DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention a trait à une buse à soufflage d' arc électrique destinée à être incorporée dans un disjoncteur haute- ou moyenne-tension à soufflage d'arc et à un disjoncteur comprenant une telle buse.

Un disjoncteur à soufflage d'arc utilise pour couper un arc électrique un gaz diélectrique isolant, tel que l'hexafluorure de soufre. Ce gaz diélectrique est délivré dans une chambre de coupure via une buse isolante, qui sert à canaliser le gaz et ainsi, à augmenter la pression du gaz isolant au voisinage de l'arc électrique, ce qui favorise la coupure de ce dernier.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Classiquement, un disjoncteur à soufflage d' arc électrique comprend respectivement au moins un contact d'arc fixe, par exemple sous forme de tige pleine et au moins un contact d'arc mobile, par exemple sous forme de tige creuse apte à accueillir le contact d'arc fixe, et une buse de soufflage coaxiale aux contacts d'arc susmentionnés.

Une buse à soufflage d'arc classique comporte les parties suivantes :

*un col de section interne rétrécie par rapport aux autres sections internes de la buse, dont le volume interne est bouché par le contact d'arc fixe, lorsque le disjoncteur est en position fermée ; *une partie d'extrémité située en amont du col définissant un canal annulaire par lequel circule le gaz d'extinction, lequel canal s'ouvre du côté de l'espace de coupure dans le col susmentionné ;

*une partie d'extrémité située en aval du col .

Lors de la coupure d'un courant, les contacts d'arc s'écartent l'un de l'autre engendrant la formation d'un arc électrique, qui est éteint par soufflage d'un gaz dans l'espace de coupure susmentionné, le gaz transitant avant l'accès au col par le canal annulaire situé en amont du col.

Classiquement, les différentes parties d'une buse à soufflage d'arc sont constituées d'un même matériau, par exemple, un matériau composite à base d'un polymère fluoré chargé éventuellement avec une ou plusieurs charges inorganiques.

C'est le cas ainsi des buses isolantes décrites dans WO 2009080123 qui sont constituées à partir d'un seul matériau qui consiste en un matériau composite comprenant une matrice en polytétrafluoroéthylène chargée en différentes catégories d'additifs (des additifs de nature à réduire la conductivité électrique de la buse et des additifs conférant des propriétés optiques spécifiques) . La buse constituée à partir de ce matériau présente une permittivité relative faible dans son ensemble, ce qui ne permet pas d'engendrer une modification significative du champ électrique au niveau des contacts d'arc et ainsi une diminution du stress électrique au niveau de ces derniers. Les buses isolantes peuvent être également constituées à partir de différents matériaux, tel que cela est décrit dans US 6, 696, 657, qui illustre une buse comprenant une partie formant col séparant une partie avale et une partie amont, la partie formant col étant constituée d'une résine (plus précisément, du polytétrafluoroéthylène) et d'une charge inorganique (plus précisément, du nitrure de bore) tandis que les parties avale et amont sont constituées d'une résine (également du polytétrafluoroéthylène) sans charge inorganique .

Une telle configuration de buse ne permet pas également, du fait des valeurs de permittivité relative des matériaux constitutifs des différentes parties de la buse, de modifier significativement le champ électrique au niveau des contacts d' arc électrique de sorte à générer un stress électrique moindre au niveau de ces contacts.

Au vu des modes de réalisation de l'art antérieur, il existe donc un véritable besoin pour des nouvelles buses à soufflage d'arc électrique dont les matériaux constitutifs permettent de modifier le champ électrique au niveau des contacts d'arc d'un disjoncteur lorsque ce dernier est en position ouverte et ainsi de diminuer le stress électrique au niveau de ces contacts.

EXPOSÉ DE L' INVENTION

L' invention a ainsi trait à une buse à soufflage d'arc électrique pour disjoncteur, ledit disjoncteur comprenant au moins un premier contact d'arc et au moins un deuxième contact d'arc se séparant l'un de l'autre lorsque le disjoncteur est en position ouverte, la buse à soufflage entourant ledit premier contact d'arc et ledit deuxième contact d'arc, ladite buse à soufflage comprenant :

- une partie formant col délimitant un espace de coupure de l'arc électrique, lequel arc est formé par la séparation dudit premier contact d' arc et dudit deuxième contact d'arc, cette partie formant col ayant son volume interne occlus par ledit premier contact d'arc lorsque le disjoncteur est en position fermée et formant un espace de séparation entre ledit premier contact d'arc et ledit deuxième contact d'arc, lorsque le disjoncteur est en position ouverte ;

- une partie d'extrémité amont et une partie d'extrémité avale séparée par ladite partie formant col et liées à cette dernière, l'extrémité du premier contact d'arc se trouvant à hauteur de la partie d'extrémité avale et l'extrémité du deuxième contact d' arc se trouvant à hauteur de la partie d'extrémité amont, lorsque le disjoncteur est en position ouverte,

caractérisée en ce que la partie formant col comprend un matériau polymérique fluoré présentant une permittivité relative allant de 1,9 à 3 et la partie d'extrémité amont et la partie d'extrémité avale comprennent un matériau polymérique fluoré présentant une permittivité relative allant de 3,5 à 10, de préférence de 5 à 7. La permittivité relative mentionnée ci- dessus est une grandeur sans dimension, qui peut être définie par les relations suivantes : ε _Γ = ε/εο avec ε= (e*C)/S et ε ₀ = (l/36n*10 ⁹ ) dans lesquelles :

*s _r correspond à la permittivité relative du matériau ;

*ε correspond à la permittivité absolue (en F. m ^-1 ) du matériau ;

* £ o correspond à la permittivité du vide (en

F. m ^"1 ) ;

*C correspond à la capacité mesurée (en F) d'un condensateur plan comprenant deux électrodes parallèles entre lesquelles est disposée une couche du matériau (cette couche correspondant à une éprouvette) ;

*e correspond à la distance interélectrode (en m) entre les deux électrodes parallèles du condensateur plan, ce qui correspond, dans notre cas, à l'épaisseur de la couche de matériau ;

*S correspond à la surface de chaque électrode constitutive du condensateur en plan (en m ² ) .

Dans notre cas, la capacité est mesurée par une méthode impliquant un pont de Schering, conformément à ce qui est décrit dans la norme CEI 60250-edl.O, le condensateur comprenant deux électrodes circulaires d'un diamètre allant de 50 mm à 54 mm, solidaires de l'éprouvette constituée du matériau, ces électrodes étant obtenues par pulvérisation d'une peinture conductrice avec un dispositif de garde. L'éprouvette présente des dimensions de 100 mm*100 mm et une épaisseur de 3 mm. La surface des électrodes circulaires correspond à la grandeur S mentionnée ci- dessus, tandis que la distance interélectrode correspond à la grandeur e, qui est de 3 mm (ce qui correspond à l'épaisseur de l'éprouvette de matériau) .

La capacité est mesurée sous un niveau d'excitation de 500 V (R.M.S) à une fréquence de 50 Hz sous une température de 23°C à 50% d'humidité relative. La durée d'application de la tension susmentionnée est de 1 minute.

Lors de la séparation des contacts d'arc, il se forme un arc électrique entre les extrémités desdits contacts d'arc, cet arc électrique passant par l'espace délimité par la partie formant col susmentionnée, cet arc électrique générant des lignes de champ électriques concentriques entre les deux extrémités des contacts d'arc.

En utilisant un matériau de permittivité telle que définie ci-dessus pour entrer dans la composition de la partie formant col, l'on assiste à une concentration des lignes de champs sur cette partie par rapport aux parties d'extrémité avale et amont susmentionnées à hauteur desquelles se trouvent les extrémités des contacts d'arc après séparation, lorsque le disjoncteur est en position ouverte, et ainsi à un stress électrique moindre au niveau de ces contacts d'arc électrique.

En d'autres termes, l'augmentation de la permittivité relative des parties d'extrémité amont et avale par rapport à celle de la partie formant col a pour effet de diminuer la valeur du champ électrique au niveau des contacts d'arc, qui, après ouverture, se trouvent à hauteur respectivement de la partie d'extrémité amont et de la partie d'extrémité avale. La diminution de la valeur du champ électrique au niveau des contacts d'arc permet une meilleure isolation électrique entre les contacts d'arc.

Le matériau polymérique fluoré entrant dans la composition de la partie formant col et le matériau polymérique fluoré entrant dans la composition des parties d'extrémité avale et amont répondant à la spécificité mentionnée ci-dessus en terme de permittivité relative peuvent être des matériaux polymériques composites comprenant une matrice de base polymérique fluorée et une charge inorganique appropriée de nature à conférer la permittivité relative adéquate.

La matrice de base polymérique fluoré peut être avantageusement une matrice en polymère fluoré, qui peut être identique pour la partie formant col et les parties avale et amont. Elle peut être notamment en un polymère fluoré choisi parmi les polytétrafluoroéthylènes (connus sous l'abréviation PTFE) , les copolymères d' éthylène et de tétraéthylène (connus sous l'abréviation ETFE) , les polyfluorures de vinylidène (connus sous l'abréviation PVDF) et les mélanges de ceux-ci.

La charge entrant dans la composition du matériau composite constitutif de la partie formant col peut être choisie parmi les charges inorganiques du type sulfure, telles que M0S ₂ , Sb ₂ S ₅ , Sb ₂ S ₃ et les mélanges de ceux-ci, les charges inorganiques du type fluorure, les charges inorganiques du type oxyde, telles que Si0 ₂ , Ti0 ₂ , A1 ₂ 0 ₃ , Al ₂ Co0 ₄ , P ₂ 0 ₅ et les mélanges de ceux-ci, et les mélanges de celles-ci.

Avantageusement, la charge entrant dans la composition du matériau est une charge de haute pureté chimique, pouvant se présenter sous forme de particules présentant un diamètre moyen de particules allant de 0,1 ym à 100 ym, cette charge étant avantageusement répartie de façon homogène dans le matériau composite.

La charge entrant dans la composition du matériau composite constitutif de la partie formant col peut être présente dans ledit matériau à hauteur de 0, 01 à 35% en masse par rapport à la masse totale du matériau .

La proportion massique de charge dans le matériau composite pourra être fixée par l'homme du métier de sorte à obtenir un matériau composite présentant les valeurs de permittivité relative mentionnées ci-dessus.

En particulier, un matériau susceptible d'entrer dans la constitution de la partie formant col peut être un matériau composite comprenant une matrice polymérique en polytétrafluoroéthylène comprenant une charge inorganique MoS ₂ à une teneur allant de 0,01% à 0,5% en masse par rapport à la masse totale du matériau .

Des exemples spécifiques et avantageux de matériaux de ce type susceptibles d'entrer dans la constitution de la partie formant col peuvent être :

*un matériau composite comprenant une matrice polymérique en polytétrafluoroéthylène comprenant une charge inorganique M0 S ₂ à hauteur de 0,01 à 1% en masse par rapport à la masse totale du matériau et une charge inorganique S 1O ₂ à hauteur de 0,01 à 5% en masse par rapport à la masse totale du matériau ;

*un matériau composite comprenant une matrice polymérique en polytétrafluoroéthylène comprenant une charge inorganique M0 S ₂ à hauteur de 0,01 à 1% en masse par rapport à la masse totale du matériau, de préférence de 0,01 à 0,5% en masse par rapport à masse totale du matériau et une charge inorganique AI ₂ C0O ₄ à hauteur de 0,01 à 5% en masse par rapport à la masse totale du matériau.

La charge entrant dans la composition du matériau composite constitutif des parties d'extrémité avale et amont peut être choisie parmi les charges inorganiques du type fluorure, telles que CaF ₂ , les charges inorganiques du type mica, en particulier du type mica muscovite (tel que du mica potassique) , les charges inorganiques du type verre, par exemple sous forme de fibres de verre, les charges inorganiques du type céramique, telles que qu'un mélange Βΐ ₂ θ ₃ -ΖηΟ- b ₂ Û ₃ , du graphite et des mélanges de celles-ci. La charge entrant dans la composition du matériau composite constitutif des parties d'extrémité avale et amont peut être présente dans ledit matériau à hauteur de 10 à 35% en masse par rapport à la masse totale du matériau.

Des exemples spécifiques et avantageux de matériaux susceptibles d'entrer dans la constitution des parties d'extrémité avale et amont peuvent être :

*un matériau composite comprenant une matrice polymérique en polytétrafluoroéthylène comprenant une charge inorganique CaF ₂ à hauteur de 15 à 35% en masse, avantageusement de 15 à 20% en masse, par rapport à la masse totale du matériau ;

*un matériau composite comprenant une matrice polymérique en polytétrafluoroéthylène comprenant une charge inorganique du type mica muscovite (tel que du mica potassique) à hauteur de 15 à 25% en masse par rapport à la masse totale du matériau ;

*un matériau composite comprenant une matrice polymérique en polytétrafluoroéthylène comprenant une charge inorganique du type verre, par exemple sous forme de fibres de verre, à hauteur de 20% en masse par rapport à la masse totale du matériau et comprenant du graphite à hauteur de 5% en masse par rapport à la masse totale du matériau.

Les buses à soufflage d'arc de l'invention peuvent être conçues par moulage (par exemple, un moulage hydraulique ou un moulage isostatique) de mélange de poudres comprenant une poudre de polymère et une poudre de charge destinées à entrer dans la constitution des matériaux composites constitutifs des différentes parties de la buse suivie d'un frittage des différentes parties moulées de sorte à les consolider.

Ainsi, selon un premier mode de réalisation, les buses à soufflage d'arc de l'invention peuvent être réalisées par un procédé comprenant les étapes suivantes :

-une étape de préparation d'un premier mélange de poudres comprenant une poudre de polymère et une poudre de charge inorganique destinée à entrer dans la constitution de la partie d'extrémité avale ou amont et d'un deuxième mélange de poudres comprenant une poudre de polymère et une poudre de charge inorganique destinées à entrer dans la constitution de la partie formant col ;

-une étape de mise en place dans un moule de forme adaptée pour conférer la forme souhaitée à la pièce dudit premier mélange de poudres comprenant une poudre de polymère et une poudre de charge inorganique destinée à entrer dans la constitution de la partie d'extrémité avale ou amont ;

-une étape de compression dudit premier mélange de poudres, moyennant quoi l'on obtient une préforme de la partie d'extrémité avale ou amont de la buse ;

-une étape de mise en place dans ce même moule dudit deuxième mélange de poudres comprenant une poudre de polymère et une poudre de charge inorganique destinées à entrer dans la constitution de la partie formant col, ce deuxième mélange étant en contact avec la préforme obtenue à l'issue de l'étape précédente ; -une étape de compaction dudit deuxième mélange de poudres, moyennant quoi l'on obtient une préforme de la partie formant col ;

-une étape de mise en place dans ce même moule d'un troisième mélange de poudres comprenant une poudre de polymère et une poudre de charge inorganique destinée à entrer dans la constitution de la partie avale, si le premier mélange susmentionné était destiné à constituer la partie d'extrémité amont, ou de la partie amont, si le premier mélange susmentionnée était destiné à constituer la partie d'extrémité avale, ce troisième mélange étant en contact avec la préforme de la partie formant col ;

-une étape de compaction dudit troisième mélange de poudres, moyennant quoi l'on obtient une préforme de la partie d'extrémité avale ou amont ;

l'ensemble résultant de ces étapes étant une préforme de la buse de soufflage ; et

-une étape de frittage de la préforme de la buse de soufflage.

La pièce issue du frittage de la préforme de la buse de soufflage, si elle ne présente pas les dimensions requises pour la buse à soufflage finale, peut être soumise à une étape d'usinage.

Selon un deuxième mode de réalisation, les buses à soufflage d'arc de l'invention peuvent être réalisées par un procédé comprenant des étapes de formation indépendantes par moulage de poudres des trois parties de la buse suivie d'une étape d'assemblage par frittage des trois parties, cette étape d'assemblage par frittage pouvant consister à interposer entre les parties à assembler une couche de poudre de polymère suivie d'une compression par frittage pour assembler lesdites parties.

Enfin, l'invention a également trait à un disjoncteur haute - ou moyenne-tension comprenant au moins un premier contact d' arc et au moins un deuxième contact d' arc et une buse à soufflage d' arc électrique telle que définie ci-dessus.

L' invention va à présent être décrite en référence au mode particulier de réalisation fourni ci- dessous et donné à titre illustratif et non limitatif.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La figure unique représente une buse selon l'invention représentée dans une vue partielle d'un disjoncteur montrant les contacts d'arc électrique, lorsque le disjoncteur est en position ouverte.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Ce mode de réalisation particulier va être décrit en référence à la figure 1 fournie en annexe représentant selon une coupe transversale une buse à soufflage d'arc électrique conforme à l'invention.

En se référant à la figure 1, on voit partiellement un disjoncteur et plus particulièrement les pièces de contact d'arc et la buse de soufflage d'arc de l'invention.

On voit ainsi un premier contact d'arc 1 creux, dit contact d'arc mobile et un deuxième contact d'arc 3 plein, lequel deuxième contact d'arc 3 pénètre dans le premier contact d'arc 1, lorsque le disjoncteur est en position fermée.

Lorsque le disjoncteur est en position ouverte, ce qui est le cas sur la figure 1, les contacts 1 et 3 se séparent, générant ainsi la formation d'un arc électrique au moment de leur séparation et jusqu'à la coupure définitive de cet arc électrique .

La buse à soufflage d' arc représentée sur cette figure comprend une partie formant col 5, c'est- à-dire une partie de section intérieure rétrécie par rapport aux autres parties de la buse, cette partie formant col assurant la séparation entre une partie amont 7 et une partie avale 9. A l'endroit de la partie formant col, le volume interne est de forme cylindrique et, en position fermée du disjoncteur, il est bouché par le contact d'arc fixe 3 ainsi que pendant quelques millisecondes après la séparation des contacts.

La partie amont 7 entoure le premier contact mobile. Entre le premier contact d'arc mobile et la paroi de cette partie amont est disposé un canal de circulation 11 d'un gaz extincteur, qui permet l'acheminement de ce gaz à l'entrée du col et l'extinction de l'arc électrique formé entre le premier contact d'arc et le deuxième contact d'arc à l'entrée de ce col.

La partie avale 9 comprend une première partie conique 9a succédant immédiatement au col, cette partie conique étant suivie d'une deuxième partie cylindrique 9b. Il s'entend que conformément à l'invention, la partie formant col comprend un matériau polymérique présentant une permittivité relative allant de 1,9 à 3.

La longueur des différentes parties est déterminée de sorte que, lorsque le disjoncteur est en position ouverte se matérialisant par la formation d'un arc électrique, l'extrémité du premier contact est en vis-à-vis de la partie cylindrique 9b, qui est en un matériau présentant une permittivité relative allant de 3,5 à 10 tandis que l'extrémité du deuxième contact d'arc est en vis-à-vis de la partie amont qui est en un matériau polymérique présentant une permittivité relative allant de 3,5 à 10.

Une buse particulière conforme à l'invention peut être une buse pour laquelle :

-la partie formant col est constituée d'un matériau composite comprenant une matrice en polytétrafluoroéthylène (PTFE) et une charge M0S ₂ à hauteur de moins de 0, 5% (et plus de 0, 01%) en masse par rapport à la masse totale du matériau (cette partie présentant une valeur de permittivité relative allant de 1 , 9 à 2 , 2 ) ;

-les parties d'extrémité amont et d'extrémité avale sont constituées d'un matériau composite comprenant une matrice en polytétrafluoroéthylène (PTFE) et une charge CaF ₂ à hauteur de 15 à 20% en masse par rapport à la masse totale du matériau (ces parties présentant une valeur de permittivité relative allant de 3,5 à 4. Les buses de l'invention permettent grâce au choix de matériau spécifique constitutif des parties d'extrémité amont et d'extrémité avale de diminuer la valeur du champ électrique au niveau des contacts d' arc et grâce au choix de matériau spécifique constitutif de la partie formant col de faciliter la coupure de l'arc électrique, par exemple, grâce aux propriétés optiques de ce matériau.