EP0462024A1 - Disjoncteur électrique à autoexpansion et à rotation de l'arc - Google Patents

Disjoncteur électrique à autoexpansion et à rotation de l'arc Download PDF

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EP0462024A1
EP0462024A1 EP91420172A EP91420172A EP0462024A1 EP 0462024 A1 EP0462024 A1 EP 0462024A1 EP 91420172 A EP91420172 A EP 91420172A EP 91420172 A EP91420172 A EP 91420172A EP 0462024 A1 EP0462024 A1 EP 0462024A1
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EP
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circuit breaker
self
breaking chamber
gas
pole
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EP91420172A
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Jean-Pierre Kersusan
Hugues Filiputti
Victor Pennucci
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Schneider Electric SE
Original Assignee
Merlin Gerin SA
Schneider Electric SE
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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
    • H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/98—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being initiated by an auxiliary arc or a section of the arc, without any moving parts for producing or increasing the flow
    • H01H33/982—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being initiated by an auxiliary arc or a section of the arc, without any moving parts for producing or increasing the flow in which the pressure-generating arc is rotated by a magnetic field

Definitions

  • a rotating gas cap can even partially obstruct the entry of the exhaust path, limiting the gas flow, which compromises the extinction of the arc.
  • the object of the invention is to improve the breaking performance of a circuit breaker with autoexpansion and arc rotation.
  • the circuit breaker according to the invention is characterized in that the breaking chamber of each pole has a square or rectangular section, intended to disturb the rotational movement of the gas to improve the mixing in the breaking chamber and to obtain optimum gas flow in the escape route.
  • the confinement of the breaking chambers of the different poles is carried out by assembling two conjugate half-shells, fixed together by means of fixing screws to form a one-piece insulating envelope.
  • each pole there is a seal having a shape conjugated to the breaking chamber, and arranged in the assembly plane of two half-shells.
  • a shielding wall is arranged inside each cutting chamber, applying the seal against two internal chamfers of the butted half-shells.
  • a three-phase circuit breaker 10 with rotating arc and autoexpansion is used in a cell of a high-voltage electrical substation with full gas isolation, the structure of which is described by way of example in French Patent No. 2,507 .835.
  • the circuit breaker 10 is housed in a sealed tank (not shown) forming the downstream expansion volume filled with electronegative insulating gas with high dielectric strength, in particular sulfur hexafluoride SF6.
  • the three poles 12, 14, 16 of the circuit breaker 10 are identical, and only the pole 16 (FIG. 4) will be described in detail below.
  • the pole 16 is equipped with a breaking chamber 18 containing an electromagnetic coil 20 for rotating the arc on an annular track of the fixed contact 22, and a movable contact 24 carried by a conductive pin 26 sliding along a sleeve 28 fixed for guiding in the direction of the longitudinal axis 29 of the pole 16.
  • the pin 26 is mechanically connected to a crank of the control mechanism (not shown) to allow actuation in translation of the movable contact 24 of the closed position (half-view on the right, Figure 4) to the open position (half-view on the left, Figure 4) when the circuit breaker 10 is opened, and vice versa from the open position to the position of closing when closing the circuit breaker 10.
  • the coil 20 is of the type described in document FR-A-2,464,550.
  • the fixed contact 22 and coil 20 assembly of each pole 12, 14, 16 is connected by means of a stud 30 for connection to the corresponding bar of a three-phase busbar 32, arranged outside the breaking chamber 18 in the bottom of the station tank.
  • Exhaust channels 34, 36 are arranged axially through the contacts 22, 24, the magnetic core 38 of the coil 20, and the pin 26 to ensure double upstream and downstream communication between the breaking chamber 18 of each pole 12 , 14,16, and the expansion volume 40 of the tank. This communication allows a flow of gas to the expansion volume 40, during the interruption of an electric arc in the corresponding breaking chamber 18.
  • the circuit breaker 10 has a one-piece casing 42 of molded insulating material, formed by the assembly of two symmetrical half-shells 44,46 allowing the internal confinement of the breaking chambers 18 of the three poles 12,14,16.
  • the two half-shells 44,46 are fixed to each other by a plurality of fixing screws 48 with the interposition of three seals 50 arranged in the assembly plane at the middle zone of the cutting chambers 18.
  • Each half -shell 44,46 has three compartments in line, separated from each other by two intermediate partitions 52,54; 56.58, each compartment having a square section.
  • the assembly plane of the half-shells 44,46 extends in a horizontal plane perpendicular to the longitudinal axis 29 of each pole 12,14,16.
  • each interrupting chamber 18 results from the joining of two compartments combined with half-shells 44,46.
  • Each room 18 has a square section (see Figures 2 and 3), inside which is housed the cylindrical coil 20.
  • the seal 50 of each cutting chamber 18 is supported on two internal chamfers (not shown) formed on the abutting edges of the half-shells 42,44, forming a V.
  • a shielding wall 60 for example made of copper , is arranged inside each cutting chamber 18, and applies the seal 50 to the V of the chamfers with a predetermined pressure. There is no communication between the chambers 18 when the contacts 22, 24 of the poles 12, 14, 16 are closed.
  • the insulating material molded from the casing 42 is advantageously based on polycarbonate loaded with glass fibers, but any other thermoplastic material can be used.
  • Each axial guide sleeve 28 includes an annular orifice 62 for the passage of the movable spindle 26, and a ring 64 for retaining an annular auxiliary seal 66, arranged to be sealed around the lateral surface of the spindle 26.
  • the ring 64 is ultrasonically welded to the insulating sleeve 28.
  • the internal diameter of the seal 66 is less than that of the orifice 62.
  • the segment-type seal 66 is made of thermoplastic material.
  • the three insulating sleeves 28 are also ultrasonically welded to the upper half-shell 44 of the casing 42.
  • the shielding wall 60 has a square shape, but any other shape can be envisaged.
  • the arc drawn during the separation of the contacts 22, 24 following an order to open the circuit breaker 10, is rotated in the breaking chamber 18 by the action of the magnetic field of the coil 20.
  • the rotation of the 'arc subsequently creates a movement of peripheral rotation of the SF6 gas up to the shielding wall 60.
  • the square section of the cut-off chamber 18 allows on the one hand a maximum volume of gas pressure rise, and on the other hand improved mixing of the gas due to the turbulence created in the dead volumes of the square chamber 18, in which the gas does not rotate. This results in a braking effect of the rotational movement of the gas and an optimum gas flow through the exhaust passages 34, 36 to the expansion volume 40. This gas flow allows rapid extinction of the arc.
  • the invention is also applicable to a three-phase circuit breaker with separate poles, in which each pole is confined in a separate insulating envelope, of square section.
  • the section of the interrupting chamber 18 can also be rectangular.

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Abstract

Un disjoncteur triphasé à autoexpansion et à rotation de l'arc comporte une chambre de coupure (18) par pôle renfermant une paire de contacts fixe (22) et mobile (24), une bobine (20) de mise en rotation de l'arc, et une voie d'échappement (34,36) dans au moins un contact (22,24) pour assurer lors de l'ouverture une communication et un écoulement gazeux entre la chambre de coupure (18) et le volume d'expansion d'une cuve remplie de SF6.Selon l'invention, la chambre de coupure (18) présente une section carrée ou rectangulaire pour résorber le bouchon gazeux après freinage du mouvement de rotation de gaz, et amélioration du brassage dans la chambre de coupure 18.

Description

  • L'invention est relative à un disjoncteur électrique à autoexpansion comprenant un ou plusieurs pôles logés dans une cuve étanche remplie d'un gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment de l'hexafluorure de soufre, chaque pôle ayant une chambre de coupure renfermant:
    • un contact fixe,
    • un contact mobile solidaire d'une broche coulissante traversant à étanchéité la paroi de la chambre de coupure,
    • des moyens de mise en rotation de l'arc lors de la séparation des contacts,
    • et une voie d'échappement de gaz ménagée dans au moins un des contacts pour assurer une communication et un écoulement de gaz entre la chambre de coupure, et le volume d'expansion de la cuve lors de la séparation des contacts.
  • La présence d'un arc tournant dans un disjoncteur à autoexpansion ayant une chambre de coupure à surface cylindrique de révolution, provoque un mouvement uniforme de rotation de gaz chaud autour de la zone d'arc entre les contacts séparés. En fonction de l'intensité du courant à interrompre, ce mouvement gazeux limite les échanges gazeux entre les autres volumes de la chambre de coupure, et risque de diminuer la qualité de l'écoulement gazeux lors de la période d'extinction.
  • Un bouchon gazeux tournant peut même obstruer partiellement l'entrée de la voie d'échappement, en limitant l'écoulement gazeux, ce qui compromet l'extinction de l'arc.
  • L'objet de l'invention consiste à améliorer les performances de coupure d'un disjoncteur à autoexpansion et à rotation de l'arc.
  • Le disjoncteur selon l'invention est caractérisé en ce que la chambre de coupure de chaque pôle présente une section carrée ou rectangulaire, destinée à perturber le mouvement de rotation du gaz pour améliorer le brassage dans la chambre de coupure et obtenir un écoulement gazeux optimum dans la voie d'échappement.
  • Pour un encombrement prédéterminé du disjoncteur, l'adoption d'une chambre de coupure à section carrée ou rectangulaire procure les avantages suivants:
    • établissement d'un volume maximum pour la montée en pression du gaz dans la chambre de coupure,
    • résorption du bouchon gazeux après freinage du mouvement de rotation du gaz pour faciliter l'écoulement gazeux dans la voie d'échappement.
    • amélioration de la qualité du gaz présent dans l'écoulement gazeux.
  • Il en résulte une amélioration de l'effet d'autoexpansion du gaz, propice à une extinction rapide de l'arc.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le confinement des chambres de coupure des différents pôles s'effectue par assemblage de deux demi-coquilles conjuguées, fixées entre elles au moyen de vis de fixation pour former une enveloppe isolante monobloc.
  • Dans chaque pôle se trouve un joint d'étanchéité ayant une forme conjuguée à la chambre de coupure, et disposé dans le plan d'assemblage de deux demi-coquilles.
  • Une paroi de blindage est agencée à l'intérieur de chaque chambre de coupure, en appliquant le joint contre deux chanfreins internes des demi-coquilles aboutées.
  • D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté aux dessins annexés, dans lesquels:
    • la figure 1 est une vue schématique du disjoncteur triphasé raccordé à un jeu de barres de la cellule, le pôle de droite étant représenté partiellement en coupe;
    • la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne 2-2 de la figure 1;
    • la figure 3 montre une vue en coupe selon la ligne 3-3 de la figure 1;
    • la figure 4 représente une vue en coupe selon la ligne 4-4 de la figure 2.
  • Sur les figures, un disjoncteur 10 triphasé à arc tournant et à autoexpansion est utilisé dans une cellule d'un poste électrique à haute tension et à isolement gazeux intégral, dont la structure est décrite à titre d'exemple dans le brevet français n° 2.507.835. Le disjoncteur 10 est logé dans une cuve étanche (non représentée) formant le volume aval d'expansion remplie de gaz isolant électronégatif à rigidité diélectrique élevée, notamment de l'hexafluorure de soufre SF6.
  • Les trois pôles 12,14,16 du disjoncteur 10 sont identiques, et seul le pôle 16 (figure 4) sera décrit en détail par la suite. Le pôle 16 est équipé d'une chambre de coupure 18 renfermant une bobine 20 électromagnétique de mise en rotation de l'arc sur une piste annulaire du contact fixe 22, et un contact mobile 24 porté par une broche 26 conductrice coulissante le long d'un manchon 28 fixe de guidage dans la direction de l'axe longitudinal 29 du pôle 16. La broche 26 est reliée mécaniquement à une manivelle du mécanisme de commande (non représenté) pour autoriser l'actionnement en translation du contact mobile 24 de la position de fermeture (demi-vue de droite, figure 4) vers la position d'ouverture (demi-vue de gauche, figure 4) lors de l'ouverture du disjoncteur 10, et réciproquement de la position d'ouverture vers la position de fermeture lors de la fermeture du disjoncteur 10.
  • La bobine 20 est du type décrit dans le document FR-A-2.464.550. L'ensemble contact fixe 22 et bobine 20 de chaque pôle 12,14,16 est connecté par l'intermédiaire d'un plot 30 de raccordement à la barre correspondante d'un jeu de barres 32 triphasé, disposé à l'extérieur de la chambre de coupure 18 dans le fond de la cuve du poste. Des voies d'échappement 34,36 sont agencées axialement à travers les contacts 22,24, le noyau 38 magnétique de la bobine 20, et la broche 26 pour assurer une double communication amont et aval entre la chambre de coupure 18 de chaque pôle 12,14,16, et le volume d'expansion 40 de la cuve. Cette communication permet un écoulement de gaz vers le volume d'expansion 40, lors de l'interruption d'un arc électrique dans la chambre de coupure 18 correspondante.
  • Le disjoncteur 10 présente une enveloppe 42 monobloc en matériau isolant moulé, formée par l'assemblage de deux demi-coquilles 44,46 symétriques autorisant le confinement interne des chambres de coupure 18 des trois pôles 12,14,16. Les deux demi-coquilles 44,46 sont fixées entre elles par une pluralité de vis 48 de fixation avec interposition de trois joints 50 d'étanchéité agencées dans le plan d'assemblage au niveau de la zone médiane des chambres de coupure 18. Chaque demi-coquille 44,46 comporte trois compartiments en ligne, séparés l'un de l'autre par deux cloisons intermédiaires 52,54; 56,58, chaque compartiment ayant une section carrée. Le plan d'assemblage des demi-coquilles 44,46 s'étend dans un plan horizontal perpendiculaire à l'axe longitudinal 29 de chaque pôle 12,14,16.
  • La formation de chaque chambre de coupure 18 résulte de l'accolement de deux compartiments conjuguées des demi-coquilles 44,46. Chaque chambre 18 possède une section carrée (voir figures 2 et 3), à l'intérieur de laquelle est logée la bobine 20 cylindrique. Le joint 50 d'étanchéité de chaque chambre de coupure 18 prend appui sur deux chanfreins internes (non représentés) ménagés sur les bords aboutés des demi-coquilles 42,44, en formant un V. Une paroi de blindage 60, par exemple en cuivre, est agencée à l'intérieur de chaque chambre de coupure 18, et applique le joint 50 sur le V des chanfreins avec une pression prédéterminée. Il n'y a pas de communication entre les chambres 18 lorsque les contacts 22,24 des pôles 12,14,16 sont fermés.
  • Le matériau isolant moulé de l'enveloppe 42 est avantageusement à base de polycarbonate chargé par des fibres de verre, mais tout autre matériau thermoplastique peut être utilisé.
  • Chaque manchon 28 de guidage axial comporte un orifice 62 annulaire de passage de la broche 26 mobile, et une bague 64 de retenue d'un joint 66 auxiliaire de forme annulaire, agencé à étanchéité autour de la surface latérale de la broche 26. La bague 64 est soudée par ultra-sons au manchon 28 isolant. Le diamètre intérieur du joint 66 est inférieur à celui de l'orifice 62. Le joint 66 de type segment, est réalisé en matière thermoplastique.
  • Les trois manchons 28 isolants sont également soudés par ultra-sons à la demi-coquille 44 supérieure de l'enveloppe 42.
  • La paroi de blindage 60 présente une forme carrée, mais tout autre forme peut être envisagée.
  • Le fonctionnement d'un pôle du disjoncteur 10 à autoexpansion est le suivant:
  • L'arc tiré lors de la séparation des contacts 22,24 suite à un ordre d'ouverture du disjoncteur 10, est mis en rotation dans la chambre de coupure 18 par l'action du champ magnétique de la bobine 20. La rotation de l'arc crée par la suite un mouvement de rotation périphérique du gaz SF6 jusqu'à la paroi de blindage 60. La section carrée de la chambre de coupure 18 autorise d'une part un volume maximum de montée en pression du gaz, et d'autre part un brassage amélioré du gaz dû aux turbulences créées dans les volumes morts de la chambre 18 carrée, dans lesquels le gaz ne tourne pas. Il en résulte un effet de freinage du mouvement de rotation du gaz et un écoulement gazeux optimum à travers les voies d'échappement 34,36 vers le volume d'expansion 40. Cet écoulement gazeux permet une extinction rapide de l'arc.
  • L'invention est également applicable à un disjoncteur triphasé à pôles séparés, dans lequel chaque pôle est confiné dans une enveloppe isolante séparée, de section carrée.
  • La section de la chambre de coupure 18 peut également être rectangulaire.

Claims (7)

  1. Disjoncteur électrique à autoexpansion comprenant un ou plusieurs pôles (12,14,16) logés dans une cuve étanche remplie d'un gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment de l'hexafluorure de soufre, chaque pôle (12,14,16) ayant une chambre de coupure (18) renfermant:
    - un contact fixe (22),
    - un contact mobile (24) solidaire d'une broche (26) coulissante traversant à étanchéité la paroi de la chambre de coupure (18),
    - des moyens de mise en rotation de l'arc lors de la séparation des contacts (22,24),
    - et une voie d'échappement (34,36) de gaz ménagée dans au moins un des contacts (22,24) pour assurer une communication et un écoulement de gaz entre la chambre de coupure (18), et le volume d'expansion (40) de la cuve lors de la séparation des contacts (22,24),
    caractérisé en ce que la chambre de coupure (18) de chaque pôle (12,14,16) présente une section carrée ou rectangulaire, destinée à perturber le mouvement de rotation du gaz pour améliorer le brassage dans la chambre de coupure (18) et obtenir un écoulement gazeux optimum dans la voie d'échappement (34,36).
  2. Disjoncteur à autoexpansion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le confinement des chambres de coupure (18) des différents pôles (12,14,16) s'effectue par assemblage de deux demi-coquilles (44,46) conjuguées, fixées entre elles au moyen de vis (48) de fixation pour former une enveloppe (42) isolante monobloc, et qu'un joint (50) d'étanchéité, de forme conjuguée à chaque chambre de coupure (18), se trouve dans le plan d'assemblage des deux demi-coquilles (44,46).
  3. Disjoncteur à autoexpansion selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de mise en rotation de l'arc comportent une bobine (20) électromagnétique cylindrique associée au contact fixe (22), en s'étendant coaxialement à l'axe longitudinal (29) du pôle (12,14,16) correspondant.
  4. Disjoncteur à autoexpansion selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'une paroi de blindage (60) est agencée à l'intérieur de chaque chambre de coupure (18), en appliquant le joint (50) contre deux chanfreins internes de demi-coquilles (42,44) aboutées.
  5. Disjoncteur à autoexpansion selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le guidage axial de la broche 26 coulissante de chaque pôle 12,14,16, s'opère au moyen d'un manchon isolant tubulaire (28), ayant une première extrémité solidarisée à l'enveloppe (42), et une deuxième extrémité opposée équipée d'une bague (64) de retenue d'un joint (66) auxiliaire, lequel est agencé coaxialement à étanchéité autour de la broche (26), le diamètre interne du joint (66) auxiliaire étant inférieur à celui de l'orifice (62) de passage de la broche (26) dans le manchon (28).
  6. Disjoncteur à autoexpansion selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première extrémité du manchon (28) de guidage de chaque pôle (12,14,16) est fixée à la demi-coquille (44) supérieure par soudage aux ultra-sons.
  7. Disjoncteur à autoexpansion selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la bague (64) de retenue est fixée à la deuxième extrémité du manchon (28) de guidage par soudage aux ultra-sons.
EP91420172A 1990-06-14 1991-05-30 Disjoncteur électrique à autoexpansion et à rotation de l'arc Expired - Lifetime EP0462024B1 (fr)

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