EP0012048A1 - Interrupteur à arc tournant - Google Patents

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EP0012048A1
EP0012048A1 EP79400820A EP79400820A EP0012048A1 EP 0012048 A1 EP0012048 A1 EP 0012048A1 EP 79400820 A EP79400820 A EP 79400820A EP 79400820 A EP79400820 A EP 79400820A EP 0012048 A1 EP0012048 A1 EP 0012048A1
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EP
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electrode
arc
coil
switch according
contact
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EP79400820A
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EP0012048B1 (fr
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Georges Bernard
Pierre Leclercq
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Merlin Gerin SA
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Merlin Gerin SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/18—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet

Definitions

  • the invention relates to an alternating current switch with magnetic blowing generating a rotation of the arc, comprising an insulating envelope containing a gas with high dielectric strength, a pair of separable contacts, a first annular electrode associated with one of said contacts and a tubular coil coaxial with said first electrode to generate a magnetic field in the zone of formation and extension of the arc drawn between said contacts during the separation of the latter and to impose a rotary migration of the root of said anchored arc on the first electrode.
  • the switch according to the present invention is characterized in that said first electrode in the form of a thick ring made of a good conductive material is attached to the internal edge of the front face of the coil on the side of the arc formation zone for sensing the arc root as soon as the arc forms, that said first electrode covers only a small fraction of said front face to limit the electrodynamic repulsion forces of the first electrode generated by a variation of the current in said coil and that a metal screen is interposed between the arc-forming zone and the part of the front face not covered by the first electrode.
  • the annular electrode extends only over a small part of the front face of the coil, which makes it possible to limit the electrodynamic forces and to position the arc root.
  • the metallic screen subjected to the action of the magnetic field generated by the coil is also the seat of induced currents, but their influence can be limited by the use of a material of low conductivity and a screen of thin thickness . This screen can be shaped as a deflector of ionized gases.
  • Rotating arc switches are known in which the annular electrode only partially covers the front surface of the coil (German patent application No. 2,511,238 (fig. 3) and French patent? 2,285,700), but the surface covered by the electrode is greater than half of the front surface and the reduction in repulsion forces is insufficient.
  • the high cylindrical shape of the annular electrode does not allow a concentration of the currents induced in the electrode near the arc and at the zero crossing of the current the intensity of the blowing field of the arc generated by these induced currents is weak and insufficient to extinguish the arc.
  • the section of the annular electrode is inscribed in a circle and the center of gravity of the induced currents coincides with the center of the circle.
  • the coil is secured to a metal carcass, to which is fixed, for example by welding, the annular electrode.
  • the metal carcass constitutes a hoop of the coil as well as a rigid support of the annular electrode capable of withstanding the significant forces of repulsion generated by short-circuit currents flowing through the coil.
  • the carcass is advantageously made of a ferromagnetic material, in particular mild steel, capable of increasing lie in the blowing magnetic field when breaking low currents.
  • the annular electrode is tightly coupled to the blow coil and it constitutes a ring in short-circuit of phase shift located in the zone of maximum field and allowing a conservation of the magnetic blow field at the passage of the current by zero.
  • a second electrode is placed opposite the first one to position the arc in the zone of maximum field generated by the induced currents.
  • a sealed envelope 10, of elongated shape, made of a molded insulating material, is filled with sulfur hexafluoride and contains a fixed contact 12 capable of cooperating with a sliding movable contact 14.
  • the contacts 12, 14, of elongated are arranged coaxially with the casing 10 and are connected to feed-through bushings 16, 17.
  • one of the contacts, in this case the movable contact 14 is tubular to allow the gases to escape through the interior of this contact.
  • Fixed contact 12 is rigidly fixed a carcass 18, having an annular recess 20 for housing a blowing coil 22.
  • the carcass 18 and the coil 22 coaxially surround the fixed contact 12 and the front face 24 of the coil 22 is disposed substantially at the end 26 of the fixed contact 12, forming the contact face cooperating with the movable contact 14.
  • the coil 22 is inserted without play in the housing 20, between an internal ferrule 28 and an external ferrule 30 of the carcass 18.
  • the external ferrule 30 constitutes a hoop opposing the bursting of the coil 22, when the latter is traversed by large currents.
  • an annular electrode 32 made of a good conductive material, resistant to the action of arcs.
  • the electrode 32 projects from the end 26 of the contact 12 and includes a collar projecting from the internal edge of the front face 24 of the coil 22 while being attached to the latter.
  • the electrode 32 is in the form of a thick ring, the cross section of which is substantially in a circle.
  • the carcass 18 is made of a ferromagnetic metallic material, in particular mild steel, and the electrode 32 is preferably welded to the ferrule 28 to form a one-piece assembly with the carcass 18 and the coil 22.
  • the part of the face 24 of the coil 22 not covered by the collar of the electrode 32 is capped by an annular washer 34, which carries by means of an insulating ring 38, a screen 36, which surrounds the electrode 32 with little play and is extended by a frustoconical part 40 surrounding the zone of formation and extension of the arc.
  • the part 40 extends to the vicinity of the wall of the envelope 10 and constitutes a deflector of the gases ionized by the arc.
  • the coil 22 is connected on the one hand to the contact 12 and on the other hand to the electrode 32 by conductors (not shown).
  • the movable contact 14 is associated with a fixed tubular electrode 42 having an annular end surface 44 in re gard and of the same diameter as the electrode 32, the spacing between the surface 44 and the electrode 32 corresponding to the optimal extinction distance of the arc.
  • the end 26 of the fixed contact 12 has at its center a recess 46 and the electrode 42 is split along a generator.
  • the electrodynamic repulsion efforts of the electrode 32 are limited by the limited width of the electrode 32 and are easily taken care of by attachment to the carcass 18. It is advantageous to cover only a small part of the front surface 24 of the coil 22 by the electrode 32, the other larger part being capped by the screen 36 and the washer 34.
  • the metal carcass 18 holds the coil 22, the front face 24 and the insulating ring 38 are protected by the electrode 32, the screen 36 and the washer 34.
  • the washer 34 and the screen 36 are thin and made of a metallic material of low conductivity, such as stainless steel. They are the seat of limited induced currents and therefore only support repulsion forces easily taken up by the carcass 18.
  • the screen 36 protects the front face 24 of the coil 22 and its deflector 40 deflects the gases ionized by the arc by protecting the wall of the enclosure 10.
  • the deflector also serves as a condensation wall.
  • the ferromagnetic carcass 18 strengthens the magnetic field generated by the weak currents and allows obtaining a sufficient blowing for the rotation of the arcs of weak current.
  • the carcass 18 can be made of mild steel.
  • the recess 46 prevents the migration of the arc root, anchored to the fixed contact 12, towards the center of the latter and the slot of the electrode 42 limits the induced currents and the repulsion forces.
  • the electrode 42 is not essential, the arc remaining in this case anchored on the movable tubular contact 14 in a position less favorable for its extinction when the current crosses zero.

Abstract

L'invention concerne un interrupteur à arc tournant. Au contact fixe (12) de l'interrupteur est associé un ensemble de soufflage magnétique, constitué par une carcasse (18) de support d'une électrode annulaire massive (32) accolée à une bobine de soufflage (22) logée dans un évidement annulaire (20) ménagé dans la carcasse. L'interrupteur est du type à enveloppe (10) isolante remplie d'hexafluorure de soufre. Se référer à la figure unique.

Description

  • L'invention est relative à un interrupteur de courant alternatif à soufflage magnétique engendrant une rotation de l'arc, comprenant une enveloppe isolante contenant un gaz à rigidité diélectrique élevée, une paire de contacts séparables, une première électrode annulaire associée à l'un desdits contacts et une bobine tubulaire coaxiale à ladite première électrode pour engendrer un champ magnétique dans la zone de formation et d'extension de l'arc tiré entre lesdits contacts lors de la séparation de ces derniers et imposer une migration tournante de la racine dudit arc ancrée sur la première électrode.
  • Les brevets français Nos. 2.339.244 et 2.368.792 décrivent des interrupteurs du genre mentionné ayant une bobine de soufflage dont la face frontale est agencée en contact annulaire formant une piste annulaire de migration de la racine d'arc. Cette piste annulaire en un matériau bon conducteur d'électricité est le siège de courants induits et de forces électrodynamiques de répulsion importants et les performances de ces interrupteurs sont limitées. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients.
  • L'interrupteur selon la présente invention est caractérisé par le fait que ladite première électrode en forme d'anneau épais en un matériau bon conducteur est accolée au bord interne de la face frontale de la bobine du côté de la zone de formation d'arc pour capter la racine d'arc dès la formation de l'arc, que ladite première électrode recouvre seulement une faible fraction de ladite face frontale pour limiter les efforts électrodynamiques de répulsion de la première électrode engendrés par une variation du courant dans ladite bobine et qu'un écran métallique est interposé entre la zone de formation d'arc et la partie de la face frontale non recouverte par la première électrode.
  • L'électrode annulaire ne s'étend que sur une faible partie de la face frontale de la bobine, ce qui permet de limiter les efforts électrodynamiques et de positionner la racine d'arc. L'écran métallique soumis à l'action du champ magnétique engendré par la bobine, est également le siège de courants induits, mais leur influence peut être limitée par l'utilisation d'un matériau de faible conductivité et d'un écran de faible épaisseur. Cet écran peut être conformé en déflecteur des gaz ionisés.
  • On connaît des interrupteurs à arc tournant dans lesquels l'électrode annulaire ne recouvre que partiellement la surface frontale de la bobine (demande de brevet allemand N° 2.511.238 (fig. 3) et brevet français ? 2.285.700), mais la surface recouverte par l'électrode est supérieure à la moitié de la surface frontale et la réduction des forces de répulsion est insuffisante. La forme cylindrique haute de l'électrode annulaire ne permet pas une concentration des courants induits dans l'électrode à proximité de l'arc et au passage au zéro du courant l'intensité du champ de soufflage de l'arc engendré par ces courants induits est faible et insuffisante à l'extinction de l'arc.
  • Selon un développement de l'invention, la section de l'électrode annulaire s'inscrit dans un cercle et le centre de gravité des courants induits coïncide avec le centre du cercle.
  • Selon un autre développement de l'invention, la bobine est solidarisée à une carcasse métallique, à laquelle est fixée, par exemple par soudage,, l'électrode annulaire. La carcasse métallique constitue une frette de la bobine ainsi qu'un support rigide de l'électrode annulaire capable de supporter les forces importantes de répulsion engendrées par des courants de court-circuit parcourant la bobine. La carcasse est avantageusement en un matériau ferromagnétique, notamment en acier doux, capable d'augmenter le champ magnétique de soufflage lors de la coupure de faibles courants.
  • L'électrode annulaire est couplée étroitement à la bobine de soufflage et elle constitue un anneau en court-circuit de déphasage situé dans la zone de champ maximal et permettant une conservation du champ magnétique de soufflage au passage du courant par zéro. Une deuxième électrode est disposée en regard de la première pour positionner l'arc dans la zone de champ maximal engendré par les courants induits.
  • D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif et représenté au dessin annexé dans lequel la figure unique est une coupe schématique et partielle d'un interrupteur selon la présente invention, la partie gauche représentant l'interrupteur en position fermée et la partie droite en position ouverte.
  • Sur la figure, une enveloppe étanche 10, de forme allongée, en un matériau isolant moulé, est remplie d'hexafluorure de soufre et contient un contact fixe 12 susceptible de coopérer avec un contact mobile coulissant 14. Les contacts 12, 14, de forme allongée, sont disposés coaxialement à l'enveloppe 10 et sont raccordés à des traversées 16, 17 d'amenée de courant. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure, l'un des contacts, en l'occurrence le contact mobile 14, est tubulaire pour permettre un échappement des gaz à travers l'intérieur de ce contact.
  • Il est clair que soit les deux soit aucun des deux contacts 12, 14 peuvent être tubulaires, ces dispositions étant bien connues des spécialistes.
  • Au contact fixe 12 est rigidement assujettie une carcasse 18, présentant un évidement annulaire 20 de logement d'une bobine de soufflage 22. La carcasse 18 et la bobine 22 entourent coaxialement le contact fixe 12 et la face frontale 24 de la bobine 22 est disposée sensiblement au niveau de l'extrémité 26 du contact fixe 12, formant la face de contact coopérant avec le contact mobile 14. La bobine 22 est insérée sans jeu dans le logement 20, entre une virole interne 28 et une virole externe 30 de la carcasse 18. La virole externe 30 constitue une frette s'opposant à l'éclatement de la bobine 22, lorsque celle-ci est parcourue par des courants importants. A l'extrémité de la virole interne 28 est fixée une électrode annulaire 32 en un matériau bon conducteur, résistant à l'action des arcs. L'électrode 32 fait saillie de l'extrémité 26 du contact 12 et comprend un collet débordant sur le bord interne de la face frontale 24 de la bobine 22 en étant accolée à cette dernière. L'électrode 32 est en forme d'anneau épais dont la section s'inscrit sensiblement dans un cercle.
  • La carcasse 18 est en un matériau métallique ferromagnétique, notamment en acier doux, et l'électrode 32 est de préférence soudée à la virole 28 pour former un ensemble monobloc avec la carcasse 18 et la bobine 22. La partie de la face 24 de la bobine 22 non recouverte par le collet de l'électrode 32 est coiffée par une rondelle annulaire 34, qui porte par l'intermédiaire d'un anneau isolant 38, un écran 36, qui entoure avec faible jeu l'électrode 32 et se prolonge par une partie tronconique 40 entourant la zone de formation et d'extension de l'arc. La partie 40 s'étend jusqu'au voisinage de la paroi de l'enveloppe 10 et constitue un déflecteur des gaz ionisés par l'arc. La bobine 22 est reliée d'une part au contact 12 et d'autre part à l'électrode 32 par des conducteurs (non représentés).
  • Au contact mobile 14 est associée une électrode tubulaire fixe 42 ayant une surface 44 d'extrémité annulaire en regard et de même diamètre que l'électrode 32, l'écartement entre la surface 44 et l'électrode 32 correspondant à la distance optimale d'extinction de l'arc. L'extrémité 26 du contact fixe 12 présente en son centre un évidement 46 et l'électrode 42 est fendue suivant une génératrice.
  • L'interrupteur fonctionne de la manière suivante :
    • Dans la position fermée de l'interrupteur, représentée sur la demi-coupe gauche de la figure, le contact 14 est abouté au contact fixe 12 et le courant passe de la borne traversée 16 par les contacts 12, 14 vers la borne 17 sans parcourir la bobine 22. L'ouverture de l'interrupteur s'effectue par coulissement vers le bas sur la figure du contact 14 par un dispositif de commande conventionnel non représenté (partie droite de la figure). L'arc tiré entre les contacts séparés 12, 14 commute rapidement sur l'électrode 32 en mettant en circuit la bobine 22 et sur l'électrode 42. Le champ magnétique engendré par le courant parcourant la bobine 22, s'étend radialement dans la zone d'arc et provoque, d'une manière bien connue, la rotation de l'arc. Les électrodes 32 et 42 constituent des pistes de migration de faible largeur des racines d'arc et positionnent l'arc dans la zone centrale de l'enveloppe 10. Une commutation de l'arc sur le déflecteur 40 est empêchée par l'isolation électrique du déflecteur 40 par l'anneau 38. La migration des racines d'arc évite toute vaporisation locale du métal des électrodes et favorise l'extinction rapide de l'arc. L'électrode 32 accolée et étroitement couplée à la bobine 22, est le siège de courants induits importants, qui sont déphasés par rapport au courant dans la bobine 22. Ces courants induits maintiennent un champ magnétique de soufflage de l'arc au moment opportun, en l'occurrence au passage à zéro du courant, favorable à l'extinction de l'arc. L'arc s'étend dans la zone de soufflage maximal proche du centre de gravité des courants induits dans l'électrcde 32.
  • Les efforts électrodynamiques de répulsion de l'électrode 32 sont limités par la largeur limitée de l'électrode 32 et sont facilement pris en charge par la fixation à la carcasse 18. Il est avantageux de ne recouvrir qu'une faible partie de la surface frontale 24 de la bobine 22 par l'électrode 32, l'autre partie plus grande étant coiffée par l'écran 36 et la rondelle 34. La carcasse métallique 18 maintient la bobine 22, dont la face frontale 24 et l'anneau isolant 38 sont protégés par l'électrode 32, l'écran 36 et la rondelle 34. La rondelle 34 et l'écran 36 sont de faible épaisseur et en un matériau métallique de faible conductivité, tel que l'acier inoxydable. Ils sont le siège de courants induits limités et de ce fait ne supportent que des forces de répulsion aisément reprises par la carcasse 18. L'écran 36 protège la face frontale 24 de la bobine 22 et son déflecteur 40 dévie les gaz ionisés par l'arc en protégeant la paroi de l'enveloppe 10. Le déflecteur sert également de paroi de condensation. La carcasse ferromagnétique 18 renforce le champ magnétique engendré par les faibles courants et permet l'obtention d'un soufflage suffisant pour la rotation des arcs de faible courant. La carcasse 18 peut être réalisée en acier doux. L'évidement 46 empêche la migration de la racine d'arc, ancrée au contact fixe 12, vers le centre de ce dernier et la fente de l'électrode 42 limite les courants induits et les forces de répulsion.
  • Il est clair que l'électrode 42 n'est pas indispensable, l'arc restant dans ce cas ancré sur le contact mobile tubulaire 14 dans une position moins favorable à son extinction au passage au zéro du courant.

Claims (10)

1. Interrupteur de courant alternatif à soufflage magnétique engendrant une rotation de l'arc, comprenant une enveloppe isolante (10) contenant un gaz à rigidité diélectrique élevée, une paire de contacts séparables (12, 14), une première électrode annulaire (32) associée à l'un (12) desdits contacts et une bobine (22) tubulaire coaxiale à ladite première électrode (32) pour engendrer un champ magnétique dans la zone de formation et d'extension de l'arc tiré entre lesdits contacts lors de la séparation de ces derniers et imposer une migration tournante de la racine dudit arc ancré sur la première électrode (32), caractérisé par le fait que ladite première électrode (32) en forme d'anneau épais en un matériau bon conducteur est accolée au bord interne de la face frontale (24) de la bobine (32) du côté de la zone de formation d'arc pour capter la racine.d'arc dès la formation de l'arc, que ladite première électrode (32) recouvre seulement une faible fraction de ladite face frontale (24) pour limiter les efforts électrodynamiques de répulsion, de la première électrode (32) engendrés par une variation du courant dans ladite bobine (22) et qu'un écran métallique (34, 36) est interposé entre la zone de formation d'arc et la partie de la face frontale (24) non recouverte par la première électrode (32).
2. Interrupteur selon 1, caractérisé par une deuxième électrode (42) annulaire ayant un diamètre sensiblement équivalent à celui de la première électrode (32) et disposée en regard de la première électrode (32) de manière à capter l'autre racine de l'arc et à positionner l'arc dans la zone de champ maximal engendré par les courants induits dans ladite première électrode (32).
3. Interrupteur selon 2, caractérisé par le fait que ladite deuxième électrode annulaire (42) est fendue.
4. Interrupteur selon 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la section de ladite première électrode annulaire (32) s'inscrit substantiellement dans un cercle, de manière à concentrer les courants induits dans la première électrode par ledit champ magnétique.
5. Interrupteur selon 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par une carcasse ferromagnétique (18) ayant une virole externe (30) de frettage de la bobine (22) et une virole interne (28) de gainage intérieur de la bobine (22), ladite première électrode (32) étant rigidement assujettie au bord frontal de la virole interne (28).
6. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écran métallique (34, 36) est de faible épaisseur et/ou en un matériau de faible conductivité de façon à limiter l'intensité des courants induits dans l'écran (34, 36) par ledit champ magnétique.
7. Interrupteur selon 6, caractérisé en ce que l'écran (34, 36) est agencé en déflecteur des gaz ionisés par l'arc et s'étend jusqu'au voisinage de la paroi interne de l'enveloppe (10).
8. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe (10) isolante allongée, un contact fixe (12) s'étendant coaxialement à l'intérieur de la bobine (22) et ayant une extrémité (26) de contact en faible retrait de la face frontale (24) portant'la première électrode (22), un contact mobile (14) coopérant avec le contact fixe (12) et susceptible de coulisser axialement pour tirer un arc s'étendant dans la direction axiale, ledit arc commutant rapidement sur ladite première électrode (32) pour mett-e en circuit la bobine (22).
9. Interrupteur selon 8, caractérisé en ce que l'extrémité (26) du contact fixe (12) est évidée en son centre (46) pour confiner l'arc sur le bord externe du contact (12).
10. Interrupteur selon 2 ou 3, caractérisé en ce que la deuxième électrode (42) est disposée à une distance fixe de la première électrode (32) correspondant à la distance optimale d'extinction de l'arc.
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