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EP1146529A1 - Pôle pour un disjoncteur électrique limiteur de basse tension de puissance et disjoncteur muni d'un tel pôle - Google Patents

Pôle pour un disjoncteur électrique limiteur de basse tension de puissance et disjoncteur muni d'un tel pôle Download PDF

Info

Publication number
EP1146529A1
EP1146529A1 EP01410034A EP01410034A EP1146529A1 EP 1146529 A1 EP1146529 A1 EP 1146529A1 EP 01410034 A EP01410034 A EP 01410034A EP 01410034 A EP01410034 A EP 01410034A EP 1146529 A1 EP1146529 A1 EP 1146529A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
arc
circuit breaker
chamber
pole
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP01410034A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1146529B1 (fr
Inventor
Alain Brouillat
Lucas Pellegrin
Marc Rival
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schneider Electric Industries SAS
Original Assignee
Schneider Electric Industries SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schneider Electric Industries SAS filed Critical Schneider Electric Industries SAS
Publication of EP1146529A1 publication Critical patent/EP1146529A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1146529B1 publication Critical patent/EP1146529B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H77/00—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting
    • H01H77/02—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism
    • H01H77/10—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism with electrodynamic opening
    • H01H77/107—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism with electrodynamic opening characterised by the blow-off force generating means, e.g. current loops
    • H01H77/108—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism with electrodynamic opening characterised by the blow-off force generating means, e.g. current loops comprising magnetisable elements, e.g. flux concentrator, linear slot motor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/302—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts wherein arc-extinguishing gas is evolved from stationary parts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/34—Stationary parts for restricting or subdividing the arc, e.g. barrier plate
    • H01H9/346—Details concerning the arc formation chamber
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    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/44—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet
    • H01H9/446—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet using magnetisable elements associated with the contacts
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    • H01H77/10—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism with electrodynamic opening
    • H01H77/102—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism with electrodynamic opening characterised by special mounting of contact arm, allowing blow-off movement
    • H01H77/104—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism with electrodynamic opening characterised by special mounting of contact arm, allowing blow-off movement with a stable blow-off position
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    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/46—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using arcing horns

Definitions

  • the invention relates to an electrical circuit breaker limiting low power voltage.
  • US Patent 2,555,993 describes a switch intended to cut off the supply of a inductance of a circuit breaker control circuit, this inductance being crossed by a direct current of the order of 200A.
  • the switch includes a fixed contact, a movable contact, an expansion chamber containing an inlet orifice and no outlet, and an exhaust chimney located between the contacts and the entrance to the room.
  • the contacts are arranged in a corridor whose width decreases from the contact area towards the entrance of the room.
  • the walls of this corridor are made of an insulating material phosphorus asbestos, in a 90% zircon substrate.
  • the side walls of the corridor are framed laterally by two metal plates which are part of a circuit magnetic in U excited by a winding so as to produce a magnetic field tending to move the arc towards the expansion chamber.
  • the electric arc is rapidly propelled towards the expansion chamber, due to the magnetic field.
  • Passing through the narrowing of the corridor the arc undergoes a constriction and cooling, due to interaction with the corridor walls. Gas hot ionized products escape through the exhaust chimney and do not impede the progression of the arc towards the expansion chamber, so that the flames are confined in this room and are not released into the atmosphere. Expansion in the expansion chamber helps cool the arc and cause it to go out.
  • the objective here is to increase the arc tension until it exceeds the voltage across the inductor during discharge.
  • the performances of device shutdown are very low, and dictated by the application, since the intensity of the arc current never exceeds the initial value of 200A, and that the maximum energy dissipated corresponds to the energy stored in the inductance.
  • the architecture of the device cannot be transposed to a low-voltage power limiting circuit breaker, in particular makes hot gas escape through the chimney. Therefore, the teaching of this document does not appear to be transposable to low limit circuit breakers power voltage of the type previously described.
  • a power switch is described in patent DE 728 612.
  • This switch has a fixed contact and a movable contact, arranged in an arc chamber consisting of a volume containing the contacts, extended by a narrow slot which opens, opposite the volume containing the contacts, into an open outside space.
  • the arc chamber is delimited laterally by ceramic walls which are relatively distant from each other at the level of the volume containing the contacts, gradually approach each other to form a narrowing at the entrance into the slit and extend parallel to each other along the length of the slit.
  • arc horns extend from the volume containing the contacts to the opposite end of the slit, moving away from each other.
  • Side blowing plates frame the walls ceramic side panels and constitute a magnetic arc blowing circuit.
  • the electric arc is magnetically blown into the slot.
  • the divergent arrangement of the bow horns is essential to compensate or even overcompensate, the reduction in the cross-section to the outside for break.
  • the movement of the arc inside the chamber is not hindered by increased pressure.
  • the arc finds new ceramic surfaces allowing a significant heat exchange. Rapid movement of the arc until it extinguishes avoids exposure local room too important.
  • the dimensions of this device are very important. Indeed, the length of the slot from the contacts to the opening on the space exterior must be sufficient to allow the arc to extinguish before reaching the end of the room.
  • the distance between the arc horns near the opening to the outside is also very important, since it results from the continuous divergence between the bow horns, necessary to counteract the increase in pressure due to narrowing of the slit section.
  • these constraints impose moreover an opening angle of about 120 ° between the arc horns. Therefore, this technology seems incompatible with a simultaneous search for compactness and high breaking performance.
  • US Patent 2,970,197 describes a switch comprising a fixed contact member comprising a fixed main contact, a fixed secondary contact and a fixed arcing contact, cooperating with a movable contact member carrying, on the same pivoting arm, a moving main contact, moving secondary contact and moving arcing contact.
  • a arc extinguishing chamber with dividers is located between the side arms of a U-shaped magnetic circuit.
  • the contacts are located in a narrowing corridor gradually towards the entrance of the room.
  • the magnetic circuit is powered by a coil, connected in series between the fixed main contact and a lower arc horn.
  • the opening takes place in several stages: first, the main contacts, relatively distant from the extinguishing chamber, separate, forcing the current to switch to secondary contacts closer to the room.
  • the secondary contacts In a second time, the secondary contacts also separate, forcing the current to flow in the arcing contacts located near the chamber.
  • a primary arc arises during separation of arcing contacts, between arcing contacts.
  • the arc lengthens and reaches the horn lower arc by dividing into two secondary arcs in series: a first arc secondary between the fixed contact and the lower arc horn and a second secondary arc between the lower arc horn and the movable arcing contact.
  • the impedance of the winding being lower than that of the first secondary arc, the latter extinguishes, so that all current crosses the winding, generating a magnetic flux between the side branches of the Magnetic U.
  • the magnetic field causes the second secondary arc towards the bedroom.
  • the arc meets in the room of the separators which cool it until its extinction.
  • the process of gradual migration from the arc to the chamber in this device is excessively long and incompatible with the performance expected of a limiting circuit breaker.
  • the mechanism is also very complicated, due to the presence a multiplicity of contacts.
  • the invention aims to increase the arc voltage of a high-caliber limiting circuit breaker, in a reduced volume, by simple device.
  • the side insulating walls of the screen constitute a protection of the magnetic circuit vis-à-vis the electric arc. They also form a heat exchange surface important contributing to the cooling of the arc. The throttling of the nearby corridor of the chamber further increases this heat exchange and promotes constriction of the arc. The two combined phenomena contribute to the increase of the arc voltage and to a strong current limitation.
  • the magnetic circuit combines two functions: on the one hand, a function of limitation of the current ensured jointly with the elastic return means, in the measurement where the magnetic field generates on the moving charges in the contact mobile crossed by a current, forces tending to cause contact separation independently of any opening order, beyond a threshold defined by the means of elastic recall; and on the other hand, a training function from the arc to the room arc extinction, through the obstacle constituted by the constriction.
  • This second function is partially provided by the part of the magnetic circuit close to the area of contact, but also more specifically by the part of the circuit framing the area of the narrowing. The more this part located laterally on either side of the throttle is important, the more the effect will be marked.
  • the pole comprises a lower arc horn electrically connected to the first contact member, and comprising said first root receiving surface an electric arc as well as an extension extending inside the chamber extinction, said extension constituting a second surface for receiving a arc root whose width, measured along an axis perpendicular to the longitudinal plane of the pole, is smaller than that of the first receiving surface.
  • the second surface receiving part of the arc root for short-circuit currents very high intensity. In addition, it allows the heat generated on the first receiving surface. In addition, the second receiving surface allows the breaking of small currents, favoring in this case the complete entry of the root of the arc in the extinguishing chamber.
  • the width of the second receiving surface must be less than the diameter of an arc root under short-circuit conditions, because we want to avoid in this case that the arc does not fully penetrate the room. In practical, the greater width of the second receiving surface will be less or equal to the distance between the walls of the insulating screen at the throat.
  • the pole further comprises an upper arc horn having a free end located near the movable contact member in the position of separation, and extending into the interior of the chamber.
  • the head of the electric arc migrates on the upper arc horn, with the formation of a secondary arc in series with the first, between the upper arc horn and the movable contact member.
  • the head of the main arc migrates quickly inside the chamber following the upper arc horn, which allows to play its role of energy absorption in the room.
  • the lateral branches of the magnetic circuit have an air gap which is more weak at the throttle than at the contact area. While the width of the air gap of the magnetic circuit in its front part, at the level where it frames the contact fingers, is dictated by the width of the contact fingers, therefore by the caliber of the circuit breaker, it is possible to take advantage of the anterior narrowing of the entrance corridor in the chamber to reduce the air gap in the part closest to the chamber, which allows to increase the field in this region where the displacement of the arc is hampered by the narrowing.
  • the magnetic circuit forms a magnetic U, the base of which is located below the contact area of the fixed contact member.
  • the U shape constitutes a good compromise between the quantity of metal necessary to constitute the circuit magnetic and the field concentration obtained.
  • the magnetic circuit can in particular form an O in section, which allows even greater concentration of the field.
  • the insulating screen comprises a gas-resistant material resistant to the arc.
  • the coating vaporization is a highly endothermic phenomenon which contributes to the arc cooling.
  • the pressure gradient generated by vaporization at the level narrowing which could prove to be an obstacle to the displacement of the arc towards the chamber, is in fact compensated by an appropriate dimensioning of the circuit magnetic, especially in its front part.
  • the material chosen has sufficient arc resistance to fulfill its protective function side of the magnetic circuit.
  • the insulating screen comprises a polyamide loaded with glass fibers. In practice, the fiberglass load does not not exceed 30%, to prevent the glass fibers from coming to the surface of the material after a few cuts.
  • the insulating screen includes a polyamide loaded with mineral fillers, in proportions which can reach or exceed 30%.
  • mineral fillers in proportions which can reach or exceed 30%.
  • the arc energy absorption means located inside the arc extinguishing chamber have dividers extending perpendicular to the median longitudinal plane.
  • an electric circuit breaker low voltage power limiter comprising an opening mechanism and at least one pole as described above, the movable support of which is connected to the mechanism opening hours.
  • a low-voltage power limiting circuit breaker has four poles 10, 12, 14, 16 and an opening and closing control mechanism closure 18, mounted in an insulating housing.
  • the control mechanism 18, of known structure, comprises a control handle 20, a spring for opening and closure 22 and a pole shaft 24 pivoting on bearings formed in walls case intermediates.
  • the latter comprises a base 26 and a cover 28 which has been removed in Figure 1, but can be seen in Figure 2.
  • Each pole includes a fixed contact member 30 connected to a first contact pad 32, a movable contact member 34 connected to a second contact pad 36 and a arc extinguishing chamber 38.
  • the fixed contact member 30 comprises a metal part 40 bent in a half-loop, which supports a contact pad 42 defining a contact zone, and which extends towards the interior of the chamber by a lower metal arc horn 44, at the potential of the fixed contact member 30.
  • the horn 44 includes a receiving surface 45 (FIG. 3) wide near the contact area and becomes narrower at the entrance to room 38. It is extended inside the chamber by a tongue offering a surface of reception 47 (figure 3).
  • the arc horn 44 is fixed on the fixed contact member on the one hand by two screws 46 ( Figure 3) near the contact pad 42, and secondly to the interior of the chamber by a screw 48 whose head is isolated from the contact member by a sheath 50 of plastic material.
  • the chamber includes an upper bow horn 52 and planar dividers 54 disposed between the lower bow horn 44 and upper bow horn 52, perpendicular to the plane of section II-II of FIG. 2, which constitutes a median longitudinal plane of the pole.
  • the Horn upper arc 52 has a curved rear end 56 whose rim partially defines an entrance opening into room 58.
  • the room is laterally delimited by side walls 59.
  • the chamber is provided with a outlet opening 60 provided with a grid 62, the inlet opening 58 being located between the contact zone formed by the fixed contact pad 42 and the outlet opening 60.
  • the movable contact member 34 comprises a movable support 66 pivoting around a first fixed geometric axis 68 relative to the base 26, and three contact fingers 70 pivoting around a second fixed geometric axis 72, arranged in parallel and of offset from the first.
  • a connecting rod 74 ensures the coupling of the support 66 to the pole tree.
  • the fingers 70 support at one end a contact pad 76 intended to ensure contact with the contact pad 42 supported by the fixed contact 30.
  • the fingers 70 constitute at their other end a cam 78 with two ramps on either side of a dead center.
  • an elastic energy accumulator 80 comprising a spring 81 guided in a cage and pushing out of it a rod supporting a rotating roller. The roller is thus permanently in contact with the cam 78, so that the elastic energy accumulator 80 constitutes with cam 78 a bistable mechanism.
  • the pole also comprises a magnetic circuit 82 shaped like a U constituted by a stack of transformer sheets arranged perpendicular to the median plane longitudinal II-II.
  • the magnetic circuit 82 has a base 84 extending perpendicular to the plane of Figure 2 and two lateral branches 86 which extend substantially parallel to the plane of Figure 2.
  • the curved part of the part 40 of the fixed contact member 30 surrounds the base 84 of the magnetic circuit 82 so as to induce a magnetic flux as a function of the current passing through the fixed contact member 30.
  • a rear part 90 of the magnetic circuit laterally frames the contact area constituted by the fixed contact pad 42. Between the contact zone 42 and the chamber 38, the magnetic circuit 82 has a front part 92 whose air gap is narrower than that of the posterior 90.
  • a screen 94 comprising two lateral insulating walls 96 is interposed between the branches lateral 86 of the contact zone 42.
  • the lateral insulating walls 96 are constituted by an arc-resistant insulating material, preferably gas-generating, in this case a polyamide heavily loaded with fiberglass (around 30%).
  • the lateral insulating walls 96 of the insulating screen 94 are parallel to the median longitudinal plane II-II of the pole, at very short distance from the fingers of contact.
  • the lateral insulating walls 96 of the screen 94 are also parallel to the longitudinal plane median, but at a closer distance from each other.
  • the lateral insulating walls 96 of the screen 94 also comprises a flat intermediate portion oblique to the median longitudinal plane, making the junction between the posterior part and the part anterior.
  • the corridor formed by the lateral insulating walls 96 of the screen 94 therefore sees its width gradually narrowing by a third, or even half, towards the chamber 38, and constitutes a constriction 98 leading to the entrance to the chamber.
  • Screen 94 further includes front and rear walls perpendicular to the plane longitudinal median, and protecting the ends anterior and posterior faces of lateral branches of the magnetic circuit.
  • Screen 94 also has a coating 97 internal insulation and protection in direct contact with the magnetic circuit,
  • the coating 97 consists of a liquid crystal polymer.
  • the operation of the device is as follows.
  • the circuit breaker In the closed position in Figure 2, the circuit breaker allows current to flow between the two contact pads 32, 36, through contact members 30, 34 and pads contact 42, 76.
  • the bistable mechanism 80 returns the fingers 70 towards the contact pad fixed 42, ensuring sufficient contact pressure.
  • the current intensity is very high in the curved part 40 of the fixed contact member 30 and induces a high magnetic flux in the circuit magnetic 82.
  • the magnetic circuit 82 concentrates the field lines between the branches lateral 86, in the contact zone and in the zone swept by the contact fingers 70 when opening.
  • the contact fingers 70 which are also crossed by the current short-circuit, are subjected to repulsive forces induced by the magnetic field. These forces induced by the magnetic circuit add to the necking forces at the interface between the pads 42, 76, so that the contact fingers 70 pivot against the force of return of the spring 81, until reaching the neutral point of the bistable mechanism 80. Beyond the neutral, the contact fingers 70 continue to run clockwise until the separation position of FIG. 4, under the joint action of the spring 81 and the forces electromagnetic.
  • An electric arc is born between the contact pads 42, 76 as soon as they separate, causing a sudden rise in temperature in the corridor.
  • the walls 96 of the screen cause a gas emission in the posterior part and in the anterior part narrowed corridor, so that the pressure increases in the corridor.
  • the arc subject to electromagnetic forces, curves towards the chamber 38 and the root of the arc migrates on the wide part of the lower bow horn 44, and tends to enter the chamber.
  • the root of the arc has a large section, depending on the intensity of the short-circuit current.
  • the width of the receiving surface 47 of the arch located on the part of the horn arc extending inside the chamber 38 is insufficient to allow a migration of the root of the arc inside the chamber 38.
  • the root of the arc occupies all the available space between the contact pad 42 and the end anterior of the lower arch horn 44, inside the chamber.
  • part of the bow root remains on the wide receiving surface 44 of the bow horn lower, below the throttle 98, while another part of the arc root is found on the narrower part 47 of the lower bow horn, directly in the room, and this until the extinction.
  • the head of the main arc migrates to the upper arc horn 52, while a secondary arc shape in series with the first between the curved end 56 of the upper bow horn and the contact fingers 70.
  • the arc head can enter in the chamber, which avoids excessive removal of the walls of the housing near the curved end 56 of the upper arc horn.
  • the root of the arc remains at least partially on the wide part 45 of the arc horn 44 located between the contact pad 42 and throttling 98. Therefore, the necking and cooling effects of the arc caused by the convergence of the walls 96 extend throughout the duration of breaking, ensuring that a high arc voltage is maintained until the arc is extinguished.
  • the arc would tend to leave the chamber 38 and to move back towards the contact zone 42, to minimize the dissipated energy and decrease the arc voltage. It is the field induced by the magnetic circuit 82, and in particular by the part of the circuit located at the throttle 98, which acts to continuously on the arc until its extinction, and prevents the arc from moving back towards the contact pads 42, 76. Reducing the air gap at the throttle 98 and the corresponding increase in the magnetic field further promotes this action.
  • the lateral insulating walls 96 of the screen 94 are subjected to the arc, in particular at the throttle 98. It is the this is why the material constituting the screen 94 must be very robust.
  • the coating 97 makes it possible to ensure the isolation of the magnetic circuit in the event of screen failure, especially if drops of molten metal pass through one of the walls 96. Its function is to avoid in this case any risk of striking an arc between the magnetic circuit 82 and one of the contact members.
  • the opening is confirmed by an order to open the mechanism 18, which causes the support in the position of figure 5.
  • the magnetic circuit 82 has a constant air gap from its posterior part to its anterior part. This mode of realization is simpler than the previous one, and may prove to be sufficient for lower breaking performance.
  • the structure of the limiting circuit breaker may be different from that of the example of production.
  • the invention also applies to a pole whose movable support of the movable contact member moves in translation.
  • the screen 94 can be loaded with mineral particles intended to give it a large robustness, without affecting its dielectric qualities. Good results have been obtained by example with zinc borate in proportions of up to 30% and beyond.
  • the mineral particles may or may not be added to the glass fibers.
  • the emission of gas through the walls 96 increases the pressure in the corridor.
  • This increased pressure contributes to constriction of the arch and increase in arc voltage.
  • the pressure increase is not necessarily homogeneous, and a pressure gradient may appear due to the constriction, which tends to oppose as the arc passes through the constriction. This is why we consider that it is not not absolutely necessary to use a gasifier material. In any event, it choose a material that does not cause too much gas emission. Of more, the magnetic circuit must be dimensioned so as to counteract the effects of pressure gradient on the arc.
  • the coating 97 can be omitted if the robustness and the durability of the screen 94 are sufficient to ensure the absence of priming at the magnetic circuit.
  • the length of the lower bow horn inside the chamber is not necessarily important. From the point of view of breaking short-circuit currents under high tension, it is always beneficial that a significant part of the root of arc is stationed on part 45 of the lower arc horn located between the pellet of contact and throttling, since this is how we force the arc to cross the throttle 98 throughout the duration of the cut.
  • the extension of the arc horn to the interior of the room results from a compromise making it possible in particular to ensure a cooling of the bow horn during cutting.
  • the upper bow horn can be omitted, if the walls of the case are at this level reinforced, or if a gas-generating effect is desired, for example to clean the tablet contact 76.
  • the height of the constriction i.e. its dimension along an axis perpendicular to the plan of Figure 3, is not necessarily important. Experience shows that this is the lower part of the throttle, closest to the lower bow horn, which is essential.

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Abstract

Un pôle de disjoncteur électrique limiteur basse tension de puissance comporte un contact fixe définissant une zone de contact 42, au moins un doigt de contact mobile 70 et une chambre d'arc 38. Le doigt est monté pivotant sur un support mobile, lui-même relié à un mécanisme d'ouverture. Un ressort rappelle le doigt vers une position de contact. Les branches latérales 86 d'un circuit magnétique en U encadrent les contacts, avec interposition de parois isolantes latérales 96 qui forment un couloir entre la zone de contact 42 et la chambre d'extinction 38. Ce couloir forme un étranglement 98 à l'entrée de la chambre. Le pôle comporte en outre une surface de réception 45 d'une racine d'un arc électrique, située entre la zone de contact 42 et l'étranglement 98 et reliée électriquement à la zone de contact 42 et qui se prolonge vers l'intérieur de la chambre par une partie 47 plus étroite. <IMAGE>

Description

L'invention concerne un disjoncteur électrique limiteur de basse tension de puissance.
Le document US 5 694 098 décrit un disjoncteur limiteur dont les pôles comportent un contact fixe et un contact mobile situé à l'entrée d'une chambre d'extinction d'arc. Les contacts sont encadrés latéralement par les branches d'un circuit magnétique en U, destiné à produire un champ magnétique tendant à entraíner le contact mobile traversé par un courant vers une position de séparation. Un écran isolant s'interpose entre le circuit magnétique en U et les contacts, les parois latérales de l'écran isolant formant un couloir entre la zone de contact et l'ouverture d'entrée de la chambre.
Pour ce type d'appareil, des difficultés apparaissent lors d'essais de coupure de courants de court-circuit à une tension relativement élevée, par exemple à 100kA sous une tension de l'ordre de 600Volts. Ceci tient au fait que pour des appareils limiteurs de calibre élevé de ce type, il est difficile d'obtenir une tension d'arc élevée, de l'ordre de 600 à 700 Volts crête, dans un volume réduit. En effet, le nombre de doigts de contact et la largeur des doigts sont conditionnés par le calibre de l'appareil, c'est-à-dire par la valeur nominale de l'intensité du courant qui est accepté par l'appareil. Il s'ensuit que lorsque le calibre de l'appareil est élevé, les parois latérales du pôle sont assez éloignées l'une de l'autre et ne permettent pas un échange thermique optimal avec l'arc électrique. On compense alors ce déficit en augmentant la longueur de l'arc, donc la distance entre les contacts fixe et mobile dans la position de séparation et en augmentant les dimensions de la chambre d'extinction. Les dimensions de l'appareil s'en trouvent augmentées.
Le brevet US 2 555 993 décrit un interrupteur destiné à couper l'alimentation d'une inductance d'un circuit de commande d'un disjoncteur, cette inductance étant traversée par un courant continu de l'ordre de 200A. L'interrupteur comprend un contact fixe, un contact mobile, une chambre d'expansion contenant un orifice d'entrée et aucun orifice de sortie, et une cheminée d'évacuation située entre les contacts et l'entrée de la chambre. Les contacts sont disposés dans un couloir dont la largeur diminue de la zone de contact vers l'entrée de la chambre. Les parois de ce couloir sont en un matériau isolant constitué d'amiante phosphorée, dans un substrat de 90% de zircon. Les parois latérales du couloir sont encadrées latéralement par deux plaques métalliques qui font partie d'un circuit magnétique en U excité par un enroulement de manière à produire un champ magnétique tendant à déplacer l'arc vers la chambre d'expansion. Lors de l'ouverture des contacts, l'arc électrique est rapidement propulsé en direction de la chambre d'expansion, du fait du champ magnétique. En passant dans le rétrécissement du couloir, l'arc subit une constriction et un refroidissement, dus à l'interaction avec les parois du couloir. Les gaz chauds ionisés produits s'échappent par la cheminée d'évacuation et n'entravent pas la progression de l'arc vers la chambre d'expansion, de sorte que les flammes sont confinées dans cette chambre et ne sont pas évacuées dans l'atmosphère. L'expansion dans la chambre d'expansion contribue à refroidir l'arc et à provoquer son extinction. Une fois l'arc éteint, les gaz résiduels accumulés dans la chambre d'expansion ressortent par la cheminée d'évacuation. Le but est ici d'augmenter la tension de l'arc jusqu'à ce qu'elle dépasse la tension aux bornes de l'inductance en cours de décharge. Les performances de coupure de l'appareil sont très faibles, et dictées par l'application, puisque l'intensité du courant d'arc ne dépasse jamais la valeur initiale de 200A, et que l'énergie maximale dissipée correspond à l'énergie emmagasinée dans l'inductance. De plus, l'architecture de l'appareil n'est pas transposable à un disjoncteur limiteur basse tension de puissance, du fait notamment des échappements de gaz chauds par la cheminée. Par conséquent, l'enseignement de ce document ne paraít pas transposable aux disjoncteurs limiteurs basse tension de puissance du type précédemment décrit.
Un interrupteur de puissance est décrit dans le brevet DE 728 612. Cet interrupteur comporte un contact fixe et un contact mobile, disposés dans une chambre d'arc constituée d'un volume contenant les contacts, se prolongeant par une fente étroite qui débouche, à l'opposé du volume contenant les contacts, sur un espace extérieur ouvert. La chambre d'arc est délimitée latéralement par des parois en céramique qui sont relativement éloignées l'une de l'autre au niveau du volume contenant les contacts, se rapprochent progressivement l'une de l'autre pour former un rétrécissement à l'entrée dans la fente et se prolongent parallèlement l'une à l'autre tout le long de la fente. Deux cornes d'arc s'étendent du volume contenant les contacts vers l'extrémité opposée de la fente, en s'éloignant l'une de l'autre. Des tôles de soufflage latérales encadrent les parois latérales en céramique et constituent un circuit magnétique de soufflage de l'arc. A l'ouverture des contacts, l'arc électrique est soufflé magnétiquement dans la fente. La disposition divergente des cornes d'arc est essentielle pour compenser, voire surcompenser, la diminution de la section de passage vers l'extérieur pour les gaz de coupure. Ainsi, le déplacement de l'arc à l'intérieur de la chambre n'est pas entravé par une augmentation de pression. Au fur et à mesure de sa progression dans la fente, l'arc trouve de nouvelles surfaces en céramique permettant un échange thermique important. Le déplacement rapide de l'arc jusqu'à son extinction permet d'éviter une exposition locale trop importante de la chambre. Les dimensions cet appareil sont très importantes. En effet, la longueur de la fente depuis les contacts jusqu'à l'ouverture sur l'espace extérieur doit être suffisante pour permettre à l'arc de s'éteindre avant d'atteindre l'extrémité de la chambre. De même, la distance entre les cornes d'arc à proximité de l'ouverture sur l'extérieur est également très importante, puisqu'elle résulte de la divergence continue entre les cornes d'arc, nécessaire pour contrecarrer l'augmentation de pression due au rétrécissement de section de la fente. En pratique ces contraintes imposent d'ailleurs un angle d'ouverture d'environ 120° entre les cornes d'arc. Par conséquent, cette technologie paraít incompatible avec une recherche simultanée de compacité et de performances élevées de coupure.
Le brevet US 2 970 197 décrit un interrupteur comportant un organe de contact fixe comportant un contact principal fixe, un contact secondaire fixe et un contact d'arc fixe, coopérant avec un organe de contact mobile portant, sur un même bras pivotant, un contact principal mobile, un contact secondaire mobile et un contact d'arc mobile. Une chambre d'extinction d'arc munie de séparateurs est située entre les branches latérales d'un circuit magnétique en U. Les contacts sont situés dans un couloir se rétrécissant progressivement vers l'entrée de la chambre. Le circuit magnétique est alimenté par une bobine, branchée en série entre le contact principal fixe et une corne d'arc inférieure. L'ouverture a lieu en plusieurs étapes : dans un premier temps, les contacts principaux, relativement éloignés de la chambre d'extinction, se séparent, obligeant le courant à passer dans les contacts secondaires plus proches de la chambre. Dans un deuxième temps, les contacts secondaires se séparent également, obligeant le courant à passer dans les contacts d'arc situé à proximité de la chambre. Un arc électrique primaire naít lors de la séparation des contacts d'arc, entre les contacts d'arc. L'arc s'allonge et atteint la corne d'arc inférieure en se divisant en deux arcs secondaires en série : un premier arc secondaire entre le contact fixe et la corne d'arc inférieure et un deuxième arc secondaire entre la corne d'arc inférieure et le contact d'arc mobile. Dès que le premier arc secondaire est tiré entre le contact d'arc fixe et la corne d'arc inférieure, la bobine d'excitation du circuit magnétique est alimentée. L'impédance du bobinage étant inférieure à celle du premier arc secondaire, ce dernier s'éteint, de sorte que tout le courant traverse le bobinage, générant un flux magnétique entre les branches latérales du U magnétique. Le champ magnétique entraíne le deuxième arc secondaire vers la chambre. L'arc rencontre dans la chambre des séparateurs qui le refroidissent jusqu'à son extinction. Le processus de migration progressive de l'arc vers la chambre dans ce dispositif est excessivement long et incompatible avec les performances attendues d'un disjoncteur limiteur. Le mécanisme est également très compliqué, du fait de la présence d'une multiplicité de contacts.
L'invention vise à augmenter la tension d'arc d'un disjoncteur limiteur de calibre élevé, dans un volume réduit, par dispositif simple.
Selon l'invention, cet objectif est atteint grâce à pôle pour un disjoncteur électrique limiteur basse tension de puissance comportant un mécanisme d'ouverture, le pôle comportant
  • un socle ;
  • un premier organe de contact, comportant une zone de contact ;
  • un deuxième organe de contact, comportant
    • un support mobile apte à être relié au mécanisme d'ouverture et mobile par rapport au socle entre une position de fermeture et une position d'ouverture,
    • au moins un doigt de contact mobile parallèlement à un plan longitudinal médian du pôle, et apte à prendre, par rapport au support mobile en position de fermeture, une position de contact dans laquelle le doigt de contact est en contact avec la zone de contact du premier organe de contact, et une position de séparation dans laquelle le doigt de contact est séparé du premier organe de contact, et
    • un moyen de rappel élastique apte à rappeler le doigt de contact mobile vers sa position de contact, lorsque le doigt de contact mobile se trouve à proximité de sa position de contact ;
  • une chambre d'extinction d'arc, comportant une ouverture de sortie constituant la voie d'échappement de l'ensemble des gaz émis lors d'une coupure, une ouverture d'entrée située entre la zone de contact et l'ouverture de sortie, des moyens d'absorption d'énergie d'arc situés à l'intérieur de la chambre d'extinction d'arc, et des parois latérales délimitant latéralement la chambre d'extinction d'arc, la distance mesurée perpendiculairement au plan longitudinal médian entre les parois latérales définissant une largeur de la chambre ;
  • un circuit magnétique, apte à être excité par un courant traversant les organes de contact,, le circuit magnétique comportant deux branches latérales qui s'étendent parallèlement au plan longitudinal médian de part et d'autre de celui-ci et qui encadrent la zone de contact, le circuit magnétique étant apte à produire un champ magnétique tendant à entraíner le doigt de contact traversé par un courant vers la position de séparation,
  • un écran isolant comportant deux parois isolantes latérales s'interposant entre les branches latérales et les organes de contacts, les parois isolantes latérales de l'écran isolant formant un couloir entre la zone de contact et l'ouverture d'entrée de la chambre,
caractérisé en ce que
  • les parois isolantes latérales de l'écran isolant sont à une distance l'une de l'autre qui est plus faible à proximité de l'ouverture d'entrée de la chambre d'extinction d'arc qu'à proximité de la zone de contact, et qui est plus faible à proximité de l'ouverture d'entrée de la chambre d'extinction d'arc que la largeur de la chambre d'extinction d'arc, de telle sorte que le couloir forme un étranglement entre la zone de contact et l'organe de contact mobile d'une part, et la chambre d'extinction d'autre part, cet étranglement étant au moins partiellement encadré latéralement par les branches latérales du circuit magnétique,
  • le pôle comporte en outre une première surface de réception d'une racine d'un arc électrique, située entre la zone de contact et l'étranglement et reliée électriquement au premier organe de contact.
Les parois isolantes latérales de l'écran constituent une protection du circuit magnétique vis-à-vis de l'arc électrique. Elles forment par ailleurs une surface d'échange thermique importante contribuant au refroidissement de l'arc. L'étranglement du couloir à proximité de la chambre augmente encore cet échange thermique et favorise la constriction de l'arc. Les deux phénomènes conjugués contribuent à l'augmentation de la tension d'arc et à une forte limitation du courant.
Le circuit magnétique cumule quant à lui deux fonctions : d'une part, une fonction de limitation du courant assurée conjointement avec les moyens de rappel élastique, dans la mesure où le champ magnétique engendre sur les charges en mouvement dans le contact mobile traversé par un courant, des forces tendant à provoquer la séparation des contacts indépendamment de tout ordre d'ouverture, au delà d'un seuil défini par les moyens de rappel élastique ; et d'autre part, une fonction d'entraínement de l'arc vers la chambre d'extinction d'arc, au travers de l'obstacle constitué par l'étranglement. Cette deuxième fonction est partiellement assurée par la partie du circuit magnétique proche de la zone de contact, mais également plus spécifiquement par la partie du circuit encadrant la zone du rétrécissement. Plus cette partie située latéralement de part et d'autre de l'étranglement est importante, plus l'effet obtenu sera marqué. Par ce dispositif, il est possible de faire pénétrer rapidement dans la chambre d'extinction une partie d'un arc électrique de section importante tel qu'on le rencontre lors de la coupure d'un courant élevé par un disjoncteur limiteur, tout en provoquant une constriction de l'arc et un échange thermique avec les parois isolantes latérales au passage par la restriction. L'action du circuit magnétique se prolonge jusqu'à l'extinction de l'arc, de sorte qu'une partie de l'arc se maintient dans la chambre pendant l'ensemble de la coupure, alors que la racine de l'arc reste au moins partiellement sur la première surface de réception. L'arc s'étend donc en permanence de part et d'autre de l'étranglement, maintenant la tension d'arc à un niveau élevé jusqu'à l'extinction de l'arc. Contrairement à l'enseignement général de l'état de la technique, qui inciterait à propulser le plus rapidement possible l'arc dans la chambre d'extinction, la présente invention vise à imposer à l'arc jusqu'à son extinction une position intermédiaire à travers un étranglement.
Avec un tel dispositif, il devient possible, pour un niveau de performance donné, de diminuer la distance entre les doigts de contact mobiles en position de séparation et le contact fixe.
Préférentiellement, le pôle comporte une corne d'arc inférieure reliée électriquement au premier organe de contact, et comportant ladite première surface de réception d'une racine d'un arc électrique ainsi qu'un prolongement s'étendant à l'intérieur de la chambre d'extinction, ledit prolongement constituant une deuxième surface de réception d'une racine d'arc dont la largeur, mesurée suivant un axe perpendiculaire au plan longitudinal du pôle, est plus petite que celle de la première surface de réception. La deuxième surface de réception accueille une partie de la racine d'arc pour les courants de court-circuit d'intensité très élevée. De plus, elle permet une évacuation de la chaleur générée sur la première surface de réception. Par ailleurs, la deuxième surface de réception permet la coupure des petits courants, en favorisant dans ce cas l'entrée complète de la racine de l'arc dans la chambre d'extinction. Mais la largeur de la deuxième surface de réception doit être inférieure au diamètre d'une racine d'un arc dans des conditions de court-circuit, car l'on souhaite éviter dans ce cas que l'arc ne pénètre totalement dans la chambre. En pratique, la plus grande largeur de la deuxième surface de réception sera inférieure ou égale à la distance entre les parois de l'écran isolant au niveau de l'étranglement.
Selon un mode de réalisation, le pôle comporte en outre une corne d'arc supérieure ayant une extrémité libre située à proximité de l'organe de contact mobile en position de séparation, et s'étendant vers l'intérieur de la chambre. La tête de l'arc électrique migre sur la corne d'arc supérieure, avec formation d'un arc secondaire en série avec le premier, entre la corne d'arc supérieure et l'organe de contact mobile. La tête de l'arc principal migre rapidement à l'intérieur de la chambre en suivant la corne d'arc supérieure, ce qui permet de faire jouer son rôle d'absorption d'énergie à la chambre.
Avantageusement, les branches latérales du circuit magnétique ont un entrefer qui est plus faible au niveau de l'étranglement qu'au niveau de la zone de contact. Alors que la largeur de l'entrefer du circuit magnétique dans sa partie antérieure, au niveau où il encadre les doigts de contacts, est dictée par la largeur des doigts de contact, donc par le calibre du disjoncteur, il est possible de profiter du rétrécissement antérieur du couloir d'entrée dans la chambre pour réduire l'entrefer dans la partie la plus proche de la chambre, ce qui permet d'augmenter le champ dans cette région où le déplacement de l'arc est gêné par le rétrécissement.
Selon un mode de réalisation, le circuit magnétique forme un U magnétique, dont la base est située en dessous de la zone de contact de l'organe de contact fixe. La forme en U constitue un bon compromis entre la quantité de métal nécessaire pour constituer le circuit magnétique et la concentration du champ obtenue. Toutefois, d'autres configurations sont envisageables. Le circuit magnétique peut notamment former un O en section, ce qui permet une concentration encore plus importante du champ.
Préférentiellement, l'écran isolant comporte un matériau gazogène résistant à l'arc. La vaporisation du revêtement est un phénomène fortement endothermique qui contribue au refroidissement de l'arc. Le gradient de pression engendré par la vaporisation au niveau du rétrécissement, qui pourrait s'avérer un obstacle au déplacement de l'arc vers la chambre, se trouve en fait compensé par un dimensionnement approprié du circuit magnétique, notamment dans sa partie antérieure. Par ailleurs, il est nécessaire que le matériau choisi ait une résistance suffisante à l'arc pour remplir sa fonction de protection latérale du circuit magnétique. Suivant un mode de réalisation, l'écran isolant comporte un polyamide chargé de fibres de verre. En pratique, la charge en fibre de verre ne dépassera pas 30%, pour éviter que les fibres de verre n'affleurent à la surface du matériau après quelques coupures. Alternativement ou cumulativement, l'écran isolant comporte un polyamide chargé de charges minérales, dans des proportions qui peuvent atteindre ou dépasser 30%. Alternativement, il est possible d'envisager d'utiliser des céramiques, mais ces matériaux ont le défaut de favoriser les dépôts métalliques en provenance des contacts, qui détériorent rapidement leurs performances.
Préférentiellement, les moyens d'absorption d'énergie d'arc situés à l'intérieur de la chambre d'extinction d'arc comportent des séparateurs s'étendant perpendiculairement au plan longitudinal médian.
Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci a également trait à un disjoncteur électrique limiteur basse tension de puissance, comportant un mécanisme d'ouverture et au moins un pôle tel que décrit précédemment, dont le support mobile est relié au mécanisme d'ouverture.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre de différents modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés dans lesquels:
  • la figure 1 représente une vue en perspective d'un disjoncteur limiteur selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
  • la figure 2 représente une vue d'un pôle du disjoncteur de la figure 1 en position de fermeture, en coupe longitudinale suivant le plan II-II de la figure 3 ;
  • la figure 3 représente une vue en coupe suivant un plan III-III de la figure 2 ;
  • la figure 4 représente une vue en coupe longitudinale du pôle de la figure 2, en position de séparation ;
  • la figure 5 représente une vue en coupe longitudinale du pôle de la figure 2, en position d'ouverture ;
  • la figure 6 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention, dans une vue correspondant à la vue de la figure 3 du premier mode de réalisation.
En référence aux figures 1 à 5, un disjoncteur limiteur basse tension de puissance comporte quatre pôles 10, 12, 14, 16 et un mécanisme de commande d'ouverture et de fermeture 18, montés dans un boítier isolant. Le mécanisme de commande 18, de structure connue, comporte une poignée de commande 20, un ressort d'ouverture et de fermeture 22 et un arbre des pôles 24 pivotant sur des paliers ménagés dans des parois intermédiaires du boítier. Ce dernier comporte un socle 26 et un couvercle 28 qui a été ôté sur la figure 1, mais est visible sur la figure 2.
Chaque pôle comporte un organe de contact fixe 30 relié à une première plage de contact 32, un organe de contact mobile 34 relié à une deuxième plage de contact 36 et une chambre d'extinction d'arc 38.
L'organe de contact fixe 30 comporte une pièce métallique 40 recourbée en demi-boucle, qui supporte une pastille de contact 42 définissant une zone de contact, et qui se prolonge vers l'intérieur de la chambre par une corne d'arc inférieure 44 métallique, au potentiel de l'organe de contact fixe 30. La corne 44 comporte une surface de réception 45 (figure 3) large à proximité de la zone de contact et devient plus étroite à l'entrée de la chambre 38. Elle se prolonge à l'intérieur de la chambre par une languette offrant une surface de réception 47 (figure 3). La corne d'arc 44 est fixée sur l'organe de contact fixe d'une part par deux vis 46 (figure 3) à proximité de la pastille de contact 42, et d'autre part à l'intérieur de la chambre par une vis 48 dont la tête est isolée de l'organe de contact par un fourreau 50 en matériau plastique. Outre cette corne d'arc inférieure 44, la chambre comprend une corne d'arc supérieure 52 et des séparateurs plans 54 disposés entre la corne d'arc inférieure 44 et la corne d'arc supérieure 52, perpendiculairement au plan de coupe II-II de la figure 2, qui constitue un plan longitudinal médian du pôle. La corne d'arc supérieure 52 possède une extrémité postérieure 56 recourbée dont le rebord délimite partiellement une ouverture d'entrée dans la chambre 58. La chambre est délimitée latéralement par des parois latérales 59. Par ailleurs, la chambre est munie d'une ouverture de sortie 60 munie d'une grille 62, l'ouverture d'entrée 58 étant située entre la zone de contact constituée par la pastille de contact fixe 42 et l'ouverture de sortie 60.
L'organe de contact mobile 34 comporte un support mobile 66 pivotant autour d'un premier axe géométrique fixe 68 par rapport au socle 26, et trois doigts de contact 70 pivotant autour d'un deuxième axe géométrique fixe 72, disposé parallèlement et de manière décalée par rapport au premier. Une bielle 74 assure l'accouplement du support 66 à l'arbre des pôles. Les doigts 70 supportent à une extrémité une pastille de contact 76 destinée à assurer le contact avec la pastille de contact 42 supportée par l'organe de contact fixe 30. Les doigts 70 constituent à leur autre extrémité une came 78 avec deux rampes de part et d'autre d'un point mort. Entre le support 66 et chaque doigt 70 est disposé un accumulateur d'énergie élastique 80, comportant un ressort 81 guidé dans une cage et repoussant hors de celle-ci une tige supportant un galet rotatif. Le galet est ainsi en permanence en contact avec la came 78, de sorte que l'accumulateur d'énergie élastique 80 constitue avec la came 78 un mécanisme bistable.
Le pôle comporte en outre un circuit magnétique 82 conformé en U constitué par un empilement de tôles de transformateur disposées perpendiculairement au plan médian longitudinal II-II. Le circuit magnétique 82 comporte une base 84 s'étendant perpendiculairement au plan de la figure 2 et deux branches latérales 86 qui s'étendent sensiblement parallèlement au plan de la figure 2. La partie recourbée de la pièce 40 de l'organe de contact fixe 30 entoure la base 84 du circuit magnétique 82 de manière à y induire un flux magnétique fonction du courant traversant l'organe de contact fixe 30.
Une partie postérieure 90 du circuit magnétique encadre latéralement la zone de contact constituée par la pastille de contact fixe 42. Entre la zone de contact 42 et la chambre 38, le circuit magnétique 82 comporte une partie antérieure 92 dont l'entrefer est plus étroit que celui de la partie postérieure 90.
Un écran 94 comportant deux parois isolantes latérales 96 s'interpose entre les branches latérales 86 de la zone de contact 42. Les parois isolantes latérales 96 sont constituées par un matériau isolant résistant à l'arc, de préférence gazogène, en l'occurrence un polyamide fortement chargé en fibre de verre (de l'ordre de 30%). Au niveau postérieur, à proximité de la zone de contact 42, les parois isolantes latérales 96 de l'écran isolant 94 sont parallèles au plan longitudinal médian II-II du pôle, à très faible distance des doigts de contact. Du côté antérieur, entre la zone de contact 42 et l'entrée de la chambre 58, les parois isolantes latérales 96 de l'écran 94 sont également parallèles au plan longitudinal médian, mais à plus faible distance l'une de l'autre. Les parois isolantes latérales 96 de l'écran 94 comportent en outre une partie intermédiaire plane et oblique par rapport au plan longitudinal médian, faisant la jonction entre la partie postérieure et la partie antérieure. Le couloir constitué par les parois isolantes latérales 96 de l'écran 94 voit donc sa largeur rétrécir progressivement d'un tiers, voire de moitié, en direction de la chambre 38, et constitue un étranglement 98 débouchant à l'entrée de la chambre. L'écran 94 comporte en outre des parois antérieures et postérieures perpendiculaires au plan longitudinal médian, et protégeant les extrémités faces antérieure et postérieure des branches latérales du circuit magnétique. L'écran 94 comporte également un revêtement interne 97 d'isolation et de protection au contact direct du circuit magnétique, Le revêtement 97 est constitué par un polymère à cristaux liquides.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant.
En position fermée sur la figure 2, le disjoncteur permet le passage du courant entre les deux plages de contact 32, 36, aux travers des organes de contact 30, 34 et des pastilles de contact 42, 76. Le mécanisme bistable 80 rappelle les doigts 70 vers la pastille de contact fixe 42, assurant une pression de contact suffisante.
En cas de court-circuit, l'intensité du courant est très élevée dans la partie recourbée 40 de l'organe de contact fixe 30 et induit un flux magnétique important dans le circuit magnétique 82. Le circuit magnétique 82 concentre les lignes de champ entre les branches latérales 86, dans la zone de contact et dans la zone balayée par les doigts de contacts 70 lors de l'ouverture. Les doigts de contact 70, qui sont également traversés par le courant de court-circuit, sont soumis à des forces de répulsion induites par le champ magnétique. Ces forces induites par le circuit magnétique s'ajoutent aux forces de striction à l'interface entre les pastilles 42, 76, de sorte que les doigts de contact 70 pivotent contre la force de rappel du ressort 81, jusqu'à atteindre le point mort du mécanisme bistable 80. Au-delà du point mort, les doigts de contact 70 continuent leur course dans le sens horaire jusqu'à la position de séparation de la figure 4, sous l'action conjointe du ressort 81 et des efforts électromagnétiques.
Un arc électrique est né entre les pastilles de contact 42, 76 dès leur séparation, provoquant une brusque montée en température dans le couloir. Les parois 96 de l'écran provoquent une émission de gaz dans la partie postérieure et dans la partie antérieure rétrécie du couloir, de sorte que la pression augmente dans le couloir. L'arc, soumis aux efforts électromagnétiques, se courbe vers la chambre 38 et la racine de l'arc migre sur la partie large de la corne d'arc inférieure 44, et tend à pénétrer dans la chambre. Toutefois, la racine de l'arc a une section importante, fonction de l'intensité du courant de court-circuit. La largeur de la surface de réception 47 de l'arc située sur la partie de la corne d'arc s'étendant à l'intérieur de la chambre 38 est insuffisante pour permettre une migration de la racine de l'arc à l'intérieur de la chambre 38. Par conséquent, la racine de l'arc occupe toute la surface disponible entre la pastille de contact 42 et l'extrémité antérieure de la corne d'arc inférieure 44, à l'intérieur de la chambre. En d'autres termes, une partie de la racine d'arc reste sur la surface de réception large 44 de la corne d'arc inférieure, en deçà de l'étranglement 98, alors qu'une autre partie de la racine d'arc se trouve sur la partie plus étroite 47 de la corne d'arc inférieure, directement dans la chambre, et ceci jusqu'à l'extinction.
Du fait de la courbure importante de l'arc provoquée par le champ magnétique, une partie intermédiaire de l'arc, entre sa racine et sa tête, pénètre dans la chambre dès la séparation des pastilles de contact 42, 76. Cette partie intermédiaire de l'arc traverse l'étranglement 98, où elle subit à la fois une striction et un refroidissement importants, dus aux interactions avec les parois isolantes latérales 96 de l'écran 94. Ces deux phénomènes se conjuguent pour contribuer à élever la tension de l'arc et à provoquer une forte limitation du courant traversant le pôle.
Lorsque les doigts de contact 70 atteignent la position de séparation de la figure 4, la tête de l'arc principal migre sur la corne d'arc supérieure 52, alors qu'un arc secondaire se forme en série avec le premier entre l'extrémité recourbée 56 de la corne d'arc supérieure et les doigts de contact 70. Dès que cette commutation a lieu, la tête de l'arc peut entrer dans la chambre, ce qui évite une trop forte ablation des parois du boítier à proximité de l'extrémité recourbée 56 de la corne d'arc supérieur.
Toutefois, comme on l'a indiqué précédemment, la racine de l'arc reste au moins partiellement sur la partie large 45 de la corne d'arc 44 située entre la pastille de contact 42 et l'étranglement 98. Par conséquent, les effets de striction et de refroidissement de l'arc provoqués par la convergence des parois 96 se prolongent pendant toute la durée de la coupure, assurant le maintien d'une tension d'arc élevée jusqu'à extinction de l'arc.
Il est à noter qu'en l'absence de champ magnétique, l'arc aurait tendance à quitter la chambre 38 et à reculer vers la zone de contact 42, pour minimiser l'énergie dissipée et diminuer la tension d'arc. C'est le champ induit par le circuit magnétique 82, et notamment par la partie du circuit située au niveau de l'étranglement 98, qui agit de manière continue sur l'arc jusqu'à son extinction, et empêche l'arc de reculer vers les pastilles de contact 42, 76. La réduction de l'entrefer au niveau de l'étranglement 98 et l'augmentation corrélative du champ magnétique favorisent encore davantage cette action.
Pendant toute la durée de l'ouverture des contacts, les parois isolantes latérales 96 de l'écran 94 sont soumises à l'arc, notamment au niveau de l'étranglement 98. C'est la raison pour laquelle le matériau constitutif de l'écran 94 doit avoir une grande robustesse. Le revêtement 97 permet quant à lui d'assurer l'isolation du circuit magnétique en cas de défaillance de l'écran, notamment si des gouttes de métal en fusion arrivent à traverser l'une des parois 96. Sa fonction est d'éviter dans ce cas tout risque d'amorçage d'un arc entre le circuit magnétique 82 et l'un des organes de contact.
L'ouverture est confirmée par un ordre d'ouverture du mécanisme 18, qui entraíne le support dans la position de la figure 5.
Lorsque l'ouverture a lieu sur de petits courants, elle est initiée par le mécanisme 18. On a alors directement un passage de la position représentée sur la figure 2 à la position représentée sur la figure 5, sans passage intermédiaire par la position de la figure 4. Le champ induit par le circuit magnétique 82 est toutefois suffisamment intense pour projeter l'arc vers la chambre. La section de la racine de l'arc est peu importante de sorte que la racine de l'arc parvient à passer au travers de l'étranglement 98 et à entrer complètement dans la chambre 38, pour se stabiliser sur la partie 47 de la corne d'arc se trouvant à l'intérieur de la chambre. Le passage de l'étranglement 98 donne lieu à un refroidissement et une constriction de l'arc. L'extinction de l'arc a lieu de manière conventionnelle dans la chambre 38.
Naturellement, diverses modifications sont possibles.
Selon un deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 6, le circuit magnétique 82 a un entrefer constant de sa partie postérieure à sa partie antérieure. Ce mode de réalisation est plus simple que le précédent, et pourra s'avérer suffisant pour des performances de coupure moins élevées.
La structure du disjoncteur limiteur peut être différente de celle de l'exemple de réalisation. En particulier, il est possible de monter le ou les doigts de contact pivotant autour d'un axe supporté par le support mobile. Il est également possible de prévoir une structure classique, dans laquelle l'arbre des pôles et les supports sont remplacés par un barreau de commutation unique commun aux pôles. L'invention s'applique également à un pôle dont le support mobile de l'organe de contact mobile se déplace en translation.
L'écran 94 peut être chargé en particules minérales destinées à lui conférer une grande robustesse, sans nuire à ses qualités diélectriques. De bons résultats ont été obtenus par exemple avec du borate de zinc dans des proportions allant jusqu'à 30% et au-delà. Les particules minérales peuvent le cas échéant être ou non additionnées aux fibres de verre.
L'émission de gaz par les parois 96 augmente la pression dans le couloir. Cette augmentation de pression contribue à la constriction de l'arc et à l'augmentation de la tension d'arc. Toutefois, l'augmentation de pression n'est pas nécessairement homogène, et un gradient de pression peut apparaítre du fait de l'étranglement, qui tend à s'opposer au passage de l'arc au travers de l'étranglement. C'est pourquoi on considère qu'il n'est pas absolument nécessaire d'utiliser un matériau gazogène. En tout état de cause, il convient de choisir un matériau ne provoquant pas une émission de gaz trop important. De plus, le circuit magnétique doit être dimensionné de manière à contrecarrer les effets du gradient de pression sur l'arc.
Le revêtement 97 peut être omis si la robustesse et la tenue dans le temps de l'écran 94 sont suffisantes pour assurer l'absence d'amorçage au niveau du circuit magnétique.
La longueur de la corne d'arc inférieure à l'intérieur de la chambre n'est pas nécessairement importante. Du point de vue de la coupure des courants de court-circuit sous une tension élevée, on a toujours intérêt à ce qu'une partie importante de la racine d'arc stationne sur la partie 45 de la corne d'arc inférieure située entre la pastille de contact et l'étranglement, puisque c'est ainsi qu'on contraint l'arc à traverser l'étranglement 98 durant toute la durée de la coupure. La prolongation de la corne d'arc à l'intérieur de la chambre résulte d'un compromis permettant notamment d'assurer un refroidissement de la corne d'arc pendant la coupure.
La corne d'arc supérieure peut être omise, si les parois du boítier sont à ce niveau renforcées, ou si un effet gazogène est souhaité, par exemple pour nettoyer la pastille de contact 76.
La hauteur de l'étranglement, c'est-à-dire sa dimension suivant un axe perpendiculaire au plan de la figure 3, n'est pas nécessairement importante. L'expérience montre que c'est la partie basse de l'étranglement, la plus proche de la corne d'arc inférieure, qui est essentielle.

Claims (10)

  1. Pôle pour un disjoncteur électrique limiteur basse tension de puissance comportant un mécanisme d'ouverture (18), le pôle comportant
    un socle (26) ;
    un premier organe de contact (30), comportant une zone de contact (42) ;
    un deuxième organe de contact (34), comportant
    un support mobile (66) apte à être relié au mécanisme d'ouverture (18) et mobile par rapport au socle (26) entre une position de fermeture et une position d'ouverture,
    au moins un doigt de contact (70) mobile parallèlement à un plan longitudinal médian (II-II) du pôle, et apte à prendre, par rapport au support mobile (66) en position de fermeture, une position de contact dans laquelle le doigt de contact (70) est en contact avec la zone de contact (42) du premier organe de contact (30), et une position de séparation dans laquelle le doigt de contact (70) est séparé du premier organe de contact (30), et
    un moyen de rappel élastique (81) apte à rappeler le doigt de contact mobile (70) vers sa position de contact, lorsque le doigt de contact mobile (70) se trouve à proximité de sa position de contact ;
    une chambre d'extinction d'arc (38), comportant une ouverture de sortie (60) constituant la voie d'échappement de l'ensemble des gaz émis lors d'une coupure, une ouverture d'entrée (58) située entre la zone de contact (42) et l'ouverture de sortie (60), des moyens d'absorption d'énergie d'arc (54) situés à l'intérieur de la chambre d'extinction d'arc (38), et des parois latérales (59) délimitant latéralement la chambre d'extinction d'arc (38), la distance mesurée perpendiculairement au plan longitudinal médian (II-II) entre les parois latérales (59) définissant une largeur de la chambre ;
    un circuit magnétique (82), apte à être excité par un courant traversant les organes de contact (30, 34), le circuit magnétique comportant deux branches latérales (86) qui s'étendent parallèlement au plan longitudinal médian (II-II) de part et d'autre de celui-ci et qui encadrent la zone de contact (42), le circuit magnétique (82) étant apte à produire un champ magnétique tendant à entraíner le doigt de contact (70) traversé par un courant vers la position de séparation,
    un écran isolant (94) comportant deux parois isolantes latérales (96) s'interposant entre les branches latérales (86) et les organes de contacts (30, 70), les parois isolantes latérales (96) de l'écran isolant formant un couloir entre la zone de contact (42) et l'ouverture d'entrée (58) de la chambre,
    caractérisé en ce que
    les parois isolantes latérales (96) de l'écran isolant (94) sont à une distance l'une de l'autre qui est plus faible à proximité de l'ouverture d'entrée (58) de la chambre d'extinction d'arc (38) qu'à proximité de la zone de contact (42), et qui est plus faible à proximité de l'ouverture d'entrée (58) de la chambre d'extinction d'arc (38) que la largeur de la chambre d'extinction d'arc (38), de telle sorte que le couloir forme un étranglement (98) entre la zone de contact (42) et l'organe de contact mobile (34) d'une part, et la chambre d'extinction (38) d'autre part, cet étranglement (98) étant au moins partiellement encadré latéralement par les branches latérales (86) du circuit magnétique,
    le pôle comporte en outre une première surface de réception (45) d'une racine d'un arc électrique, située entre la zone de contact (42) et l'étranglement et reliée électriquement au premier organe de contact (42).
  2. Pôle de disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une corne d'arc inférieure (44) reliée électriquement au premier organe de contact (30), et comportant ladite première surface de réception (45) d'une racine d'un arc électrique ainsi qu'un prolongement (47) s'étendant à l'intérieur de la chambre d'extinction (38), ledit prolongement (47) constituant une deuxième surface de réception d'une racine d'arc dont la largeur, mesurée suivant un axe perpendiculaire au plan longitudinal (II-II) du pôle , est plus petite que celle de la première surface de réception (45).
  3. Pôle de disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une corne d'arc supérieure (52) ayant une extrémité libre (56) située à proximité de l'organe de contact mobile (34) en position de séparation, et s'étendant vers l'intérieur de la chambre (38).
  4. Pôle de disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les branches latérales (86) du circuit magnétique (82) ont un entrefer qui est plus faible au niveau de l'étranglement (98) qu'au niveau de la zone de contact (42).
  5. Pôle de disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique (82) forme un U magnétique, ayant une base (84) située en dessous de la zone de contact (42) de l'organe de contact fixe (30).
  6. Pôle de disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écran isolant (94) comporte un matériau gazogène résistant à l'arc.
  7. Pôle de disjoncteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'écran isolant (94) comporte un polyamide chargé de fibres de verre.
  8. Pôle de disjoncteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'écran isolant (94) comporte un polyamide chargé de charges minérales.
  9. Pôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'absorption d'énergie d'arc (54) situés à l'intérieur de la chambre d'extinction d'arc comportent des séparateurs (54) s'étendant perpendiculairement au plan longitudinal médian (II-II).
  10. Disjoncteur électrique limiteur basse tension de puissance, comportant un mécanisme d'ouverture (18) et au moins un pôle (10, 12, 14, 16) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont le support mobile (66) est relié au mécanisme d'ouverture (18).
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