EP0461629B1 - Disjoncteur à varistance incorporée - Google Patents

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EP0461629B1
EP0461629B1 EP91109609A EP91109609A EP0461629B1 EP 0461629 B1 EP0461629 B1 EP 0461629B1 EP 91109609 A EP91109609 A EP 91109609A EP 91109609 A EP91109609 A EP 91109609A EP 0461629 B1 EP0461629 B1 EP 0461629B1
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EP
European Patent Office
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circuit breaker
varistor
electrode
moving equipment
chamber
Prior art date
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Application number
EP91109609A
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German (de)
English (en)
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EP0461629A1 (fr
Inventor
Doan Pham Van
Edmond Thuries
Joseph Martin
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Alstom Holdings SA
Original Assignee
GEC Alsthom SA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/16—Impedances connected with contacts
    • H01H33/161—Variable impedances

Definitions

  • the present invention relates to a high-voltage circuit breaker equipped with varistors to limit overvoltages at cut-off.
  • Patent application FR-A-2506067 describes a circuit breaker according to the preamble of claim 1.
  • An object of the present invention is to provide a circuit breaker provided with a varistor insertion device during the opening phase of the circuit breaker, which is simple, reliable and inexpensive and which, in particular, does not include a delay system, no complex moving part, no insertion electrode placed on the arc path.
  • the arrangements according to the invention make it possible to implement the invention by a minimal modification of the existing circuit breakers, even if the distance between the contacts, in the open position of the circuit breaker, is small.
  • circuit breaker as defined by claim 1.
  • the reference 1 designates a cylindrical insulating envelope, preferably made of porcelain, delimiting an interior volume 2, constituting the breaking chamber of the circuit breaker, filled with a gas with high dielectric strength, such as sulfur hexafluoride , under a pressure of a few bars.
  • a gas with high dielectric strength such as sulfur hexafluoride
  • the circuit breaker comprises a fixed main contact formed by a tube 3 connected mechanically and electrically by arms 4 to a first socket 5 of the circuit breaker.
  • the contact 3 is integral with a fixed arcing contact 6, also consisting of a tubular part; this contact 6 is electrically connected to contact 3.
  • the circuit breaker moving element includes a contact main mobile formed by contact fingers 9, protected by a corona hood 10 and cooperating with the tube 3. It also comprises an arcing contact formed by fingers 11, cooperating with the tube 6, and a blowing nozzle 12.
  • the corona hood 10 is fixed to or forms an integral part of a metallic cylindrical part 10A fixed to an operating rod not shown and in electrical connection by contacts suitable for a second socket not shown.
  • the circuit breaker is supplemented by blowing means comprising in particular a fixed blowing piston 13.
  • the blowing means which are not part of the invention, have not been shown in more detail. They are made in a manner well known to those skilled in the art.
  • the circuit breaker comprises a varistor 20 placed inside the breaking chamber; this varistor is preferably formed by a stack of pellets with metal oxides based on zinc oxide (ZnO).
  • the pellets form a cylindrical column coaxial with the envelope 1.
  • Resistive pads 20A symbolically represented in the drawing with a thickness different from that of the pads 20, can be placed in series with the latter and extend the aforementioned stacking. Their role, as we will see later, is to limit the power in the varistor elements.
  • the stack is pressed, at the upper part of the chamber, by a spring 21 which also bears against a metal cover 22 closing the chamber and electrically connected to the socket 5.
  • a metal braid 19 provides electrical continuity between resistance-varistor stack and cover 22.
  • the pellets are held by an insulating tube 23 closed at its lower part by a metal end piece 24, in electrical contact with the last tablet of the stack.
  • Electrode 100 comprising a metal ring 101, for example made of copper, having a contact finger 102.
  • the ring 101 is held by two arms 103 fixed to the end piece 24.
  • the contact finger 102 rubs on a metallic tubular electrode 105 secured to the movable assembly and electrically connected to the movable contacts.
  • the distance d1 separating the ring 102 and the electrode 105 when the circuit breaker is in the open position, is approximately equal to half of the distance d2 then separating the arcing contacts 6 and 11.
  • the arc duration mentioned above corresponds to a varistor insertion time of the order of 15 ms. This duration is sufficient to ensure the effective limitation of overvoltages, in particular during the deactivation of line reactors, the cut-off of idle lines and the cut-off. on three-phase fault with regard to the first pole of the circuit breaker which cuts.
  • the low voltage applied to the varistor when the circuit breaker is in the open position prevents the varistor from any risk of thermal runaway, partial discharges, etc., as did the series switch of the prior art described above.
  • the varistor When closing the circuit breaker, the varistor is first inserted into the circuit by contacting parts 101 and 105; the rear contact of the arcing contacts 6 and 11 then short-circuits the varistor.
  • the energy of the varistor is determined for a closing-opening cycle in phase opposition.
  • the varistor can be placed within the dielectric gas, since the tube 23 is not sealed.
  • the varistor is separated from the gas in the switching chamber by an insulating cone 110, sealed.
  • the varistor is then placed in dry air at atmospheric pressure.
  • This arrangement has the advantage of allowing the varistor to be replaced without emptying the cutting chamber of the sulfur hexafluoride under pressure that it contains.
  • Figures 2 to 4 illustrate the insertion mechanism according to the invention usable in particular when the circuit breaker has a relatively small distance d2.
  • the tubular electrode 105 described above is now replaced by a tubular electrode 205, sliding with gentle friction around the tubes 10 and 10A; the tube 205 carries at a first end a protrusion 205A for electrical contact with the ring 102, and at its second end a bead 205B, serving to support a first end of a spring 203.
  • the spring is contained by a metallic tubular piece 204 fixed at one end to the tube 10 and carrying, at its other end, a bead 206. The second end of the spring 203 bears against the bead 206.
  • the piece 204 is in electrical contact with the bead 205B of the room 205; the part 204 carries, towards its end on the bead side, holes 204A whose role will appear later.
  • the tube 10 also carries holes 10B in the vicinity of the foot for fixing the tubular part 204.
  • the tube 10 moves down the figure; the gas in the blowing volume V1 is compressed and exerts, by the holes 10B, pressure on the bead 205A, so that the electrode 205 moves in the opposite direction, against the action of the spring 203 which is compressed.
  • the displacement of the electrode 205 is also helped by the acceleration at the opening of the movable contact.
  • the holes 204A are used for evacuating the gas from the volume between the tubes 204 and 205, which makes it possible not to increase the operating energy too much.
  • the electrode 205 On closing, the electrode 205 is pressed against the bead 206 due to the acceleration of the movable contact and the depression of the volume V1.
  • the electrode 205 in the form of a metal rod sliding inside a small diameter tube attached to the tube 10. This arrangement makes it possible to have a small volume of compressed gas. under electrode 205.
  • the invention applies to high voltage circuit breakers, conventional and shielded.

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Description

  • La présente invention est relative à un disjoncteur à haute tension équipé de varistances pour limiter les surtensions à la coupure.
  • On sait que plus le seuil de fonctionnement de la varistance est faible, plus la protection contre la surtension est efficace. Pour obtenir un seuil de fonctionnement de varistance faible, il faut associer en série un nombre faible d'éléments de varistance; l'inconvénient est que l'énergie absorbée par chaque élément de varistance est alors élevée.
  • La valeur limite de la surtension dont on peut se protéger par varistance est actuellement de 1,6 p.u. (1 p.u. = √2/√3 Un en valeur crête, Un étant la tension nominale de phase).
  • Pour limiter la surtension au-dessous de 1,6 p.u., tout en conservant une dissipation d'énergie acceptable dans la varistance, on a proposé, notamment dans la demande de brevet français n° 2 658 949, d'insérer la varistance au moyen d'un système retardateur et d'un flexible.
  • Dans la demande de brevet français n° 2 654 251, on a proposé d'utiliser un système à ressort de compression et de traction.
  • Ces systèmes donnent satisfaction, mais sont relativement complexes et onéreux.
  • La demande de brevet FR-A-2506067 décrit un disjoncteur selon le préambule de la revendication 1.
  • Un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur muni d'un dispositif d'insertion de varistance pendant la phase d'ouverture du disjoncteur, qui soit simple, fiable et peu onéreux et qui, en particulier, ne comporte ni système retardateur, ni pièce mobile complexe, ni électrode d'insertion placée sur le chemin de l'arc.
  • De plus, les dispositions conformes à l'invention permettent de mettre en oeuvre l'invention par une modification minime des disjoncteurs existants, même si la distance entre les contacts, en position ouverte du disjoncteur, est faible.
  • Ces buts sont atteints selon l'invention par le disjoncteur tel que défini par la revendication 1.
  • L'invention est maintenant expliquée en détail en référence au dessin annexé dans lequel:
    • la figure 1 est une vue partielle en coupe axiale d'un disjoncteur dans laquelle la varistance est séparée du gaz diélectrique, le mécanisme d'insertion de la varistance étant schématisé et illustrant l'art antérieur, utile à la compréhension de l'invention.
    • la figure 2 est une vue partielle en coupe axiale d'un disjoncteur conforme à l'invention, représenté en position enclenchée,
    • la figure 3 est une vue partielle du même disjoncteur, représenté en cours d'ouverture,
    • la figure 4 est une vue partielle du même disjoncteur, en position déclenchée.
  • Dans la figure 1, la référence 1 désigne une enveloppe isolante cylindrique, de préférence en porcelaine, délimitant un volume intérieur 2, constituant la chambre de coupure du disjoncteur, rempli d'un gaz à rigidité diélectrique élevée, tel que l'hexafluorure de soufre, sous une pression de quelques bars.
  • Le disjoncteur comprend un contact principal fixe formé d'un tube 3 relié mécaniquement et électriquement par des bras 4 à une première prise de courant 5 du disjoncteur. Le contact 3 est solidaire d'un contact d'arc fixe 6, constitué également d'une pièce tubulaire; ce contact 6 est électriquement relié au contact 3.
  • L'équipage mobile du disjoncteur comprend un contact principal mobile formé de doigts de contact 9, protégés par un capot pare-effluves 10 et coopérant avec le tube 3. Il comprend également un contact d'arc formé de doigts 11, coopérant avec le tube 6, et une buse de soufflage 12. Le capot pare-effluves 10 est fixé à ou fait partie intégrante d'une pièce cylindrique métallique 10A fixée à une tringle de manoeuvre non représentée et en liaison électrique par des contacts appropriés à une seconde prise de courant non représentée. Le disjoncteur est complété par des moyens de soufflage comprenant notamment un piston de soufflage fixe 13. Les moyens de soufflage, qui ne font pas partie de l'invention, n'ont pas été représentés plus en détail. Ils sont réalisés de manière bien connue de l'homme du métier.
  • Le disjoncteur comprend une varistance 20 placée à l'intérieur de la chambre de coupure; cette varistance est formée de préférence par un empilage de pastilles à oxydes métalliques à base d'oxyde de zinc (ZnO). Les pastilles forment une colonne cylindrique coaxiale à l'enveloppe 1. Des pastilles résistives 20A, représentées symboliquement dans le dessin avec une épaisseur différente de celle des pastilles 20, peuvent être placées en série avec ces dernières et prolongent l'empilage précité. Leur rôle, comme on le verra plus loin, est de limiter la puissance dans les éléments de varistances.
  • L'empilage est pressé, à la partie supérieure de la chambre, par un ressort 21 s'appuyant par ailleurs contre un capot métallique 22 fermant la chambre et électriquement relié à la prise de courant 5. Une tresse métallique 19 assure la continuité électrique entre l'empilage résistance-varistance et le capot 22.
  • Les pastilles sont maintenues par un tube isolant 23 fermé à sa partie inférieure par une pièce d'extrémité métallique 24, en contact électrique avec la dernière pastille de l'empilage.
  • Le mécanisme d'insertion de la varistance (et de la résistance lorsque celle-ci est présente) est décrit maintenant.
  • Il comprend une électrode 100 comprenant un anneau métallique 101, en cuivre par exemple, ayant un doigt de contact 102. L'anneau 101 est maintenu par deux bras 103 fixés à la pièce d'extrémité 24. Le doigt de contact 102 frotte sur une électrode tubulaire métallique 105 solidaire de l'équipage mobile et électriquement reliée aux contacts mobiles.
  • La distance d1 séparant l'anneau 102 et l'électrode 105 lorsque le disjoncteur est en position ouverte, est à peu près égale à la moitié de la distance d2 séparant alors les contacts d'arc 6 et 11.
  • Le fonctionnement du disjoncteur est expliqué maintenant, après avoir rappelé que sous la tension permanente (1 p.u.), la varistance se comporte comme une capacité. Dans les applications en haute tension qui nécessitent un nombre assez important de pastilles de varistance en série, la capacité de la varistance en régime permanent est de l'ordre d'une trentaine de picofarads. Le courant capacitif est donc extrêmement faible.
  • A l'ouverture du disjoncteur, après la séparation des contacts principaux, un arc électrique s'établit entre les contacts d'arc 6 et 11. On suppose que l'arc s'éteint avant l'arrivée en fin de course de l'équipage mobile, c'est-à-dire pour une durée d'arc moyenne de 12 millisecondes (à 60 Hz) ou 15 ms (à 50 Hz). Pendant cette durée, il y a contact entre les pièces 101 et 105, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un arc de courte longueur lorsque les pièces 101 et 105 se sont séparées. Ce contact a pour effet d'insérer la varistance dans le circuit à couper; si une surtension suffisante intervient, la varistance fonctionnera, en insérant sa valeur ohmique dans le circuit, limitant ainsi la surtension.
  • On notera qu'à la durée d'arc mentionnée plus haut correspond une durée d'insertion de la varistance de l'ordre de 15 ms. Cette durée est suffisante pour assurer la limitation effective des surtensions en particulier lors de la désinsertion des réactances de ligne, de la coupure des lignes à vide et de la coupure sur défaut triphasé pour ce qui concerne le premier pôle du disjoncteur qui coupe.
  • En fin de course de l'équipage mobile, il n'y a plus aucun contact entre les pièces 101 et 105, la coupure de l'arc étant définitive.
  • A cet instant, une grande partie de la tension rétablie est appliquée à l'espace interélectrode d1, entre 80 et 85%, selon la capacité de la varistance et celle existant entre les pièces 101 et 105; ces deux capacités sont en série.
  • En position ouverte, seulement une faible partie de la tension sera appliquée à la varistance. La totalité de la tension est appliquée par contre à l'espace interélectrodes d1.
  • La faible tension appliquée à la varistance lorsque le disjoncteur est en position ouverte évite à la varistance tout risque d'emballement thermique, de décharges partielles, etc.. , comme le faisait l'interrupteur série de l'art antérieur décrit plus haut.
  • Lors de la fermeture du disjoncteur, on insère d'abord la varistance dans le circuit par le contact des pièces 101 et 105; le contact postérieur des contacts d'arc 6 et 11 court-circuite alors la varistance.
  • Sous tension simple, il n'y aura pas de fonctionnement de la varistance.
  • En opposition de phase à 2 p.u. par exemple, il y aura fonctionnement de la varistance à la fermeture.
  • Pour réduire l'énergie dans la varistance, on peut prévoir, comme déjà mentionné plus haut, d'associer à la varistance une résistance de faible valeur ohmique montée en série.
  • L'énergie de la varistance est déterminée pour un cycle de fermeture-ouverture en opposition de phases.
  • La varistance peut être placée au sein du gaz diélectrique, car le tube 23 n'est pas étanche.
  • Dans le mode de réalisation de la figure 1, la varistance est séparée du gaz de la chambre de coupure par un cône isolant 110, étanche. La varistance est alors placée dans de l'air sec à la pression atmosphérique.
  • Cette disposition présente l'avantage de permettre le remplacement de la varistance sans vider la chambre de coupure de l'hexafluorure de soufre sous pression qu'elle contient.
  • Les figures 2 à 4 illustrent le mécanisme d'insertion conforme à l'invention utilisable notamment lorsque le disjoncteur a une distance d2 relativement faible.
  • L'électrode tubulaire 105 décrite précédemment est maintenant remplacée par une électrode tubulaire 205, coulissant à frottement doux autour des tubes 10 et 10A; le tube 205 porte à une première extrémité une protubérance 205A pour le contact électrique avec l'anneau 102, et à sa deuxième extrémité un bourrelet 205B, servant d'appui à une première extrémité d'un ressort 203. Le ressort est contenu par une pièce tubulaire métallique 204 fixée par une extrémité au tube 10 et portant, à son autre extrémité, un bourrelet 206. La seconde extrémité du ressort 203 s'appuie contre le bourrelet 206. La pièce 204 est en contact électrique avec le bourrelet 205B de la pièce 205; la pièce 204 porte, vers son extrémité côté bourrelet, des trous 204A dont le rôle apparaîtra plus loin. Le tube 10 porte également des trous 10B au voisinage du pied de fixation de la pièce tubulaire 204.
  • Lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, (figure 2), le ressort 203 est détendu et l'électrode 205 est en position basse. L'électrode 102 est en contact avec le tube 204, le piston de soufflage 13 est en position basse.
  • A l'ouverture du disjoncteur, (figure 3), le tube 10 se déplace vers le bas de la figure; le gaz dans le volume de soufflage V1 est comprimé et exerce, par les trous 10B, une pression sur le bourrelet 205A, de sorte que l'électrode 205 se déplace en sens inverse, contre l'action du ressort 203 qui est comprimé. Le déplacement de l'électrode 205 est aidé aussi par l'accélération à l'ouverture du contact mobile. Les trous 204A servent à l'évacuation du gaz du volume compris entre les tubes 204 et 205, ce qui permet de ne pas trop augmenter l'énergie de manoeuvre. Grâce à ce mouvement de l'électrode 205, en sens inverse du mouvement de l'équipage mobile, la varistance est insérée pendant une durée suffisante, l'électrode 102 étant d'abord en contact électrique avec le tube 204, puis avec la protubérance 205A.
  • Après l'ouverture complète du disjoncteur, (figure 4), le piston 13 a dépassé les trous 10B; la surpression sur le bourrelet 205B disparaît, le ressort 203 se détend, ramenant l'électrode 205 à sa position initiale et permettant ainsi de garder une distance d'isolement suffisante.
  • A la fermeture, l'électrode 205 est plaquée contre le bourrelet 206 à cause de l'accélération du contact mobile et de la dépression du volume V1.
  • Dans certains cas, il est avantageux de réaliser l'électrode 205 sous la forme d'une tige métallique coulissant à l'intérieur d'un tube de faible diamètre accolé au tube 10. Cette disposition permet d'avoir un volume de gaz comprimé faible sous l'électrode 205.
  • L'invention s'applique aux disjoncteurs à haute tension, conventionnels et blindés.

Claims (6)

  1. Disjoncteur à haute tension à isolement par gaz à bonnes propriétés diélectriques, comprenant au moins une chambre de coupure par phase, chaque chambre (2) comprenant un contact principal fixe (3) relié à une première prise de courant (5) et un contact principal mobile (9) en liaison électrique avec une seconde prise de courant et faisant partie d'un équipage mobile relié à un mécanisme de manoeuvre, chaque chambre comprenant en outre une varistance (20) disposée dans le prolongement des contacts principaux, et insérée à la fermeture et en début d'ouverture du disjoncteur au moyen de deux électrodes disposées à l'extérieur et autour des contacts principaux (3, 9), une première électrode (100) étant reliée électriquement et mécaniquement à ladite varistance (20), la seconde électrode (205) étant reliée mécaniquement à l'équipage mobile et en liaison électrique avec le contact principal mobile (9), disjoncteur caractérisé en ce que la seconde électrode (205) peut effectuer un mouvement de translation d'amplitude limitée par rapport à l'équipage mobile et est déplaçable, lors de l'ouverture du disjoncteur, dans le sens opposé à celui de l'équipage mobile, puis rappelée dans sa position initiale dès la fin de la manoeuvre d'ouverture du disjoncteur.
  2. Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde électrode (205) est déplacée par rapport à l'équipage mobile dans le sens opposé à celui de l'équipage mobile par la pression du gaz comprimé dans une chambre de soufflage (V1) lors de l'ouverture du disjoncteur, ladite seconde électrode étant rappelée dans sa position initiale, dès la fin de la manoeuvre d'ouverture du disjoncteur, par un ressort (203).
  3. Disjoncteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, lorsque le disjoncteur est en position déclenchée, la varistance (20) supporte une tension ne dépassant pas 30% de la tension appliquée sur la chambre de coupure.
  4. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la varistance (20) est enfermée dans une enceinte remplie de gaz à bonnes propriétés diélectriques, sous pression.
  5. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la varistance (20) est enfermée dans une enceinte remplie d'air sec sous pression atmosphérique.
  6. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la varistance (20) est en série avec une résistance (20A) de faible valeur ohmique.
EP91109609A 1990-06-14 1991-06-12 Disjoncteur à varistance incorporée Expired - Lifetime EP0461629B1 (fr)

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FR9007425A FR2663456B1 (fr) 1990-06-14 1990-06-14 Disjoncteur a varistance incorporee.

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EP0461629A1 EP0461629A1 (fr) 1991-12-18
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US (1) US5164559A (fr)
EP (1) EP0461629B1 (fr)
JP (1) JPH0779012B2 (fr)
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