EP0064425A2 - Interrupteur à arc tournant dans un gaz isolant - Google Patents
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Definitions
- French Patent No. 2,479,553 describes a switch of the kind mentioned having a blowing coil whose lower front face is equipped with the conductive electrode for phase shift and arc switching.
- a tubular screen of conductive material coaxially surrounds the hollow movable contact coaxially, and comprises at one of its ends a radial flange extending transversely in the direction of the envelope. The opposite end of the screen is secured to the transverse bulkhead.
- the upper face of the conductive flange is shaped as an annular track facing the coil switching electrode. Tests have shown that the performance of such a switch remains limited, and that gas eddy phenomena in the vicinity of the arc zone affect the stability of the arc and disturb the circulation of the gas due to thermal expansion.
- the object of the present invention is to increase the performance of a switch of the type indicated by means of a control of the gas flow and efficient cooling of the blowing gases inside the extinguishing chamber.
- the switch according to the invention is characterized in that the circulation of gas inside the extinguishing chamber is channeled by a fixed deflector made of insulating material and with a side surface of revolution around the arc zone, and by a member distributing the gas flow ionized and deflected by the deflector, said member comprising a divisional wall arranged coaxially in the annular space between the casing and the movable contact, and separated respectively from the deflector and from the transverse partition by upper and lower passages so as to impose a loop path on the gas flow.
- the deflector advantageously has a concave or frustoconical shape extending radially between the envelope and the magnetic means which consists of a coil coaxially surrounding the fixed contact and the electrode.
- the divisional wall is made of insulating or metallic material and is offset radially with respect to the arc zone by being arranged in the middle of the annular space between the envelope and the movable contact. The arrangement of the division wall separates the ionized gases from the arc zone and lengthens the path of the gas by promoting its cooling. When the wall is metallic, the arc remains centered between the electrode and the movable contact, and no initiation occurs on the wall offset during the axial sliding of the movable contact towards the open position.
- the deionization of the gas inside the extinguishing chamber can be increased by the use of a special distributor member in the form of a grid or a radiator with cooling fins.
- the wall of the distributor member can be equipped with baffles or corrugations capable of lengthening the path of the gas.
- a multi-pole rotary circuit breaker 10 or circuit breaker with thermal expansion of the blowing gas comprises a tight casing 12 of elongated shape, filled with insulating gas with high dielectric strength, in particular sulfur hexafluoride.
- the cylindrical casing 12 made of molded insulating material is closed at its ends by a bottom 14 made of conductive material, and by L n opposite bottom (not shown).
- a transverse partition 16 subdivides the interior of the envelope 12 into two superimposed chambers, namely an upper chamber 18 for extinguishing the arc and a lower chamber 20 for expansion.
- the conductive partition 16 crosses the casing 12 in the middle zone, and its end is shaped as a connection terminal.
- the bottom 14 carries the opposite pole connection terminal.
- the upper chamber 18 of the casing 12 contains a fixed contact 22 in the form of a tulip, carried by the bottom 14, and cooperating in the closed position with a movable sliding contact 24.
- the latter is tubular and passes through the intermediate partition 16 associated with a sliding contact 26 current supply.
- the two fixed and movable contacts 22, 24 are aligned in the axial direction, and the internal exhaust channel 28 of the movable contact 24 ensures the communication of the two chambers 18, 20 in a position separated from the contacts.
- the fixed contact 22 is rigidly secured a carcass 30 having an annular recess 32 for housing a coil 34 for magnetic blowing of the arc.
- the coil 34 coaxially surrounds the fixed contact 22, and its lower front face is associated with an annular electrode 36 for switching on the coil 34.
- the electrode 36 is made of a good conductive material and is traversed in radial clearance by the movable contact 24 to form a migration path of the arc root.
- the fixed contact 22 is axially set back from the annular electrode 36, the latter being arranged to alternately switch off the coil 34 in the closed position of the contacts 22; 24, and the excitation of the coil 34 during the switching of the arc on the electrode 36 at the start of the separation of the contacts 22, 24.
- the extinguishing chamber 18 also contains a concave and fixed deflector 38 made of insulating material cooperating with a distributor member 40 to channel the gas flow generated during the separation of the contacts by the thermal expansion of the insulating gas. blowing.
- the concave deflector 38 has a surface of revolution around the longitudinal axis of alignment of the contacts, and is arranged radially around the arc extension zone, extending between the part of the lower front face of the blowing coil 34 not covered by the electrode 36 and the internal wall of the casing 12.
- the insulating material of the deflector 38 does not disturb the distribution of the magnetic flux generated by the coil 34.
- the concave shape of the deflector 38 can be replaced by a frustoconical surface and can be extended at the level of the casing 12 by a cylindrical hollow part extending towards the intermediate partition 16.
- the deflector 38 can advantageously include a plurality of fins 42 radial (fig. 2), staggered at regular intervals along the convex side face.
- the device 40 for distributing and guiding the gas flow comprises a tubular sleeve or wall 44 arranged coaxially in the middle of the annular space between the envelope 12 and the movable contact 24 (FIG. 1).
- the divisional wall 44 is fixed and extends parallel to the longitudinal direction in the axial gap formed between the blowing coil 34 and the transverse partition 16.
- An upper radial passage 46 and a lower radial passage 48 separate the sleeve 44 respectively from the coil 34 and from the partition 16.
- the relative position of the deflector 38 and the sleeve 44 requires a predetermined circulation of the blowing gas, and the material of the sleeve 44 can be metallic or insulating.
- the remoteness of the socket 44 with respect to the arc zone prevents any ignition of the arc on the socket in the case where it is metallic.
- one of the faces or the two opposite faces of the bushing 44 comprises fins or radial blades 52a or inclined 52b whose presence prevents the rotation of the blowing gas in the transverse direction of the chamber 18.
- the metal bush 44 serves as a cooler and a heat exchanger for cooling the ionized gases. This results in an efficient blowing of the arc, and an increase in the breaking capacity.
- the gas is thus cooled during this loop path imposed by the concave deflector 38 and the intermediate coaxial sleeve 44, and this results in a circulation of non-ionized gas on the arc.
- the cooling of the SF6 gas is increased by the use of a distributor member 40 shaped as radiator (fig. 3 and 4).
- the presence of the deflector 38 associated with the distributor member 40 ensures the control of the thermal expansion caused by the rotating arc, and avoids the phenomena of gaseous eddies and reflections on the walls.
- the arc is thus stabilized in its central position and the combined effect of magnetic blowing by rotation, and pneumatic blowing by circulation of non-ionized gas contributes to the rapid extinction of the arc.
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- Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
- Circuit Breakers (AREA)
Abstract
Description
- L'invention est relative à un interrupteur à arc tournant et à expansion thermique du gaz de soufflage comprenant :
- - une enveloppe étanche remplie de gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment de l'hexafluorure de soufre,
- - une cloison transversale de subdivision de l'intérieur de l'enveloppe en deux chambres adjacentes, à savoir une chambre d'extinction de l'arc et une chambre d'expansion,
- - une paire de contacts séparables et alignés selon la éirection axiale de l'enveloppe, le contact fixe ou semi-fixe étant logé dans la chambre d'extinction et coopérant avec un contact mobile tubulaire monté à coulissement à travers une ouverture centrale de la cloison transversale,
- - un canal interne d'échappement du contact mobile faisant communiquer les deux chambres d'extinction et d'expansion lors de la séparation des contacts,
- - un moyen magnétique pour engendrer un champ magnétique dans la zone d'arc de la chambre,
- - et une électrode conductrice conformée en piste annulaire de migration de l'arc tournant sous l'action dudit champ.
- Le brevet français N° 2.479.553 décrit un interrupteur du genre mentionné ayant une bobine de soufflage dont la face frontale inférieure est équipée de l'électrode conductrice de déphasage et de commutation de l'arc. Un écran tubulaire en matériau conducteur entoure coaxialement à faible jeu .radial le contact mobile creux, et comporte à l'une de ses extrémités une collerette radiale s'étendant transversalement en direction de l'enveloppe. L'extrémité opposée de l'écran est assujettie à la cloison transversale. La face supérieure de la collerette conductrice est conformée en piste annulaire faisant face à l'électrode de mise en circuit de la bobine. Des essais ont montré que les performances d'un tel interrupteur restaient limitées, et que des phénomènes de remous gazeux au voisinage de la zone d'arc affectaient la stabilité de l'arc et perturbaient la circulation du gaz due à l'expansion thermique.
- La présente invention a pour but d'accroître les performances d'un interrupteur du genre indiqué grâce à un contrôle de l'écoulement gazeux et à un refroidissement efficace des gaz de soufflage à l'intérieur de la chambre d'extinction.
- L'interrupteur selon l'invention est caractérisé par le fait que la circulation du gaz à l'intérieur de la chambre d'extinction est canalisée par un déflecteur fixe en matériau isolant et à surface latérale de révolution autour de la zone d'arc, et par un organe répartiteur de l'écoulement gazeux ionisé et dévié par le déflecteur, ledit organe comprenant une paroi divisionnaire agencée coaxialement dans l'espace annulaire compris entre l'enveloppe et le contact mobile, et séparée respectivement du déflecteur et de la cloison transversale par des passages supérieur et inférieur de manière à imposer un trajet en boucle à l'écoulement gazeux.
- Le déflecteur présente avantageusement une forme concave ou tronconique s'étendant radialement entre l'enveloppe et le moyen magnétique lequel est constitué par une bobine entourant coaxialement le contact fixe et l'électrode. La paroi divisionnaire est en matériau isolant ou métallique et se trouve décalée radialement par rapport à la zone d'arc en étant disposée au milieu de l'espace annulaire entre l'enveloppe et le contact mobile. L'agencement de la paroi divisionnaire écarte les gaz ionisés de la zone d'arc et rallonge le trajet du gaz en favorisant son refroidissement. Lorsque la paroi est métallique, l'arc reste centré entre l'électrode et le contact mobile, et aucun amorçage n'intervient sur la paroi décalée au cours du coulissement axial du contact mobile vers la position d'ouverture.
- La désionisation du gaz à l'intérieur de la chambre d'extinction peut être accrue grâce à l'utilisation d'un organe répartiteur spécial en forme de grille ou de radiateur à ailettes de refroidissement.
- La paroi de l'organe répartiteur peut être équipée de chicanes ou d'ondulations susceptibles d'allonger le trajet du gaz.
- D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de différents modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés au dessin annexé, dans lequel :
- la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un pôle de l'interrupteur selon l'invention, représenté en position de séparation des contacts;
- les figures 2 à 4 montrent des demi-vues partielles de gauche de la fig. 1 illustrant trois variantes de réalisation.
- En référence à la figure 1, un interrupteur 10 ou disjoncteur multipolaire à arc tournant et à expansion thermique du gaz de soufflage comprend une enveloppe 12 étanche de forme allongée, remplie de gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, notamment de l'hexafluorure de soufre. L'enveloppe 12 cylindrique en matériau isolant mculé est obturée à ses extrémités par un fond 14 en matériau conducteur, et par Ln fond opposé (non représenté). Une cloison 16 transversale subdivise l'intérieur de l'enveloppe 12 en deux chambres superposées, à savoir une chambre 18 supérieure d'extinction de l'arc et une chambre 20 inférieure d'expansion. La cloison 16 conductrice traverse l'enveloppe 12 dans la zone médiane, et son extrémité est conformée en borne de raccordement. Le fond 14 porte la borne opposée de raccordement du pôle.
- La chambre supérieure 18 de l'enveloppe 12 renferme un contact fixe 22 en forme de tulipe, porté par le fond 14, et coopérant en position de fermeture avec un contact mobile 24 coulissant. Ce dernier est tubulaire et traverse la cloison 16 intermédiaire associée à un contact glissant 26 d'amenée de courant. Les deux contacts fixe et mobile 22, 24 sont alignés dans la direction axiale, et le canal 28 interne d'échappement du contact mobile 24 assure la mise en communication des deux chambres 18, 20 en position séparée des contacts. Au contact fixe 22 est rigidement assujettie une carcasse 30 présentant un évidement 32 annulaire de logement d'une bobine 34 de soufflage magnétique de l'arc. La bobine 34 entoure coaxialement le contact fixe 22, et sa face frontale inférieure est associée à une électrode 36 annulaire de mise en circuit de la bobine 34. L'électrode 36 est réalisée en un matériau bon conducteur et est traversée à jeu radial par le contact mobile 24 pour former une piste de migration de la racine d'arc. Le contact fixe 22 se trouve en retrait axial de l'électrode 36 annulaire, cette dernière étant agencée pour assurer alternativement la mise hors circuit de la bobine 34 en position de fermeture des contacts 22; 24, et l'excitation de la bobine 34 lors de la commutation de l'arc sur l'électrode 36 au début de la séparation des contacts 22, 24.
- Selon l'invention, la chambre d'extinction 18 renferme de plus un déflecteur 38 concave et fixe en matériau isolant coopérant avec un organe répartiteur 40 pour canaliser l'écoulement gazeux engendré lors de la séparation des contacts par l'expansion thermique du gaz isolant de soufflage. Le déflecteur 38 concave présente une surface de révolution autour de l'axe longitudinal d'alignement des contacts, et est agencé radialement autour de la zone d'extension de l'arc en s'étendant entre la partie de la face frontale inférieure de la bobine 34 de soufflage non recouverte par l'électrode 36 et la paroi interne de l'enveloppe 12. Le matériau isolant du déflecteur 38 ne perturbe pas la répartition du flux magnétique engendré par la bobine 34. La forme concave du déflecteur 38 peut être remplacée par une surface tronconique et peut être prolongée au niveau de l'enveloppe 12 par une partie creuse cylindrique s'étendant vers la cloison 16 intermédiaire. Le déflecteur 38 peut comporter avantageusement une pluralité d'ailettes 42 radiales (fig. 2), échelonnées à intervalles réguliers le long de la face latérale convexe.
- L'organe 40 répartiteur et de guidage de l'écoulement gazeux comprend une douille ou paroi 44 tubulaire agencée coaxialement au milieu de l'espace annulaire compris entre l'enveloppe 12 et le contact mobile 24 (fig. 1). La paroi 44 divisionnaire est fixe et s'étend parallèlement à la direction longitudinale dans l'intervalle axial ménagé entre la bobine de soufflage 34 et la cloison 16 transversale. Un passage radial supérieur 46 et un passage radial inférieur 48 séparent la douille 44 respectivement de la bobine 34 et de la cloison 16. La position relative du déflecteur 38 et de la douille 44 impose une circulation prédéterminée du gaz de soufflage, et le matériau de la douille 44 peut être métallique ou isolant. L'éloignement de la douille 44 par rapport à la zone d'arc évite tout amorçage de l'arc sur la douille dans le cas où elle est métallique.
- Selon la figure 2, la position spatiale de l'organe répartiteur 40 reste inchangée, mais la douille 40 est remplacée par une grille 50 de désionisation de forme tubulaire.
- Selon les figures 3 et 4, l'une des faces ou les deux faces opposées de la douille 44 comporte des ailettes ou aubes radiales 52a ou inclinées 52b dont la présence évite la rotation du gaz de soufflage dans la direction transversale de la chambre 18. En plus de sa fonction de guidage et de répartition de l'écoulement de gaz de soufflage, la douille 44 métallique sert de refroidisseur et d'échangeur de chaleur pour le refroidissement des gaz ionisés. Il en résulte un soufflage efficace de l'arc, et une augmentation du pouvoir de coupure.
- Selon une autre variante, l'organe répartiteur 40 peut être réalisé par une paroi ou écran de forme quelconque, notamment tronconique, et équipée de chicanes ou d'ondulations susceptibles d'allonger le trajet du gaz ionisé. L'interrupteur 10 fonctionne de la manière suivante :
- L'ouverture de l'interrupteur 10 s'opère par coulissement axial vers le bas du contact mobile 24 au moyen d'un dispositif de commande (non représenté). Au début de la course d'ouverture l'arc tiré entre les contacts 22, 24 commute rapidement sur l'électrode 36 en mettant en circuit la bobine 34 de soufflage. Le champ magnétique B engendré par l'excitation de la bobine 34 s'étend radialement dans la zone d'arc et impose une rotation rapide de l'arc sur l'électrode 36 agencée en piste de migration, et sur l'extrémité annulaire du contact mobile 24. L'arc tournant est localisé dans la partie centrale de la chambre 18 en s'étendant selon une direction oblique, et la chaleur engendrée par l'arc provoque une augmentation de pression du gaz isolant SF6 à l'intérieur de la chambre de coupure 18. L'expansion thermique du gaz conduit à un écoulement gazeux s'établissant selon le sens de la flèche F2 dans le conduit 28 interne du contact mobile 24 à partir de la chambre de coupure 18 vers la chambre d'expansion 20 à pression plus faible. Une partie des gaz ionisés dans la zone d'arc est chassée transversalement pεr le passage radial 46 supérieur selon le sens de la flèche F1, puis est dévié axialement vers le bas par le déflecteur concave 38 isolant. L'organe répartiteur 40 intermédiaire joue le rôle de chicane et assure le guidage axial de l'écoulement gazeux lequel est maintenu éloigné de la zone d'arc et confiné dans le premier espace annulaire situé entre l'enveloppe 12 et la douille 44. Le gaz est ensuite dévié par la cloison 16 transversale, et est canalisé à travers le passage radial 48 inférieur dans le deuxième espace annulaire ménagé entre la douille 44 et le contact mobile 24.
- Le gaz est ainsi refroidi durant ce trajet en boucle imposé par le déflecteur 38 concave et la douille 44 coaxiale intermédiaire, et il en résulte une circulation de gaz non ionisé sur l'arc. Le refroidissement du gaz SF6 est accru par l'utilisation d'un organe 40 répartiteur conformé en radiateur (fig. 3 et 4). La présence du déflecteur 38 associé à l'organe répartiteur 40 assure le contrôle de l'expansion thermique provoquée par l'arc tournant, et évite les phénomènes de remous gazeux et de réflexions sur les parois. L'arc est ainsi stabilisé dans sa position centrale et l'effet combiné du soufflage magnétique par rotation, et du soufflage pneumatique par circulation de gaz non ionisé contribue à l'extinction rapide de l'arc.
- L'invention n'est bien entendu nullement limitée aux modes de mise en oeuvre plus particulièrement décrits et représentés au dessin annexé, mais elle s'étend bien au contraire à toute variante restant dans le cadre des équivalences électrotechniques, notamment celle dans laquelle l'organe répartiteur 40 en matériau isolant serait solidaire du contact mobile 24 durant une course prédéterminée.
Claims (7)
caractérisé par le fait que la circulation du gaz à l'intérieur de la chambre d'extinction (18) est canalisée par un déflecteur (38) fixe en matériau isolant et à surface latérale de révolution autour de la zone d'arc, et par un organe (40) répartiteur de l'écoulement gazeux ionisé et dévié par le déflecteur (38), ledit organe (40) comprenant une paroi (44) divisionnaire agencée coaxialement dans l'espace annulaire compris entre l'enveloppe (12) et le contact mobile (24), et séparée respectivement du déflecteur (38) et de la cloison transversale (16) per des passages supérieur (46) et inférieur (48), de manière à imposer un trajet en boucle à l'écoulement gazeux.
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