Déclencheur instantané d'un disjoncteur

L'invention est relative à un déclencheur d'un disjoncteur électrique à boîtier moulé ayant par pôle une paire de contacts sollicités élastiquement au contact en position fermé du disjoncteur et susceptibles de se séparer sous l'action de forces électrodynamiques de répulsion lorsque le courant parcourant les contacts dépasse un seuil prédéterminé pour engendrer une limitation dudit courant, ledit déclencheur ayant un détecteur de défaut de surcharge et/ou de court-circuit qui actionne un mécanisme de commande d'ouverture automatique du disjoncteur sur défaut.

Un déclencheur connu (US-A-3,631,369) du genre mentionné, comporte une palette mobile, agencée en bilame et soumise à l'action du déclencheur électro-magnétique. Une extension de la palette fait saillie dans le conduit d'échappement des gaz de la chambre de coupure. Lors d'une coupure l'écoulement gazeux entraîne la palette vers la position de déclenchement. Dans la majorité des disjoncteurs le conduit d'échappement des gaz est éloigné du dispositif déclencheur et le dispositif précité n'est donc pas applicable. La palette est soumise à l'action pooluante des gaz et son bon fonctionnement est rapidement entravé. Chaque pôle est obligatoirement équipé d'un tel déclencheur et une sélectivité de déclenchement n'est pas concevable car l'actionneur réagissant à l'écoulement des gaz est intégré au déclencheur thermique et magnétique.

Le but de la présente invention est de réaliser un déclencheur assurant à la fois la limitation et la sélectivité de déclenchement par des moyens simples, universels et fiables.

Le déclencheur est caractérisé en ce que ledit dispositif actionneur constitue un ensemble étanche uniquement en communication avec la zone de contacts, et qui présente une course d'actionnement limitée.

La pression dans la zone des contacts, notamment dans la chambre de coupure, est une fonction directe de la puissance de l'arc, et elle peut atteindre rapidement des valeurs importantes, par exemple de 3 à 10 bars. Cette surpression agit sur un simple dispositif à membrane ou à piston mobile qui actionne le mécanisme de déclenchement du disjoncteur. La montée en pression et la transmission de cette pression au détecteur sont d'autant plus rapides que les courants sont élevés. Le dispositif est par contre non sensible aux faibles courants, et un déclenchement intempestif sur une simple surcharge peut facilement être évité en prévoyant un ressort de rappel du piston, ou de la membrane de mesure.

L'actionneur est un ensemble étanche ou quasi-étanche constitué par le cylindre avec le piston ou la membrane et le conduit de liaison entre le cylindre et la chambre de coupure. Ce conduit de faible section peut être relativement long et son logement dans le boîtier est aisé. Le déplacement du piston ne nécessite qu'un écoulement infime de gaz dans le conduit et cet écoulement intervient dans sa quasi-totalité avant la pollution des gaz par l'action de l'arc. L'actionneur est ainsi à l'abri de ces gaz pollués.

L'ouverture rapide d'un disjoncteur limiteur est difficilement compatible avec la sélectivité de déclenchement qui exige une ouverture du disjoncteur directement en amont du défaut, tandis que les autres disjoncteurs en amont restent fermés pour assurer la continuité de l'alimentation de la partie saine du réseau. On a essayé d'assurer les conditions de sélectivité entre deux disjoncteurs disposés en série, en coordonnant leur courbe de déclenchement, mais ces conditions sont difficiles à tenir car les temps impartis sont extrêmement courts. Les phénomènes de saturation masquent souvent la mesure des différences des courants à couper, et la sélectivité n'est pas toujours assurée.

La présente invention part de la constatation, qu'une coupure dans un disjoncteur limiteur engendre toujours une tension d'arc importante, et de ce fait une énergie d'arc notable se traduisant par une augmentation de la pression dans la zone de coupure. Cette augmentation de pression est ultra-rapide, et la sélectivité peut être assurée par l'emploi d'un ressort de rappel taré de façon à déclencher à une pression prédéterminée.

En effet, lorsque deux disjoncteurs de calibres différents sont traversés par le même courant de court-circuit, la pression dans le disjoncteur amont est nettement moins élevée que s'il avait coupé seul et on assure automatiquement une sélectivité d'une manière particulièrement simple, car seul le disjoncteur ayant le calibre le plus faible déclenche. Cette sélectivité est absolument indépendante du détecteur de défaut de surcharge et/ou de court-circuit, dont la conception peut être adaptée à son rôle d'intervention aux petits courants. L'action du détecteur de défaut peut être faiblement temporisée afin d'éviter toute interférence avec l'actionneur à surpression, qui assure la protection instantanée dès qu'il le faut.

Selon un développement de l'invention, chaque pôle d'un disjoncteur multipolaire comporte un actionneur à surpression, de manière à intervenir dès l'apparition d'une surpression dans l'un quelconque des pôles, et réaliser le déclenchement le plus rapidement possible. Le piston de l'actionneur à surpression peut être commun aux différents pôles, ceux-ci étant reliés au piston par des conduits équipés d'un dispositif de non retour. Les différentes chambres de coupure sont de préférence connectées à un collecteur commun avec interposition d'un clapet de non retour, ce collecteur étant lui-même relié par un conduit au piston ou à la membrane de l'actionneur à surpression, qui agit sur la barre de déclenchement du disjoncteur. Le déclenchement sur défaut peut être obtenu par un déclencheur standard thermique ou électromagnétique, ou par un déclencheur statique à relais polarisé.Tous ces déclencheurs et actionneurs agissent sur la même barre de déclenchement qui libère le mécanisme d'ouverture du disjoncteur, d'une manière bien connue des spécialistes.

Les surpressions sont importantes, et l'actionneur à surpression peut de ce fait comporter un piston de faible surface, de l'ordre de un centimètre carré, et ce faible encombrement facilite le logement dans un boîtier moulé, éventuellement d'un appareil existant.

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 aux dessins annexés dans lesquels:

• la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un pôle d'un disjoncteur équipé d'un actionneur à surpression selon l'invention;
• la figure 2 est une vue à échelle agrandie de l'actionneur à surpression selon la figure 1;
• la figure 3 est une vue schématique de l'actionneur à surpression associé à un disjoncteur tripolaire;
• la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un actionneur à surpression associé à un relais polarisé d'un déclencheur statique;
• la figure 5 représente les courbes de variation des caractéristiques de déclenchement.

Sur la figure 1, un pôle d'un disjoncteur à boîtier moulé 10, comporte une paire de contacts 11,12 disposés dans une chambre de coupure 13 équipée de tôles de désionisation 14. La chambre de coupure 13 est délimitée par des cloisons 15 dont l'une est traversée par un bras 16 de support du contact mobile 12. La chambre de coupure 13 est quasi-étanche et communique par un canal 17 de section restreinte avec l'extérieur du boîtier moulé 10. Le bras de contact mobile 16 est monté à pivotement sur un barreau 18 appartenant à un mécanisme de commande 19, ayant une manette 20 d'ouverture et de fermeture manuelle des contacts 11,12 et un accrochage 21 de commande de déclenchement du mécanisme 19. Le contact mobile 12 est sollicité par un ressort 22 en position de fermeture, en étant capable de pivoter dans le sens inverse des aiguilles d'une montre sous la force de répulsion électrodynamique engendrée par le courant parcourant le bras de contact 16 et les contacts 11,12. L'accrochage 21 est commandé par une barre de déclenchement 23 commune aux différents pôles du disjoncteur. Le disjoncteur comporte un déclencheur standard à bilame 24, et à bobine électromagnétique 25, agissant tous deux sur la barre de déclenchement 23. Un tel disjoncteur est bien connu des spécialistes et il est inutile de le décrire plus en détail. Il suffit de rappeler que lors d'un court-circuit la répulsion des contacts 11,12 provoque une ouverture rapide de ces contacts, à l'encontre de la force du ressort 22, cette ouverture rapide provoquant une limitation du courant de court-circuit. L'ouverture des contacts 11,12 est confirmée par l'intervention du déclencheur électromagnétique 25 agissant par l'intermédiaire de la barre de déclenchement 23 sur l'accrochage 21, qui ouvre le mécanisme 19 du disjoncteur.

Selon la présente invention, le disjoncteur comporte un actionneur à surpression comprenant un ensemble piston 26, cylindre 27 coopérant avec la barre de déclenchement 23. En se référant plus particulièrement à la figure 2, on voit que le piston 26 monté à coulissement dans le cylindre 27 porte une tige 28 susceptible de frapper la barre de déclenchement 23. Un ressort de rappel 29 maintient le piston 26 en position rétractée, représenté sur la figure 2. La face opposée à la tige 28 du piston 26 est soumise à la pression règnant dans la chambre 30 qui communique par un conduit 31 avec la chambre de coupure 13. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le conduit 31 débouche dans la chambre 13 au voisinage des tôles de désionisation 14, mais la prise de pression peut être effectuée en un emplacement quelconque de la chambre 13, l'uniformisation de la pression à l'intérieur de cette chambre étant quasi-instantanée.

Le fonctionnement du disjoncteur selon l'invention découle de l'exposé précédent. Lors d'une ouverture sur court-circuit des contacts 11,12, l'arc tiré entre ces contacts produit un échauffement du gaz contenu dans la chambre de coupure 13 et par conséquent une augmentation de la pression, fonction directe de l'énergie de l'arc. Cette augmentation de la pression est transmise par le conduit 31 à la chambre 30, et provoque dès que cette surpression dépasse la force du ressort de rappel 29, un coulissement vers la gauche du piston 26, et un actionnement de la barre de déclenchement 23 provoquant l'ouverture du mécanisme 19, confirmant la séparation des contacts 11,12. La détection d'un arc de courant fort est extrêmement rapide, tandis que l'actionneur à surpression 26,27 n'intervient pratiquement pas lors d'une coupure normale ou d'un faible courant, la surpression engendrée dans la chambre de coupure 13 étant insuffisante pour vaincre la force du ressort de rappel 29. Ce même ressort 29 permet d'assurer la sélectivité entre deux disjoncteurs de calibres différents traversés par le même courant de court-circuit car la pression développée sera moins élevée que s'il avait été seul à couper.

Le disjoncteur peut être multipolaire et dans ce cas, chaque pôle peut être équipé de son propre actionneur à surpression 26,27 agissant sur la barre de déclenchement 23. Lors d'un court-circuit, le pôle le plus chargé provoque le déclenchement par l'augmentation de la pression dans sa chambre de coupure 13, ce déclenchement provoquant l'ouverture de l'ensemble des pôles du disjoncteur.

Selon une variante préférentielle de réalisation, illustrée par la figure 3, trois pôles P1,P2,P3 d'un disjoncteur tripolaire communiquent par des conduits 31 avec un collecteur 32, lui-même relié à la chambre 30 de l'actionneur à surpression 26,27. L'orifice de débouchement des conduits 31 dans le collecteur 32 est susceptible d'être obturé par un clapet de non retour 33, empêchant le passage des gaz d'un pôle vers l'autre. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, la montée en pression dans la chambre de coupure du premier pôle P1 est la plus rapide, et cette pression est transmise par le conduit 31 et le collecteur 32 à l'actionneur à surpression 26,27, le clapet 33 étant ouvert. Les deux autres pôles P2,P3 sont isolés du collecteur 32 par la fermeture de leur clapet correspondant 33, et le dispositif actionneur conserve sa quasi-étanchéité.

L'invention est applicable à des disjoncteurs à déclencheur statique utilisant des transformateurs de courant de détection de surcharge ou de court-circuit. Ces transformateurs de courant fournissent un signal à un ensemble de traitement électronique qui délivre un ordre de déclenchement à un relais polarisé 34 lors du dépassement de seuils prédéterminés. En se référant à la figure 4, on voit que le relais polarisé 34 comporte un noyau plongeur 35 maintenu en position de retrait par un aimant permanent 36, et sollicité en position de commande de la barre de déclenchement 23, par l'intermédiaire d'un poussoir 38, par un ressort 37. L'ordre de déclenchement est transmis à une bobine 39 qui libère le noyau 35. L'actionneur à surpression 26,27 est adjacent au relais polarisé 34 et la tige 28 est disposée en regard de la barre de déclenchement 23 pour actionner cette dernière lors d'une surpression. La barre de déclenchement 23 porte une patte 40, susceptible de coopérer avec la face arrière de la tête du poussoir 38, en laissant subsister un jeu "j", suffisant pour le déplacement de la barre de déclenchement 23 sous l'action de l'actionneur à surpression 26,27, sans déplacement du noyau 35 du relais 34. Cette patte 40 provoque après déclenchement du mécanisme 19, le désarmement du relais polarisé 34.

Le fonctionnement du disjoncteur à déclencheur statique est bien entendu identique à celui décrit ci-dessus avec un déclencheur standard. Dans les deux cas, l'intervention ultra-rapide de l'actionneur à surpression autorise une faible temporisation du déclencheur sur défaut, cette temporisation pouvant être obtenue par un simple jeu entre le déclencheur électromagnétique et la barre de déclenchement, ou entre le relais polarisé 34 et cette barre de déclenchement 23. Tout autre moyen de retardement, par exemple du type à masselotte est utilisable.

Les courbes de la figure 5 montrent le mode d'action du déclencheur selon l'invention. La courbe "a" montre la distance de séparation des contacts 11,12, lors d'une ouverture sur court-circuit par répulsion électrodynamique du contact mobile 12. La courbe"b"montre la variation de la tension d'arc correspondant à l'ouverture des contacts 11,12. La courbe "c" illustre la croissance du courant de court-circuit présumé, tandis que la courbe "d" correspond au courant limité par la répulsion électrodynamique des contacts 11,12. La courbe "e" montre la variation de la pression dans la chambre de coupure 13. La séparation des contacts 11,12 intervient à un instant "t1" et l'actionneur à surpression provoque l'ouverture du mécanisme 19, et de ce fait, celle des trois pôles du disjoncteur à un instant "t2" confirmant l'ouverture des contacts par répulsion électrodynamique. Un piston 26, d'un diamètre de 10mm a permis d'obtenir des forces largement suffisantes pour actionner la barre de déclenchement 23. Un piston de cette taille peut facilement être logé dans le boîtier moulé 10, et le conduit 31 de faible section permet le captage de la pression en un emplacement quelconque de la chambre de coupure 13. L'étanchéité usuelle des chambre de coupure 13 est largement suffisante pour obtenir les surpressions nécessaires, et il est inutile de prévoir des moyens additionnels d'étanchéité de ces chambres. L'ensemble est particulièrement simple et la sélectivité est obtenue par l'emploi de ressorts de rappel 29 de dimension appropriée.