EP0184566A1 - Disjoncteur hyper rapide assisté par semi-conducteurs - Google Patents

Disjoncteur hyper rapide assisté par semi-conducteurs Download PDF

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EP0184566A1
EP0184566A1 EP85870134A EP85870134A EP0184566A1 EP 0184566 A1 EP0184566 A1 EP 0184566A1 EP 85870134 A EP85870134 A EP 85870134A EP 85870134 A EP85870134 A EP 85870134A EP 0184566 A1 EP0184566 A1 EP 0184566A1
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repulsion
circuit breaker
circuit
coil
breaker according
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René Lesceux
Henri Bonhomme
Georges Defosse
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Alstom Belgium SA
Original Assignee
Ateliers de Constructions Electriques de Charleroi SA
ACEC Transport SA
ACEC SA
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    • H01H33/91—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being produced or increased by movement of pistons or other pressure-producing parts this movement being effected by or in conjunction with the contact-operating mechanism the arc-extinguishing fluid being air or gas

Definitions

  • This invention relates to a hyper fast current limiting circuit breaker usable at medium voltage and more particularly suitable for electric traction with direct current in rolling stock or fixed equipment.
  • the device according to the invention eliminates the aforementioned drawbacks by avoiding the formation of a significant arc thanks to the complementary use of semiconductors and of a specific mechanism much faster still, called thereafter hyper fast mechanism.
  • US Patents 3723922 and US 3764944 describe a mechanism intended for a synchronous breaking device, for alternating network, in which the axial displacement of a disc connected to a movable contact bridge by a central shaft is obtained by repulsion using of spiral-shaped coils excited by a large current from the discharge of a capacitor specially designed for this use.
  • This device designed for high voltage in alternating current, works under a high vacuum. It uses complex manufacturing excitation coils and special devices for decelerating the central shaft. 29.26 / 1961.
  • the cut-off, without significant arc is obtained by the addition of an oscillating circuit, controlled by semiconductors and the inductor of which is used as a repulsion coil, to a super fast mechanism with electromagnetic holding in which the same element acts both as a repulsion disc and as a movable contact bridge.
  • the invention is characterized in that the separation of the contacts is obtained without significant delay as soon as the repulsion effort appears.
  • This repulsion effort quickly takes on considerable importance without requiring significant storage of energy in mechanical form (for example the deformation of springs or the pressurization of a fluid).
  • the opening delay is defined as the time that elapses between the start of the opening order and the moment when the movable contacts start to move away from the fixed contacts.
  • the opening speed must above all be important at the start of the race to quickly obtain a sufficient distance.
  • FIG. 1 shows the diagram used according to the invention
  • a switching device 1 is represented by an input terminal 2 located at A, an output terminal 3 located at B, a movable contact bridge 4,4 'and contacts fixed 5.5 ′.
  • This device is mounted in an external circuit 6 represented by the annotated elements L R and R R and supplied by a voltage source U represented at 7. Between the terminals 2 and 3 of the circuit breaker 1 are arranged the elements constituting an assistance circuit 8.
  • This assistance circuit is an oscillating circuit which comprises, a capacity 9, a choke 10, and semiconductors 11 and 12.
  • the discharge of the capacitor of the assistance circuit corresponds to the injection of a current warhead circulating in opposite direction of the current to be interrupted.
  • the fault current I def . reaches the value of the trigger threshold I sd .
  • the thyristor 11 is started by a detection system, not shown, placed in the main circuit 6.
  • a current warhead I i arises in the circuit formed by the capacitor 9, the choke 10 which, according to the invention, serves as a repulsion coil, the thyristor 11, the fixed contacts 5.5 ′ and the movable contact bridge 4.4 '.
  • This current warhead I i of several thousand amperes traverses the repulsion coil 10 of spiral shape and induced in a disc forming the movable contact bridge 4,4 ′ of currents such that this disc is violently repelled by the repulsion coil .
  • the choke 10 of the assistance circuit shown in FIG. 1 is fully or partially integrated into the device, and that the ignition of the thyristor 11 is controlled as soon as the fault circuit I def . reaches the value of the trigger threshold I sd .
  • the breaking device 1 is bidirectional, that is to say that it can be used by a current flowing from left to right as shown in FIG. 1 or for a current flowing in both directions according to the principle diagram explained later in FIG. 6.
  • a first imperative condition is to obtain a sufficiently short opening delay. In fact, it can be seen in FIG. 2 that the longer this opening delay, the greater the current to be cut.
  • a second imperative condition is to achieve a high opening speed.
  • the higher the opening speed the more quickly the inter-electrode space covers sufficient dielectric strength, capable of withstanding the rise in voltage between A and B when the capacitor 9 is recharged.
  • a third imperative condition is that the synchronization between the opening phase of the contacts and the sending of the antagonistic current takes place in a certain manner throughout the lifetime of the device.
  • Figure 3 shows the hyper fast mechanism of the circuit breaker according to our invention.
  • this mechanism consists of an insulating boot 20 of cylindrical shape, inside which slides a piston 21 guided in its center by a shaft 22.
  • the piston 21 is
  • the piston 21 is provided with an excitation winding called holding bohinage 25 concentric with a magnetic yoke 26 with which it collaborates.
  • the piston 21 normally in the high position under the action of the engagement spring 24 can be pushed down on the action of compressed air admitted into the top of the insulating housing 20 by an orifice 27.
  • the central shaft 22 carries at its lower end an armature 28 collaborating according to a work mode developed subsequently with
  • a recess made in the magnetic yoke 26 accommodates a spring called armature spring 29 for pushing the armature 28 when the magnetic attraction due to the retaining coil ceases 25.
  • Damping buffers 30 dampen the
  • a seal 32 seals between the piston 21 and the central shaft 22 which serves as a guide.
  • a third gasket 32 "seals between the piston 21 and the insulating housing 20 acting as a cylinder.
  • the central shaft 22 has in its upper part a reduction of diameter which serves as a shoulder for a disc called a repulsion disc 34.
  • This repulsion disc 34 is made of light alloy. In the embodiment this repulsion disc has a diameter equal to that of the insulating housing 20 and has on its upper side a bevel on which are arranged two contact elements identified at 35 and 36 and subse - surely called movable contacts 35 and 36.
  • the movable contacts 35 and 36 are diametrically opposite and are
  • the movable contacts 35 and 36 collaborate with contact pads identified at 37 and 38 and subsequently called fixed contacts 37 and 38.
  • These fixed contacts 37 and 38 are respectively integral with an input terminal 39 and an output terminal 40.
  • the super fast mechanism is also characterized by the fact that the repulsion disc 34 also acts as a contact bridge between the fixed contacts 37 and 38.
  • the two terminals 39 and 40 carry lugs 41 and 42 used to connect the cables of the main circuit.
  • terminals 39 and 40 are adjacent to the insulating box 20 by elements shown schematically.
  • an insulating mass 43 traversed in its center by the end of the central shaft 22.
  • the underside of the insulating mass 43 carries a cavity 44 in which is inserted a coil of spiral shape called coil repulsion 45.
  • This repulsion coil 45 is secured to the insulating mass 43 by an impregnating resin forming an insulating layer 46.
  • the insulating mass 43 is pierced with a central hole allowing the central shaft 22 to open outwards and is provided with a cavity in which is housed a spring called disc spring 47 serving to maintain the repulsion disc 34 in its low position.
  • a damper 48 dampens the end of travel of the repulsion disc 34 downwards.
  • the super fast mechanism shown in FIG. 3 as an exemplary embodiment according to the invention operates in the following manner. At the start, let us consider the open contacts, this position corresponds to the left part of FIG. 3 showing the movable contact 35 separated from the fixed contact 37.
  • the magnetic cylinder head 26 comes into contact with the armature 28.
  • the armature 28 is electromagnetically secured to the magnetic cylinder head 26.
  • the engaging spring 24 is allowed to push the piston 21 upwards at a controlled speed.
  • the armature 28 and the magnetic yoke 26 allows the central shaft 22 integral with the armature 28 to rise by driving the repulsion disc 34 upwards.
  • the movable contacts 35 and 36 are applied to the fixed contacts 37, 38 and the repulsion disc 34 acts as a contact bridge.
  • the super fast mechanism is then in the closed state.
  • the interlocking maneuver is a maneuver which takes place without using the phenomenon of electrodynamic repulsion.
  • the triggering maneuver is extraordinarily rapid following the very violent electrodynamic repulsion which makes it possible to reduce the opening time in a ratio of another order of magnitude.
  • the repulsion effort is sudden and violent, it corresponds to a real "Hammer blow which makes the electromagnetic lock established between the magnetic yoke 26 and the armature 28 jump.
  • the repulsion effort is of an order of magnitude much higher than that of the electromagnetic holding effort. It should be noted that in the exemplary embodiment of our invention presented in FIG. 3 and contrary to the other embodiments currently known, the electrodynamic repulsion essentially uses the current coming from the discharge of the capacitor of the assistance circuit.
  • the repulsion force corresponds to a significant acceleration at the start of travel of the repulsion disc 34 allowing it to quickly move the movable contacts 35 and 36 from the fixed contacts 37 and 38.
  • the removal of the repulsion disc 34 reduces the repulsion force which contributes not to further increase the speed of removal of the repulsion disc and to reduce the impact of the repulsion disc 34 on the damper 48 .
  • the damper 48 is simply represented by a layer of deformable material. It is obvious that this shock absorber can be of a more elaborate design. There may be other exemplary embodiments according to the invention.
  • a first variant of the embodiment shown in FIG. 3 consists in securing the repulsion disc 34 to the central shaft 22 and in making the fixed contacts 37 and 38 telescopic by the conventional combination of springs ensuring the mobility of the contacts 37 and 38 and braids ensuring conductivity from the contacts 37 and 38 to the ears 41 and 42. This arrangement allows an adaptation of the repulsion disc 34 carrying the movable contacts 35 and 36 on the contacts 37 and 38 in the event of asymmetrical wear of the various contacts.
  • a second variant consists in placing the hyper-rapid mechanism shown in FIG. 3 in a sealed enclosure containing a dielectric gas, so as to favor the eventual cut-off phenomenon by an inter-electrode space of higher dielectric strength.
  • the repulsion disc 34 is provided with oblique holes 49, 50 and a peripheral skirt 51.
  • the role of the peripheral skirt 51 is twofold. It consists on the one hand, of slowing down the repulsion disc 34 at the end of the race to avoid rebounds, and on the other hand, of avoiding the lateral escape of the fluid when the repulsion disc 34 descends so as to have, leave the oblique holes 49 and 50, from an energetic blowing directed on the possible arc.
  • Yet another variant consists in tilting the fixed contacts 37, 38 and the movable contacts 35, 36 inversely to that identified in FIGS. 3 and 4. According to this variant, the inclination of the contacts would be done so that the interfaces Communes are arranged according to straight lines, which extended by thought, would have their point of intersection towards the bottom of the apparatus.
  • FIG. 5 shows a second example of the mechanism, in which the piston 21 has been modified with respect to the first example exposed in FIG. 3.
  • This modified piston will be designated subsequently at 21 '.
  • the piston 21 ' roughly retains the same structure and strictly performs the same functions as the piston 21 described in FIG. 3. Only the holding coil 25 and the magnetic yoke 26 are replaced by a permanent magnet 53 fixed, by means known, at the base of a piston body 52 whose outer diameter, unchanged with respect to FIG. 3, allows the piston 21 'to slide inside the turns of the spring 24 and whose central bore, unchanged by compared to FIG. 3, allows the piston 21 ′ to slide along the turns of the reinforcing spring 29.
  • FIG. 6 represents the block diagram used when the breaking device 1 is called to cut the current whatever the direction of the latter.
  • the diagram of FIG. 6 differs from that of FIG. 1 by the presence of a counter-electromotive force 55 in the main circuit 6 by the addition to the thyristor 11 of a diode 54 mounted in antiparallel and by the replacement of the diode 12 by a thyristor 12 'in the assistance circuit.
  • the capacitor 9 is charged as indicated in FIG. 6, that is to say having the negative polarity at terminal 2.
  • the detection system As soon as the detection system detects the fault current I def . ' it controls the triggers of thyristors 11 and 12'.
  • the capacitor 9 discharges through a circuit constituted by the repulsion coil 10, the thyristor 11, the movable contacts 4,4 'and the fixed contacts 5,5' not yet open of the breaking device 1. Following the repulsion of the contact bridge 4,4 'under the action of the repulsion coil 10, the current warhead and the fault current pass through the thyristor 12'.
  • the current warhead While the fault current flows in the main circuit 6, the current warhead oscillates sinusoidally in the assistance circuit; the capacitor 9 charges in reverse polarity, that is to say by presenting a positive polarity at the terminal 2.
  • the thyristor 12 ′ is then subjected to two antagonistic currents, on the one hand the fault current, directed from the right on the left according to FIG. 6, which increases slowly, on the other hand the current warhead, directed from left to right, which increases suddenly until the cancellation of the current in the thyristor 12 '.
  • the thyristor 12 ′ blocks and the fault current then passes through the diode 54 to recharge the capacitor 9 with a polarity again reversed, that is to say negative at terminal 2.
  • the cutoff sequence is complete.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Breakers (AREA)

Abstract

Le disjoncteur hyper rapide décrit dans l'exemple de réalisation comporte un piston 21 coulissant dans un boîtier isolant 20 et le long d'un arbre central 22. Le piston 21 est constitué d'un enroulement d'excitation 25 et d'une culasse magnétique 26 qui en collaborant avec une armature 28 solidarisent le piston 21 à l'arbre central 22 dont un épaulement permet l'accrochage d'un disque de répulsion 34. Ce dernier porte des contacts mobiles 35 et 36 qui coopèrent avec des contacts fixes 37 et 38 lorsque le piston est en position haute sous l'effet d'un ressort d'enclenchement 24. Lors d'une injection de courant dans la bobine de répulsion 45, le disque de répulsion 34 est violemment repoussé vers le bas en faisant sauter le verrou électromagnétique établi entre la culasse magnetique 26 et l'armature 28. Une admission d'air comprimé par un orifice 27 permet de descendre le piston 21.

Description

  • Cette invention est relative à un disjoncteur hyper rapide limiteur de courant utilisable en moyenne tension et plus particulièrement adapté à la traction électrique à courant continu dans le matériel roulant ou le matériel fixe.
  • Il est bien connu que les réseaux à courant continu en traction comme en industrie deviennent de plus en plus complexes et puissants. La conception des appareils de coupure doit évoluer pour couper des courants de plus en plus grands et réduire les frais de maintenance. Un appareil de coupure de la nouvelle génération doit être rapide pour limiter le courant et diminuer les sollicitations mécaniques et thermiques de toute l'installation ainsi que l'usure de ses contacts et de sa boîte de soufflage. Actuellement, les appareils de coupure, en réseau de traction, comportent des mécanismes ultra-rapides pour l'ouverture des contacts et une boîte de soufflage dans laquelle l'arc créé est confiné et refroidi. Ces appareils entraînent des frais significatifs dus aux interventions d'entretien et aux remplacements des pièces d'usure.
  • Diverses associations entre des mécanismes et des semi-conducteurs ont été proposées mais, à notre connaissance, aucune n'a débouché sur une réalisation industrielle en courant continu dans les domaines de tension qui nous intéressent, à savoir de l'ordre de 4000 Volts.
  • L'appareil, selon l'invention, élimine les inconvénients précités en évitant la formation d'un arc significatif grâce à l'utilisation complémentaire de semi conducteurs et d'un mécanisme spécifique bien plus rapide encore, appelé par la suite mécanisme hyper rapide.
  • Les brevets US 3723922 et US 3764944 décrivent un mécanisme destiné à un appareil de coupure synchrone, pour réseau alternatif, dans lequel le déplacement axial d'un disque relié à un pont de contact mobile par un arbre central est obtenu par répulsion à l'aide de bobines de forme spirale excitées par un courant important provenant de la décharge d'un condensateur spécialement prévu pour cet usage. Cet appareil, conçu pour la haute tension en courant -alternatif, travaille sous un vide poussé. Il utilise des bobines d'excitation de fabrication complexe et des dispositifs particuliers de décélération de l'arbre central. 29.26/ 1959.
  • Dans l'appareil selon notre invention, la coupure, sans arc significatif, est obtenue grâce à l'adjonction d'un circuit oscillant, commandé par semi-conducteurs et dont la self est utilisée comme bobine de répulsion, à un mécanisme hyper rapide à maintien électromagnétique dans lequel un même élément fait à la fois office de disque de répulsion et de pont de contact mobile.
  • Le mécanisme est, selon l'invention, associé à un circuit oscillant par l'intermédiaire de semi-conducteurs de puissance et comprend notamment
    • - une bobine de répulsion de forme spirale, enrobée dans une masse isolante et faisant office de self du circuit oscillant
    • - un disque métallique faisant office de pont de contact et collaborant avec la bobine de répulsion
    • - un ensemble mobile à mouvement alternatif
    • - un aimant permanent ou un bobinage de maintien et une culasse magnétique insérés dans cet ensemble mobile
    • - une armature collaborant avec la culasse magnétique en liaison avec le disque
  • L'invention se caractérise par le fait qu'on obtient la séparation des contacts sans retard significatif dès qu'apparaît l'effort de répulsion. Cet effort de répulsion prend très vite une importance considérable sans pour cela nécessiter un stockage important d'énergie sous forme mécanique (par exemple la déformation de ressorts ou la mise sous pression d'un fluide). Cette absence de stockage d'énergie sous forme mécanique, destinée uniquement à l'accélération des parties mobiles, conduit à une réduction importante des dimensions de l'appareil.
  • Dans les appareils de coupure les paramètres importants sont le retard à l'ouverture et la vitesse d'ouverture. Le retard à l'ouverture se définit comme étant le laps de temps qui s'écoule entre le début de l'ordre d'ouverture et l'instant où les contacts mobiles commencent à s'écarter des contacts fixes.
  • La vitesse d'ouverture doit surtout être importante en début de course pour obtenir rapidement une distance suffisante.
  • Compte tenu des performances actuelles des semi conducteurs, l'association d'un mécanisme et d'un circuit oscillant n'a d'intérêt que si on peut disposer d'un mécanisme dont certains temps de fonctionnement sont d'un ordre de grandeur comparable à ceux des semi conducteurs de puissance actuels.
  • Le disjoncteur selon l'invention réunit l'avantage d'une construction simple à celui d'un temps d'ouverture amélioré à un tel point qu'il atteint ces ordres de grandeur. L'amélioration des temps d'ouverture est notamment obtenue par une ogive de courant antagoniste qui commande l'ouverture des contacts mobiles sans aucune séquence de préparation. Il est présenté plus en détail à l'aide des figures suivantes :
    • La figure 1 représente un exemple du schéma de principe d'un disjoncteur à courant continu selon notre invention
    • La figure 2 illustre le fonctionnement de ce type de disjoncteur
    • La figure 3 est une vue en coupe d'un premier exemple de réalisation du mécanisme utilisé selon notre invention
    • La figure 4 montre une partie d'un autre exemple de réalisation La figure 5 est une vue en coupe d'un second exemple de réalisation du mécanisme utilisé selon notre invention.
    • La figure 6 représente un exemple du schéma de principe du disjoncteur utilisé comme élément bidirectionnel.
  • La figure 1 montre le schéma utilisé selon l'invention Un appareil de coupure 1 est représenté par une borne d'entrée 2 située en A, une borne de sortie 3 située en B, un pont de contact mobile 4,4' et des contacts fixes 5,5'.Cet appareil est monté dans un circuit extérieur 6 représenté par les éléments annotés LR et RR et alimenté par une source de tension U représentée en 7. Entre les bornes 2 et 3 du disjoncteur 1 sont disposés les éléments constitutifs d'un circuit d'assistance 8.
  • Ce circuit d'assistance est un circuit oscillant qui comporte, une capacité 9, une self 10, et des semi conducteurs 11 et 12. La décharge du condensateur du circuit d'assistance correspond à l'injection d'une ogive de courant circulant en sens inverse du courant à interrompre.
  • Le fonctionnement d'un appareil de coupure de la nouvelle génération dite hyper rapide schématisé à la figure 1 est illustré par les formes d'ondes de la figure 2.
  • A l'instant t , le courant de défaut Idéf. atteint la valeur du seuil de déclenchement Isd.
  • A l'instant tl, après un retard propre à l'électronique le thyristor 11 est amorcé par un système de détection, non représenté, placé dans le circuit principal 6.
  • Une ogive de courant Ii prend naissance dans le circuit formé par le condensateur 9, la self 10 qui, selon l'invention, sert de bobine de répulsion, le thyristor 11, les contacts fixes 5,5' et le pont de contact mobile 4,4'. Cette ogive de courant Ii de plusieurs milliers d'ampères parcourt la bobine de répulsion 10 de forme spirale et induit dans un disque formant le pont de contact mobile 4,4' des courants tels que ce disque est violemment repoussé par la bobine de répulsion.
  • A partir de l'instant tl, le courant Idéf. commence à décroitre. A l'instant t2, dès que l'effort de répulsion est suffisant, le pont de contact 4,4' s'ouvre.
  • A l'instant t3 l'ogive de courant Ii croise la courbe du courant de défaut Idéf., le courant Idéf. passe par zéro et est interrompu. Le surplus de l'ogive de courant I. trouve alors un chemin de moindre impédance au travers de la diode 12.
  • A partir de l'instant t4, le courant dans la diode 12 s'annule. A l'instant t5 le courant de défaut s'annule marquant l'achèvement du processus de coupure.
  • Il est à signaler que dans cette conception, la self 10 du circuit d'assistance montré en figure 1 est intégrée en tout ou partie dans l'appareil, et que l'allumage du thyristor 11 est commandé dès que le circuit de défaut Idéf. atteint la valeur du seuil de déclenchement Isd.
  • Le fait que l'ogive de courant soit produite par un circuit oscillant permet à l'appareil de coupure 1 d'être bidirectionnel c'est-à-dire quiil peut être utilisé par un courant circulant de gauche à droite comme représenté en figure 1 ou pour un courant circulant dans les deux sens selon le schéma de principe exposé ultérieurement en figure 6. Dans cette nouvelle génération d'appareils, une première condition impérative est d'obtenir un retard d'ouverture suffisamment court. En effet on peut voir, sur la figure 2, que plus ce retard d'ouverture est long, plus le courant à couper est important.
  • Une seconde condition impérative est de réaliser une grande vitesse d'ouverture. Plus la vitesse d'ouverture est grande, plus rapidement l'espace inter-électrodes recouvre une rigidité diélectrique suffisante, apte à supporter la remontée de tension entre A et B lorsque le condensateur 9 se recharge. D'autre part, plus le temps pendant lequel la diode 12 doit conduire est grand, plus le condensateur 9 doit être important.
  • Une troisième condition impérative est que la synchronisation entre la phase d'ouverture des contacts et l'envoi du courant antagoniste se fasse de manière certaine pendant toute la durée de vie de l'appareil.
  • La figure 3 montre le mécanisme hyper rapide du disjoncteur selon notre invention.
  • Dans l'exemple de réalisation décrit, ce mécanisme se compose d'un bottier isolant 20 de forme cylindrique, à l'intérieur duquel coulisse un piston 21 guidé en son centre par un arbre 22. Le piston 21 est
  • muni d'un épaulement périphérique 23 servant d'assise à un ressort appelé ultérieurement ressort d'enclenchement 24 dont l'autre extrémité s'appuie dans le fond du boitier isolant 20. Le piston 21 est muni d'un enroulement d'excitation appelé bohinage de maintien 25 concentrique à une culasse magnétique 26 avec laquelle il collabore.
  • Le piston 21 normalement en position haute sous l'action du ressort d'enclenchement 24 peut être repoussé vers le bas sur l'action d'air comprimé admis dans le haut du boitier isolant 20 par un orifice 27. L'arbre central 22 porte à son extrémité inférieure une armature 28 collaborant suivant un mode de travail développé ultérieurement avec
  • la culasse magnétique 26. Un évidement fait dans la culasse magnétique 26 permet de loger un ressort appelé ressort d'armature 29 pour repousser l'armature 28 lorsque cesse l'attraction magnétique due au bobinage de maintien 25. Des tampons amortisseurs 30 amortissent la
  • fin de course du piston 21 vers le haut et d'autres tampons amortisseurs 31 amortissent la fin de course de l'armature 28 vers le bas. Un joint d'étanchéité 32 assure l'étanchéité entre le piston 21 et l'arbre central 22 qui lui sert de guide.
  • Un second joint d'étanchéité 32' assure l'étanchéité entre l'arbre central 22 et un couvercle 33 coiffant le boitier isolant 20. Un troisième joint d'étanchéité 32" assure l'étanchéité entre le piston 21 et le boitier isolant 20 faisant office de cylindre. L'arbre central 22 présente dans sa partie supérieure une réduction de diamètre qui sert d'épaulement à un disque appelé disque de répulsion 34,. Ce disque de répulsion 34 est réalisé en alliage léger. Dans l'exemple de réalisation ce disque de répulsion est d'un diamètre égal à celui du boîtier isolant 20 et présente sur sa face supérieure un biseau sur lequel sont disposés deux éléments de contact repérés en 35 et 36 et ultérieu- rement appelés contacts mobiles 35 et 36.
  • Les contacts mobiles 35 et 36 sont diamètralement opposés et sont
  • étroitement solidarisés au disque de répulsion 34. Les contacts mobiles 35 et 36 collaborent avec des pastilles de contacts repérées en 37 et 38 et ultérieurement appelées contacts fixes 37 et 38.
  • Ces contacts fixes 37 et 38 sont respectivement solidaires d'une borne d'entrée 39 et d'une borne de sortie 40.
  • Selon l'invention, le mécanisme hyper rapide est aussi caractérisé par le fait que le disque de répulsion 34 fait également office de pont de contact entre les contacts fixes 37 et 38.
  • Les deux bornes 39 et 40 portent des oreilles 41 et 42 servant au raccordement des câbles du circuit principal.
  • Ces bornes 39 et 40 sont attenantes au boitier isolant 20 par des éléments représentés de façon schématique.
  • Entre les bornes 39 et 40 est disposée une masse isolante 43 traversée en son centre par l'extrémité de l'arbre central 22. La face inférieure de la masse isolante 43 porte une cavité 44 dans laquelle est insérée une bobine de forme spirale appelée bobine de répulsion 45. Cette bobine de répulsion 45 est solidarisée à la masse isolante 43 par une résine d'imprégnation formant une couche isolante 46. La masse isolante 43 est percée d'un trou central laissant déboucher l'arbre central 22 vers l'extérieur et est nantie d'une cavité dans laquelle se loge un ressort appelé ressort de disque 47 servant à maintenir le disque de répulsion 34 dans sa position basse.
  • Un amortisseur 48 amortit la fin de course du disque de répulsion 34 vers le bas.
  • Le mécanisme hyper rapide représenté en figure 3 comme un exemple de réalisation selon l'invention fonctionne de la manière suivante. Au départ, considérons les contacts ouverts, cette position correspond à la partie gauche de la figure 3 montrant le contact mobile 35 écarté du contact fixe 37.
  • L'admission d'air comprimé dans la partie haute du boitier isolant 20 par l'orifice 27 force le piston 21 à descendre en comprimant le ressort d'enclenchement 24 et le ressort d'armature 29.
  • En fin de course du piston 21, la culasse magnétique 26 entre en contact avec l'armature 28. En excitant le bobinage de maintien 25 on solidarise électromagnétiquement l'armature 28 à la culasse magnétique 26. En réduisant progressivement la pression d'air comprimé dans la partie supérieure du boitier isolant 20, on permet au ressort d'enclenchement 24 de repousser le piston 21 vers le haut à vitesse contrôlée. Le verrouillage électromagnétique existant entre
  • l'armature 28 et la culasse magnétique 26 permet à l'arbre central 22 solidaire de l'armature 28 de remonter en entraînant le disque de répulsion 34 vers le haut. Les contacts mobiles 35 et 36 s'appliquent sur les contacts fixes 37,38 et le disque de répulsion 34 fait office de pont de contacts. Le mécanisme hyper rapide est alors à l'état fermé. Le parcours du courant continu passant successivement par l'oreille 41, la borne d'entrée 39 et sa pastille de contact appelée contact fixe 37, l'élément de contact appelé contact mobile 35, le disque de répulsion 34 faisant office de pont de contact mobile, l'élément de contact appelé contact mobile 36, la pastille de contact appelée contact fixe 38, la borne de sortie 40 et l'oreille 42 ou inversement.
  • La manoeuvre d'enclenchement est une manoeuvre qui s'opère sans faire appel au phénomène de répulsion électrodynamique. Par contre la manoeuvre de déclenchement est d'une rapidité extraordinaire suite à la répulsion électrodynamique, très violente qui permet de réduire le temps d'ouverture dans un rapport d'un autre ordre de grandeur. L'effort de répulsion est brusque et violent, il correspond à un véritable " Coup de marteau qui fait sauter le verrou électromagnétique établi entre la culasse magnétique 26 et l'armature 28.
  • En effet, l'effort de répulsion est d'un ordre de grandeur très supérieur à celui de l'effort de maintien électromagnétique. Il est à remarquer que dans l'exemple de réalisation de notre invention présenté à la figure 3 et à l'encontre des autres réalisations connues actuellement la répulsion éléctrodynamique utilise essentiellement le courant provenant de la décharge du condensateur du circuit d'assistance.
  • On peut imaginer d'autres dispositifs où l'action du courant de décharge du condensateur est combinée à l'action du courant de passage dans le circuit principal pour renforcer la répulsion électrodynamique. L'effort de répulsion correspond à une accélération importante en début de course du disque de répulsion 34 lui permettant d'écarter rapidement les contacts mobiles 35 et 36 des contacts fixes 37 et 38.
  • Par après, l'éloignement du disque de répulsion 34 réduit l'effort de répulsion ce qui contribue à ne pas augmenter davantage la vitesse d'éloignement du disque de répulsion et à réduire l'impact du disque de répulsion 34 sur l'amortisseur 48.
  • Dans l'exemple de réalisation de la figure 3 l'amortisseur 48 est simplement représenté par une couche de matériau déformable. Il est évident que cet amortisseur peut être de conception plus élaborée. Il peut y avoir d'autres exemples de réalisation selon l'invention. Une première variante à la réalisation exposée à la figure 3 consiste à solidariser le disque de répulsion 34 à l'arbre central 22 et à rendre télescopiques les contacts fixes 37 et 38 par la combinaison classique de ressorts assurant la mobilité des contacts 37 et 38 et de tresses assurant la conductibilité depuis les contacts 37 et 38 jusqu'aux oreilles 41 et 42. Cette disposition permet une adaptation du disque de répulsion 34 portant les contacts mobiles 35 et 36 sur les contacts 37 et 38 en cas d'usure dissymétrique des différents contacts.
  • Une seconde variante consiste à disposer le mécanisme hyper rapide montré en figure 3 dans une enceinte étanche contenant un gaz diélectrique, de façon à favoriser le phénomène de coupure éventuelle par un espace inter-électrodes de plus haute rigidité diélectrique.
  • Une troisième variante est représentée en partie suivant la figure 4. Dans cet autre exemple de réalisation, le disque de répulsion 34 est muni de trous obliques 49,50 et d'une jupe périphérique 51. Le rôle de la jupe périphérique 51 est double. Il consiste d'une part, à ralentir le disque de répulsion 34 en fin de course pour éviter des rebondissements, et d'autre part, à éviter l'échappement latéral du fluide lorsque le disque de répulsion 34 descend de manière à disposer, au sortir des trous obliques 49 et 50, d'un soufflage énergique dirigé sur l'arc éventuel.
  • Une autre variante encore, consiste à incliner les contacts fixes 37, 38 et les contacts mobiles 35,36 de façon inverse à celle repérée dans les figures 3 et 4. Selon cette variante, l'inclinaison des contacts se ferait de manière que les interfaces communes se disposent selon des segments de droites, qui prolongés par la pensée, auraient leur point d'intersection vers le bas de l'appareil.
  • Cette disposition permettrait notamment d'avoir, au sortir des trous obliques, tels que représentés en 49 et 50 de la figure 4, des jets du fluide dirigés de manière à étirer et refroidir l'arc éventuel de façon plus efficace encore.
  • La figure 5 montre un second exemple du mécanisme, dans lequel, le piston 21 a été modifié par rapport au premier exemple exposé à la figure 3. Ce piston modifié sera ultérieurement désigné en 21'. Le piston 21'conserve grosso-modo la même structure et assure strictement les mêmes fonctions que le piston 21 décrit en figure 3. Seuls, le bobinage de maintien 25 et la culasse magnétique 26 sont remplacés par un aimant permanent 53 fixé, par des moyens connus, à la base d'un corps de piston 52 dont le diamètre extérieur, inchangé par rapport à la figure 3, permet le coulissement du piston 21' à l'intérieur des spires du ressort 24 et dont l'alésage central, inchangé par rapport à la figure 3, permet le coulissement du piston 21', le long des spires du ressort d'armature 29.
  • La figure 6 représente le schéma de principe utilisé lorsque l'appareil de coupure 1 est appelé à couper le courant quelle que soit la direction de ce dernier. Le schéma de la figure 6 se distingue de celui de la figure 1 par la présence d'une force contre-électromotrice 55 dans le circuit principal 6 par l'adjonction au thyristor 11 d'une diode 54 montée en antiparallèle et par le remplacement de la diode 12 par un thyristor 12' dans le circuit d'assistance.
  • Supposons qu'au temps initial, considéré pour l'analyse de la séquence, le condensateur 9 soit chargé comme indiqué en figure 6 c'est-à-dire présentant la polarité négative à la borne 2.
  • Dès que le système de détection décèle le courant de défaut Idéf.' il commande les gâchettes des thyristors 11 et 12'. Le condensateur 9 se décharge à travers un circuit constitué par la bobine de répulsion 10, le thyristor 11, les contacts mobiles 4,4' et les contacts fixes 5,5' non encore ouverts de l'appareil de coupure 1. Suite à la répulsion du pont de contact 4,4' sous l'action de la bobine de répulsion 10, l'ogive de courant et le courant de défaut passent au travers du thyristor 12'.
  • Alors que le courant de défaut passe dans le circuit principal 6, l'ogive de courant oscille sinusoidalement dans le circuit d'assistance; le condensateur 9 se charge en polarité inverse, c'est-à-dire en présentant une polarité positive à la borne 2. Le thyristor 12' est alors soumis à deux courants antagonistes, d'une part le courant de défaut, dirigé de droite à gauche selon la figure 6, qui augmente doucement, d'autre part l'ogive de courant, dirigée de gauche à droite, qui augmente brusquement jusque l'annulation du courant dans le thyristor 12'. Compte tenu de la polarité du condensateur 9 le thyristor 12' se bloque et le courant de défaut passe alors par la diode 54 pour recharger le condensateur 9 avec une polarité à nouveau inversée c'est-à-dire négative à la borne 2. La séquence de coupure est terminée.

Claims (10)

1. Disjoncteur hyper rapide ayant à ses bornes d'entrée (2) et de sortie (3) un circuit appelé circuit d'assistance (8) comportant un condensateur (9), une self (10) et un sensemble de semi conducteurs (11, 12) dont le mécanisme disposé à l'intérieur d'un boîtier isolant (20) est constitué d'un dispositif de maintien , d'une armature (28), et d'un dispositif de répulsion électrodynamique comportant une bobine de répulsion (45) de forme spirale et un disque de répulsion (34) qui collaborent pour écarter les contacts mobiles (35 et 36), solidaires d'un pont de contact mobile, des contacts fixes (37 et 38), solidaires des bornes d'entrée et de sortie (39 et 40) caractérisé en ce que la self (10) du circuit d'assistance (8)parcourue par l'ogive de courant provenant de la décharge du condensateur (9) constitue en tout ou partie la bobine de répulsion (45).
2. Disjoncteur selon la revendication 1,
caractérisé en ce que des semi conducteurs(ll, 12') du circuit d'assistance sont commandés dès que le courant circulant dans le circuit principal (6) atteint le seuil de déclenchement.
3. Disjoncteur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément mobile (34), soumis à la force de répulsion exercée par la bobine de répulsion (10), sert de pont de contact mobile sur lequel sont disposés les contacts mobiles (35 et 36).
4. Disjoncteur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un dispositif de maintien est constitué de deux parties mobiles (25,26 - 53 ; 28)
et en ce que la partie de plus faible inertie (28) est arrachée de l'autre partie (26 - 53) restée magnétisée (25) lorsque la bobine de répulsion (45) repousse l'élément mobile (34) soumis à la force de répulsion auquel la partie de plus faible inertie (28) est rendue solidaire.
5. Disjoncteur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier isolant (20) présente un guidage vertical pour le déplacement d'un ensemble mobile (21) en ce que cet ensemble mobile (21) porte le dispositif de maintien constitué soit d'une bobine d'excitation appelée bobinage de maintien (25) et d'une partie de circuit magnétique appelée culasse magnétique(26) 29.26/1959. soit d'un aimant permanent (53) collaborant avec une seconde partie de circuit magnétique de plus faible inertie, appelée armature (28) montée en bout d'un arbre central (22) sur lequel coulisse le dit ensemble mobile (21)
en ce que l'ensemble mobile (21) est déplacé vers le bas par un moyen réglable tel qu'une admission d'air comprimé (27) dans la partie haute du boîtier isolant (20), et déplacé vers le haut sous l'action d'un ressort d'enclenchement (24) à une vitesse contrôlée par l'action antagoniste du dit moyen réglable,
et en ce que l'arbre central (22) entraine, dans son mouvement ascendant, le disque de répulsion (34) faisant office de pont de contacts pour appliquer les contacts mobiles (35 et 36) sur les contacts fixes (37,38).
6. Disjoncteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les surfaces de contacts entre les contacts fixes (37,38) et les contacts mobiles (35,36) sont orientés obliquement par rapport à la direction de déplacement de l'élément mobile (34) soumis à la force de répulsion.
7. Disjoncteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément mobile (34) soumis à la force de répulsion est muni d'une jupe périphérique (51) et est percé d'au moins une paire de trous (49,50).
8. Disjonteur selon la revendication 5,
caractérisé en ce que l'élément mobile (34) soumis à la force de répulsion est amorti en fin de course par au moins un amortisseur (48).
9. Disjoncteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'armature (28) solidaire de l'arbre central (22) est maintenue écartée de la culasse (26), solidaire de l'ensemble mobile (21) par un ressort d'armature (29).
10. Disjoncteur selon la revendication 2,
caractérisé en ce que dans le circuit d'assistance (8) un semi-conducteur (11) disposé dans la branche de la bobine de répulsion (10) est associé à une diode (54) montée en antiparallèle pour constituer un élément bidirectionnel commandé par le dispositif de détection et un semi-conducteur (12') disposé dans l'autre branche du circuit d'assistance (8) est un élément unidirectionnel commandé par le dispositif de détection.
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