DISPOSITIF D'EXTINCTION D'ARC POUR APPAREILLAGE ELECTRIQUE A ISOLEMENT GAZEUX
L'invention est relative à un dispositif d'extinction d'arc pour interrupteur ou disjoncteur électr ique à autoexpansion et à isolement gazeux comprenant :
- une enveloppe étanche remplie d'un gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment de l'hexafluorure de soufre,
- une chambre divisionnaire de coupure à l'intérieur de ladite enveloppe,
- une paire de contacts séparables logés dans ladite chambre de coupure, l'un au moins des contacts étant creux.
- un conduit d'échappement du gaz de ladite chambre de coupure vers une chambre de décharge, dans laquelle s'opère l'expansion du gaz comprimé initialement dans la chambre de coupure, sous l'action de l'arc tiré entre les contacts séparés lors de l'ouverture du disjoncteur,
- et des bornes de raccordement, en liaison électrique avec lesdi ts contacts.
Un tel disjoncteur de l'art antérieur est décrit dans les brevets français 2 515 413 et 2 418 963 de la demanderesse. La chambre divisionnaire de coupure renfermant les contacts est formée par un carter de forme cylindr ique. Des essais de coupure ont montré un certain décentrage de l'arc tiré entre les électrodes annulaires séparées des contacts. Ce problème de décentrage de l'arc provoque une augmentation du temps de coupure qui limite les performances de l'appareil.
L'objet de l'invention consiste à améliorer le centrage de l'arc dans un disjoncteur ou interrupteur à isolement gazeux, notamment
à autoexpansion et/ou à arc tournant, et à augmenter les performances de coupure du disjoncteur.
Le dispositif d'extinction d'arc selon l'invention est caractérisé en ce que la chambre divisionnaire de coupure comporte au droit de la zone de séparation des contacts une surface latérale gauche à enveloppe non réglée de révolution, notamment convexe ou concave, de manière à former un résonateur acoustique à réflexion centripète des ondes de pression, engendrant une convergence des gaz vers ladite zone de séparation, et que les contacts séparables sont agencés au voisinage de la zone médiane de ladite chambre de coupure.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la paroi de la chambre de coupure possède une forme sphérique ou un secteur sphérique tel que le résonateur acoustique présente un ventre de vibration au centre de la sphère.
Selon un autre mode de réalisation, la chambre de coupure présente une forme d'ellipsoide agencée, telle que les contacts se trouvent sensiblement au niveau des deux foyers en position d'ouverture du disjoncteur. Il en résulte un meilleur centrage de l'arc, en particulier au voisinage des électrodes.
Au moins un des contacts peut être équipé d'un aimant permanent ou d'une bobine électromagnétique pour provoquer la rotation de l'arc à l'intérieur de la chambre de coupure.
La paroi de la chambre de coupure est réalisée en un matériau isolant, notamment à base de résine époxyde, ou en tout autre matériau ayant un coefficient de réflexion élevée.
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de différents modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un disjoncteur
seLon l'invention, représenté en position d'ouverture,
- Les figures 2 à 7 montrent une vue schématique en coupe partieLLe de pLusieurs variantes de réalisation.
La figure 1 montre un disjoncteur 10 électrique à arc tournant et à autoexpansion, comprenant une enveloppe 12 isolante, de forme cylindrique, obturée à ses extrémités opposées par des fonds 14, 16. L'enveloppe 12 est étanche et remplie de gaz isolant électronégatif à rigidité diélectrique élevée, tel que l'hexafluorure de soufre. A l'intérieur de l'enveloppe 12 se trouve une chambre divisionnaire de coupure 18 servant de logement à un système de contacts 20, 22 séparables et coaxiaux. Le contact fixe 20 formé par un tube 24 conducteur porté par le fond 14, est équipé à son extrémité opposée d'une électrode 26 disposée en regard d'une surface de contact annulaire 28 du contact mobile 22. Ce dernier comprend un tube 29 support monté à coulissement axial dans l'enveloppe 12 en étant solidarisé à une tige de commande 30 qui traverse une ouverture 32 centrale du fond 16 avec interposition d'un joint 34. Une tresse 36 conductrice ou tout autre conducteur souple ou glissant assure la liaison électrique entre le tube 29 du contact mobile 22 et le fond 16. Des bornes de raccordement 36, 38 du pôle du disjoncteur 10 sont associées aux fonds 14, 16, en matériau conducteur.
Les deux tubes 24, 29, des contacts fixe 20 et mobile 22 comportent chacun un conduit axial interne d'échappement 40, 42 et des orifices 44, 46 radiaux autorisant la communication entre l'intérieur de la chambre de coupure 18 et le volume restant de l'enveloppe 12 constituant une chambre de décharge 48. Le fond 14 est doté d'un premier trou 50 obturé par un bouchon de fermeture 52, et un deuxième trou 54 coopérant avec une soupape de sécurité formée par un disque 56 d'éclatement en cas de surpression anormale à l'intérieur de l'enveloppe 12. Les deux tubes 24, 29 alignés traversent à étanchéité la paroi 58 de la chambre de coupure 18, et la surface de contact annulaire 28 du tube 29 coulissant, coopère par aboutement en
position de fermeture du disjoncteur avec l'électrode 26 du tube 24. L'électrode 26 constitue une piste annulaire de migration de la racine d'arc.
Entre l'électrode 26 et le tube support 24 fixe sont disposés des moyens magnétiques, notamment un aimant permanent ou une bobine électromagnétique 60 en forme de cylindre, destinés à engendrer un champ d'induction radial dans la zone de séparation 62 des contacts, pour assurer la rotation de l'arc. La liaison mécanique et électrique entre l'électrode 26 et le tube 24 est assurée par une douille 64 conductrice entourant coaxialement la bobine 60.
Selon l'invention, la paroi 58 de la chambre divisionnaire 18 de coupure comporte une surface latérale interne gauche à enveloppe non réglée de révolution autour des contacts, notamment de forme convexe ou concave, de manière à former un résonateur acoustique à reflexion centripète des ondes de pression à l'intérieur de la chambre 18. La surface de révolution est avantageusement sphérique ou hémisphérique, telle que le résonateur acoustique présente un ventre de vibration au centre de la sphère. L'électrode 26 annulaire du contact fixe 20 et la surface de contact 28 conjuguée du contact mobile 22 sont agencés au voisinage du centre de la chambre 18 sphérique. La paroi 58 de la chambre divisionnaire 18 est réalisée en un matériau isolant, notamment à base de résine époxyde, ou en tout autre matériau ayant un coefficient de réflexion élevé. Un déflecteur (non représenté) en matériau métallique ou réfractaire peut être accolé contre la face interne de la chambre 18, en regard de la zone de séparation 62 des contacts. La chambre de coupur 18 est supportée par des moyens de fixation 68 solidarisés au fond 16, ainsi que par le tube 24 fixé au fond 14 opposé.
Le fonctionnement du disjoncteur 10 à autoexpansion et à arc tournant selon la figure 1 est le suivant :
Lors de la séparation des contacts 20, 22, au centre de la chambre de coupure 18 sphérique, l'arc s'étend dans la zone 62
de coupure et est entraîné en rotation par l'action du champ magnétique de la bobine 60 ou de l'aimant. La chaleur dégagée par l'arc tournant provoque une augmentation de pression à l'intérieur de la chambre de coupure 18, et un écoulement de gaz par les conduits internes d'échappement 40, 42 des contacts 20, 22 creux vers la chambre de décharge 48 dans laquelle s'opère l'expansion du gaz comprimé initialement dans la chambre de coupure 18. La réflexion centripète des ondes de pression sur la paroi 58 interne de la chambre 18 sphérique provoque une convergence des gaz vers la zone de séparation 62 des contacts, et contribue efficacement au centrage de l'arc.
La figure 2 montre une variante de réalisation d'un disjoncteur 100, dans lequel les mêmes repères désignent des pièces identiques à celles du dispositif de la figure 1. La forme de la paroi 58 de la chambre de coupure 18 a été modifiée, et comporte un secteur sphérique 70 central au droit de la zone de séparation 62 des contacts, prolongé par deux portions 72, 74 cylindriques opposées.
Selon les dispositifs des figures 1 et 2, seul le contact fixe 20 est équipé d'un aimant permanent ou bobine 60 pour provoquer la rotation de l'arc. Il est clair qu'un deuxième aimant ou bobine (non représenté) peut être associé au contact mobile à l'intérieur de la chambre 18 de coupure, de manière à imposer une migration en sens inverse des racines d'arc sur les électrodes annulaires en regard des contacts 20, 22.
La figure 3 représente une autre variante de disjoncteur 200 à autoexpansion. On cherche également à profiter de la réflexion des ondes de pression sur la paroi 58 interne de la chambre de coupure 18 pour focaliser ensuite ces ondes dans la zone de séparation 62 des contacts en donnant à la chambre 18 la forme d'une ellipsoide, agencée telle que les
contacts 20, 22, se trouvent sensiblement au niveau des deux foyers F1, F2 de l'ellipse, en position d'ouverture du disjoncteur 200. Une onde de pression émise en l'un des foyers F1 à l'intérieur de l'ellipsoïde, est réfléchie par la paroi 58 et focalisée à l'autre foyer F2. Il en résulte un excellent centrage de l'arc au voisinage des électrodes. Le disjoncterr 200 de la fig. 3 a été représen sans moyens de soufflage magnétique de l'arc, mais il est clair qu'il peut être équipé d'un bobine ou d'un aimant permanent assurant la rotation de l'arc.
Le disjoncteur 10, 100, 200, selon l'une des figures 1 à 3 peut en outre être équipé d'un dispositif auxiliaire de soufflage (non représenté) à piston-cylindre de compression, actionné lors du déplacement du contact mobile 22 pour envoyer un jet de gaz de soufflage vers la zone d'arc. Ce dispositif de soufflage pneumatique peut être incorporé, soit directement dans la chambre de coupure 18, soit dans la chambre de décharge 48.
Selon une autre variante (non représentée), le disjoncteur ou interrupteur à SF 6 est du type à arc tournant, mais sans autoexpansion, comprenant une enveloppe étanche unique de logement d'une paire de contacts séparables et une bobine de soufflage magnétique. La zone d'extension de l'arc est entourée avantageusement par une paroi interne ayant une forme de sphère ou d'ellipsoïde, pour assurer le centrage de l'arc selon l'axe longitudinal de révolution.
Les dispositifs des figures 4 à 7 montrent d'autres variantes de la chambre de coupure 18, destinées à produire des effets de focalisation des ondes acoustiques. Les éléments de focalisation peuvent être constitués par une succession de miroirs 90 plans (figure 4), échelonnés le long d'une courbe sensiblement elliptique, ou par une juxtaposition de deux troncs de cône 92, 94, opposés (figure 5). Selon la figure 6, la face interne de la paroi 58 de la chambre 18 est entaillée par une pluralité d'encoches 96,de manière à former une structure de lentille de Fresnel, capable d'améliorer en plus la tenue diélectrique par augmentation de la ligne de fuite.
Les éléments de focalisation 90, 92, 94, 96, des dispositifs des figures 4 à 6, viennent avantageusement de moulage avec la chambre 18 et constituent la face interne de la paroi 58, mais peuvent également être constitués par des pièces 98 indépendantes solidarisées à l'intérieur de la chambre 18 contre la paroi 58. Dans la figure 7, la paroi 58 est cylindrique, et la pièce 98 ou déflecteur de l'élément focalisateur présente la forme adaptée pour constituer le résonateur acoustique. Le matériau de la pièce 98 peut être différent de celui de la paroi 58, de manière à assurer sa protection contre la pollution due à l'arc, et d'améliorer la ligne de fuite.