FR2989822A1 - Appareil electrique d'interruption de circuit protege contre des surtensions - Google Patents

Abstract

Il s'agit d'un appareil électrique d'interruption de circuit comportant au moins un contact d'arc (15) et en outre au moins un anneau en matériau magnétique (16) placé autour du contact d'arc (15). Cet anneau en matériau magnétique (16) est destiné à diminuer l'amplitude de surtensions transitoires très rapides générées par l'apparition d'arcs électriques survenant lors de manoeuvres d'ouverture ou de fermeture de l'appareil électrique.

Description

APPAREIL ÉLECTRIQUE D'INTERRUPTION DE CIRCUIT PROTÉGÉ CONTRE DES SURTENSIONS DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un appareil 5 électrique d'interruption de circuit, protégé contre des surtensions. Dans la présente demande, la dénomination appareil électrique d'interruption de circuit englobe notamment les sectionneurs, les interrupteurs, les 10 contacteurs, les disjoncteurs. Ces différents appareils électriques d'interruption de circuit n'ont pas la même fonction mais leurs contacts peuvent être soumis à des arcs électriques lors des manoeuvres d'ouverture et fermeture 15 du circuit. Ces appareils électriques d'interruption de circuit s'utilisent notamment en haute ou moyenne tension. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE 20 Dans ce type d'appareil électrique d'interruption de circuit, lors de manoeuvre d'interruption (ouverture) ou de connexion (fermeture) d'un jeu de barres, des arcs électriques se forment inévitablement provoquant des surtensions pouvant être 25 néfastes pour l'appareil et son entourage. Ces surtensions sont connues sous le sigle anglo-saxon VFTO pour Very Fast Transient Overvoltage soit surtension transitoire très rapide. On connait par les documents [1], [2], [3] dont les références complètes se trouvent en fin de 5 description des appareils électriques d'interruption de circuit isolés au gaz (GIS) comportant des tronçons successifs d'un jeu de barres 1,2 logé dans une enceinte 3 étanche emplie d'un gaz isolant électriquement, isolés de l'enceinte par des supports 10 4. L'un des tronçons du jeu de barres est équipé en bout d'un contact électrique mobile 5, qui est capable d'avancer jusqu'à venir en contact avec l'extrémité libre du tronçon 2 voisin et de reculer pour s'en éloigner. On peut se référer à la figure 1. Lorsqu'il y 15 a contact entre les deux tronçons 1, 2, via le contact mobile 5, une circulation de courant électrique peut se faire d'un tronçon à l'autre. Lorsque le tronçon 1 doté du contact mobile 5 est relié à une source d'alimentation électrique (non représentée), en 20 approchant ou en éloignant le contact mobile 5 de l'extrémité libre du tronçon voisin 2, on risque de déclencher un arc électrique entre les deux contacts à des potentiels différents. Ces documents préconisent de placer au 25 moins un anneau de ferrite 6 autour de l'un des tronçons. Dans l'exemple décrit à la figure 1, il s'agit du tronçon 2 du jeu de barres qui n'est pas équipé du contact mobile 5. Cet anneau de ferrite amortit les variations transitoires de tension, c'est- 30 à-dire diminue leur amplitude. L'anneau de ferrite est équivalent électriquement, lorsqu'il n'est pas saturé, à un ensemble parallèle 7 formé d'une inductance 8 et d'une résistance 9. La résistance 9 traduit les pertes dans l'anneau de ferrite. La figure 2 illustre le circuit équivalent de l'anneau de ferrite. Cet ensemble parallèle 7 est monté en série avec le tronçon 1 du jeu de barres qui en est équipé. Lorsque l'anneau de ferrite 6 est saturé il court-circuit. L'inductance est équivalent à un équivalente disparait.

Un inconvénient des configurations présentées dans ces documents est que l'anneau de ferrite 6 sur le tronçon de barre bus 1 modifie le champ électromagnétique autour du tronçon de barre bus et donc diminue la rigidité diélectrique de l'espace entre le tronçon de barre bus et l'enveloppe dans laquelle il est logé. De plus, le passage du courant pratiquement en permanence dans le tronçon du jeu de barres provoque l'échauffement de l'anneau de ferrite à cause des courants parasites créés. Ceci a pour effet d'augmenter l'échauffement global de l'appareil électrique d'interruption de circuit dans lequel il se trouve. La demande de brevet français FR 2 780 548 propose également, dans le domaine des véhicules ferroviaires, de placer des éléments en ferrite autour d'une ligne conductrice située entre une source d'énergie et un l'appareil électrique d'interruption de circuit. Les inconvénients exposés plus haut sont également présents.

EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a justement comme but de proposer un appareil électrique d'interruption de circuit susceptible d'être soumis à des surtensions transitoires très rapides atténuées et qui ne soit pas sujet à un échauffement accru. Un autre but de l'invention est de proposer un tel appareil électrique d'interruption de circuit qui ne possède pas une rigidité diélectrique réduite.

Encore un autre but de l'invention est de proposer un tel appareil électrique d'interruption de circuit qui ne soit pas plus encombrant, ni plus cher que ceux de l'art antérieur. Un but supplémentaire de l'invention est de 15 proposer un tel appareil électrique d'interruption de circuit qui ne nécessite ni réglage, ni entretien spécifique une fois opérationnel. Pour y parvenir, la présente invention propose un appareil électrique d'interruption de 20 circuit à contact d'arc, dans lequel le contact d'arc est équipé d'au moins un anneau en matériau magnétique. L'anneau magnétique peut être un anneau de ferrite. Le contact d'arc coopère avec un contact 25 principal qui est un des contacts principaux d'une paire de contacts principaux. Le contact d'arc peut être unique ou l'un des contacts d'arc d'une paire de contacts d'arc. Le contact d'arc peut être mobile lors 30 d'une manoeuvre d'ouverture/fermeture de l'appareil électrique d'interruption de circuit.

En variante, il peut être fixe lors d'une manoeuvre d'ouverture/fermeture de l'appareil électrique d'interruption de circuit. Le contact d'arc peut prendre la forme d'une tige se terminant par une extrémité libre au niveau de laquelle un arc électrique est susceptible de se former lors d'une manoeuvre d'ouverture/fermeture de l'appareil électrique d'interruption de circuit. L'extrémité libre de la tige peut être 10 évasée ce qui contribue au maintien en place de l'anneau en matériau magnétique lors d'une manoeuvre d'ouverture/fermeture de l'appareil électrique d'interruption de circuit. Le contact d'arc équipé de l'anneau en 15 matériau magnétique ou des anneaux en matériau magnétique peut être logé dans un creux du contact principal avec lequel il coopère de manière à ce que l'anneau en matériau magnétique ne modifie pas le champ électrique autour du contact principal lorsque 20 l'appareil électrique d'interruption de circuit est fermé. Avantageusement l'appareil électrique d'interruption de circuit est un sectionneur ou un disjoncteur à haute tension. 25 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur 30 lesquels : la figure 1 montre un exemple d'appareil électrique d'interruption de circuit conforme à l'art antérieur ; la figure 2 montre le circuit électrique équivalent de l'anneau de ferrite ; les figures 3A, 3B, 3C montrent un premier exemple d'appareil électrique d'interruption de circuit conforme à l'invention, respectivement en position ouverte, en position intermédiaire et en position fermée ; la figure 4 montre un autre exemple d'appareil électrique d'interruption de circuit conforme à l'invention. Les différentes parties représentées sur 15 les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Les figures 3A'3B, 3C montrent en coupe 20 trois états différents d'un premier exemple d'un appareil électrique d'interruption de circuit 10 objet de l'invention. Dans cet exemple, l'appareil électrique d'interruption de circuit 10 est un sectionneur notamment pour poste blindé à haute tension sous 25 enveloppe métallique empli de gaz électriquement isolant. Un sectionneur ne coupe et n'établit que des courants très faibles. Sur la figure 3A, l'appareil électrique d'interruption de circuit 10 est dans une position 30 ouverte ou déconnectée, sur la figure 3C, il est dans une position fermée et sur la figure 3B, il est dans une position intermédiaire entre la position ouverte et la position fermée. Le sectionneur 10 comporte une paire de contacts principaux 11, 12 avec un contact principal mobile 11 et un contact principal fixe 12. Le contact principal fixe 12 est placé à l'intérieur d'un porte-contact référencé 14 et le contact principal mobile 11 est placé à l'intérieur d'un autre porte-contact référencé 13. Les deux porte-contacts 13, 14 sont sensiblement sphériques. Le contact principal mobile 11 est sensiblement cylindrique et comporte à une extrémité libre, devant venir en contact mécanique et électrique avec le contact principal fixe 12, une partie sensiblement tubulaire femelle lla. Cette partie sensiblement tubulaire femelle lla comporte donc un creux et dans ce creux est logé un contact d'arc 15. Le contact d'arc 15, dans cet exemple, est en forme de tige. De plus, dans l'exemple, la tige 15 se termine par une extrémité libre évasée 15a mais d'autres terminaison seraient possible, par exemple demi-sphérique sans évasement (comme sur la figure 4) ou sphérique. L'extrémité libre évasée est avantageuse pour la réduction du champ électrique en position ouverte. Le contact d'arc 15 est monté de manière coaxiale avec le contact principal mobile 11. Conformément à l'invention, au moins un anneau en matériau magnétique 16 est placé autour du 30 contact d'arc 15. On peut avantageusement prévoir plusieurs anneaux en matériau magnétique, enfilés sur le contact d'arc, les uns à la suite des autres. L'anneau en matériau magnétique 16 peut avoir une section circulaire, rectangulaire, carré ou autre. Le contact principal 11 entoure le contact d'arc 15 et sert aussi d'écran contribuant à annuler le champ magnétique produit par le courant permanent à l'intérieur du contact principal mobile 11, lorsque l'appareil d'interruption est fermé. De cette façon, pendant le passage permanent du courant, le matériau magnétique n'a pas de pertes dues aux effets des courants de Foucault et d'hystérésis. Le contact principal fixe 12 comporte une partie mâle 12a. La partie femelle lla du contact principal mobile 11 viendra s'insérer autour de la partie mâle 12a du contact principal fixe 12, lors d'une manoeuvre de fermeture de l'appareil électrique d'interruption de circuit. On notera toutefois que la partie mâle 12a du contact principal fixe 12 est creuse pour permettre la pénétration du contact d'arc 15 équipé de l'anneau en matériau magnétique 16 lors de cette manoeuvre. Les porte-contacts 13, 14 sont réalisés en matériau conducteur et sont parcourus par un courant lorsque le sectionneur est dans un état fermé.

En position ouverte, comme sur la figure 3A, l'anneau en matériau magnétique 16 ne joue aucun rôle. En position intermédiaire illustrée sur la figure 3B, le contact principal mobile 11 s'est rapproché du contact principal fixe 12 et la distance séparant l'extrémité libre 15a du contact d'arc 15 du contact principal fixe 12 est telle qu'un arc électrique peut prendre naissance. C'est dans cette position que l'anneau en matériau magnétique 16 intervient en insérant une inductance et une résistance en parallèle sur le chemin de propagation du courant d'arc, ce qui a pour effet de réduire son amplitude par rapport à celle qu'elle serait en l'absence de l'anneau en matériau magnétique 16 et donc de limiter l'amplitude de la surtension.

La valeur de la résistance parallèle équivalente, de l'inductance équivalente et la courbe caractéristique de magnétisation du matériau magnétique dépendent du type de matériau magnétique, de la géométrie de l'anneau et de la fréquence d'utilisation.

Avantageusement le matériau magnétique sera un ferrite car il possède des caractéristiques magnétiques lui permettant d'agir sur la bande de fréquences DC-300 MHz. Le ferrite est une céramique à base d'oxyde de fer et d'oxyde ou de carbonate d'un métal divalent tel que le cobalt, le nickel, le manganèse ou le zinc. On choisit un matériau magnétique qui ne sera pas saturé par la survenue de l'arc électrique pendant une manoeuvre d'ouverture ou de fermeture de 25 l'appareil électrique d'interruption de circuit. Le choix du matériau magnétique doit être optimisé pour obtenir une adaptation des valeurs de la résistance et de l'inductance équivalentes ce qui conduit à une bonne efficacité dans la limitation des surtensions. 30 En position fermée, le contact principal mobile 11 est en contact mécanique et électrique avec le contact principal fixe 12. L'extrémité libre 15a du contact d'arc 15 vient en contact mécanique et électrique avec le fond de la partie mâle creuse 12a du contact principal fixe 12.

Un courant peut circuler entre les deux contacts principaux 11, 12 et par conséquent entre les deux porte-contacts 13, 14. Placé autour du contact d'arc 15, l'anneau en matériau magnétique 16 est situé dans une zone où les champs magnétiques s'annulent en position fermée. Un avantage lié à la situation de l'anneau en matériau magnétique est qu'il ne modifie pas les lignes de champ électrique autour des contacts principaux mobile et fixe lorsque l'appareil électrique d'interruption de circuit objet de l'invention est en position fermée. La partie tubulaire femelle lla du contact principal mobile 11 dans laquelle est logé le contact d'arc sert d'écran comme on l'a évoqué plus haut. Ce n'était pas le cas dans l'art antérieur.

Un autre avantage est que l'anneau en matériau magnétique peut être installé dans tout type d'appareil électrique d'interruption de circuit à contact d'arc existant. L'appareil électrique d'interruption de circuit à contact d'arc existant n'a généralement pas besoin d'adaptation. Toutefois, une adaptation géométrique pour laisser la place à plusieurs anneaux peut être envisagée. L'introduction de l'anneau en matériau magnétique n'entraîne pas un encombrement accru de 30 l'appareil électrique d'interruption de circuit. Une fois le nombre d'anneaux en matériau magnétique déterminé, les dimensions et le type de matériau magnétique de l'anneau ou de chaque anneau choisis, il n'y a plus qu'à procéder à la mise en place. Il n'y a besoin ensuite d'aucun réglage supplémentaire, ni d'aucun entretien spécifique. Il n'y a pas de risque d'échauffement important en position fermée, car le contact d'arc équipé de l'anneau en matériau magnétique est parcouru par un courant négligeable par rapport à celui parcourant le contact principal qui coopère avec le contact d'arc. La solution avec anneau en matériau magnétique est beaucoup moins chère et moins encombrante que celle des appareils électriques d'interruption de circuit à résistance d'insertion. Plus l'anneau en matériau magnétique est petit, plus les performances d'amortissement sont limitées. Mais plus le nombre d'anneaux en matériau magnétique augmente, plus les performances d'amortissement s'améliorent. Sur la figure 4, on a représenté assez schématiquement un autre exemple d'un appareil électrique d'interruption de circuit objet de l'invention. Il s'agit maintenant d'un disjoncteur haute tension. Cet appareil électrique d'interruption de circuit comporte dans une enceinte étanche 17 un contact principal fixe 12 et un contact d'arc fixe 18 formant un ensemble fixe 19 et un contact principal mobile 11 et un contact d'arc mobile 20 formant un ensemble mobile 21. L'enceinte 17 est emplie d'un gaz électriquement isolant 22, tel que l'hexafluorure de soufre. Chaque contact d'arc 18, 20 coopère avec un contact principal 11, 12. Dans cet exemple le contact d'arc fixe 18 prend la forme d'une tige et le contact d'arc mobile 20 prend une forme tubulaire. Lors d'une manoeuvre de fermeture, le contact d'arc mobile 20 viendra se placer autour du contact d'arc fixe 18. Au moins un anneau en matériau magnétique 16 est placé autour du contact d'arc mobile 20 et au moins un anneau en matériau magnétique 16 est placé autour du contact d'arc fixe 18. Il serait possible, en variante de placer au moins un anneau en matériau magnétique autour du contact d'arc mobile uniquement ou bien autour du contact d'arc fixe uniquement. Le contact principal fixe 12 et le contact principal mobile 11 entourent, dans cet exemple également, le contact d'arc 18, 20 avec lequel ils coopèrent. On peut aussi imaginer qu'il n'y ait qu'un unique contact d'arc. Bien que plusieurs exemples de réalisation de la présente invention aient été représentés et décrits de façon détaillée, on comprend que différents changements et modifications peuvent être apportés sans sortir du cadre de l'invention.

DOCUMENTS CITÉS [1] Simulation test of suppressing VFT in GIS by ferrite rings, Wei Dong Liu et al. Electrical Insulating Materials, 2001, pages 245-247; [2] JP 2001-251713 ; [3] Simulation and measurements of very fast transient overvoltages in a 245 kV GIS and research on suppressing method using ferrite rings, J, V, G Rama Rao and al., ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, vol. 5, Mai 2010, pages 88-95 ; [4] FR 2780 54815

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Appareil électrique d'interruption de circuit comportant au moins un contact d'arc (15) et en 5 outre au moins un anneau en matériau magnétique (16) placé autour du contact d'arc.
2. 2. Appareil électrique d'interruption de circuit, dans lequel le matériau magnétique est un 10 ferrite.
3. 3. Appareil électrique d'interruption de circuit selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le contact d'arc (15) coopère avec un contact 15 principal (11).
4. 4. Appareil électrique d'interruption de circuit selon la revendication 3, dans lequel le contact principal (11) est un des contacts principaux 20 (11, 12) d'une paire de contacts principaux.
5. 5. Appareil électrique d'interruption de circuit selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le contact d'arc (18, 20) est unique ou est 25 l'un des contacts d'arc d'une paire de contacts d'arc (18, 20).
6. 6. Appareil électrique d'interruption de circuit selon l'une des revendications précédentes, 30 dans lequel le contact d'arc (20) est mobile lors d'unemanoeuvre d'ouverture/fermeture de l'appareil électrique d'interruption de circuit.
7. 7. Appareil électrique d'interruption de circuit selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le contact d'arc (18) est fixe lors d'une manoeuvre d'ouverture/fermeture de l'appareil électrique d'interruption de circuit.
8. 8. Appareil électrique d'interruption de circuit selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le contact d'arc (15) prend la forme d'une tige se terminant par une extrémité libre (15a) au niveau de laquelle un arc électrique est susceptible de se former lors d'une manoeuvre d'ouverture/fermeture de l'appareil électrique d'interruption de circuit.
9. 9. Appareil électrique d'interruption de circuit selon la revendication 8, dans lequel l'extrémité libre (15a) de la tige est évasée.
10. 10. Appareil électrique d'interruption de circuit selon l'une des revendications 3 à 9, dans lequel le contact d'arc (15) équipé de l'anneau en matériau magnétique (16) est logé dans un creux (11a) du contact principal (11) avec lequel il coopère.
11. 11. Appareil électrique d'interruption de circuit selon l'une des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que c'est un sectionneur ou un disjoncteur à haute tension.