la fixation s’effectue à l’aide d’un boulon. Comme visible sur la figure 6, la fixation s’effectue au moyen d’une vis 12 qui s’insère à travers des trous 13 et 14 pratiqués d’une part dans les barres de courant et, d’autre part, dans la base 8 du support 7 et d’un écrou 15. La vis 12 et l’écrou 15 sont réalisés à partir d’un matériau électriquement isolant, par exemple en polyéther éther kétone (PEEK).

En ce qui concerne le support, celui-ci pourra également être réalisé à partir de tout matériau isolant approprié, par exemple en époxy FR4 ou FR5, en polycarbonate ou PSU,...

La lame 6 devra, quant à elle, être réalisée en un matériau métallique ayant une température de fusion particulièrement élevée, par exemple du titane, de l’inox, de l’aluminium, du tantale, du tungstène, du zirconium, en fonction de la puissance électrique véhiculée. La couche superficielle de la lame pourra avantageusement comprendre une couche de protection en oxyde du matériau métallique utilisé pour la réalisation de la lame.

On notera toutefois qu’outre la température de fusion élevée, le matériau métallique entrant dans la constitution de la lame doit également présenter une bonne diffusion thermique de manière à absorber la température de l’arc qui tend à se refroidir lorsqu’il se propage le long de la lame.

En se référant aux figures 7a à 7c, qui illustrent une vue en coupe de diverses forme de lame, l’extrémité libre de la lame par laquelle l’arc est introduit dans le dispositif d’extinction d’arc peut présenter diverses formes effilées.

Cette extrémité peut être arrondie (figure 7a), présenter une forme de triangle (figure 7b) ou être biseautée (figure 7c).

De profil, le bord d’attaque de la lame peut également adopter diverses formes.

Elle peut ainsi, par exemple, adopter une forme en V, en V inversé, en triangle,... Dans divers modes de mise en œuvre, elle peut également être dotée de découpes juxtaposées donnant une forme globalement dentelée au bord de la lame.

Dans le mode de réalisation de la figure 8, sur laquelle des éléments identiques à ceux décrits précédemment portent les mêmes références numériques, le support comporte deux bras 9 et 10 comprenant chacun une fente, telle que 16, décalée latéralement par rapport à la base 8 du support.

Dans ce cas, on prévoira avantageusement une plaque isolante 17 qui vient se plaquer contre la lame de manière à venir s’interposer entre cette dernière et la barre 3a correspondante.

On notera enfin que dans le mode de réalisation de la figure 5, le support est complété par un organe 18 d’anti-rotation prévu de chaque côté du support réalisé sous la forme d’un pion qui s’étend latéralement à partir de la base 8 et ayant une forme polygonale ou cylindrique. Ce pion est destiné à venir s’insérer dans un orifice de forme correspondante (non représenté) pratiqué dans les barres.

Comme on le voit, cet organe est réalisé sous la forme d’un pion rectangulaire, prismatique ou cylindrique.

Comme on le conçoit, l’invention qui vient d’être décrite, qui utilise une lame qui comporte une unique arête permet de séparer l’arc en deux arcs qui se déplacent le long de la lame jusqu’à leur étouffement. On notera à cet égard que la longueur de la lame est choisie de manière à assurer la dissipation de l’énergie thermique de l’arc pour contribuer à le fragiliser puis à l’étouffer.

Il a été constaté que ce dispositif permet de couper l’arc en quelques ms, c’est-à-dire en un temps bien plus court que le temps nécessaire au déclenchement des systèmes de protection du générateur. L’invention permet ainsi de couper les arcs électriques dans des boîtiers électriques distribuant des courants élevés, d’isoler des défauts engendrés notamment par des erreurs de maintenance, et donc de réduire de manière drastique les dégâts occasionnés par celles-ci en permettant de contenir les effets de courts-circuits puissants de façon transparente pour le ou les générateurs et ce, dans un encombrement compact.

On notera enfin que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits.

En effet, dans les modes de réalisation décrits en référence aux figures 1 à 8, le dispositif est doté d’une lame montée sur un support isolant qui vient se monter entre deux barres de distribution de courant placées côte à côte.

En se référant à la figure 9, en variante, le dispositif peut comprendre plusieurs lames, telles que 6a, 6b, 6c, 6d et 6e, placées côte à côte pour couper un arc.

Ces lames peuvent être montées sur un support commun venant se fixer entre deux barres et comprenant plusieurs fentes côte à côte, ou être montées sur des supports isolants respectifs, en utilisant plusieurs supports isolants similaires aux supports décrits précédemment et dans chacun desquels vient se monter une lame.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif d’extinction d’arcs électriques pour système de distribution d’énergie électrique triphasée, caractérisé en ce qu’il comporte au moins une lame métallique (6) et au moins un support isolant (7) sur lequel est montée la lame et comprenant des moyens de fixation du dispositif entre des barres (3a, 3b, 3c) de distribution de courant s’étendant côte à côte, le support comprenant des faces latérales (11) d’appui contre lesdites barres, la lame étant montée sur le support de manière à être intérieurement décalée par rapport auxdites faces latérales.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant une base (8) munie desdits moyens de fixation et deux bras (9, 10) s’étendant parallèlement à partir de la base et comprenant une extrémité libre par laquelle un arc se propage dans le dispositif, la lame s’étendant à partir de la base en direction de l’extrémité libre des bras.
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la base comprend un orifice transversal (14) pour la fixation du support sur les barres au moyen d’un écrou en matériau électriquement isolant.
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le support comporte des pions latéraux polygonaux (18) s’insérant dans des trous correspondants pratiqués dans les barres.
5. 5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, comprenant une plaque (17) en matériau électriquement isolant sur au moins l’une des faces de la base.
6. 6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la lame comporte une unique arête d’extrémité.
7. 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l’arête d’extrémité est arrondie.
8. 8. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l’arête d’extrémité est biseautée.
9. 9. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l’arête d’extrémité est triangulaire.
10. 10. Système de distribution d’énergie électrique triphasée, comprenant un ensemble de barres de distribution de courant (3a, 3b, 3c) s’étendant côte à côte et revêtues d’un isolant et comprenant des zones en regard (4) dépourvues d’isolant, caractérisé en ce qu’il comporte un ensemble de dispositifs d’extinction d’arcs électriques (5) montés chacun entre deux barres de distribution de courant et comprenant chacun au moins une lame métallique (6) et au moins un support isolant (7) sur lequel est monté la lame, le dispositif comprenant des moyens de fixation du support sur les barres, le support comprenant des faces latérales externes en appui contre les barres, la lame étant montée sur les bras de manière à être intérieurement décalée par rapport aux faces latérales.