DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

L' invention se rapporte au domaine des disjoncteurs de courant moyenne, haute ou très haute tension. Elle concerne plus particulièrement la problématique du dimensionnement d'un tel disjoncteur, notamment conditionné par le besoin d'un volume minimal défini par le capot d'échappement équipant la chambre de coupure, ainsi que par la distance minimale d'isolation électrique entre ce capot d'échappement et l'enveloppe extérieure du disjoncteur dans laquelle est agencée la chambre de coupure .

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

De l'art antérieur, il est connu de nombreuses conceptions de disjoncteurs, comme par exemple celle décrite dans le document DE 10 2011 083593. Un tel disjoncteur intègre une chambre de coupure équipée d'un capot d'échappement définissant une chambre de circulation de gaz, également dite chambre d'échappement. Les gaz chauds issus d'un arc électrique formé lors de la coupure du courant dans le disjoncteur sont dirigés vers la chambre de circulation.

Afin de limiter la température et la pression du gaz dans la chambre de circulation, cette chambre doit présenter un volume assez conséquent, notamment pour faire face à la coupure de courants forts. A cet égard, il est noté qu'un volume d'échappement trop faible peut limiter l'écoulement des gaz chauds hors de la zone de coupure, et donc limiter les performances de coupure du disjoncteur.

En outre, la chambre de coupure est placée dans un espace délimité par une enveloppe extérieure du disjoncteur. Pour certaines applications comme les disjoncteurs de type « GIS » ou « Dead Tank », une distance minimale d' isolation électrique est généralement requise entre l'enveloppe extérieure du disjoncteur et le capot d'échappement formant la paroi extérieure de la chambre de coupure. Cette distance minimale est fixée de manière à limiter les risques d'amorçage diélectrique entre une partie de la chambre chargée électriquement (au potentiel non nul) , et l'enveloppe extérieure métallique du disjoncteur au potentiel nul.

Ces contraintes de dimensionnement ont un impact direct sur l'encombrement, la masse global et le coût de tels disjoncteurs.

Il existe par conséquent un besoin d'optimisation de la conception de tels disjoncteurs, de façon à améliorer leurs performances en coupure et réduire leur encombrement, tout en leur permettant de répondre correctement aux contraintes techniques évoquées ci-dessus.

EXPOSÉ DE L' INVENTION

Pour répondre à ce besoin, l'invention a pour objet un disjoncteur de courant à moyenne, haute ou très haute tension, comportant au moins une chambre de coupure ainsi qu'une enveloppe extérieure définissant un espace dans lequel est agencée la chambre de coupure, celle-ci comportant : - un premier ensemble de contacts électriques ainsi qu'un second ensemble de contacts électriques, au moins de façon à permettre des opérations de fermeture et d'ouverture du disjoncteur ;

- une buse de soufflage d' arc électrique ;

- un capot d'échappement formant une partie de la paroi extérieure de la chambre de coupure, le capot d'échappement étant situé dans l'espace et définissant intérieurement une chambre de circulation de gaz située au moins en partie en aval de la buse de soufflage avec laquelle elle communique, ledit capot d'échappement pouvant comprendre une ou plusieurs ouvertures pour l'évacuation du gaz de la chambre de circulation de gaz vers ledit espace ;

- un support isolant électriquement et reliant mécaniquement la chambre de coupure à un fond de l'enveloppe extérieure du disjoncteur.

Selon l'invention, le capot d'échappement comporte au moins une portion mobile sous l'effet de la pression des gaz au sein de la chambre de circulation de gaz, de manière à rendre le volume de celle-ci extensible, afin de limiter la pression dans cette chambre de circulation .

L'invention est ainsi avantageuse en ce qu'elle prévoit un capot d'échappement extensible, de manière à permettre l'augmentation du volume de la chambre de circulation de gaz en cas de coupure de courants élevés. Aussi, en configuration nominale, c'est-à-dire en position fermée du disjoncteur, ou dans le cas d'une coupure de faible courant produisant peu de gaz chaud, le capot d'échappement présente une dimension plus faible qui permet de réduire l'encombrement global du disjoncteur. De plus, dans le cas de disjoncteurs de type « GIS » ou « Dead Tank », l'invention est avantageuse en ce que cette réduction d'encombrement ne s'effectue pas au détriment de l'isolement diélectrique de la chambre par rapport à l'enveloppe extérieure du disjoncteur. En effet, le risque d'amorçage diélectrique reste maîtrisé même lorsque la portion mobile du capot d'échappement se déplace en direction de l'enveloppe extérieure du disjoncteur, sous l'effet de la pression des gaz en cas de courants forts. Cela s'explique par le fait que lors d'un mouvement relatif entre les deux éléments considérés, la contrainte d' écartement entre ces deux éléments est largement inférieure à celle requise en situation statique, par exemple inférieure de l'ordre de 40%.

En d'autres termes, l'invention permet avantageusement de réduire l'encombrement du disjoncteur tout en limitant fortement les risques de surpression de gaz au sein de la chambre de circulation, ainsi que les risques d'amorçage diélectrique entre le capot d'échappement et l'enveloppe extérieure du disjoncteur.

Par ailleurs, l'invention est remarquable en ce que l'extension du volume de la chambre de circulation de gaz s'effectue de manière automatique et fiable, par simple phénomène physique de pression des gaz sur la portion mobile de ce capot. Cette extension se produit par ailleurs uniquement lors de la présence de courants élevés (généralement 60% à 100% du courant de court-circuit nominal) rarement observés, ce qui implique une mise en mouvement peu fréquente, et donc des faibles risques de production de particules d'usure.

En outre, cela conduit également, durant l'opération d'ouverture du disjoncteur, à voir augmenter le différentiel de pression entre le cœur de la chambre et l'échappement. Il en découle avantageusement un meilleur écoulement des gaz et un meilleur soufflage de l'arc électrique, et donc une capacité accrue de coupure pour le disjoncteur. Ces bénéfices sont conséquents, car l'augmentation du volume de la chambre d'échappement peut être élevée. Cela s'explique par le fait que la portion mobile, définissant ce volume, forme une partie de la paroi extérieure du capot d'échappement, dont le diamètre est ainsi maximal .

De plus, avec la solution spécifique à l'invention, les gaz chauds issus du soufflage de l'arc restent au moins en partie confinés dans la chambre à volume étendu, ce qui limite les risques d'agression par ces gaz chauds ou d'amorçage diélectrique dans l'enveloppe extérieure du disjoncteur.

Enfin, la pression dans la chambre d'échappement étant ainsi diminuée, les contraintes mécaniques dans les différentes parties du disjoncteur s'en trouvent avantageusement réduites.

L'invention comporte de préférence au moins l'une des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison.

Ladite portion mobile dudit capot d'échappement est agencée autour du support reliant mécaniquement la chambre de coupure au fond de l'enveloppe extérieure. Ladite portion mobile dudit capot d'échappement est montée mobile à coulissement sur une portion fixe de ce capot, de préférence selon un axe central longitudinal dudit capot .

Le disjoncteur comporte des moyens élastiques de rappel rappelant ladite portion mobile dudit capot d'échappement dans une position de repos dans laquelle le volume de la chambre de circulation de gaz est minimal.

Le capot d'échappement est configuré de telle sorte que dans les deux positions extrêmes de sa portion mobile, il définit respectivement des volumes minimal et maximal de la chambre de circulation de gaz, le rapport entre les volumes minimal et maximal étant de préférence compris entre 0,9 et 0,5.

Enfin, une portion fixe de ce capot présente une première surface intérieure de délimitation extérieure de la chambre de circulation de gaz, ladite portion mobile dudit capot d'échappement présente une seconde surface intérieure de délimitation extérieure de la chambre de circulation de gaz, et un diamètre maximal de la seconde surface intérieure est supérieur à un diamètre maximal de la première surface intérieure. Cette spécificité permet d'amplifier encore davantage l'augmentation du volume de la chambre, en cas de déplacement de la portion mobile du capot d'échappement, sous l'effet de la pression des gaz dans cette chambre.

D' autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;

les figures 1 et 2 représentent des vues schématiques en coupe longitudinale d'un disjoncteur haute tension selon l'invention, avec le disjoncteur se trouvant respectivement dans une position de fermeture, et dans une position occupée lors d'une opération d'ouverture de ce disjoncteur, visant à la coupure d'un courant fort ;

- les figures 3a et 3b représentent respectivement des vues similaires à celles des figures 1 et 2, avec le disjoncteur se présentant sous la forme d'un premier mode de réalisation préféré de l'invention ; et

les figures 4a et 4b représentent respectivement des vues similaires à celles des figures 1 et 2, avec le disjoncteur se présentant sous la forme d'un second mode de réalisation préféré de l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

En référence tout d'abord aux figures 1 et 2, il est représenté un disjoncteur 10 haute tension selon l'invention. Sur ces figures, le disjoncteur est représenté de manière schématique, afin de se focaliser sur le principe objet de la présente invention. A cet égard, il est noté que ce principe est applicable à toutes les configurations existantes de disjoncteurs, en particulier les disjoncteurs blindés de type « GIS » ou « Dead Tank » qui seront décrits ultérieurement en référence aux figures 3a à 4b.

Le disjoncteur 10 comporte une chambre de coupure 12. La chambre de coupure 12 est agencée à l'intérieur d'une enveloppe 14. La chambre de coupure 12 est ainsi logée dans un espace 13 défini intérieurement par l'enveloppe extérieure 14. Cet espace 13 est habituellement rempli d'un gaz isolant sous pression, par exemple du type SF6.

La chambre 12 comprend un premier ensemble de contacts électriques 18a, 20a, ainsi qu'un second ensemble de contacts électriques 18b, 20b. Plus précisément, le premier ensemble comprend un premier contact permanent 20a coopérant avec un second contact permanent 20b du second ensemble, lorsque le disjoncteur occupe une position de fermeture telle que représentée sur la figure 1. De plus, le premier ensemble comporte un premier contact d' arc électrique 18a, coopérant avec un second contact d'arc électrique 18b du second ensemble, lorsque le disjoncteur occupe sa position de fermeture. Le premier contact d'arc 18a traverse une buse de soufflage 19, réalisée de manière conventionnelle .

Cependant, l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation. L'invention peut notamment être appliquée aux disjoncteurs à double mouvement. Pour effectuer un tel double mouvement, toute conception réputée appropriée par l'homme du métier peut être mise en œuvre, comme par exemple celle décrite dans le document FR 2 976 085. Dans un tel cas de figure, les deux ensembles sont ainsi mobiles à coulissement le long de l'axe A principal de la chambre de coupure 12, dans des sens opposés .

Le second contact d'arc électrique 18b est entouré par deux volumes 21 et 22 séparés axialement l'un de l'autre par une paroi, et permettant l'extinction par soufflage de l'arc électrique, afin de couper le courant. La buse de soufflage 19 permet de canaliser le flux de gaz lors de ce soufflage.

Les gaz issus de l'arc électrique et des volumes

21 et 22 sont évacués axialement de part et d'autre par la buse 19 et l'espace intérieur 24 du second contact d'arc 18b. Les gaz s' échappant par la buse 19 pénètrent dans une chambre de circulation de gaz 31, également dite chambre d'échappement, et délimitée par un capot d'échappement 40 logé dans l'espace 13. La chambre 31 est ainsi agencée au moins en partie en aval de la buse 19, le terme « aval » étant ici considéré selon une direction principale axiale d'écoulement des gaz dans la chambre 12, en sortie de la buse 19.

De manière analogue, à l'opposé de la chambre de coupure, les gaz s' échappant par l'espace 24 pénètrent dans une autre chambre de circulation de gaz 32, délimitée par un capot d'échappement 41 également logé dans l'espace 13.

Du côté du premier ensemble de contacts 18a, 20a, la chambre de coupure 12 comporte donc le capot d'échappement 40 délimitant le volume d'échappement 31 et formant une partie de la paroi extérieure de la chambre de coupure 12. Le capot d'échappement 40 comporte de préférence plusieurs orifices 50 permettant l'évacuation des gaz vers l'espace 13 défini par la cuve 14. Sur les figures 1 et 2, ces ouvertures 50 sont agencées à proximité d'une extrémité amont du capot 40, mais elles peuvent bien entendu être agencées différemment sur ce capot 40. D'ailleurs, l'invention est applicable quelle que soit la configuration à l'intérieur de la chambre 31.

De même, du côté du second ensemble de contacts 18b, 20b, le capot d'échappement 41, définissant le volume d'échappement 32, comporte plusieurs orifices 51 pour l'évacuation des gaz issus de la zone de coupure de l'arc électrique, vers l'espace 13.

Le capot d'échappement 40 définit une chambre 31 sensiblement cylindrique d'axe A correspondant à l'axe central longitudinal de ce capot 40, avec un section sensiblement circulaire. Ce capot 40 comporte un fond 40a sensiblement orthogonal à l'axe A, ainsi qu'une paroi latérale 40b entourant cet axe A. Le fond 40a et la paroi latérale 40b du capot forment donc une partie de la paroi extérieure de la chambre de coupure 12, située dans le volume 13 à distance de l'enveloppe extérieure 14. A cet égard, cette enveloppe 14 comporte un fond 14a également agencé sensiblement orthogonalement à l'axe A. Il est prévu un support 60 d'axe A, reliant mécaniquement et isolant électriquement les fonds 14a, 40a. Ce support 60 prend préférentiellement la forme d'un cylindre creux, permettant intérieurement le passage des éléments mobiles d'un mécanisme de commande 23.

L'une des particularités de l'invention réside dans le fait que le capot d'échappement 40 présente une portion mobile 40' monté à coulissement sur une portion fixe 40''. La partie mobile 40' correspond au fond 40a, ainsi qu'à une extrémité aval de la paroi latérale 40b. La portion fixe 40'' correspond au reste du capot, étant par ailleurs précisé que ces deux portions 40', 40'' sont toutes les deux centrées sur l'axe A et sensiblement cylindriques.

Plus précisément, la partie mobile 40' est percée au centre du fond 40a d'une ouverture 62 traversée par le support 60, sur lequel elle est montée mobile à coulissement selon l'axe A. La portion mobile 40' est ainsi agencée autour du support 60, en étant capable de se déplacer le long de celui-ci, de préférence de manière étanche .

Des moyens élastiques de rappel tels que des ressorts de compression 64 sont interposés entre les deux portions 40', 40'', de préférence en étant agencés à l'intérieur de la chambre 31. Ces ressorts 64 exercent un effort de rappel forçant la portion mobile 40' à se positionner dans une position de repos, dans laquelle le volume de la chambre de circulation de gaz 31 est un volume minimal Vmin. Cette configuration est représentée sur la figure 1. C'est celle qui est occupée en position de fermeture, voire également lors d'une coupure d'un courant faible.

Dans cette position, la portion mobile 40' occupant une première position extrême est en effet rétractée au maximum dans la portion fixe 40'', de sorte que la distance entre les deux extrémités du capot selon l'axe A correspond à une distance minimale, référencée Lmin sur la figure 1. Cela permet d'obtenir une distance d' écartement Del satisfaisante entre les deux fonds 40a, 14a, au regard du risque d'amorce diélectrique entre ces deux éléments, en position statique. En cas d'ouverture visant à la coupure de courants forts, la surpression des gaz dans la chambre 31 engendre une pression sur la portion mobile 40' qui conduit celle-ci à être repoussée en direction du fond 14a, à 1' encontre des efforts de rappel générés par les ressorts 64.

La figure 2 montre la seconde position extrême de la portion mobile 40', après que celle-ci ait été déplacée le long du support 60, sous l'effet de la pression des gaz dans la chambre 31. Dans cette seconde position extrême, la portion mobile 40' est sortie au maximum relativement à la portion fixe 40'', de sorte que la distance entre les deux extrémités du capot selon l'axe A correspond à une distance maximale, référencée Lmax sur la figure 2. Dans cette seconde position extrême, le volume de la chambre de circulation de gaz 31 est un volume maximal Vmax, le rapport entre les deux volumes Vmin et Vmax pouvant être compris entre 0,9 et 0,5.

L'amenée de la portion mobile 40' dans la seconde position extrême conduit à obtenir une distance d' écartement De2 réduite entre les deux fonds 40a, 14a. Néanmoins, même avec cette distance d' écartement réduite, le risque d'amorçage diélectrique reste maîtrisé.

Effectivement, la tension électrique entre la chambre de coupure 12 et l'enveloppe extérieure 14 du disjoncteur lors de la coupure de forts courants est largement inférieure à celle requise en situation statique. Respectivement, la distance d' isolation électrique requise lors de la coupure de courants forts est largement inférieure à celle requise en situation statique, par exemple inférieure de l'ordre de 40%. Aussi, malgré la faible distance d' écartement , le risque d'amorce diélectrique s'avère avantageusement très limité durant la phase de déplacement de l'organe mobile 40' .

La conception retenue permet donc d' obtenir un encombrement global faible du disjoncteur dicté par la première position extrême de la portion mobile 40', tout en limitant le risque d'amorce diélectrique avec l'enveloppe extérieure 14.

II est par ailleurs précisé que lors de la coupure d'un courant fort, il se crée dans la chambre 12 une circulation des gaz depuis la zone entre les contacts 18a et 18b, vers les chambres d'échappement 31, 32. Sous l'effet de la pression exercée par les gaz dans la chambre 31, la portion mobile 40' du capot d'échappement 40 est repoussée vers le fond 14a, comme cela a été explicité ci-dessus. Les gaz chauds issus du soufflage de l'arc électrique peuvent transiter par les orifices 50 avant d'atteindre l'espace volumineux 13, lorsque de tels orifices 50 sont prévus. Néanmoins, l'expansion du volume de la chambre 31 a pour conséquence de diminuer la pression et la température des gaz, et de confiner une partie essentielle de ceux-ci dans le capot 30. Le risque d'agression de l'enveloppe 14 par ces mêmes gaz et par les microparticules qu' ils entraînent s'avère par conséquent limité. Il en est de même pour le risque d'amorçage diélectrique lié à la présence de ces gaz chauds dans l'espace 13.

De plus, comme la pression des gaz dans la chambre 31 est diminuée par l'extension de son volume, les efforts mécaniques requis pour le déplacement des contacts électriques et les contraintes dans les interfaces mécaniques du disjoncteur s'en trouvent avantageusement réduits .

Par ailleurs, le soufflage de l'arc électrique s'en trouve également amélioré, renforçant ainsi les performances de coupure du disjoncteur, en raison de l'augmentation de la différence de pression entre le cœur de la buse 19 et la chambre d'échappement 31.

Il est enfin noté que le principe de l'invention est également applicable au côté du second ensemble de contacts 18b, 20b, sur le capot 41. Il est également applicable dans le cas de chambres d'échappement 31, 32 fermées, c'est-à-dire sans orifice 50 et 51.

En référence à présent aux figures 3a et 3b, il est représenté un disjoncteur blindé 10 de type « Dead Tank », selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention. Sur ces figures, il est représenté le mécanisme de commande des deux ensembles 18a, 20a, 18b, 20b, ce mécanisme étant conventionnel et identifié par la référence numérique générale 23. Sur ces figures, les éléments portant les mêmes références numériques que celles attachées aux éléments des figures 1 et 2, correspondent à des éléments identiques ou similaires.

Dans ce premier mode, la portion mobile 40' comporte une extrémité aval de plus large section, de manière à augmenter encore davantage le volume de la chambre 31 en cas de courants anormalement forts. Plus précisément, la portion mobile 40' comporte une paroi intérieure intermédiaire 70, sensiblement orthogonale à l'axe A et percée d'une ouverture 74. Cette paroi 70 délimite vers l'amont l'extrémité élargie de la portion mobile 40', et c'est elle qui coulisse le long du support 60. Le fond 40a est quant à lui agencé également autour du support 60, mais à distance radiale de celui-ci pour laisser les gaz s'échapper vers l'espace 13, entre l'ouverture 62 et le support 60.

Dans la première position extrême de la portion mobile 40', représentée sur la figure 3a, la paroi intermédiaire 70 est plaquée contre un équipement intérieur 72 de la chambre 31. Le volume délimité par le capot 40 correspond alors au volume minimal Vmin, n' incluant pas le volume délimité intérieurement par l'extrémité aval élargie. En revanche, en cas de déplacement de la portion mobile 40' sous l'effet de la pression des gaz dans la chambre 31, la paroi intermédiaire 70 s'éloigne de l'équipement intérieur 72. Les deux volumes situés en amont et en aval de cette paroi 70 se cumulent alors pour former ensemble le volume Vmax de la chambre 31, comme cela a été représenté sur la figure 3b. En effet, les gaz peuvent dans ce cas pénétrer dans le volume additionnel délimité intérieurement par l'extrémité aval élargie de la portion 40' en déplacement. A cet égard, il est noté que la portion fixe 40'' sensiblement cylindrique présente une première surface intérieure de délimitation extérieure de la chambre 31. Son diamètre maximal Dlmax, qui est ici un diamètre sensiblement constant, est inférieur au diamètre maximal D2max d'une seconde surface intérieure de délimitation extérieure de la chambre 31 définie par l'extrémité aval de la portion mobile 40' . Le rapport entre les deux diamètre Dlmax et D2max peut par exemple être prévu entre 0,9 et 0,5. Enfin, en référence aux figures 4a et 4b, il est représenté un disjoncteur blindé 10 de type « GIS », selon un second mode de réalisation préféré de l'invention. Ici encore, les éléments portant les mêmes références numériques que celles attachées aux éléments des figures 1 et 2, correspondent à des éléments identiques ou similaires. Aussi, est-il possible de constater que la portion mobile 40' prend une forme s ' apparentant à celle montrée sur les schémas de principe des figures 1 et 2, à savoir intégrant le fond 40a ainsi que l'extrémité aval de la paroi latérale 40b. Les diamètres intérieurs des portions mobile et fixe 40', 40'' sont ici sensiblement identiques.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite sans sortir du cadre de l'exposé de 1 ' invention .