aparate_electrice_curs

1

CAPITOLUL 1 PROCESE FUNDAMENTALE ÎN ECHIPAMENTE ELECTRICE În sens larg, prin echipament electric se înţelege orice "dispozitiv" întrebuinţat în cadrul proceselor de producere, de transformare, de distribuţie şi de utilizare a energiei electrice. Pe de altă parte, atât mărimea producţiei, cât şi nivelul consumului de energie electrică reprezintă doi dintre cei mai importanţi indicatori în relevarea dezvoltării oricărui stat. În acest context trebuie privită importanţa cunoaşterii echipamentelor electrice (de comandă, de protecţie şi semnalizare, de măsurare etc.). Prin interconectarea (într-un spaţiu limitat şi după anumite reguli) a unui ansamblu de echipamente electrice, alese corespunzător şi cu scop funcţional bine precizat se obţine o "instalaţie electrică". Aceasta va funcţiona timp îndelungat. După cum se poate anticipa, în exploatare, echipamentele electrice sunt supuse acţiunii multor factori care influenţează funcţionarea lor. Cei mai importanţi sunt de natură: 1) electrică, 2) termică şi 3) dinamică. 1. Deşi echipamentele electrice se găsesc continuu sub acţiunea tensiunilor de serviciu, ele sunt frecvent supuse la supratensiuni, fie de comutaţie (datorate proceselor de conectare şi/sau de deconectare), fie atmosferice. Dacă valoarea maximă (supratensiunea) depăşeşte tensiunea de încercare, pentru menţinerea în funcţionare se admite ca echipamentul să prezinte descărcări superficiale, dar nu trebuie să prezinte străpungeri. 2. Aproape toate echipamentele electrice sunt supuse încălzirii pe durata funcţionării normale. Încălzirea are loc în înfăşurări (bobine electrice), în izolaţii sau în părţile metalice (miezuri). De asemenea, arcul electric determină încălziri puternice în locurile unde se produce. Dacă valoarea maximă (supratemperatura) depăşeşte (timp îndelungat) cifra corespunzătoare clasei de izolaţie, "viaţa" echipamentului se reduce considerabil, de cele mai multe ori fiind necesară înlocuirea lui. 3. Echipamentele electrice, în general şi cele de comutaţie (în special) sunt supuse la acţiuni mecanice, chiar în timpul funcţionării lor normale. În plus, ele trebuie să facă faţă presiunilor interne (la întreruptoare, siguranţe fuzibile etc.), precum şi la acţiunea forţelor electrodinamice datorate curenţilor de scurtcircuit. În afara proceselor fundamentale (de comutaţie, termice şi dinamice), toate echipamentele electrice sunt supuse acţiunii factorilor atmosferici (temperaturii, presiunii şi umidităţii aerului), iar cele amplasate în exterior sunt supuse, în plus, acţiunii ploii, ceţii, chiciurei, prafului etc. La toate acestea se adaugă şi acţiunea timpului, prin "îmbătrânirea izolaţiilor", prin "uzura contactelor", prin "degradarea camerelor de stingere" etc. În acest context, pentru înţelegerea problemelor ridicate de majoritatea echipamentelor electrice, în continuare vor fi abordate (doar) câteva din procesele fundamentale, şi anume: cele de comutaţie, procesele termice şi forţele electrodinamice. 1.1. PROCESE DE COMUTAIE

Aparate electrice

2

Procesele de conectare şi de deconectare apar la închiderea şi, respectiv, la deschiderea circuitelor electrice, cu sau fără curent, sau atunci când se modifică anumite legături electrice în circuite, în scopul asigurării anumitor regimuri de funcţionare. Astfel, producerea de scurtcircuite, ca şi comutaţia normală efectuată de un aparat sunt procese ce conduc la regimuri tranzitorii, în care mărimile electrice determină solicitări termice, electrodinamice şi dielectrice, atât pentru echipamentul de comutaţie, cât şi pentru instalaţia electrică în care acesta funcţionează. De aceea, în continuare vor fi prezentate procesele de conectare şi de deconectare reprezentative pentru echipamentele electrice de comandă şi de protecţie, de tip electromecanic. 1.1.1. Conectarea circuitului RL la o tensiune continuă Modelează regimul tranzitoriu de stabilire a curentului într-o bobină. Se consideră un circuit conţinând în conexiune serie: o bobină cu inductanţa L, un rezistor, o sursă de energie cu t.e.m. constantă E0 şi un întreruptor. Rezistenţa electrică totală a circuitului (a rezistorului, a bobinei, a sursei şi a conductoarelor de legătură) este notată cu R. Circuitul este la început deschis, iar la momentul t = 0 se închide cu ajutorul întreruptorului. Tensiunea electromotoare de contur eΓ, calculată în sensul curentului, în lungul conductorului circuitului închis, este egală cu suma dintre t.e.m. a sursei (E0) şi t.e.m. indusă în bobină (-dΨ/dt) , adică:

Pe de altă parte, conform legii conducţiei electrice (întrucât curba Γ este, peste tot, conţinută în mediu conductor) avem:

Rezultă, astfel, ecuaţia:

sau, separând în partea dreaptă termenii care conţin funcţia necunoscută i, obţinem:

S-a obţinut o ecuaţie de aceeaşi formă cu cea corespunzătoare unui generator ideal de c.c. (cu t.e.m. E0) care ar aplica (la borne) tensiunea ub=E0 unui circuit compus dintr-un rezistor ideal de rezistenţă R şi o bobină ideală de inductanţă L. De aceea, acest circuit admite schema echivalentă cu parametrii concentraţi din figura 1.1. Ecuaţia circuitului s-ar fi putut scrie direct, însumând tensiunile la bornele elementelor ideale de circuit din această schemă. Trebuie, însă, să se sublinieze că, în

dtdiL - E =

dtd - E = ld)E + E( = e 00i ⋅Ψ

∫Γ

Γ

(1.1)

iR = ld)E + E( i ⋅∫Γ

(1.2)

0 = i(0)cu iR = dtdiL - E0 ⋅⋅ (1.3)

Fig.1.1 Schema echivalentă la conectarea circuitului RL

0 = i(0)cu dtdiL + iR = E0 ⋅⋅ (1.4)

Cap.1 Procese fundamentale î n echipamente electrice

3

circuitul real, tensiunile la bornele diferitelor elemente diferă de tensiunile la borne din schema echivalentă (tocmai datorită căderilor de tensiune pe rezistenţele proprii); echivalenţa există numai din punctul de vedere al ecuaţiei circuitului şi poate fi folosită la rezolvarea lui. Ecuaţia (1.4) este o ecuaţie diferenţială liniară cu coeficienţi constanţi, neomogenă (de ordinul 1). Pentru a rezolva această ecuaţie, soluţia generală se caută sub forma unei suprapuneri de două soluţii, de forma:

în care primul termen il(t) este componenta de regim liber, iar al doilea termen ip(t) reprezintă componenta de regim forţat (sau "permanent"). Componenta de regim liber "il" este dată de soluţia generală (cuprinzând atâtea constante arbitrare cât de mare este ordinul ecuaţiei diferenţiale) a ecuaţiei omogenizate asociată ecuaţiei date (ecuaţie obţinută eliminând termenul liber al acesteia). În cazul studiat, ecuaţia omogenizată (asociată ecuaţiei 1.4) va fi:

Pe baza ei se scrie ecuaţia caracteristică R + Lr = 0 , care are ca rădăcină r = - R/L. Deci, soluţia generală de regim liber il va fi de forma: eK = eK = i

t-tLR-

l τ⋅⋅ (1.7)

Aici cu τ s-a notat mărimea: RL = τ (1.8)

(o mărime caracteristică circuitului) numită "constantă de timp" (de întârziere). În plus, constanta de integrare K (din 1.7) urmează a fi determinată din condiţiile iniţiale pe care trebuie să le satisfacă soluţia completă (1.5). Din (1.7) se observă că regimul liber este un regim amortizat, căci curentul il(t) se stinge treptat (dispare) atunci când timpul creşte (teoretic, la infinit), adică: 0 = (t)i l

tlim

∞→

(1.9)

Componenta de regim forţat "ip(t)" este dată de soluţia particulară (complet determinată) a ecuaţiei neomogene (1.4), iar forma ei este impusă de funcţiunea de timp reprezentată de termenul liber al ecuaţiei, adică de condiţiile exterioare. Ori de câte ori această funcţiune este o constantă, o exponenţială, o sinusoidă sau o combinaţie liniară a unor astfel de funcţiuni, soluţia de regim forţat se regăseşte sub forma unei funcţiuni de timp de acelaşi fel ca şi termenul liber, ai cărei parametri se determină complet prin substituţie şi prin identificare în ecuaţie. În cazul din discuţie, termenul liber (E0) fiind constant, se caută o soluţie constantă, de forma: ip(t) = I0, soluţie care înlocuită în ecuaţia (1.4) conduce la relaţia E0 = RI0, de unde: R / E = (t)i 0p (1.10) Se numeşte soluţie de regim permanent expresia asimptotică (pentru t tinzând către infinit) a soluţiei generale (1.5) corespunzătoare ecuaţiei diferenţiale (7.4). Atunci când termenul liber este constant sau este o funcţiune periodică de timp (care nu se anulează când t tinde către infinit), iar regimul liber este un regim amortizat, soluţia de regim forţat îşi păstrează forma la valori oricât de mari ale timpului şi se

(t)i + (t)i = i(t) pl (1.5)

0 = dtdiL + iR ⋅⋅ (1.6)

Aparate electrice

4

confundă cu soluţia de regim permanent, adică: (t)i i(t) p→ când ∞→ t (1.11) Aceasta este situaţia cea mai des întâlnită în circuitele liniare uzuale alimentate cu tensiuni constante sau cu tensiuni periodice în timp. În aceste circuite regimul forţat se confundă cu regimul permanent şi, de aceea, în continuare, nu vom mai face distincţie între ele. În circuitele cu regim liber amortizat, se numeşte regim tranzitoriu regimul variabil de trecere de la o anumită stare iniţială (rezultată, de obicei, în urma unei perturbaţii - cum ar fi închiderea unui întreruptor) la un anumit regim permanent. În acest caz, soluţia de regim tranzitoriu a ecuaţiei circuitului este chiar soluţia generală (1.5), în care constantele arbitrare cuprinse în expresia soluţiei generale de regim liber se determină cu ajutorul condiţiilor iniţiale. Astfel, înlocuind relaţiile (1.7) şi (1.10) în relaţia (1.5), soluţia generală a ecuaţiei circuitului studiat este:

RL = cu

RE + eK = i(t) 0t- ττ⋅ (1.12)

Condiţia iniţială se stabileşte (fizic) în felul următor: imediat înainte de închiderea întreruptorului (la momentul de timp t- = 0 - ε), curentul în circuit era nul i(0-ε) = 0; întreruptorul se închide la momentul t = 0; imediat după închiderea întreruptorului (la momentul t+ = 0 + ε), curentul are valoarea i(0+ε), a cărei cunoaştere e necesară pentru determinarea constantei K din relaţia (1.12). Deoarece curentul din circuit nu poate avea salturi, întrucât acestora le corespund viteze de variaţie di/dt infinit de mari (incompatibile cu ecuaţia ub = Ri + Ldi/dt , în care toţi termenii sunt finiţi), curentul "i" va trece continuu prin momentul t=0, adică: )+i(0 = i(0) = )-i(0 εε (1.13) În exemplul studiat (circuitul fiind la început deschis) rezultă că i(0-ε) = 0, astfel încât valoarea iniţială a curentului imediat după închiderea întreruptorului (la momentul t+ = 0 + ε) va fi nulă. Cu această precizare, din (1.12) rezultă imediat: 0 = /RE + K = )+i(0 = i(0) 0ε (1.14) Din (1.14) se explicitează valoarea constantei K: K = - E0/R. Înlocuind această valoare în (1.12) se obţine soluţia căutată pentru curentul din circuit în regimul tranzitoriu (care urmează după închiderea întreruptorului), de forma:

Fig.1.2. Variaţiile în timp ale tensiunii şi curentului (la conectarea circuitului RL)


5

) e - (1 RE = i(t) t

LR-0 ⋅ (1.15)

Cu relaţiile obţinute, în figura 1.2 sunt reprezentate grafic variaţiile în timp ale mărimilor electrice: tensiunea la borne ub(t) şi curentul i(t) cu cele două componente ale sale: ip(t) şi il(t). Observaţie. Teoretic, regimul tranzitoriu durează un timp infinit de mare (întrucât

0 il → numai când t tinde la infinit). În mod practic, regimul tranzitoriu se sfârşeşte după un timp relativ scurt, considerându-se că regimul permanent (când i = ip) se stabileşte după un timp de ordinul a (4-5) constante electrice de timp τ=L/R. 1.1.2. Conectarea circuitului RC la o tensiune continuă Modelează regimul tranzitoriu de încărcare a condensatorului. Se consideră un circuit electric conţinând în conexiune serie: un condensator cu capacitatea C, un rezistor, o sursă de energie cu t.e.m. constantă E0 şi un întreruptor, rezistenţa totală a circuitului fiind R, iar inductanţa fiind neglijabilă. Circuitul este la început deschis, cu condensatorul descărcat, iar la momentul t=0+ se închide (cu ajutorul întreruptorului). Pentru a stabili forma de variaţie în timp a mărimilor electrice, se urmează aceeaşi metodă de rezolvare ca în paragraful 1.1.1., alegând ca funcţie necunoscută tensiunea uC (la bornele condensatorului). T.e.m. în lungul curbei închise Γ luată prin conductor şi închisă prin dielectricul condensatorului (v.fig.1.3) este dată numai de t.e.m. a sursei E0:

E = ld)E + E( = e 0i

∫Γ

Γ (1.16)

Pe de altă parte, descompunând integrala pe porţiuni şi folosind pentru porţiunea din conductor (a curbei Γ) "Legea conducţiei electrice" (Legea lui Ohm), în final rezultă ecuaţia circuitului: u+ iR = E C0 ⋅ (1.17) Ecuaţia (1.17) corespunde schemei echivalente din figura 1.3, în care un generator ideal de c.c. (cu t.e.m. E0) aplică tensiunea la borne ub = E0 unui rezistor ideal (de rezistenţă R) în serie cu un condensator ideal (de capacitate C). Stiind că, în cazul condensatorului ideal, curentul "i" este dat de formula:

dtduC = i C⋅ , prin înlocuire în (1.17) se obţine ecuaţia diferenţială cu coeficienţi constanţi

(de ordinul 1) a circuitului RC:

u + dt

duCR = E CC

0 ⋅ (1.18)

Fig.1.3 Schema echivalentă la conectarea circuitului RC

Aparate electrice

6

Soluţia generală a acestei ecuaţii diferenţiale este de forma: E + eK = u 0RC

t-C ⋅ (1.19)

unde K este o constantă de integrare care va fi precizată ulterior. În această expresie, tensiunea de regim liber uCl este dată de primul termen: eK = u

t-Cl τ⋅ (1.20)

Ea are o evoluţie amortizată (în timp) cu constanta de timp: CR = ⋅τ (1.21) În schimb, tensiunea de regim permanent uCp, dată de: E = u 0C p

(1.22) este constantă, fiind egală cu t.e.m. E0 aplicată circuitului. Constanta arbitrară K se determină din condiţia iniţială, observându-se că, în acest caz, tensiunea condensatorului uC nu poate avea salturi. De aici rezultă continuitatea în momentul t = 0 a tensiunii uC: )+(0u = (0)u = )-(0u CCC εε (1.23) Întrucât s-a presupus condensatorul descărcat (qC = 0) înainte de închiderea întreruptorului, aceasta înseamnă uC(0-ε) = 0, şi, deci, condiţia iniţială pentru ecuaţia

circuitului este uC(0) = 0. Înlocuind t=0 în ecuaţia (1.19) şi ţinând cont că uC(0)=0 rezultă

K = -E0, iar soluţia de regim de regim tranzitoriu va fi:

0)>(t )e - (1E = (t)u RCt-

0C ⋅ (1.24) Curentul de încărcare al condensatorului este:

eRE =

dtduC = i = i(t) RC

t-0CC ⋅⋅ (1.25)

Pe baza relaţiilor de mai sus, în figura 1.4 sunt reprezentate grafic variaţiile în timp ale mărimilor electrice: tensiunea la borne ub(t), tensiunea uC(t) şi curentul de încărcare al condensatorului iC(t) = i(t). Observaţii. 1. În regim permanent (pentru t tinzând la infinit) curentul i(t) se anulează, adică o tensiune continuă nu poate determina un curent continuu printr-un condensator. Se zice că, în regim permanent, condensatorul întrerupe curentul continuu. 2. În cazul condensatoarelor de mărimi uzuale, constantele de timp τ = RC sunt mici. Se pot obţine, însă, relativ uşor, constante mari de timp dacă se aleg rezistenţe foarte mari (ceea ce, practic, nu prezintă dificultăţi). În schimb, dacă rezistenţa de încărcare e foarte mică, valoarea iniţială (la t=0) a curentului de încărcare i(0)=E0/R poate fi exagerat de mare, periclitând astfel siguranţa instalaţiilor. 3. Dacă, după încărcarea unui condensator, se deschide întreruptorul,

Fig.1.4. Variaţiile în timp ale tensiunii şi curentului (la conectarea circuitului RC)


7

condensatorul C rămâne încărcat, un timp îndelungat (cu tensiunea la borne egală cu cea aplicată înainte de deschiderea înteruptorului). În circuit deschis, condensatorul se descarcă lent, numai prin rezistenţa de pierderi, foarte mare, a dielectricului său. De aceea, pentru a evita pericolul electrocutării, trebuie luate măsuri speciale de descărcare a condensatoarelor (după deconectarea circuitelor de la sursele de energie). 1.1.3. Fenomene specifice la deconectare După deconectarea unui receptor (sau a unei linii electrice), la bornele echipamentului de comutaţie apare o tensiune tranzitorie de restabilire (TTR). Dacă deconectarea s-a realizat în urma a unui scurtcircuit, la bornele întreruptorului tensiunea tranzitorie de restabilire are un caracter oscilant amortizat, datorită prezenţei în reţea a două categorii de acumulatoare de energie: unul inductiv şi celălalt capacitiv. În cazul deconectării unui scurtcircuit, solicitarea dielectrică determinată de tensiunea oscilantă de restabilire este sensibil mai mare decât cea cauzată de tensiunea de restabilire în regim permanent.

În figura 1.5 s-a reprezentat schematic circuitul electric, cu întreruptorul K, la bornele căruia se stabileşte tensiunea oscilantă "u" (după deconectarea scurtcircuitului dintre punctele a şi b), iar în figura 1.6 s-au reprezentat curbele tensiunii de alimentare us şi curentului i (la întreruperea regimului de scurtcircuit). Pentru a calcula tensiunea oscilantă de restabilire u, se admite că întreruperea curentului de scurtcircuit "i" are loc la trecerea lui naturală prin zero, v.fig.1.6 (ceea ce se

apropie mult de realitate). Prin urmare, curentul de scurtcircuit "i" se consideră de forma: tL)(+R

U2 = i22

s ωω

sin⋅⋅

⋅

Tensiunea de alimentare, în ipoteza considerării ca origine a timpului (t=0) momentul trecerii prin zero a curentului de scurtcircuit este:

2

< < 0 ; )RL( = ; )+t(U2 = u ss

πϕωϕϕω arctansin (1.27)

Ecuaţia diferenţială a circuitului în primele momente, imediat după deschiderea întreruptorului "K" este de forma:

u + dtdiL + Ri = )+t( U2 s ϕωsin (1.28)

Fig.1.6 Momentul întreruperii curentului de scurtcircuit

Fig.1.5 Explicativă la apariţia tensiunii oscilante u

Aparate electrice

8

cu: dtduC = i , C fiind capacitatea echivalentă a liniei.

În funcţie doar de tensiunea "u" (de la bornele întreruptorului K), ecuaţia diferenţială (1.28) se poate rescrie ca mai jos:

u + dtduRC +

dtudLC = )+t(U2 2

2

s ϕωsin (1.29)

Condiţiile iniţiale pentru tensiunea de restabilire "u" se obţin din considerente fizice. Astfel, la momentul t=0 (întreruptorul fiind închis), atât tensiunea "u", cât şi curentul prin capacitatea echivalentă i=Cdu/dt erau nule. În plus, deoarece frecvenţa

proprie (de oscilaţie) LC2

1 = f 0 π este mult mai mare decât frecvenţa reţelei f, se poate

obţine o relaţie relativ simplă pentru tensiunea tranzitorie de restabilire dacă, pe durata în care se studiază fenomenul, se considera tensiunea alternativă de alimentare ca fiind constantă şi egală cu amplitudinea U2 s⋅ . La considerarea amortizării ( 0 R ≠ ) şi a aproximaţiei că, pe durata TTR, tensiunea sursei este constantă şi egală cu valoarea maximă, adică U2 )+t(U2 ss ≈ϕωsin ecuaţia diferenţială completă devine:

uLC1 +

dtdu

LR +

dtud =

LC1

U2 2

2

s ⋅⋅ (1.30)

Cu notaţiile: LC1 = 0ω şi

2LR = δ , ecuaţia (1.30) se rescrie ca mai jos:

u + dtdu2 +

dtud = U2 2

02

220s ⋅⋅ ωδω (1.31)

Rezulta expresia tensiunii tranzitorii de restabilire:

t)] + t(e - [1U2 =u ee

et-

s ωωδ

ωδ sincos (1.32)

Întrucât δ << ωe, termenul în sinus al ecuaţiei (1.32) se poate neglija, astfel încât, pentru tensiunea tranzitorie de restabilire rezultă expresia simplificată: t)e - (1U2 =u e

t-s ωδ cos (1.33)

Ecuaţia (1.33) descrie analitic tensiunea tranzitorie de restabilire (TTR) cu o singură frecvenţă de oscilaţie, a cărei variaţie este reprezentată în fig.1.7. O astfel de tensiune de restabilire este caracterizată prin doi parametri: factorul de oscilaţie (γ) şi frecvenţa proprie de oscilaţie (fe). Aceştia sunt: 1. Factorul de oscilaţie γ, definit ca raport dintre valoarea de vârf umax (a tensiunii de restabilire) şi valoarea maximă U2 s (a tensiunii de frecvenţă industrială).

Pe baza relaţiei (1.33), pentru t = π/ωe (când TTR devine maximă), factorul de oscilaţie γ se aproximează analitic cu:

e + 1 = U2

u = e-

sωπ

δγ max (1.34)

2. Frecvenţa proprie de oscilaţie fe, care reprezintă inversul perioadei proprii de


9

oscilaţie Te=2tC, adică:

t2

1 = T1 = f

cee ⋅

(1.35)

unde tC este timpul la care se atinge umax (v.fig.1.7). În locul frecvenţei proprii de oscilaţie, se poate utiliza ca parametru viteza "v" de creştere a tensiunii oscilante de restabilire, ca mai jos:

U2f2 = t

U2 = t

u = v seC

s

C

⋅⋅⋅⋅⋅⋅ γγmax (1.36)

Valorile parametrilor tensiunii tranzitorii de restabilire γ şi fe joacă un rol decisiv în realizarea unei întreruperi reuşite de către echipamentul de comutaţie. Astfel, după separarea mecanică a contactelor, în polul unui întreruptor apare un arc electric, care se stinge la trecerea prin zero a curentului (la aparatele de curent alternativ). În acest moment are loc întreruperea electrică şi începe procesul de refacere a rigidităţii dielectrice în camera de stingere a întreruptorului; tensiunea de ţinere se restabileşte după o funcţie crescătoare în timp. Dacă în fiecare moment, tensiunea de ţinere este mai mare decât tensiunea de restabilire (aceasta fiind solicitarea dielectrică a întreruptorului), întreruperea este "reuşită". În caz contrar are loc o reamorsare a arcului electric în întreruptor, iar întreruperea este "nereuşită". O tensiune tranzitorie de restabilire cu un factor de oscilaţie γ mare şi o frecvenţă proprie fe mare constituie o solicitare dielectrică mai importantă decât solicitarea produsă de o tensiune de restabilire cu parametri mai mici. 1.2. PROCESE TERMICE În echipamentele electrice în funcţiune se dezvoltă continuu caldură, în virtutea legii transformării unei părţi din energia electromagnetică în energie termică. Ca urmare a

Fig.1.7. Curba TTR cu o singură frecvenţă proprie

Aparate electrice

10

căldurii degajate în orice echipament electric în funcţionare, temperaturile diferitelor părţi ale acestuia cresc până la valorile limită, corespunzătoare regimului staţionar, când întreaga căldură dezvoltată este cedată mediului ambiant. Echipamentul electric în regim staţionar posedă o anumită "încărcătură calorică", care se păstrează în stare potenţială tot timpul, până în momentul deconectării, când echipamentul nemaiprimind energie de la surse, toată căldura acumulată este disipată integral, în mod progresiv, mediului ambiant, mai rece. Pentru a garanta o funcţionare satisfăcătoare şi de lungă durată a echipamentelor electrice, sub aspectul solicitărilor termice, standardele impun, în funcţie de materialele utilizate şi de condiţiile de exploatare, anumite limite (valori) maxime admisibile pentru temperaturile în regimul staţionar. Temperatura unui echipament electric este determinată de temperatura mediului ambiant θa , la care se adaugă creşterea de temperatură τs , datorată încălzirii aparatului prin efect electrocaloric. Temperatura mediului ambiant în procesul încălzirii şi răcirii aparatului joacă un rol important, valoarea acesteia fiind determinată, prin norme, de latitudine şi altitudine, cât şi de anumite particularităţi specifice locului concret de amplasare (şi funcţionare) a echipamentului. Diferenţa dintre temperatura suprafeţei corpului cald θs şi temperatura mediului ambiant θa se numeşte supratemperatura corpului faţă de temperatura mediului ambiant şi este independentă de alegerea originii pe scara temperaturilor. Majoritatea normelor indică două valori pentru regimul staţionar, şi anume: 1) supratemperatura maximă (limită) admisă τs şi 2) temperatura maximă admisă ( T ; ssθ ), legătura dintre ele fiind dată de relaţia: [grd] T - T = - = asass θθτ (1.37) unde cu θ s-a simbolizat temperatura în grade Celsius [C], iar cu T temperatura în grade Kelvin [K]. Pentru temperatura mediului ambiant de referinţă (în regiunea temperată), ca limită normală se admite valoarea θa = 40 grade C. Prin construcţia sa, orice echipament electric are o structură neomogenă, elementele lui componente putând să fie: căi de curent, contacte electrice, bobine, miezuri feromagnetice, camere de stingere etc. În unele părţi componente ale echipamentului se dezvoltă căldură datorită diferitelor procese fizice. De regulă, principalele surse de căldură în echipamentele electrice sunt, în special, părţile lor active, şi anume: conductoarele parcurse de curenţi electrici (în care se dezvoltă căldură prin efect Joule) şi miezurile feromagnetice (din fier) străbătute de fluxuri magnetice variabile în timp (încălzirea fiind cauzată de pierderi prin histerezis magnetic şi prin curenţi turbionari). De asemenea, în echipamentele cu comutaţie mecanică (cu contacte) şi în siguranţele fuzibile se produce o mare degajare de căldură în arcul electric ce însoţeşte funcţionarea acestora. În plus, în materialele izolante pot lua naştere încălziri suplimentare, datorate pierderilor dielectrice produse sub acţiunea câmpurilor electrice variabile în timp. Restul elementelor echipamentului, care nu sunt surse de căldură, se pot încălzi puternic pe calea propagării termice (a transmiterii căldurii de la un corp la altul). Ceea ce interesează, din punct de vedere practic, sunt nivelul şi distribuţia temperaturilor în diferitele elementele componente ale echipamentului electric. Acestea depind, în cea mai mare măsură, atât de


11

puterea surselor de căldură, cât şi de localizarea lor în construcţia echipamentului electric în discuţie. În general, cu cât "încărcarea echipamentului" (adică, mărimea curentului de sarcină) este mai mare, cu atât mai mari vor fi şi pierderile de energie electrică. Aceasta înseamnă că, în condiţii de răcire identice, supratemperaturile elementelor componente ale echipamentului vor fi mai ridicate. Capacitatea oricărui echipament electric de a rezista (adică, de a nu se degrada) sub acţiunea solicitărilor termice, în condiţii predeterminate de standarde, se numeşte "stabilitate termică". Valoarea efectivă a celui mai mare curent It pe care îl poate suporta echipamentul electric un timp limitat t, fără ca încălzirea diferitelor părţi componente să depăşească valorile specificate pentru un anumit regim de funcţionare se numeşte "curent limită termic" (notat cu It). Fabricile constructoare indică fie curentul limită termic It, fie coeficientul de stabilitate termică Kt (la scurtcircuitarea echipamentelor de comutaţie). În cazul în care se cunoaşte curentul limită termic It la un anumit timp t, atunci curentul de stabilitate termică I'

t pentru timpul t' (sec) se calculează cu formula:

tt

I = I tt ′⋅′ (1.38)

Pentru verificarea echipamentelor la stabilitate termică în cazul scurtcircuitelor este necesar a se compara cantitatea de căldură reală Q (care se degajă în echipament în timpulul t cât durează scurtcircuitul) cu cantitatea de căldură admisibilă Qadm, suportată de echipament. Cantitatea de căldură admisibilă Qadm se calculează cu relaţia: tIR = Q 2

tadm ⋅⋅ , iar cantitatea de căldură reală Q (disipată în timpul fictiv tf) se stabileşte cu formula:

tIR = dtiR = Q f22

t

0

f

∞∫ (1.39)

Din cele de mai sus rezultă relaţiile pentru verificarea la stabilitate termică (după metoda timpului fictiv): tI tI Q Q 2

tf2

adm ≤≤ ∞; (1.40) Dacă se defineşte coeficientul de stabilitate termică Kt prin relaţia:

II = K

n

tt (1.41)

unde In este curentul nominal, atunci condiţia (1.40) se poate rescrie sub formele echivalente:

tt

I If

t ⋅≥ ∞ respectiv tt

I IKf

nt ⋅≥⋅ ∞ (1.42)

sau tt

II K

f

nt ⋅≥ ∞ (1.43)

În afara metodei timpului fictiv mai există şi alte metode de verificare la stabilitate termică a echipamentelor electrice.

Aparate electrice

12

Dacă se admit supratemperaturi mai ridicate în echipament se pot obţine de la acesta puteri mai mari, când toate celelalte condiţii se menţin neschimbate. Prin urmare, puterea echipamentului este restricţionată de valorile supratemperaturilor maxim admise în diferitele lui părţi, iar aceste supratemperaturi depind de natura materialelor utilizate. Verificarea supratemperaturii limită admisă se va efectua, practic, asupra următoarelor părţi componente: (a) căi de curent; (b) izolaţia electrică; (c) elemente elastice; (d) contacte electrice etc. Pe de altă parte, pentru a nu se face risipă de material conductor (la căile de curent) şi de material feromagnetic (la miezurile magnetice), cât şi pentru a executa echipamente cu dimensiuni reduse, este necesar ca densitatea de curent "J" în conductoare şi inducţia magnetică "B" în miezurile de fier să fie cât mai mari. Dar, unor densităţi J şi inducţii B mari le corespund importante pierderi de energie, care determină o încălzire generală mai mare a echipamentului. Pentru ca această încălzire să nu depăşească limitele admise de standarde este necesar ca transmiterea căldurii către mediul înconjurător (adică, răcirea echipamentului) să fie cât mai eficientă. Existenţa unui mijloc eficient de răcire, care poate menţine temperatura echipamentului în limitele prescrise, nu trebuie să însemne creşterea încărcării echipamentului, deoarece, în acest caz, căldura disipată mai mare (echivalentă pierderilor majorate) se poate considera o cheltuială inutilă de energie şi, din această cauză, ea trebuie menţinută în limite admisibile. Principial, trebuie făcută distincţie între cele două regimuri de încălzire a echipamentelor electrice. 1. Primul îl constituie încălzirea de durată. Acesta este regimul normal de funcţionare al majorităţii echipamentelor şi este caracterizat prin echilibrul termic dintre căldura dezvoltată şi căldura cedată mediului de răcire, caz în care, în final, se ajunge la o temperatură staţionară bine determinată. 2. Al doilea regim îl constituie încălzirea de scurtă durată, determinată de supracurenţi, ca, de exemplu, încălzirea echipamentelor în cazurile de scurtcircuit. În acest regim, temperatura creşte în tot timpul cât durează scurtcircuitul. Scopul tuturor calculelor termice constă în a verifica dacă încălzirile diverselor elemente componente ale echipamentelor nu depăşesc limitele admisibile care, în principiu, diferă pentru cele două regimuri de încălzire sus menţionate. Prin urmare, se poate spune că gradul de solicitare termică are o influenţă directă asupra aspectului tehnico-economic al construcţiei şi exploatării echipamentelor electrice (în general) şi asupra siguranţei în funcţionare a acestora (în special). O încălzire excesivă (hipertermie) periclitează buna funcţionare a echipamentului şi-i scurtează viaţa de exploatare, pe când o încălzire prea scăzută (hipotermie) este rezultatul unei construcţii supradimensionate, total neraţională din punct de vedere economic. 1.2.1. Dezvoltarea căldurii în echipamentele electrice Temperaturile maxime atinse de echipamentele electrice sau de componentele acestora depind, pe de o parte de cantitatea de căldură dezvoltată, iar pe de altă parte de cantitatea de căldură transferată. În echipamentele electrice căldura se dezvoltă, mai ales, în masa materialelor active, adică în conductoare electrice şi în miezuri feromagnetice.


13

Pentru calculul solicitărilor termice ale părţilor componente ale echipamentelor electrice trebuie să se determine căldura dezvoltată în căile de curent (prin efect Joule-Lenz) şi căldura dezvoltată în miezurile feromagnetice (prin curenţi turbionari şi prin histerezis magnetic). În conductoarele electrice (fără câmp electric imprimat) puterea disipată în masa conductorului sub formă de căldură se calculează cu formula: [W] 0 > iR = dVJ = P 22

VJ ⋅⋅⋅∫ ρ (1.44)

aceasta fiind denumită şi "Legea Joule-Lenz în forma integrală". Căldura Q dezvoltată în timpul Δt = t2 - t1 > 0 se obţine prin integrarea puterii pierdute PJ:

[J] dtiRP = Q 2t

t

J

t

t

2

1

2

1

= dt ⋅⋅∫⋅∫ (1.45)

În curent continuu (când R = const. şi i = I = const.) PJ = RI2, iar tIR = tP = Q 2

J ∆⋅⋅∆⋅ . În regim alternativ se păstrează aceleaşi relaţii (în principiu), cu menţiunea că, de această dată, i=I va reprezenta valoarea efectivă (sau eficace), calculată cu relaţia generală. În plus, rezistenţa R a oricărui conductor electric străbătut de un curent alternativ este mai mare decât rezistenţa aceluiaşi conductor străbătut de curent continuu, determinând, în consecinţă, majorarea pierderilor prin efect Joule-Lenz. Creşterea rezistenţei în c.a. Rc.a. se datorează "efectului pelicular" şi "efectului de proximitate". Practic, creşterea rezistenţei electrice a unui conductor în curent alternativ Rc.a. faţă de rezistenţa lui în curent continuu Rc.c. se ia în considerare (în calcule) prin introducerea unui factor suplimentar "kc.a." (supraunitar) de creştere a rezistenţei. Deoarece efectul termic al curentului este de natură scalară, fiind cumulativ (puterea pierdută totală obţinându-se prin adunări) rezultă că şi factorul de majorare a rezistenţei în c.a., kc.a. > 1 va fi egal cu suma dintre factorul de efect pelicular "kpel" şi factorul de efect de proximitate "kprox". Analitic rezultă:

1 > k + k = kcu

Rk = Rproxpelc.a.

c.c.c.a.c.a. ⋅ (1.46)

Într-un material feromagnetic (miez) străbătut de linii de câmp magnetic variabil în timp, B = B(t) se dezvoltă pierderi, cauzate fizic atât de fenomenul de histerezis magnetic cât şi de prezenţa curenţilor turbionari. Aceste pierderi se disipă (sub formă de căldură) în toată masa materialului feromagnetic, determinând încălzirea miezului. 1. Pierderile prin histerezis sunt proporţionale cu aria ciclului de histerezis (v.fig.1.8) şi se determină cu relaţia:

Fig.1.8. Ciclul de histerezis magnetic

Aparate electrice

14

Mp = MBf = P FeHFeMHH ⋅⋅⋅⋅σ (1.47) unde: σH este un factor de pierderi prin histerezis (un coeficient de material), f este frecvenţa, BM reprezintă valoarea maximă a inducţiei magnetice, iar [kg] M Fe este masa materialului feromagnetic. Produsul primilor trei factori dau pierderile specifice

[W/kg] pH prin histerezis magnetic. 2. Curenţii turbionari (curenţi Foucault) sunt curenţii induşi într-un conductor masiv de un câmp magnetic variabil în timp. În acest fel, curenţii turbionari care apar în miezurile feromagnetice (în circuitele magnetice) ale echipamentelor electrice de curent alternativ determină pierderi suplimentare de putere prin efect Joule-Lenz şi înrăutăţesc funcţionarea echipamentelor în discuţie.

Pentru evidenţierea curenţilor turbionari, se consideră o coloană de miez feromagnetic (fig.1.9.a) străbătută de un flux magnetic variabil sinusoidal în timp

t= M ωφφ sin⋅ (pentru că şi tB=B(t) M ωsin⋅ ). În baza "Legii inducţiei

electromagnetice", în orice contur Γ (perpendicular pe liniile de câmp magnetic) se induc t.e.m. /dtd- = e = e F φΓ . Întrucât miezul are şi proprietăţi conductoare, aceste t.e.m. eF determină apariţia curenţilor induşi (v.fig.1.9.a) iF , cu liniile de curent conţinute în planuri transversale faţă de liniile câmpului magnetic. Pentru a reduce pierderile de putere PF (determinate de curenţii turbionari) se

divizează miezul în tole izolate între ele (v.fig.1.9.b), ceea ce măreşte rezistenţa căilor de închidere ale curenţilor induşi iF şi, implicit, reduce intensitatea lor. Analitic, pierderile în fier cauzate de apariţia curenţilor turbionari PF se determină cu relaţia: Mp = MBf = P FeFFe

2M

2FF ⋅⋅⋅⋅σ (1.48)

unde σF este factorul de pierderi prin curenţi turbionari (un coeficient de material). Întrucât, atât pierderile prin histerezis cât şi pierderile prin curenţi turbionari (din miezurile feromagnetice) se produc simultan, în practică, pentru determinarea pierderilor în fier se utilizează formula empirică: MBf = P + P = P FeMFHFe ⋅⋅⋅ βασ (1.49) în care exponenţii au valorile numerice: α = 1,3 - 1,5 şi β = 1,8 - 2. 1.2.2. Transmiterea căldurii în echipamentele electrice Căldura dezvoltată în masa materialelor active ale echipamentelor electrice va fi evacuată pe calea transmiterii termice, care are loc întotdeauna (conform principiului al II-

Fig.1.9.a

Fig.1.8.b Miez lamelar


15

lea al termodinamicii) de la corpurile (sau părţile lor) mai calde, la corpurile (sau părţile lor) mai puţin calde. Acest proces termocinetic este cu atât mai intens cu cât temperatura corpurilor calde este mai mare faţă de temperatura corpurilor învecinate (de obicei, mediul ambiant) şi durează până când temperaturile acestora devin egale. Oricât de mare este încălzirea unui material activ, în final se ajunge la situaţia în care cantitatea de căldură dezvoltată în material devine egală cu cantitatea de căldură cedată în exterior pe calea transmiterii termice. Se stabileşte, astfel, regimul termic staţionar (sau permanent), când temperatura părţilor active rămâne la o valoare constantă. Atât durata de timp necesară atingerii acestui regim, cât şi temperatura de regim staţionar depind, în mare măsură, de intensitatea răcirii părţilor active, adică de modul în care se realizează transmiterea căldurii. Prin urmare, pentru a putea "solicita" cât mai mult un echipament electric, fără ca temperaturile staţionare să depăşească valorile admise de standarde este necesar să se asigure o răcire cât mai eficientă a părţilor active ale sale. În procesele de încălzire şi de răcire a echipamentelor electrice se disting trei moduri de transmitere a căldurii, şi anume: 1) prin conducţie ( sau conductibilitate) termică, 2) prin convecţie termică şi 3) prin radiaţie termică. Aceste moduri de transmitere a căldurii pot avea loc şi simultan, atât în regim staţionar (caracterizat prin flux termic constant, când şi temperatura este constantă), cât şi în procese nestaţionare (caracterizate prin fluxuri de căldură variabile, când şi temperatura variază în timp). Un regim termic se zice staţionar dacă întreaga căldură dezvoltată este cedată mediului ambiant (mai rece), nefiind posibilă acumularea căldurii în corpuri. Temperatura oricărui corp aflat în regim termic staţionar este constantă (invariabilă în timp). Invers, un regim termic este nestaţionar dacă nu există egalitate între căldura dezvoltată şi cea disipată în exterior. Un regim termic cu caracter periodic, care se repetă după o anumită lege constituie un regim termic cvasistaţionar. Transmiterea căldurii prin conducţie termică. Conducţia termică este fenomenul de transmitere a căldurii prin masa corpurilor solide. Conducţia termică se întâlneşte şi în cazul fluidelor (lichide şi gaze) imobile. Transferul căldurii se face întotdeauna de la punctele (sau zonele) cu temperatura mai ridicată către punctele (sau zonele) cu temperatura mai scăzută. Prin conducţie termică se nivelează temperatura, deci şi diferenţele între energiile cinetice ale moleculelor. Când în toate punctele unui corp temperatura este aceeaşi, transmisia căldurii prin conducţie termică încetează. Cea mai mare conducţie termică (viteză de transmisie a căldurii) o au metalele, pe când cea mai redusă conducţie termică se întâlneşte la gazele rarefiate. Transmiterea căldurii prin radiaţie termică. Orice corp cu temperatura diferită de zero absolut emite energie. Energia emisă se numeşte radiaţie termică. Radiaţia termică este cu atât mai importantă cu cât temperatura corpului radiant este mai mare. După teoria lui Maxwell, energia radiată este emisă în spaţiu ca "raze de căldură", sub formă de unde electromagnetice cu lungimi de undă în intervalul m0)(0,4....34 µ . Aceste "raze de căldură" (unde electromagnetice) transportă energie de la sursă (emiţător) spre mediul înconjurător. Printre exemplele de radiaţie termică se menţionează: radiaţia solară, radiaţia unui radiator electric, radiaţia filamentului unui bec cu incandescenţă, radiaţia arcului electric etc. Ca undă electromagnetică, căldura radiată se propagă în linie dreaptă de la

Aparate electrice

16

suprafaţa corpului radiant (emiţător) spre mediul ambiant. În drumul lor, razele de căldură pot fi absorbite sau reflectate de obstacolele (corpurile) pe care le întâlnesc. Corpul care absoarbe integral radiaţia incidentă este numit "corp negru". În realitate, corpurile nu absorb decât o fracţiune din radiaţia incidentă, restul radiaţiei fiind reflectată. Schimbul de căldură între corpuri cu temperaturi diferite, pe calea energiei radiate/absorbite se numeşte transmitere prin radiaţie (sau absorbţie) termică. Transmiterea căldurii prin convecţie termică. Fenomenul de convecţie termică se bazează pe schimbul de căldură între suprafaţa unui corp şi mediul fluid cu care se află în contact. Această formă de transmisie a căldurii nu poate avea loc în vid. În schimb, în orice mediu fluid (lichid sau gazos) uniformizarea temperaturii între punctele cu solicitări termice diferite se face simultan, atât prin conducţie termică, cât şi prin convecţie termică. Atunci când un corp cald este înconjurat de un fluid (un lichid sau un gaz) mai puţin cald, căldura corpului cald se transmite mai întâi prin conducţie la particulele de fluid care sunt în contact direct cu suprafaţa corpului. Particulele se încălzesc, iar masa de fluid care conţine aceste particule îşi va micşora densitatea. În câmpul gravitaţional ea va deveni mai uşoară, pe când masa mai rece din vecinătate va fi mai grea şi va provoca mişcarea particulelor calde în sus. În locul lor vor veni particule mai reci, care, de asemenea se vor încălzi şi se vor deplasa în sus sub acţiunea forţelor ascensionale. Aceste particule fiind în permanentă mişcare, pe trasee paralele cu suprafaţa caldă (v.fig.1.10) dau naştere unor curenţi de fluid (fenomenul convecţiei), care vor "transporta" o parte din căldura dezvoltată în corpul încălzit. În cazul când corpul solid este mai rece decât fluidul cu care vine în contact, sensul curentului de convecţie este invers, mişcarea particulelor făcându-se de sus în jos (fenomenul fiind reversibil). Întrucât conductivitatea termică la fluide este foarte redusă, căldura transmisă prin conducţie este neglijabilă faţă de căldura transmisă prin convecţie. În procesul transmisiei termice prin convecţie, atunci când mişcarea fluidului se datorează numai diferenţei de greutate dintre straturile mai calde şi cele mai puţin calde ale fluidului, convecţia se zice naturală (sau liberă), iar atunci când mişcarea fluidului este accelerată prin mijloace exterioare - cu ajutorul pompelor (la lichide) sau al ventilatoarelor (la gaze), convecţia este numită artificială (sau forţată). 1.3. FORE ELECTRODINAMICE Forţele electrodinamice sunt forţele care se exercită între circuite parcurse de curenţi electrici. Ele acţionează pe durata de existenţă a curenţilor şi au tendinţa de a deforma şi/sau de a deplasa circuitele. În regimuri normale de funcţionare, forţele electrodinamice au valori relativ mici. Dimpotrivă, în regimuri de avarie (la scurtcircuite, când curenţii devin foarte mari) valorile acestor forţe sunt importante şi pot produce

Fig.1.10 Circulaţia naturală a fluidului de răcire


17

distrugeri mecanice ireversibile ale echipamentelor parcurse de curenţii de defect. Practic, în funcţie de mărimile diverşilor parametri, precum: valoarea maximă (instantanee) a curentului, lungimea, forma şi poziţia reciprocă a circuitelor străbătute de curenţi, proprietăţile magnetice ale mediului în care se găsesc circuitele respective etc., forţele electrodinamice pot avea valori de la câţiva decanewtoni [dN] la câteva mii de kilonewtoni [kN] . De aici rezultă necesitatea ca echipamentele electrice să fie astfel dimensionate (sau alese) în funcţie de valorile curenţilor, încât să se asigure stabilitatea mecanică a acestora, numită şi stabilitate electrodinamică. Prin stabilitate electrodinamică se înţelege capacitatea echipamentelor electrice de a suporta şi de a rezista la acţiunile forţelor mecanice produse de curenţii electrici, în orice regim (normal şi/sau anormal) de funcţionare. În cazul circuitelor suficient de simple, stabilitatea electrodinamică se poate verifica plecând de la calculul forţelor electrodinamice. De aceea, în continuare se vor reaminti principalele formule de calcul a forţelor. Forţa lui Laplace este forţa care acţionează asupra unui conductor de lungime l parcurs de un curent i şi plasat într-un câmp magnetic de inducţie B

:

)B x l(i = B x ldi = Fl

0

⋅⋅ ∫ (1.50)

Ea are modulul: βsin⋅⋅⋅ Bli = F (1.51) unde β este unghiul dintre direcţia conductorului l

şi liniile de câmp magnetic B

. Dacă

vectorul inducţie este normal pe direcţia conductorului °90 = β , iar Bli = F ⋅⋅ . Forţa Laplace stă la baza unor importante aplicaţii tehnice din domeniul curenţilor tari. Forţa lui Ampère este forţa care se exercită între două conductoare paralele parcurse de curenţii electrici i1 şi i2 . Ea are expresia:

a

l2ii10 = iia

l2104 = iia

l2

= F 217-

21

-7

210 ⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅π

ππµ (1.52)

Când cele două conductoare sunt parcurse în acelaşi sens de curenţii electrici i1 şi i2 forţele electrodinamice F sunt de atracţie, iar când curenţii electrici i1 şi i2 (din cele două conductoare) sunt de sensuri opuse, forţele F sunt de respingere. 1.4. ARCUL ELECTRIC Deconectarea (sau deschiderea) sub sarcină a unui circuit electric este însoţită de apariţia unui arc electric (de deschidere) între elementele de contact ale echipamentului de comutaţie. Existenţa arcului electric conduce la o solicitare suplimentară a echipamentului electric, cauzată de transferul de energie din coloana arcului electric către piesele componente (conductoare şi/sau izolante) ale echipamentului. Pe de altă parte, dacă procesul de apariţie a arcului electric nu ar exista, ar apărea greutăţi în funcţionarea

Aparate electrice

18

instalaţiilor electrice, întrucât toată energia câmpului magnetic (a sistemului) s-ar transforma, la întreruperea circuitului, în energie a câmpului electric, conducând la apariţia de supratensiuni periculoase. Ori prezenţa arcului electric face ca energia magnetică a sistemului să se transforme în energie termică. Trebuie menţionat că şi la închiderea circuitelor electrice poate apărea un arc electric (între elementele de contact ale echipamentului de comutaţie) dar, pentru că viteza de închidere a contactelor este mare, efectul termic al acestui arc este mic. Studiul fizicii arcului electric, cunoaşterea proprietăţilor lui, prezentarea aspectelor teoretice ale tehnicii întreruperii şi analiza principiilor folosite în scopul suprimării arcului au importanţă atât pentru proiectarea şi construcţia echipamentelor de comutaţie cât şi pentru exploatarea instalaţiilor electrice. 1.4.1. Proprietăţile arcului electric Arcul electric reprezintă o descărcare autonomă într-un gaz (aer, hexafluorură de sulf (SF6), aer (N2) etc.), caracterizată prin temperatură înaltă, densitate mare de curent (la electrod) şi cădere mică de tensiune (adică, un gradient redus al tensiunii în coloana arcului). Caracteristica principală a descărcării în gaze (a arcului electric) este proprietatea spaţiului de gaz (în general izolant) de a deveni bun conductor electric. Conductibilitatea electrică a gazului este determinată de densitatea purtătorilor de sarcină liberi şi de viteza lor de deplasare spre cei doi electrozi, şi variază cu densitatea, cu temperatura, cu natura mediului şi cu intensitatea câmpului electric. Descărcarea autonomă este caracterizată prin existenţa unei ionizări suficient de intense care să permită formarea avalanşei de electroni şi de ioni. Trecerea de la descărcarea neautonomă la cea autonomă are loc atunci când nu mai este necesar un agent exterior de ionizare. Procesul de ionizare este dependent de câmpul electric şi de presiunea gazului respectiv. Dacă între cele două elemente de contact (aflate la distanţa d ) se consideră o repartiţie uniformă a câmpului electric ( ct. = E

), tensiunea U aplicată la

electrozi rezultă de forma: dE = U ⋅ .


19

Valoarea tensiunii U aplicată la electrozi, pentru care are loc trecerea de la descărcarea neautonomă la cea autonomă se numeşte tensiune de aprindere şi se notează cu [V] Ua . Tensiunea de aprindere este aceeaşi cu tensiunea de străpungere Us a dielectricului gazos dintre electrozi. În figura 1.1 este reprezentată curba tensiunii de aprindere a arcului în aer )U( a în funcţie de produsul presiunexdistanţă d)(p ⋅ dintre electrozi. Astfel, variind distanţa (d) şi presiunea gazului (p) se poate păstra constantă tensiunea de aprindere. Dependenţa d)f(p = U a ⋅ este cunoscută ca "legea lui Paschen" şi este valabilă în câmpuri uniforme. Minimul curbei lui Paschen defineşte tensiunea minimă de străpungere a spaţiului dintre electrozi plani într-un mediu gazos. Pentru valori mari ale presiunii, adică pentru d)(p > (pd) ⋅ min , drumul liber mediu al electronilor este micşorat, iar ciocnirile între electroni şi atomii de gaz vor fi elastice. În aceste condiţii, pentru a produce ionizarea prin şoc este necesar ca intensitatea câmpului electric E (şi prin urmare şi U ) să crească. Invers, la valori mai mici ale presiunii, deci pentru d)(p < d)(p ⋅⋅ min drumul liber mediu creşte, prin urmare creşte şi posibilitatea ionizării la ciocnirile unui electron cu un atom neutru, însă probabilitatea ciocnirilor este redusă. Pentru a se produce descărcarea autonomă este necesar să crească probabilitatea ionizării prin şoc, iar singura cale, în acest caz, este creşterea intensităţii câmpului electric E , deci şi a tensiunii U aplicate electrozilor. În figura 1.12 este reprezentată caracteristica tensiune-curent f(I) = U a descărcării în gaze. Descărcarea luminiscentă (zona I) are loc pentru o cădere de tensiune catodică de 200-250 V şi un curent de 10-5-10-1 A. O creştere a curentului până la 1 A determină o cădere bruscă a tensiunii, reprezentând aşa-numita regiune de trecere (zona II), în care descărcările nu sunt stabile şi au loc numai în regim tranzitoriu. După această zonă, la creşterea curentului apare descărcarea prin arc electric (zona III), caracterizată de o cădere de tensiune catodică mică (10-20 V) şi o densitate de curent foarte mare (până la 105 A/cm2).

Fig.1.11 Curba străpungerii lui Paschen Ua=f(pd)

Fig.1.12 Caracteristica tensiune-curent la descărcarea în gaze

Aparate electrice

20

Variaţia căderii de tensiune U şi a gradientului de potenţial V grad pe lungimea arcului sunt arătate în figura 1.13. Se observă că lângă catod are loc o variaţie bruscă a tensiunii, denumită cădere de tensiune catodică U c∆ . În lungul coloanei arcului tensiunea U l∆ creşte uniform, în această porţiune gradientul tensiunii fiind constant. Lângă anod are loc, de asemenea, o variaţie bruscă de tensiune, denumită cădere de tensiune anodică U a∆ , mai mică decât căderea de tensiune catodică şi dependentă de curent. Căderile de tensiune de lângă electrozi sunt concentrate pe porţiuni foarte mici din lungimea arcului (de circa 10-4 cm). Prin urmare, tensiunea în lungul arcului (sau căderea de tensiune în arc) se poate exprima prin relaţia: l V grad = U ; U + U + U = U alalc ⋅∆∆∆∆ (1.53) unde la este lungimea arcului. În cazul contactelor din acelaşi material, pentru acelaşi mediu, aceeaşi presiune şi temperatură, căderea de tensiune în coloana arcului Ul∆ este independentă de curentul din arc. Aceasta înseamnă că arcul electric se poate considera ca un conductor electric a cărui secţiune se ajustează în mod automat la curentul care trece prin el. Pentru a putea fi înţelese procesele ce au loc în coloana arcului trebuie cunoscute procesele de ionizare şi de deionizare a spaţiului de arc. 1.4.2. Procese de ionizare a arcului electric a. Ionizarea prin ciocniri. Electronii liberi, care se găsesc întotdeauna în spaţiul dintre electrozi, se deplasează cu viteză mare spre anod, sub acţiunea câmpului electric existent. În drumul lor, aceşti electroni produc ionizarea prin ciocniri a particulelor neutre. Ionizarea prin ciocniri depinde de presiunea gazului, de potenţialul de ionizare a moleculelor gazului din spaţiul de arc şi de tensiunea aplicată. Creşterea presiunii gazului în jurul arcului atenuează procesul de ionizare. La deschiderea contactelor, datorită creşterii rapide a distanţei dintre elementele de contact, intensitatea câmpului electric E 7 din coloana arcului scade şi, prin urmare, ionizarea prin ciocniri (singură) nu poate asigura conductibilitatea necesară a spaţiului de descărcare în arc. b. Ionizarea prin emisie. Emisia de electroni de la suprafaţa catodului se face în două feluri: - prin emisia (auto)electronică produsă de un câmp electric intens în regiunea catodului şi

Fig.1.13 Căderea de tensiune U şi gradientul de potenţial gradV pe lungimea arcului


21

- prin emisia termoelectronică. Emisia autoelectronică are loc în primele momente după separarea contactelor când, distanţa între elementele de contact fiind foarte mică, apare un gradient de potenţial foarte mare, care poate genera smulgerea de electroni de la suprafaţa catodului. După deschiderea contactelor, întrucât distanţa dintre elementele de contact creşte rapid, gradientul de potenţial electric scade mult, ducând la dispariţia fenomenului. Emisia de electroni de la suprafaţa catodului nu încetează odată cu terminarea emisiei autoelectronice. Ea se continuă prin emisia termoelectronică de la suprafaţa încălzită a petei catodice. În general, arcul electric se produce prin depărtarea piesei mobile a unui contact electric. În rezistenţa de contact se dezvoltă căldură, temperatura elementelor de contact creşte şi prin aceasta se favorizează emisia termică de electroni (sau emisia termoelectronică). c. Ionizarea termică. Procesul de ionizare în coloana arcului se datorează (în cea mai mare parte) temperaturii înalte a gazului, ionizarea termică fiind fundamentală şi, practic, singura care contribuie la procesul de dezvoltare şi de menţinere a arcului electric. În arcul electric există următoarele categorii de purtători de sarcină: - electronii (cu sarcina -e); - ionii pozitivi, rezultaţi din pierderea a unuia sau mai multor electroni (deci cu sarcina e, 2e, 3e ...) şi - ionii negativi, care rezultă prin captarea de către atomii neutri a unuia sau mai multor electroni (sarcina lor fiind -e, -2e, -3e ...). Toţi aceşti purtători de sarcină sunt vehiculaţi către electrozii de semn contrar sarcinii lor. În circuitul exterior, curentul electric apare odată cu iniţierea deplasării purtătorilor de sarcină. Prin urmare, arcul electric este un flux de electroni şi de ioni, care are în zona sa centrală o temperatură foarte ridicată (de 5000-10000 K, iar în cazuri deosebite atingând chiar 50000 K). Starea de agregare a gazului în coloana arcului electric se numeşte plasmă, care, în esenţă, este un gaz ionizat. Fluxul de electroni şi ioni constituie miezul arcului (zona axială), a cărui secţiune transversală are o anumită valoare pentru o presiune a mediului înconjurător dată şi este proporţională cu intensitatea curentului din arc. Această parte a arcului electric (care are o luminozitate intensă) este, de fapt, coloana arcului şi are conductibilitatea electrică cea mai mare, prin ea trecând aproape 95% din curent. Acest miez este înconjurat de un strat mai gros, dar mai puţin luminos, denumit aureolă, a cărui natură diferă, datorită temperaturii mari, de mediul iniţial în care s-a produs arcul. Aureola reprezintă un gaz destul de încălzit şi luminos, dar temperatura lui fiind relativ mică, şi conductibilitatea lui este mică. La temperaturile foarte înalte din coloana arcului, atomii şi moleculele gazului capătă viteze foarte mari, respectiv energii cinetice /2vm = E 2

c ⋅ exagerat de mari. Prin urmare, la ciocniri apar particule încărcate cu sarcini de semn contrar: electroni şi ioni. Ionizarea termică a gazelor are loc la temperaturi de ordinul a 8x103 - 104 K, pe când ionizarea vaporilor de metal are loc la 4000 K. În arcul electric (care se formează la întreruperea unui curent) există întotdeauna vapori metalici, deci pentru a se produce ionizarea termică a gazelor este necesar ca temperatura în zona centrală să aibă valori de

Aparate electrice

22

peste 4000 K. 1.4.3. Procese de deionizare a arcului electric Din cele arătate până acum rezultă că dintre toate tipurile de ionizări, ionizarea termică este aceea care menţine arcul electric. Prin urmare, cea mai potrivită măsură pentru stingerea arcului electric este îndepărtarea căldurii din spaţiul de arc, adică scăderea temperaturii acestuia. Pe de altă parte, scăderea temperaturii gazului din coloana arcului contribuie la recombinarea particulelor încărcate cu sarcini pozitive şi negative, obţinându-se procesul invers ionizării, proces care se cheamă deionizare. Procesul de deionizare în spaţiul de arc are loc simultan cu procesul de ionizare şi, atât timp cât arcul arde stabil, cele două procese se găsesc în echilibru. În stadiul de aprindere şi de dezvoltare a arcului electric, procesul de ionizare este preponderent, pe când în stadiul de stingere a arcului, important este procesul de deionizare. Procesul de deionizare se realizează atât prin recombinarea particulelor încărcate electric, cât şi prin difuzia ionilor în afara spaţiului de arc. 1. Fenomenul de recombinare descrie faptul cum două particule încărcate cu sarcini electrice pozitive şi negative atunci când se ating îşi neutralizează sarcinile electrice, rezultând particule neutre. În coloana arcului se recombină ionii se semn contrar. Recombinarea directă a unui electron cu un ion pozitiv este puţin probabilă, întrucât viteza de deplasare a electronilor este de circa 1000 de ori mai mare decât viteza de deplasare a ionilor. În aceste condiţii, recombinarea se face cu ajutorul unui al treilea agent: particulele neutre. Există aşa-numitele gaze electronegative (printre care şi hexafluorura de sulf SF6), ale căror molecule, prin captarea electronilor formează ioni negativi stabili. După aceea, în coloana arcului, ionii pozitivi şi ionii negativi, care au aproximativ aceeaşi masă şi aceeaşi viteză de deplasare, se atrag reciproc şi atingându-se se transformă în particule neutre. Procesul de recombinare este însoţit întotdeauna şi de emisie de căldură. Atingerea particulelor care se recombină se face fie pe calea atracţiei electrostatice, fie datorită agitaţiei termice. Cu cât energia cinetică a particulelor este mai mare, cu atât mai mare este viteza de mişcare şi, deci, cu atât mai mică va fi probabilitatea de recombinare a lor. Prin urmare, intensitatea procesului de recombinare depinde de următorii factori: - de gradientul câmpului electric: cu cât gradientul este mai mic cu atât viteza de mişcare a particulelor încărcate este mai mică şi cu atât este mai mare posibilitatea de recombinare a lor; - de natura fizică a gazului; - de temperatura gazului în spaţiul de arc: cu cât temperatura este mai mică cu atât intensitatea recombinării este mai mare; - de presiunea gazului în spaţiul de arc: cu cât presiunea este mai mare cu atât intensitatea procesului de recombinare este mai mare; - de secţiunea transversală a coloanei arcului: la secţiuni mici ale arcului electric, recombinarea este mai intensă. În plus, o recombinare mai intensă a particulelor încărcate electric s-a observat


23

atunci când arcul vine în atingere cu suprafaţa unui dielectric solid. 2. Difuzia ionilor este al doilea proces de deionizare a arcului. El constă în deplasarea particulelor încărcate din zona arcului (cu concentraţie mare de sarcini electrice) în mediul înconjurător (cu concentraţie mai mică de sarcini electrice). Se ştie că, în gaze, orice modificare locală a stării nu poate persista mult timp. Într-un gaz ionizat orice acumulare de ioni sau de electroni (determinată de o cauză oarecare) se va împrăştia imediat după apariţie, datorită mişcării termice în întregul volum ocupat de gaz. Legile difuziei se deduc din teoria cinetică a gazelor. De aici rezultă că în cazul repartiţiei neuniforme a densităţii sarcinilor electrice pe secţiunea transversală a arcului va apărea un câmp electric care va forţa ionii să se mişte perpendicular pe axa arcului, părăsind chiar zona acestuia, datorită diferenţei mari de temperatură care există între spaţiul de arc şi mediul înconjurător. Ionii pozitivi care difuzează în mediul ambiant îşi pierd sarcinile din cauza recombinării cu ionii negativi care se găsesc în mediul înconjurător. Prin urmare, difuzia produce o reducere a numărului de ioni din arc, micşorând conductibilitatea electrică a arcului. Pentru ca ionii care difuzează în mediul înconjurător să nu formeze în jurul arcului zone cu sarcini pozitive (care ar împiedica mai departe difuzia ionilor pozitivi din arc) este necesar ca recombinarea ionilor în mediul înconjurător să fie intensă. În acest scop, intensificarea recombinărilor în mediul înconjurător se obţine prin suflarea arcului cu ajutorul unui gaz relativ rece şi neionizat. Acest suflaj, mărind diferenţa de temperatură dintre arc şi mediul înconjurător, contribuie direct la intensificarea difuziei. Acelaşi rezultat se poate obţine şi prin deplasarea arcului în mediul ambiant. Din punct de vedere fizic, difuzia depinde de: - diferenţa de temperatură dintre temperatura arcului şi temperatura mediului înconjurător; - de lungimea arcului; - de raza coloanei arcului, variind invers proporţional cu pătratul acesteia. Temperatura arcului variază brusc de la axa lui spre periferie. Cu cât este mai bruscă căderea de temperatură, cu atât mai repede se micşorează zona de ionizare termică din secţiunea arcului şi creşte difuzia. În concluzie, se poate spune că în cazul arcului liber recombinarea este importantă, iar difuzia este neglijabilă. Pe de altă parte, în cazul când arcul este deionizat puternic printr-un suflaj, iar raza arcului este mult mai mică decât în cazul arcului liber, difuzia începe să devină mai intensă. In cazul arcului care arde în spaţii înguste sau în canale cu pereţi izolanţi, recombinarea are un rol hotărâtor, crescând foarte mult dacă arcul atinge pereţii. Toate aceste observaţii vor sta la baza principiilor de stingere a arcului electric. 1.4.4. Principii de stingere a arcului electric Echipamentele electrice de comutaţie, destinate a efectua comutaţii sub sarcină (în domeniul arcului electric) sunt echipate cu incinte, numite camere de stingere. În camera

Aparate electrice

24

de stingere "se dezvoltă" şi "se stinge" arcul electric. Funcţional, camerele de stingere au rolul de a răci intensiv arcul electric şi de a crea instabilitate în arderea lui. Aceste obiective pot fi realizate prin folosirea anumitor principii de stingere a arcului electric, principii care determină forma constructivă a camerei de stingere. Utilizarea unuia sau altuia dintre principiile de stingere a arcului electric se stabileşte în funcţie de o serie de caracteristici, precum: felul curentului (continuu sau alternativ), de parametrii sarcinii (tensiunea nominală, intensitatea curentului de întrerupt), de natura sarcinii (rezistivă, inductivă, capacitivă), de regimul de lucru (durata relativă de conectare, frecvenţa de conectare) etc. Urmează prezentarea, pe scurt, a celor mai importante principii de stingere a arcului electric. Efectul de electrod. Efectul de nişă. Suflajul magnetic După cum s-a arătat în paragrafele anterioare, un arc electric este caracterizat prin parametrii electrici: tensiunea de ardere, intensitatea curentului, căderile de tensiune ΔUc, ΔUa, ΔUl şi prin parametrii geometrici: lungimea arcului şi diametrul coloanei. Între parametrii electrici şi cei geometrici se pot stabili anumite legături. Una dintre aceste legături este relaţia lui Ayrton, care stabileşte o dependenţă între tensiunea u, intensitatea i şi lungimea l (a arcului electric), de tipul:

l + = bl + = a

ib + a =u

⋅⋅

δβγα (1.54)

unde α, β, γ, δ sunt constante de material. Când intensitatea curentului i este mare, în relaţia lui Ayrton termenul care conţine pe i la numitor se poate neglija şi expresia (1.54) se reduce la: l + = a =u ⋅γα (1.55) Efectul de electrod constă în divizarea arcului în n segmente (cu ajutorul unor plăcuţe metalice), în scopul creşterii de n ori a căderilor de tensiune la electrozi. Astfel, în cazul împărţirii arcului în n segmente, condiţia stingerii arcului este: u > l + n ⋅⋅ γα (7.227) unde u este tensiunea de ardere a arcului electric. Efectul de electrod nu este aplicat la stingerea arcului electric de curent continuu deoarece eficienţa unei camere de stingere construită după acest principiu este foarte redusă. Stingerea arcului de curent continuu are loc prin lungirea arcului, cât şi prin contactul (atingerea) lui cu pereţii reci ai camerei de stingere. Efectul de electrod este frecvent utilizat la stingerea arcului electric de curent

Fig.1.14 Efectul de electrod cu plăci metalice


25

alternativ. În acest caz, stingerea arcului electric este urmată de trecerea naturală prin zero a curentului, astfel încât tensiunea (pe interval) între două plăcuţe, necesară stingerii arcului este de circa 100-200 V. Numărul intervalelor de stingere se calculează ţinând seama de valoarea tensiunii de restabilire. Dispoziţia plăcilor metalice într-o cameră de stingere cu efect de electrod este arătată în figura 1.14. Plăcuţele sunt din oţel zincat (pasivizat) şi au forma literei V, pentru ca, sub acţiunea nişei astfel formate, arcul să fie împins în camera de stingere, spre a fi divizat. În consecinţă, prin crearea efectului de nişă, eficienţa camerei de stingere este mărită. Principiul efectului de electrod este aplicat în construcţia camerelor de stingere de la contactoarele electromagnetice şi de la întreruptoarele de c.a. de joasă tensiune.

Fig.1.15 Stingerea arcului electric cu ajutorul suflajului magnetic 1-bobina de suflaj; 2-plăcuţe metalice; 3-arcul electric; 4- elementele de contact Împingerea arcului electric în camera de stingere se poate face cu ajutorul suflajului magnetic, adică cu ajutorul unui câmp magnetic exterior B (perpendicular pe direcţia arcului) creat de o bobină parcursă chiar de curentul care trebuie întrerupt (ca în fig.1.15). În aceste condiţii, arcul electric va fi supus acţiunii forţei electromagnetice ilB = F ⋅⋅ care, lungindu-l, tinde să-l introducă în camera de stingere. Principiul suflajului magnetic este aplicat în construcţia contactoarelor de curent continuu, de joasă tensiune. Curenţii de plasmă. Deionizarea în contact cu pereţii reci. Un arc electric (care arde într-un gaz) nu îşi menţine coloana sub formă cilindrică deoarece piciorul arcului se găseşte pe un material conductor (metal), unde densitatea de curent este mare, iar coloana arcului se dezvoltă într-un gaz, care este un mediu mai puţin conductor. Ca urmare, diametrul coloanei în gaz va depăşi sensibil diametrul din dreptul electrozilor, iar arcul electric va prezenta o umflare în zona centrală. Această modificare de diametre, pe măsură ce se trece la altă secţiune transversală în coloana arcului,

Aparate electrice

26

determină o asimetrie de câmp magnetic şi de densitate de curent, adică o modificare a forţelor Lorentz faţă de cazul modelului cilindric. Efectul acestei asimetrii constă în formarea de curenţi de plasmă către axa de simetrie transversală a arcului electric. În zona acestei axe, curenţii de plasmă provenind de la cei doi electrozi se izbesc şi dau naştere unei expulzări de plasmă în planul de simetrie transversal. Formarea curenţilor de plasmă are drept consecinţă eliminarea unei mase de plasmă şi, deci, deionizarea arcului. Sub acest aspect, în tehnica întreruperii se urmăreşte formarea de zone strangulate de arc electric, ca de exemplu în figura 1.16a, unde arcul 3 este strangulat de plăcile izolante 1 şi 2. Disimetria astfel formată determină curenţi de plasmă după direcţiile marcate cu săgeată. În figura 7.46b arcul electric (apărut între elementele de contact 1 şi 2) este obligat să parcurgă orificii (strangulări) practicate în pereţi ceramici izolanţi 3. Aici, expulzarea de plasmă (care are loc după direcţia săgeţilor) este însoţită de răcirea plasmei eliminate, în contact cu pereţii ceramici reci. Echipamentele de comutaţie la care se aplică principiul răcirii arcului electric în contact cu pereţii reci sunt contactoarele şi întreruptoarele de curent continuu de joasă şi de medie tensiune. Expandarea. Jetul de lichid. Jetul de gaz. Vidul avansat. Principiul expandării asociat cu jetul de lichid este folosit la stingerea arcului electric cu ajutorul unui mediu lichid, cum este uleiul mineral (care are şi bune proprietăţi electroizolante). În acest caz, energia arcului este folosită parţial la vaporizarea uleiului şi, deci, la formarea unei presiuni de 30-100 bar în camera de stingere. Prin aceasta se realizează o conductivitate termică sporită, care permite transferul căldurii din coloana arcului electric către pereţii camerei de stingere. În cazul curentului alternativ, intensităţii maxime a curentului îi corespunde o presiune locală maximă, după care, odată cu scăderea curentului şi presiunii, are loc o vaporizare (expandare). Acest proces de expandare este reluat de 2-3 ori, până când presiunea în camera de stingere a crescut suficient pentru a determina stingerea arcului electric la trecerea prin zero a curentului. La intensităţi mici ale curentului, cantitatea de gaze este insuficientă pentru răcirea arcului electric şi, de aceea, se creează un jet de lichid dirijat asupra arcului electric. Principiul expandării asociat cu jetul de lichid este aplicat în construcţia camerelor de stingere de la întreruptoarele cu ulei puţin de medie şi de înaltă tensiune. Jetul de gaz. Conductivitatea termică relativ redusă a aerului atmosferic (din cauza conţinutului mare de azot), ca şi rigiditatea dielectrică redusă (20-30 kV/cm, în câmp

Fig.1.16: (a) Strangularea arcului electric; (b) Răcirea plasmei în contact cu pereţii reci


27

omogen) sunt caracteristici care nu oferă posibilitatea obţinerii de performanţe ridicate în cazul comutaţiei curenţilor intenşi (la tensiuni înalte) în aerul atmosferic. În opoziţie cu acesta, un mediu gazos, cum este hexafluorura de sulf (SF6), cu autosuflaj, utilizat la presiuni suficient de mari (10-30 bar), determină răcirea arcului electric şi refacerea rigidităţii dielectrice în camera de stingere după o întrerupere reuşită. Jetul de gaz folosit la stingerea arcului electric poate fi dirijat longitudinal (în lungul arcului electric) sau transversal. Întreruptoarele cu SF6 au performanţe ridicate şi folosesc atât principiul jetului axial, cât şi principiul jetului radial. Vidul avansat. Principiul vidului avansat în camerele de stingere îmbină două idei de bază: 1) rigiditate dielectrică sporită la distanţe extrem de reduse între contacte şi 2) dezvoltarea arcului electric în vapori metalici proveniţi din eroziunea fină a elementelor de contact. Rigiditatea dielectrică sporită se datorează acţiunii legii lui Paschen în domeniul pd=10-4 mbar x (4-20) mm. La presiuni atât de reduse, parcursul mediu liber λ al electronului este superior dimensiunii liniare a camerei de stingere a întreruptorului cu vid şi, ca urmare, străpungerea devine puţin probabilă. Arcul electric format la separarea elementelor de contact este o plasmă de vapori metalici, care se dezvoltă în vidul avansat. Procesele fizice în faţa catodului rămân aceleaşi ca la orice arc electric. Caracteristic arcului electric în vid avansat este, însă, difuzia extrem de rapidă a vaporilor metalici şi, deci, a plasmei care, în contact cu pereţii reci ai unui ecran, se condensează şi, astfel, vidul este refăcut. Toate echipamentele de comutaţie în vid au tendinţa de a smulge (tăia) curentul din arcul electric care, astfel, nu se mai stinge la trecerea naturală prin zero, ci mai devreme. Refacerea rigidităţii dielectrice, după o întrerupere, se efectuează extrem de rapid, datorită difuziei şi condensării vaporilor metalici. Realizarea echipamentelor de comutaţie cu stingerea arcului electric în vid avansat a fost posibilă prin progrese tehnologice în direcţia realizării de lipituri metal-sticlă, metal-ceramică şi în direcţia obţinerii de noi materiale pentru contacte. La echipamentele cu comutaţie în vid, pe lângă condiţiile normale pe care trebuie să le îndeplinească un contact, se mai cere ca din el să se poată dezvolta, în prezenţa arcului electric, o cantitate suficientă de vapori metalici, pentru a nu se produce smulgerea timpurie a curentului. Principiul vidului avansat se aplică în construcţia întreruptoarelor de medie tensiune şi (mai nou) chiar şi la înaltă tensiune. Materialul granulat. Stingerea arcului electric în contact cu granule din material refractar este un principiu utilizat în construcţia siguranţelor fuzibile. În aceste echipamente arcul electric apare după topirea, provocată de trecerea curentului de scurtcircuit, a benzilor sau firelor aşezate în mediu granulos (nisip de cuarţ). Transferul de căldură de la plasmă la granulele de nisip se realizează prin conducţie termică, arcul se răceşte, sfârşind prin a se stinge.

Aparate electrice

28

28

CAPITOLUL 2 CONTACTE ELECTRICE În limbajul tehnic uzual, expresia "contact electric" are un dublu înţeles, ea desemnând, pe rând: - fie situaţia de atingere mecanică între două corpuri, bune conductoare de electricitate; - fie piese special construite, între care se realizează continuitatea unui circuit când aceste piese (contacte) se ating. Pentru eliminarea oricărui fel de ambiguitate în înţelegere se precizează că, în continuare, prin noţiunea de "contact electric" vom desemna numai al doilea înţeles, cel de piese special construite. În acest context, orice echipament electric este considerat, în esenţă, ca un ansamblu de elemente funcţionale şi de conductoare interconectate electric. Punctul circuitului în care curentul trece dintr-o cale de curent în alta este denumit "punct de contact electric". În practică, prin contact electric se înţelege un ansamblu compus din două piese metalice, prin a căror atingere se stabileşte conducţia într-un circuit electric. Cele două piese se numesc elemente de contact sau, pur şi simplu, contacte, atunci când nu pot apărea interpretări greşite. Constructiv, la un contact electric, atingerea se realizează prin apăsarea (cu ajutorul unei forţe) a unui element contra celuilalt element. Suprafaţa de atingere a pieselor de contact se numeşte suprafaţă de contact. Contactele electrice se pot clasifica după diferite criterii. Astfel: i) După forma geometrică a suprafeţei de contact, contactele electrice se împart, convenţional, în trei grupe: 1. Contacte punctiforme, la care, macroscopic, atingerea are loc doar într-un singur punct, iar microscopic, pe o suprafaţă circulară de rază foarte mică. În această grupă intră, de exemplu, contactele sferă-sferă, sferă-plan, con-plan (v.fig.2.1.a). 2. Contacte liniare, la care atingerea are loc de-a lungul unei linii, adică, practic, pe o suprafaţă extrem de îngustă. Din această grupă fac parte, de exemplu, contactele între suprafaţa laterală a unui cilindru şi un plan sau contactele între doi cilindri cu axele paralele (v.fig.2.1.b).

3. Contacte plane, la care atingerea celor două piese se face pe o suprafaţă de contact. Din această grupă fac parte, de exemplu, contactele realizate între două suprafeţe plane, cu secţiunea dreptunghiulară (v.fig.2.1.c). ii) În funcţie de cinematica elementelor, contactele electrice se pot clasifica în:

Fig.2.1.b Contact liniar

Fig.2.1.c Contact de suprafaţă

Fig.2.1.a Contact punctiform

Cap.2 Contacte electrice

29

a. Contacte fixe, realizate, în general, prin îmbinarea mecanică a celor două elemente de contact prin şuruburi, nituri, buloane (reprezentate schematic în fig.8.2.a). b. Contacte amovibile, la care unul din cele două elemente de contact este fix, iar celălat este amovibil (fără sarcină şi fără tensiune). Un exemplu tipic îl constituie contactul realizat între cuţitul elementului fuzibil (înlocuitor) şi lira fixată pe soclu, al unei siguranţe fuzibile (v.fig.2.2.b). c. Contacte mobile pentru comutaţia circuitelor electrice, la care cel puţin unul din elemente este deplasabil (la funcţionarea normală a echipamentului), determinând astfel închiderea sau deschiderea circuitului (ca în fig.2.2.c).

Pe durata funcţionării lor, contactele sunt supuse la diferite solicitări. Astfel, contactele fixe şi contactele amovibile sunt supuse încălzirii atât în regimul normal, cât şi în regimul de suprasarcină şi, uneori, în regimul de scurtcircuit. În toate aceste situaţii, încălzirea nu trebuie să depăşească valorile supratemperaturilor prescrise de standarde pentru fiecare din regimurile sus-menţionate. Contactele echipamentelor de comutaţie (şi, în special, contactele mobile) sunt supuse şi acţiunii arcului electric, care apare între elementele de contact la separarea lor. Deşi durata arcului electric este limitată (5-30 ms), temperatura ridicată a arcului provoacă o încălzire intensă a elementelor de contact. În plus, la echipamentele care execută un număr mare de comutaţii sub sarcină se constată şi o uzură electrică a contactelor, adică o migraţie de material de pe elementele de contact, sub acţiunea temperaturii arcului electric. De asemenea, la contactele mobile poate să apară uzura mecanică, ca urmare a strivirii şi deformării pieselor de contact, după un număr mare de manevre. Prin urmare, contactele electrice necesită o exploatare şi o întreţinere conform prescripţiilor. Neînlăturarea uzurii contactelor, chiar neînsemnată la prima vedere, poate determina apariţia unor defecte grave (încălzirea peste măsură a contactelor şi chiar topirea lor), conducând la scoaterea din funcţiune a echipamentelor. 2.1. PROCESE FIZICE ÎN CONTACTE ELECTRICE Pentru a putea evalua solicitările contactelor în relaţii cantitative, aprioric este necesar să se cunoască principalele procese fizice care au loc la formarea oricărui contact

Fig.2.2.a Contact fix 1,2-elemente de contact; 3-bulon

Fig.2.2.b Contact amovibil 1-cuţit; 2-liră; 3-resort

Fig.2.2.c Contact mobil 1-element fix; 2-element mobil

Aparate electrice

30

electric. În particular (în orice circuit electric) prezenţa unui contact electric va conduce, întotdeauna, la creşterea rezistenţei electrice a cicuitului. Această creştere se datorează "rezistenţei de contact" RC . Rezistenţa de contact este formată din două componente: - rezistenţa metalului contactului Rm (care, pentru orice lungime l , se poate calcula cu formula cunoscută, l/A = Rm ⋅ρ , unde ρ este rezistivitatea materialului, iar A este aria secţiunii transversale a contactului) şi - rezistenţa de trecere Rt , adică: R + R = R tmC (2.1) Apariţia rezistenţei de trecere Rt în cazul contactului electric (cea care determină creşterea rezistenţei electrice a circuitului) este cauzată pe de o parte, de fenomenul de stricţiune a liniilor de curent, iar pe de altă parte, de formarea unei pelicule disturbatoare pe suprafaţa elementelor de contact. Stricţiunea liniilor de curent Oricât de bine ar fi prelucrate suprafeţele de contact, totuşi atingerea lor se realizează doar în câteva zone de contact, zone în care liniile de curent suferă o stricţiune (strângere), ca în figura 2.3. Cu alte cuvinte, contactul electric nu se face prin aria integrală (comună) a suprafeţelor celor două elemente de contact (suprafaţa aparentă de contact), ci doar printr-o mulţime de puncte (sau zone) separate. La un contact realizat cu o suprafaţă aparentă mare, atingerea pieselor de contact se realizează prin micropuncte de contact, adică în locurile în care materialul este deformat. Micropunctele de contact sunt grupate în zone de contact, care se mai numesc şi puncte de contact.

Dacă aria punctelor de contact AF , pe care se exercită forţa de apăsare F, este o fracţiune infimă (0,01-0,05) din aria aparentă Aa , atunci se realizează un contact de suprafaţă, ca în figura 2.4. În acest caz, contactul se realizează, de exemplu, prin trei zone de contact 3 =n (zonele 1, 2 şi 3). Fiecare zonă de contact este formată din microarii în care materialul este deformat fie plastic, fie elastic, fie la limita între plastic şi elastic. Numărul n (al zonelor de contact) şi dimensiunile zonelor de contact depind atât de rezistenţa mecanică a materialului contactului, cât şi de forţa de apăsare normală F (a contactului). Dependenţa între forţa de apăsare normală F şi aria de contact AF , pe care se exercită această forţă (în condiţii de deformare plastică) este de forma:

Fig.2.4 Contact de suprafaţă

Fig.2.3 Stricţiunea liniilor de curent


31

an = F = A An

F = AF = 2

F0F

⋅⋅⋅

πσ

σ ; (2.2)

unde σ este rezistenţa admisibilă la strivire a materialului (în N/mm2), iar a este raza cercului echivalent (cu aria A0 ) pentru fiecare din cele n zone de contact.

Relaţia (2.2), deşi nu este riguros exactă, arată că pe măsură ce forţa de apăsare creşte, deformarea vârfurilor este mai pronunţată şi noi micropuncte de contact pot apărea. În cazul contactului puctiform (v.fig.2.5), atingerea între cele două elemente se realizează într-o singură zonă de contact ( 1 =n ), iar dependenţa între aria de contact

A = A 0F şi forţa de apăsare F rezultă din (2.2), de forma:

a = F = A = A 20F ⋅π

σ (2.3)

Deşi relaţia (2.3) nu evidenţiază clar dependenţa dintre aria de contact AF şi raza de curbură ( r ) a elementului de contact în domeniul deformaţiei plastice (domeniu în care se realizează contactele tehnice), totuşi experienţele au arătat că această dependenţă este de forma diagramelor din fig.2.6. Aici se constată că aria de contact punctiform AF creşte în acelaşi sens cu raza de curbură r a contactului, la diferite valori ale forţei de apăsare, pentru un anumit tip de material al contactelor. Pelicula disturbatoare În cazul unui contact metalic curat, adică atunci când nu există pelicule disturbatoare (oxizi, sulfuri etc.) pe suprafaţa de contact, rezistenţa de trecere Rt este constituită numai din rezistenţele de stricţiune. Numai că, în realitate, suprafeţele metalice ale elementelor de contact reacţionează cu atmosfera înconjurătoare, iar transformările care au loc determină apariţia peliculelor de oxizi şi depind atât de natura metalului contactului cât şi de proprietăţile mediului ambiant. Prin urmare, rezistenţa de trecere Rt este alcătuită atât din rezistenţa de stricţiune (a două elemente de contact), cât şi din

Fig.2.5 Contact punctiform

Fig.2.6 Variaţia ariei de contact cu raza de curbură

Aparate electrice

32

rezistenţa peliculei disturbatoare (oxizi, sulfuri). În plus, peliculele disturbatoare formate pe suprafeţele metalice de atingere (ale contactelor electrice) nu împiedică prea mult trecerea curentului prin contacte, pentru că, până la urmă, ele se distrug. Concret, conducţia curentului prin peliculele de oxizi are loc prin distrugerea lor şi se realizează fie prin deformaţia plastică a suprafeţelor elementelor de contact, fie prin fritare. Astfel, în procesul de închidere a contactelor (sub acţiunea unei forţe puternice de apăsare) poate avea loc o distrugere mecanică a peliculei disturbatoare în câteva puncte şi, prin infiltrarea metalului contactelor în fisurile din peliculă se poate stabili un contact pur metalic. Dacă forţa de apăsare a contactelor nu este suficient de mare pentru a produce deformaţia plastică a suprafeţelor de contact (şi, deci, fisuri în peliculă), atunci conducţia curentului se realizează prin fenomenul de fritare. Astfel, dacă unei pelicule disturbatoare i se aplică progresiv o tensiune electrică crescătoare, se constată că rezistenţa peliculei începe să scadă, întrucât pelicula se comportă ca un semiconductor. Dacă se depăşeşte tensiunea de fritare Uf (care la grosimi ale peliculei de 1000 Å poate fi de circa 10-100 V), tensiunea pe peliculă scade brusc la 0,5-1 V, şi tot brusc va scădea şi rezistenţa electrică a peliculei disturbatoare. Din punctul de vedere al formării (şi al existenţei) peliculei disturbatoare, contactele electrice se pot clasifica în următoarele categorii: a. Contacte electrice cu atingere metalică (fără peliculă disturbatoare). Acestea sunt realizate din metale nobile (Au, Ag, Pt) în vid sau din metale nenobile în vid şi care nu au suferit (în prealabil) acţiunea vreunui mediu agresiv (oxidant); b. Contacte electrice cu atingere cvasimetalică. Aceste contacte sunt realizate din metale nobile, dar sunt utilizate în atmosferă normală. Din această categorie fac parte contactele din Au, Ag, Pt, care se acoperă cu pelicule disturbatoare cu grosimi de circa 20 Å; c. Contacte electrice cu peliculă disturbatoare. În această categorie intră contactele realizate din Cu în atmosferă normală (caz în care pelicula disturbatoare este de oxid de cupru Cu2O) şi contactele de Ag în atmosferă de vapori sulfuroşi (în acest caz pelicula

fiind de sulfură de argint Ag2S). În conducţie, pelicula este distrusă. 2.2. REZISTENTA DE TRECERE A CONTACTELOR CU ATINGERE METALICA Se presupune că rezistenţa de trecere este cauzată doar de strangularea (stricţiunea) liniilor de curent, în imediata apropiere a locului de atingere a pieselor de contact. În aceste condiţii rezistenţa de trecere Rt este egală doar cu rezistenţa electrică de stricţiune. Calculul se face întâi pentru un contact punctiform, în funcţie de modelul adoptat. Astfel: 1. Modelul sferei de conductivitate infinită (v.fig.2.7) presupune că cele două corpuri metalice 1 şi 2 de conductivitate finită (adică, semispaţiile conductoare care modelează piesele de contact) fac contact între ele printr-o sferă metalică de rază "a " şi conductivitate infinită. Aici, sfera modelează vârful de contact şi, drept consecinţă, raza sferei va fi foarte mică. În aceste condiţii, în sferă, liniile de curent vor fi radiale, iar suprafeţele


33

echipotenţiale vor fi de formă sferică, concentrice. Pentru o astfel de configuraţie, rezistenţa de stricţiune (echivalentă celor două emisfere de contact) se calculează şi rezultă de forma:

a

= Rt ⋅πρ (2.4)

în care ρ8 este rezistivitatea electrică a materialului (pieselor de contact). 2. Modelul elipsoidului turtit (v.fig.2.8) conduce la o mai bună concordanţă cu verificările experimentale. Acest model consideră că cele două corpuri metalice 1 şi 2 (de conductivitate finită) sunt în atingere între ele prin intermediul unui elipsoid turtit, încât suprafaţa de contact va fi o elipsă cu semiaxele a 9 şi b 10. În acest model, suprafeţele echipotenţiale vor fi elipsoizi confocali (cu cel de bază), iar liniile de curent (reprezentate cu săgeţi în fig.2.8) sunt ortogonale la suprafeţele elipsoizilor.

Corespunzător modelului elipsoidal, rezistenţa de stricţiune (totală, de trecere) a contactului punctiform se calculează şi poate fi exprimată prin relaţia:

a2

= Rt ⋅ρ (2.5)

În realitate, în cazul contactului dintre două suprafeţe plane, conducţia curentului are loc la atingerea metalică printr-un număr mare de contacte punctiforme (care formează aşa-zisele "microsuprafeţe de contact"). Dacă punctele de atingere (sau microsuprafeţele de contact) sunt presupuse identice, atunci rezistenţa totală a contactului cu "n " puncte de atingere Rtn va fi de "n " ori mai mică decât rezistenţa de trecere Rt 11 corespunzătoare contactului punctiform, adică:

Rn1 = R ttn ⋅ respectiv

a2n1 = Rtn ⋅⋅ρ (2.6)

Raza ariei echivalente A0 a unei microsuprafeţe de contact depinde de forţa de apăsare normală F şi se deduce din relaţia (2.2), sub forma:

πσσ

π⋅

⋅⋅⋅n

1F = a F = an 2 ; (2.7)

Înlocuind expresia razei (ariei echivalente A0 a contactului punctiform) în formula

Fig.2.7 Modelul sferei de conductivitate infinită

Fig.2.8 Modelul elipsoidului turtit

Aparate electrice

34

(2.6), rezistenţa de trecere Rtn (a contactului cu n 12puncte de atingere) devine:

πσ

ρ

πσ

ρ

⋅⋅

⋅⋅

⋅⋅⋅

nF2 =

n1F2

n1 = Rtn (2.8)

Din punct de vedere fenomenologic, în primele momente atingerea are loc într-un număr redus de puncte de contact. Apoi, materialul pieselor de contact se striveşte, ariile suprafeţelor elementare de contact se măresc, are loc apropierea pieselor de contact şi, în consecinţă, apar noi puncte de contact. Procesul creşterii lui "n" va continua atâta timp cât

apăsarea specifică an

F = AF = p 2

F ⋅⋅π este mai mare decât σ .

Pentru n=1 (cazul contactului punctiform) formula generală (2.8) devine:

FK =

F2 = R 0,5t

πσρ ⋅⋅ (2.9)

Prin generalizare, rezistenţa de trecere (2.8) poate fi exprimată analitic printr-o

relaţie de tipul: FK = R mt (2.10)

unde: K = coeficient care depinde de natura materialului contactelor, de forma şi gradul de finisare a suprafeţelor de contact şi de starea acestora; F = forţa de apăsare (presare) a contactelor,iar m = un exponent care depinde de numărul punctelor de contact. Exponentul m din ecuaţia (2.10) are următoarele valori uzuale: 0,5 = m (ca în relaţia 2.9) pentru contactul punctiform; 0,90,7 = m ÷ pentru contacte punctiforme multiple; 0,80,7 = m ÷ pentru contacte liniare şi 1 = m pentru contacte plane. Coeficientul K din formula (2.10) are valori numerice (obţinute pe cale experimentală) în funcţie de tipul şi de natura contactelor, după cum urmează: 100,14)(0,08 = K -3⋅÷ pentru contacte din Cu-Cu (fără oxizi); 100,1)(0,07 = K -3⋅÷ pentru contacte din Cu-Cu cositorite; 100,67 = K -3⋅ pentru contacte din alamă; 103,1 = K -3⋅ pentru contacte din Cu-Ol. În concluzie, mărimea rezistenţei de trecere Rt (a contactelor electrice) depinde de materialul contactelor, de forţa F (de strângere a contactelor) şi de natura, forma şi finisarea suprafeţelor metalice care se ating. 2.2.1. Factorii care influenţează rezistenţa de trecere Experimental, s-au stabilit trei factori care pot influenţa mărimea rezistenţei de trecere Rt a contactelor metalice. Aceştia sunt evocaţi şi descrişi succint, în continuare. 1. Suprafaţa aparentă de contact. Mărimea suprafeţei aparente de contact depinde direct de numărul "n" de puncte de contact. Contactele cu suprafeţe aparente diferite, dar cu acelaşi număr de puncte de atingere au aceeaşi valoare a rezistenţei de trecere dacă celelalte condiţii de funcţionare rămân neschimbate (sunt invariante).


35

Pe lângă mărimea suprafeţei, starea suprafeţei de contact prezintă o importanţă deosebită în funcţionarea contactelor, deoarece pe suprafeţele acestora se formează pelicule disturbatoare (oxizi, sulfaţi etc.). Aceste pelicule se distrug periodic, încât în exploatare există intervale (de timp) de formare a peliculelor disturbatoare şi sunt momente (de timp) la care peliculele se distrug (fie mecanic, fie prin străpungere). Oxidarea materialelor contactelor are loc chiar la temperatura mediului ambiant (20...40 grd.C), însă procesul are loc cu atât mai repede cu cât temperatura de lucru a contactelor este mai mare. În aer liber, oxidarea contactelor este mult mai rapidă decât dacă acestea ar fi scufundate în ulei. În plus, încălzirea şi răcirea alternativă, prezenţa în atmosferă a bioxidului de sulf, a hidrogenului sulfurat, a clorului, a amoniacului şi a vaporilor de acizi sunt factori care favorizează şi accelerează procesele de oxidare şi de corodare a contactelor electrice. Uzual, protecţia pieselor de contact împotriva coroziunii se realizează prin acoperiri metalice anticorozive (în băi de galvanizare, în băi de metal topit sau prin pulverizare cu metal în stare topită). Metalul utilizat trebuie să fie inoxidabil sau cu stratul de oxid bun conducător de electricitate. Grosimea stratului de protecţie va fi cu atât mai mare cu cât condiţiile de exploatare ale contactelor sunt mai grele. În mod curent, contactele din cupru (Cu), alamă (Am) şi bronz (Bz) se acoperă anticoroziv cu un strat de cositor, de argint, de nichel sau de crom. Deşi cositorirea contactelor pare metoda cea mai puţin costisitoare, totuşi, în caz de scurtcircuit (la curenţi intenşi) cositorul se poate topi şi, în stare lichidă, poate să stropească piesele alăturate, provovând, în felul acesta, noi avarii. 2. Materialul contactelor. Aşa cum s-a mai spus, materialul pieselor de contact influenţează mărimea rezistenţei de trecere Rt prin valoarea rezistivităţii electrice ρ şi prin valoarea rezistenţei admisibile la strivire σ . Rezistenţa contactului este cu atât mai mică cu cât ρ şi σ sunt mai mici. De aceea, în practică se recomandă acoperirea (prin diverse procedee) cu argint, cu cositor etc. a suprafeţelor pieselor dure (tari) ale contactelor electrice. Pe de altă parte, la îmbinările de contact realizate cu piese din metale diferite pot apărea coroziuni electrochimice mult mai accentuate decât la cele cu piese din acelaşi metal. Cu cât metalele pieselor de contact sunt mai depărtate (unul de celălalt) în seria electrochimică, cu atât distrugerea va fi mai rapidă. Se impune cu necesitate, şi aici, acoperirea anticorozivă. 3. Forţa de apăsare a contactelor. Este factorul cel mai important care influenţează mărimea rezistenţei de trecere Rt . Pentru o aceeaşi suprafaţă aparentă de atingere Aa , rezistenţa de trecere Rt este cu

Fig.2.9 Dependenţa grafică Rt = f(F) pentru contacte din Cu-Am

Aparate electrice

36

atât mai mică cu cât forţa de apăsare normală F (pe contacte) este mai mare. Practic, în domeniul presiunilor mici, creşterea forţei de apăsare micşorează brusc rezistenţa de trecere Rt a contactelor. Creşterea în continuare a forţei de apăsare F nu mai produce o modificare notabilă a rezistenţei de trecere. Curbele care arată variaţia f(F) = Rt sunt de tipul hiberbolelor generalizate şi pot fi exprimate analitic din (2.10) prin relaţii de forma: const. = K = FR m

t ⋅ (2.11) Ca exemplu, dependenţa grafică dintre rezistenţa de trecere Rt şi mărimea forţei de apăsare normală F (în cazul unor contacte din cupru-alamă) arată ca în fig.2.9. 2.3. UZURA CONTACTELOR În general, prin "uzură" se înţelege efectul cumulat al acţiunii diverşilor factori (procese şi fenomene fizico-chimice) care conduc la erodarea gradată şi progresivă (pe durata funcţionării), având drept rezultat modificări ireversibile (de formă şi dimensiuni) ale elementelor în discuţie. Uzura cauzată de factori mecanici (şocuri, ciocniri, frecări, rostogoliri etc.) este numită "uzură mecanică" a contactelor. Uzura produsă de acţiunea factorilor electrici este cunoscută ca "uzură electrică" a contactelor şi aceasta va fi dezvoltată în continuare. În acest context, contactele sunt supuse uzurii electrice atât la închiderea, cât şi la deschiderea (sau întreruperea) circuitelor electrice. Întreruperea oricărui circuit (parcurs de curent electric) conduce la apariţia - între contactele întreruptorului - a arcului sau a scânteilor electrice. La întreruperea curenţilor intenşi, arcul electric este precedat de formarea de "punţi" de metal topit (între contacte). Din cauza temperaturii ridicate a arcului electric, o parte din metalul "punţii" se evaporă, o altă parte este pulverizată şi ejectată în exterior, iar o mică parte este eliminată de pe un contact şi este depozitată pe celălalt contact. Transferul direcţionat al metalului de pe un contact pe altul (migraţia), cât şi evaporarea metalului (arderea sau dispariţia lui din masa solidă a contactului) sunt fenomene cauzate de descărcarea electrică apărută la separarea contactelor şi sunt cunoscute sub numele generic de "eroziune electrică" a contactelor. În legătură cu migraţia, se precizează că arcul electric transferă metalul de la catod la anod, pe când scânteierea, dimpotrivă, îl transferă invers (de la anod la catod). Fenomenul migraţiei de material conduce la formarea unui "vârf" pe unul din contacte şi a unui "crater" pe celălalt contact (v.fig.2.10).


37

La distanţe relativ mici (între contacte) fenomenul migraţiei poate duce chiar la sudarea (sau "îngheţarea") contactelor şi asta din cauza "punţii metalice" formate când contactele sunt deschise. Eroziunea electrică a contactelor creşte odată cu intensitatea curentului, cu valoarea tensiunii şi cu durata arcului electric şi depinde de natura materialelor din care sunt confecţionate contactele. Unele metale conductoare care sunt rezistente la coroziunea atmosferică (precum argintul şi aurul) sunt erodate electric cu multă uşurinţă, pe când materiale precum: cuprul, tungstenul şi molibdenul prezintă o rezistenţă înaltă la eroziunea electrică. Eroziunea electrică poate fi minimizată numai prin asigurarea posibilităţii deplasării rapide a piciorului de arc din punctul aprinderii iniţiale. În acest caz, temperatura contactului în dreptul piciorului de arc va fi mai joasă, o cantitate mai mică de metal va fi topită şi, în consecinţă, suprafaţa contactului va fi mai puţin erodată. De asemenea, utilizarea de materiale sinterizate (din pulberi metalo-ceramice) reprezintă mijloace eficiente de creştere a rezistenţei contactelor la eroziunea electrică. Contactele destinate să rupă curenţi slabi (mai puţin intenşi) pot fi protejate împotriva eroziunii prin şuntarea lor cu un condensator. Cu această metodă, nu vor mai exista descărcări electrice între contactele care se separă. Practic, toată energia necesară iniţierii şi dezvoltării arcului electric va fi utilizată la "încărcarea condensatorului". O astfel de metodă de protecţie a contactelor (la întreruperea curenţilor mici) este cunoscută sub numele de "stingerea capacitivă a arcului". Ea are şi două dezavantaje: 1) capacitatea condensatorului de şuntare este de mărime considerabilă şi 2) condensatorul încărcat se descarcă prin contacte (în cursa de închidere a acestora) şi, în anumite condiţii, poate produce sudarea acestora. 2.3.1. Uzura la deschiderea contactelor Uzura în contacte la deschiderea (sau întreruperea) oricărui circuit electric se datorează prezenţei şi acţiunii arcului electric şi depinde de foarte mulţi factori. Până în prezent nu a fost stabilită nici o "formulă" pentru evaluarea uzurii contactelor. Din acest motiv, în continuare vor fi evocate doar câteva din concluziile rezultatelor experimentale privind uzura la deschiderea contactelor. 1. Influenţa numărului manevrelor de deschidere a contactelor. În ipoteza unui curent de valoare efectivă constantă, uzura contactelor este direct proporţională cu numărul "n" (de deschideri). Astfel, dacă "mărimea" uzurii produse la o singură deschidere a contactelor o notăm cu "c", atunci uzura totală (cumulată) "uz" cauzată de cele "n" deschideri va avea mărimea: nc = uz ⋅ (2.12) 2. Influenţa intensităţii câmpului magnetic (de suflaj). Dacă contactele aparţin unui contactor cu suflaj magnetic, atunci dependenţa uzurii contactelor "uz" în funcţie de

Fig.2.10 Fenomenul "migraţiei" de material (a) contacte "noi"; (b) contacte erodate electric

Aparate electrice

38

mărimea intensităţii câmpului magnetic H, adică curba uz = f(H) este reprezentată în fig.2.11. Explicaţia acestei forme a curbei este simplă. Pentru valori reduse ale lui H, piciorul arcului rămâne (timp îndelungat) sprijinit în aceeaşi zonă a suprafeţei de contact, căreia îi va cauza o uzură considerabilă. Odată cu creşterea lui H creşte şi viteza de deplasare a piciorului de arc (pe suprafaţa contactului), reducându-se astfel temperatura, cantitatea de metal topit şi, în final, uzura contactului. Evoluţia proceselor de mai sus se schimbă după ce intensitatea câmpului magnetic H trece de valoarea critică HC, când intervine un factor nou: prezenţa punţii de metal topit. Forţele electromagnetice prezente tind să ejecteze o cantitate crescândă din materialul punţii, ceea ce face ca uzura să crească. Atunci când, în creşterea lor, forţele electromagnetice împrăştie tot materialul topit al punţii, uzura "uz" rămâne constantă, nemaifiind influenţată de o eventuală creştere a intensităţii H. 3. Dependenţa uzurii de nivelul tensiunii. În absenţa suflajului magnetic, atunci când arcul este lungit mecanic (doar prin depărtarea contactelor) uzura "uz" creşte pronunţat odată cu creşterea tensiunii (v.curba 1 din fig.2.12). Invers, prin folosirea suflajului magnetic, arcul va fi forţat să iasă în afara spaţiului dintre contacte de îndată ce distanţa dintre contacte depăşeşte mm 2) (1÷ . În acest caz, uzura contactului "uz" rezultă practic independentă de mărimea tensiunii (vezi curba 2 din fig.2.12). 4. Dependenţa uzurii de mărimea curentului. Uzura contactelor creşte odată cu valoarea efectivă a curentului întrerupt. Dacă celelalte condiţii rămân (teoretic) neschimbate, se poate spune că I uz ~ . Cu toate acestea, în practică, în cazul contactelor echipamentelor cu bobine de suflaj magnetic s-a constatat o creştere a uzurii contactelor "uz", mai pronunţată decât creşterea curentului I, încât este mai aproape de realitate relaţia aproximativă: Ib = uz

α⋅ ; cu 1 > α (2.13) 5. Dependenţa uzurii de lăţimea contactelor. La fiecare deschidere a contactelor, în mod inevitabil, o anumită cantitate de metal (de pe suprafaţa de atingere) se topeşte şi se evaporă, iar contactul "se arde". Cantitatea de metal care se elimină în acest mod este

Fig.2.11 Dependenţa uz = f(H)

Fig.2.12 Dependenţa uzurii de nivelul tensiunii (1 = fără suflaj magnetic; 2 = cu suflaj magnetic)


39

dependentă de lăţimea contactelor. Experimental, s-a confirmat că uzura contactelor variază invers proporţional cu lăţimea acestora. 6. Influenţa vitezei de separare a contactelor (la deschidere). În cazul aparatelor cu suflaj magnetic, viteza de separare a contactelor (la deschidere) nu afectează uzura acestora într-o măsură prea mare. Uzura contactelor nu poate fi redusă prin creşterea vitezei de separare. Numai la viteze mici s-a constatat o creştere a uzurii contactelor odată cu micşorarea vitezei de separare a lor. 2.3.2. Uzura la închiderea contactelor Contactele electrice sunt supuse uzurii şi pe durata închiderii. Loviturile, rostogolirile şi frecările la închidere determină o uzură abrazivă (de natură mecanică) a suprafeţelor contactelor. În paralel cu uzura abrazivă, închiderea contactelor provoacă şi o uzură electrică care, în anumite cazuri, poate fi mai importantă decât uzura electrică de la deschiderea contactelor. Astfel de uzuri electrice excesive rezultă din faptul că închiderea nu se termină la prima atingere a contactelor ci, din cauza vibraţiilor, piesele de contact se ating şi se desprind de mai multe ori, înainte de a ajunge la starea finală de contact permanent. Explicaţia pentru acest fenomen derivă din asimilarea închiderii contactelor cu o ciocnire elastică conform căreia, în urma impactului, contactul mobil este aruncat înapoi la o distanţă foarte mică (de zecimi sau sutimi de milimetru). După care, din cauza presiunii exercitate de resoarte, în majoritatea cazurilor, contactele se închid. Totuşi, în anumite situaţii, contactul mobil mai poate continua vibraţia (de maximum 4 - 5 ori), dar cu o amplitudine puternic atenuată, până la încetarea definitivă a mişcării. În prezenţa curentului, fiecare vibraţie (desprindere) va determina o amorsare a arcului, ceea ce va conduce la o nouă uzură a suprafeţelor de contact. Si în cazul uzurii la închiderea contactelor s-au făcut cercetări experimentale şi s-au determinat principalii factori care o condiţionează. 1. Influenţa caracteristicii forţei mecanismului de acţionare (la închidere). Corespunzător principiului fundamental al dinamicii, viteza de închidere a contactelor este determinată de diferenţa dintre forţa la închidere a mecanismului de acţionare (una din curbele 2, 3 sau 4 reprezentate în fig.2.13) şi forţa rezistentă în contacte (curba 1 din fig.2.13). Pentru orice poziţie "x", cu cât este mai mare excedentul forţei de închidere (în raport cu forţa rezistentă în contacte), cu atât mai mare va fi viteza de închidere a contactului. Drept consecinţă, vor apărea vibraţii, iar contactele se vor uza. Pentru a minimiza uzura contactelor, forţa de închidere ar trebui să varieze după o curbă de tipul celei de la poziţia 3 (care asigură

Fig.2.13 Curbe caracteristice ale forţei la închiderea contactelor

Aparate electrice

40

închiderea, dar nu este exagerat de mare). 2. Dependenţa uzurii de valoarea iniţială a forţei de apăsare (pe contact) şi de rigiditatea resortului (de contact). Forţa care apasă contactele (în momentul când ele se ating) se opune vibraţiei la impact. Atât reculul cât şi vibraţia contactelor (deci şi uzura lor) vor fi mai mici, cu cât forţa aplicată iniţial contactului mobil, va fi mai mare. În plus, pe măsură ce rigiditatea resortului de contact creşte vor fi mai puţine vibraţii şi, în consecinţă, o uzură mai redusă a contactelor. 3. Influenţa numărului de închideri şi a lăţimii contactului. Ca şi în cazul uzurii la deschidere, uzura electrică la închiderea contactelor este direct proporţională cu numărul de închideri şi este invers proporţională cu lăţimea contactului. În concluzie, uzura la închidere este condiţionată de existenţa vibraţiilor în contactul mobil, iar diminuarea ei va fi condiţionată de luarea măsurilor concrete privind eliminarea tuturor vibraţiilor. 2.4. CONDIII DE UTILIZARE I MATERIALE PENTRU CONTACTE Condiţiile de funcţionare ale unui echipament electric de comutaţie constituie factorul hotărâtor atât pentru alegerea materialelor cât şi pentru stabilirea soluţiei constructive a contactelor electrice. După acest criteriu, contactele electrice ale echipamentelor electrice de comutaţie se pot clasifica în: a. Contacte care stabilesc sau întrerup un circuit electric în absenţa curentului electric (comutaţie fără sarcină). În această grupă intră contactul fişă-priză, contactul siguranţelor fuzibile, contactele separatoarelor etc. Acestea se dimensionează ţinând seama de proprietăţile fizice ale materialelor, astfel ca încălzirea rezultată a contactului să fie limitată, uzual, în cadrul prescripţiilor din norme. Pentru reducerea pierderilor de energie la funcţionarea de lungă durată se impune ca rezistenţa de contact să fie redusă, încât căderea de tensiune în contact U C să se situeze sub câţiva milivolţi. b. Contacte pentru tensiuni reduse şi curenţi mici, pentru circuite de c.c.. Astfel de contacte sunt utilizate la relee. În funcţionare, la aceste contacte apare fenomenul migraţiei fine de material (de la anod la catod). Lucrând la tensiuni mici (sub 10-12 V) şi în absenţa arcului electric, singura problemă ce trebuie rezolvată este cea a migraţiei fine de material. c. Contacte pentru puteri de rupere medii. Aceste contacte lucrează la tensiuni mari (120-500 V) şi curenţi sub 1000 A, aflându-se (mai ales la deschidere) sub acţiunea arcului electric. În circuitele de curent continuu, în contacte are loc transportul de material de la catod la anod (migraţia brută). Asemenea contacte există în echipamentele electrice de comutaţie de joasă tensiune: la contactoare şi la întreruptoare. Solicitarea contactelor pentru puteri medii constă în arderea contactelor (vaporizarea metalului) şi în tendinţa de sudare a lor. Această tendinţă este cu atât mai pronunţată cu cât frecvenţa de lucru a contactelor este mai mare. Încălzirea contactelor este cauzată nu numai de rezistenţa de contact mărită, dar şi de energia cedată contactelor de arcul electric. În plus, curenţii de scurtcircuit intenşi pot conduce la sudarea contactelor şi, deci, menţinerea aparatului închis la o eventuală comandă de deschidere. d. Contacte pentru puteri de rupere mari. În această categorie intră contactele


41

echipamentelor de comutaţie de joasă tensiune (500-1000 V) şi curenţi nominali intenşi (1-50 kA), precum şi contactele întreruptoarelor de înaltă tensiune (6-700 kV). Asemenea contacte sunt supuse unor încălziri puternice, cauzate de piciorul arcului electric de curent mare (foarte intens). În acest caz, problema arderii contactelor şi a migraţiei brute se pune în cea mai mare măsură. De asemenea, sub acţiunea temperaturii ridicate a arcului electric pot avea loc reacţii importante cu elemente ale mediului înconjurător. e. Contacte glisante. Anumite echipamente de comutaţie de joasă tensiune şi aproape toate întreruptoarele de înaltă tensiune sunt echipate cu contacte glisante, adică contacte care electric nu se deschid, dar care, prin glisare, îşi schimbă locul de contact. Astfel de contacte ridică doar probleme tehnologice. Materialele utilizate trebuie să aibă un coeficient de frecare (la alunecare) cât mai redus. 2.4.1. Materiale pentru contacte electrice Materialele utilizate la confecţionarea contactelor electrice influenţează atât durata de serviciu (viaţa echipamentului), cât şi siguranţa funcţionării lui. În context, materialele pentru contacte trebuie să îndeplinească o serie de condiţii, precum: - să fie dure şi să aibă o rezistenţă mecanică mare; - să aibă conductibilitate termică şi electrică mare; - să reziste la corodare şi să aibă stratul de oxid bun conductor electric; - să se înmoaie şi să se topească la temperaturi cât mai înalte; - să se poată prelucra mecanic cu uşurinţă şi, în fine, - să nu fie scump. O parte din aceste cerinţe sunt contradictorii şi nu pot fi îndeplinite simultan de un singur material. De aceea, la proiectarea şi la fabricarea contactelor electrice se va alege soluţia optimă corespunzătoare condiţiilor concrete în care va lucra contactul. Prin urmare, obţinerea unui contact convenabil tehnic şi acceptabil economic este posibilă doar printr-un studiu amănunţit al condiţiilor de exploatare şi prin utilizarea unor materiale care să asigure un compromis între cerinţele (o parte, antagoniste) prezentate mai înainte. Atât din punct de vedere tehnic, cât şi din considerente economice, în domeniul curenţilor tari, ca materiale pentru contacte interesează Cu, Ag, W, fie sub formă pură, fie în aliaje cu alte elemente sau sub formă de pulberi sinterizate. Ele vor fi prezentate pe scurt, în continuare. a. Cuprul şi aliajele de cupru. Cuprul electrolitic are o rezistenţă electrică mică şi, de aceea, este folosit la realizarea contactelor pentru curenţi mari (la controlere, contactoare şi întreruptoare de joasă tensiune etc.). Dar, caracteristic pentru cupru este şi faptul că are o elasticitate redusă, că proprietăţile mecanice (de exemplu, rezistenţa la tracţiune) scad odată cu creşterea temperaturii şi că pentru distrugerea (prin fisurare) a peliculei de oxid de cupru sunt necesare forţe mari (de apăsare) în contacte. De aceea, în construcţia contactelor electrice se utilizează mai mult aliajele de cupru. Astfel, prin adăugarea unei cantităţi de 2-8% Ag, cuprul îşi îmbunătăţeşte proprietăţile mecanice şi se poate utiliza ca material pentru contactele siguranţelor fuzibile automate şi ale comutatoarelor de sarcină ale transformatoarelor. O îmbunătăţire suplimentară a proprietăţilor mecanice se poate obţine prin adăugarea unei cantităţi de 1,5% cadmiu (Cd),

Aparate electrice

42

pe lângă argint. Prin adăugarea de 1,2-2% beriliu (Be) în cupru se obţine un aliaj care poate fi folosit în construcţia resoartelor. Contactele lamelare multiple, construite dintr-un astfel de material nu mai au nevoie de resorturi suplimentare pentru asigurarea forţei de apăsare. b. Argintul şi aliajele lui. Argintul pur este un metal nobil, relativ ieftin, caracterizat printr-o rezistivitate electrică mică. El este frecvent utilizat în construcţia contactelor echipamentelor electrice, sub formele: - de acoperiri galvanice (contacte de cupru argintate), având grosimi de m 10 5 µ÷ , cu o largă utilizare în echipamentele de curenţi slabi, dar şi în tehnica curenţilor tari, atunci când întreruperea este fără curent sau cu un curent redus (la clemele de curenţi tari, la fişe şi prize, la contactele separatoarelor etc.); - de contacte masive de argint, sub formă de nituri, piese sudate sau piese placate, în domeniul comutaţiei la joasă tensiune (cu tensiuni de circa 120-500 V şi curenţi până la 1000 A). Argintul pur are şi câteva proprietăţi nefavorabile în exploatarea contactelor electrice: migraţia de material este mărită (contactul de argint se uzează electric rapid), duritatea mecanică redusă, are tendinţa de lipire şi rezistenţă redusă la acţiunea sulfului etc. Din această cauză, contactele de curenţi tari se realizează cu aliaje de argint, care au proprietăţi superioare argintului pur. Astfel, se utilizează aliajul de argint-cadmiu (Ag-Cd), care poate să aibă un conţinut de Cd de până la 37%. Prezenţa cadmiului în materialul contactului conduce la reducerea sensibilă a scânteilor, adică la crearea unor condiţii mai bune de stingere a arcului electric, datorită faptului că energia de disociere a oxidului de cadmiu (CdO) se extrage din energia arcului electric. De asemenea, formarea oxidului de cadmiu la suprafaţa contactului micşorează tendinţa de lipire a contactelor, fără a mări sensibil rezistenţa de contact. c. Aurul şi platina sunt metale nobile scumpe, caracterizate de faptul că reacţionează foarte puţin cu mediul înconjurător. Prin urmare, la contactele realizate din Au şi Pt pelicula disturbatoare are o grosime foarte mică, iar rezistenţa de contact este foarte mică (practic, neglijabilă). Aceste metale sunt utilizate în construcţia contactelor electrice străbătute de curenţi foarte mici şi supuse la forţe de apăsare extrem de reduse (ca, de exemplu, în microelectronică, în tehnica calculatoarelor etc.). d. Aluminiul prezintă, faţă de cupru, o rezistenţă mecanică mică (deci, se uzează mecanic repede) şi o rezistivitate electrică mai mare. Aluminiul se foloseşte doar la legăturile de contact (cu bare plane) fixe şi doar în cazul unor curenţi de scurtcircuit relativ mici. e. Oţelul se caracterizează printr-o rezistenţă mecanică mult mai mare decât a cuprului, dar şi printr-o rezistivitate electrică mare. În practică, oţelul se foloseşte la realizarea legăturilor electrice între conductoarele de legare la pământ şi cuvele metalice ale echipamentelor sau ale flanşelor izolatoare. f. Wolframul (W) este un metal foarte mult utilizat în construcţia contactelor întreruptoarelor de înaltă tensiune (puternic solicitate termic de piciorul arcului electric), datorită temperaturii de topire ridicate (3410 grd.C), a durităţii şi a rezistenţei la uzură ridicate. Utilizarea wolframului nu este indicată în construcţia contactelor echipamentelor de joasă tensiune şi curenţi mari. Wolframul se prelucrează relativ greu, folosind procedee


43

tehnologice specifice, deseori neconvenţionale. g. Materiale de contact sinterizate (din pseudoaliaje). Acestea sunt mixturi solide din două metale, care nu se combină sub forma unui aliaj, ci prin procedee speciale ce aparţin tehnicii metalurgiei pulberilor. Un contact sinterizat este realizat cu scopul de a avea conductivitate electrică mare (rezistenţă de contact redusă), dar şi rezistenţă ridicată la ardere (punct de topire ridicat) şi, deci, uzură electrică redusă. Contactele sinterizate cel mai des utilizate sunt din: argint-tungsten, argint-molibden, argint-nichel, argint-oxid de cadmiu, argint-grafit, argint-grafit-cupru, cupru-molibden. Materialele sinterizate sunt utilizate la construcţia contactelor electrice pentru curenţi medii şi mari. 2.5. TIPURI CONSTRUCTIVE DE CONTACTE ELECTRICE Contactele electrice au forme şi dimensiuni constructive în funcţie de instalaţiile (sau echipamentele) în care urmează să fie montate. Ele pot fi fixe sau mobile. Contactele fixe sunt folosite la realizarea conexiunilor electrice permanente între părţi complet separate. Punctul de contact (de suprapunere) trebuie să fie sigur, rezistent mecanic şi cu rezistenţa electrică de contact mică. a. Contacte pentru fixarea conductoarelor electrice (v.fig.2.14). Sunt realizate cu ajutorul şuruburilor care, prin strângere, blochează conductorul electric în locaşuri corespunzătoare. De cele mai multe ori, conductoarele sunt cositorite, iar piesele de strângere sunt din alamă argintată, zincată sau nichelată.

b. Contacte fixe pentru bare plane (şi derivaţii la bare, v.fig.2.15). Se realizează

prin îmbinarea elementelor de contact (a barelor de Cu sau Al) cu ajutorul buloanelor de oţel. Barele sunt din cupru argintat,

Fig.2.14 Contacte pentru fixarea conductoarelor

Fig.2.15 Contacte pentru fixarea barelor plane

Fig.2.16 Detaliu la contactul între două bare plane

Aparate electrice

44

cositorit sau din aluminiu. În fig.2.16 este prezentat un detaliu al contactului electric între două bare conductoare. c. Contacte fixe de tip fişă/priză. În această categorie intră contactele folosite în construcţia aparatelor de laborator, a aparatelor electrocasnice şi de uz insdustrial sau a siguranţelor de joasă/înaltă tensiune. Cele două piese ale unui astfel de contact au funcţii complet diferite: 1) de a asigura presiunea pe contact (prin elasticitatea mecanică) şi 2) de a asigura un bun contact electric (piesele fiind din cupru argintat). Cele două funcţii sunt ilustrate pe larg, în construcţiile prezentate în fig.2.17.

Pe acelaşi principiu sunt construite şi contactele pentru siguranţe fuzibile de joasă tensiune, la care contactul cu rezistenţă electrică redusă este asigurat de piese din cupru argintat, iar presiunea pe contact se realizează cu resorturi (din oţel de arc). d. Contactele releelor. Acestea se realizează ca în variantele prezentate de fig.2.18, prin nituire, sudare electrică, placare etc.

Materialul de contact (nitul, pastila de sudare sau placatul) se confecţionează din materiale cu tendinţă redusă de lipire şi stabile în mediul înconjurător, precum: - argintul aurit, când există pericolul formării Ag2S; - aliajul Ag-Pd, pentru a evita formarea peliculei disturbatoare; - aliajul Ag-Ni, pentru contactele circuitelor cu curenţi mari la închidere; - aliajul Ag-CdO, pentru contactele circuitelor cu sarcini capacitive şi lămpi;

Fig.2.17 Tipuri de contacte fişă-priză

Fig.2.18 Contacte pentru relee


45

- aurul şi platina, pentru contactele circuitelor de curenţi mici. Drept suport pentru elementul activ de contact se foloseşte bronzul sau beriliul. e. Contacte pentru microîntreruptoare. Acestea sunt destinate stabilirii şi/sau întreruperii curenţilor mici (de până la câţiva amperi) şi pot fi aranjate cu un singur punct de contact sau cu mai multe puncte de contact. Forma lor este ilustrată în fig.2.19. Tehnologic, contactele microîntreruptoarelor sunt asemănătoare (ca formă şi dimensiuni) cu contactele pentru relee.

f. Contactele contactoarelor se execută în două variante de bază, ca în fig.2.20 (în care întreruperea este dublă). Astfel, în varianta 2.20.a piesele de contact sunt aşezate pe suport prin placare, iar în varianta din fig.2.20.b piesele de contact sunt realizate prin lipitură tare. Ca material, contactele contactoarelor sunt executate, aproape fără excepţie, din aliaj Ag-CdO. g. Contactele întreruptoarelor de joasă tensiune se construiesc ţinând seama că aceste echipamente sunt destinate să întrerupă curenţii de scurtcircuit.

Din acest motiv, la valori mari ale curentului nominal (IN>200 A) şi ale curentului

de scurtcircuit (Isc>8 kA), întreruperea se realizează cu ajutorul unui sistem format din două contacte A şi B (conectate în paralel), ca în fig.2.21. Atunci când întreruptorul este închis (poz.a), prin contactul A trece (0,7-0,8)I, iar prin contactul B (în paralel cu A) trece

Fig.2.19 Sisteme de contacte pentru microîntreruptoare

Fig.2.20 Contacte pentru contactoare

Fig.2.21 Sisteme de contacte la întreruptorul de joasă tensiune

Aparate electrice

46

(0,3-0,2)I. La deschidere (poz.b), se întrerupe mai întâi calea de curent cu contactul A, încât tot curentul va fi condus de contactul B. Acesta va întrerupe ultimul, iar între elementele lui apare arcul electric de comutaţie. În continuare, arcul este împins şi întins pe rampe de cupru (poz.c), urmând ca apoi să fie introdus în camera de stingere (pentru a fi stins, v.poz.d). Întrucât elementele contactului A nu sunt expuse acţiunii arcului electric, ele se execută din aliaje Ag-Ni. Din contră, elementele contactului B sunt supuse acţiunii arcului electric şi, de aceea, ele se realizează din pseudoaliaje de tip Ag-W şi Cu-W. h. Contactele întreruptoarelor de înaltă tensiune. Din multitudinea tipurilor constructive ale acestor contacte, reprezentative sunt două: 1) contactul tijă-tulipă şi 2) contactul alunecător (cu role).

1. Contactul tijă-tulipă este reprezentat în fig.2.22. Tulipa este formată din degetele 1 aşezate pe periferia unui cerc. Fiecare deget este prevăzut în zona inferioară cu o inserţie de wolfram 2 pentru preluarea arcului electric. În mod similar, tija 4 este prevăzută cu un vârf de wolfram 3. În poziţia închis (punctat în figură) contactul se realizează între piese de cupru dur (argintat). 2. Contactul alunecător cu role este reprezentat în fig.2.23. Transferul curentului de pe tija mobilă 3 către barele 1 şi 5 se face prin intermediul sistemului de role 2 şi 4. Presiunea rolelor pe tija centrală 3 şi pe barele laterale 1 şi 5 este controlată prin intermediul resorturilor 6 şi 7.

Fig.2.23 Contact alunecător cu role

Fig.2.22 Contact tijă-tulipă


47

CAPITOLUL 3 ECHIPAMENTE ELECTRICE DE COMANDĂ ŞI PROTECŢIE DE JOASĂ TENSIUNE Echipamentele electrice de comandă şi protecţie de joasă tensiune se construiesc pentru tensiuni nominale ce nu depăşesc 1000 V (în curent alternativ) şi, respectiv, 1200 V (în curent continuu). Ele se realizează într-o mare varietate de tipuri şi dimensiuni şi se folosesc pe scară largă atât în centrale şi în staţii electrice, cât şi în instalaţii industriale şi în sectorul domestic (casnic). În plus, trebuie subliniat că toate echipamentele electrice folosite în domeniul casnic sunt de joasă tensiune (220 V c.a.). După forma de variaţie în timp se deosebesc echipamentele electrice de curent alternativ (monofazat sau trifazat) şi echipamente electrice de curent continuu. Tensiunile nominale standardizate (până la 1000 V) în curent alternativ sunt: 24, 48, 127, 220, 380, 500 (660), 1000 V, pe când cele din curent continuu sunt: 24, 48, 125, 400, 800, 1200 V. Din punctul de vedere al protecţiei muncii, echipamentele cu tensiuni nominale mai mari de 42 V sunt considerate ca având tensiuni periculoase. Curenţii nominali standardizaţi sunt: 3, 6, 10, 16, 25, 32, 40, 63, 80, 100, 160, 200, 315, 400, 630, 1600, 2000, 2500 şi 3150 A. (Pentru secundarele transformatoarelor de măsură sunt standardizaţi curenţii cu valori de 1 A şi 5 A.) Echipamentele de comutaţie de joasă tensiune se construiesc cu 1, 2, 3 şi 4 poli. Primele două variante (cele monopolare şi cele bipolare) sunt destinate să funcţioneze atât în curent continuu cât şi în curent alternativ monofozat. Variantele tripolare şi tetrapolare se construiesc pentru a funcţiona în curent alternativ trifazat. În acest capitol vor fi prezentate succint următoarele tipuri de echipamente: - siguranţe fuzibile de joasă tensiune (ca elemente de protecţie generală); - contactoare electromagnetice (ca echipamente de comandă folosite în schemele electrice de acţionări şi automatizări în domeniul curenţilor tari); - întreruptoare automate de putere (ca echipamente cu rol de comutaţie şi de protecţie); - relee (ca elemente de comandă şi semnalizare, folosite atât în schemele electrice de automatizări, cât şi în construcţia echipamentelor electrice de protecţie); - rezistoare, reostate şi controlere (ca echipamente de pornire şi comandă, destinate controlului vitezei, curentului şi tensiunii motoarelor electrice). 3.1. SIGURANŢE FUZIBILE În instalaţiile electrice de joasă tensiune siguranţele fuzibile sunt cele mai simple dispozitive de protecţie împotriva efectelor supracurenţilor (în general) şi împotriva

Aparate electrice

48

curenţilor de scurtcircuit (în particular). Rolul funcţional al oricărei siguranţe fuzibile este de a întrerupe curentul în circuitul electric în care aceasta este conectată. Atunci când curentul depăşeşte, un anumit timp, o valoare prestabilită, întreruperea circuitului se realizează prin topirea (unuia sau) mai multor elemente fuzibile, construite şi dimensionate exact în acest scop. În acest context, la trecerea unui curent de scurtcircuit printr-o siguranţă fuzibilă, prin funcţionarea sa (adică, prin topirea fuzibilului) se limitează atât amplitudinea curentului, cât şi durata acestuia. În schimb, dacă funcţionarea ("arderea") siguranţei se produce la suprasarcini, amplitudinea curentului ramâne neschimbată, limitându-se numai durata acestuia. Utilizarea tot mai diversificată a siguranţelor fuzibile de joasă tensiune (în toate tipurile de echipamente industriale şi casnice) a condus la fabricarea lor într-o mare varietate de tipuri şi forme constructive. În acest context, siguranţele fuzibile de joasă tensiune se clasifică în trei categorii principale, şi anume: a. siguranţe fuzibile de mare putere, utilizate în instalaţii industriale cu tensiuni de până la 1000 V şi curenţi nominali cuprinşi între 100 - 1000 A; b. siguranţe fuzibile cu filet, folosite în instalaţii industriale şi casnice, la tensiuni până la 1000 V şi curenţi nominali de 6 - 100 A şi c. siguranţe fuzibile miniatură, folosite în echipamentele de redresare, la aparate radio şi TV, la instalaţiile electronice şi electrocasnice etc., cu tensiuni de până la 550 V şi curenţi nominali de 0,1 - 6 A. Indiferent de tip (sau de categorie), în construcţia oricărei siguranţe fuzibile se disting următoarele părţi componente: cartuşul (sau carcasa); elementul fuzibil; elementele de contact şi mediul de stingere a arcului electric. 3.1.1. Funcţionarea siguranţelor fuzibile Orice siguranţă fuzibilă are două regimuri de funcţionare, şi anume: 1) regimul permanent, când curentul prin circuitul în care este conectată siguranţa este mai mic decât curentul minim de topire (I < Imin top) şi 2) regimul tranzitoriu de topire, ca regim condiţionat de curenţii de scurtcircuit (sau de suprasarcină), curenţi care depăşesc curentul minim de topire (I > Imin top). Fizic, elementul fuzibil al siguranţei este "îngropat" într-un mediu de nisip de cuarţ şi se topeşte la depăşirea valorii curentului Imin top, apărând arcul electric, a cărui stingere este condiţionată de transferul căldurii (prin conducţie termică), de la plasma arcului către granulele de nisip. Din momentul în care firul metalic ajunge în stare lichidă, masa de lichid nu mai păstrează forma geometrică a firului, fiind supusă deformării, atât din cauza forţelor electrodinamice în bucla parcursă de curent, cât şi din cauza forţelor Lorentz din masa de lichid. Procesul topirii fuzibilului sub acţiunea curentului de scurtcircuit este schematizat în fig.3.1. Aici sunt ilustrate toate fazele (de la încălzirea solidului şi până la vaporizarea metalului topit), faze care permit evaluarea cu exactitate a duratei fiecărei etape. Astfel: 1. Pe durata intervalului de timp (0 - t1) are loc încălzirea fuzibilului. Deoarece t1 este foarte mic (uzual, până în 5 ms) se poate admite că în acest interval de timp nu există schimb de căldură cu exteriorul. Procesul încălzirii fuzibilului de la temperatura θ= 0 la

Cap.3 Echipamente electrice de comandă şi protecţie de joasă tensiune

49

temperatura de topire θ = θ1 este considerat adiabatic. 2. Pe durata intervalului de timp (t1 - t2) fuzibilul se topeşte în întregime, iar temperatura se păstrează constantă, la valoarea θ1 = θtop. În acest interval de timp există în echilibru termic atât metal solid, cât şi metal lichid (topit). Prin urmare, toată căldura primită de fuzibil Qprim va servi, sub formă de căldură latentă de topire M = Q ⋅λλ , doar la schimbarea stării de agregare a materialului fuzibilului. 3. Pe durata intervalului de timp (t2 - t3) metalul lichid se supraîncălzeşte de la temperatura θ1 la temperatura de vaporizare θ2 = θvap. În realitate, arcul electric (în interiorul siguranţei fuzibile) se formează între picăturile de metal lichid, mult mai devreme decât după momentul de timp t3 (şi anume, în intervalul de timp t2 - t3). Explicaţia apariţiei arcului electric mai devreme este dată de faptul că în stare lichidă fuzibilul nu îşi mai poate conserva forma geometrică. La protecţia contra scurtcircuitelor, timpul scurs între momentul apariţiei curentului de scurtcircuit şi momentul formării arcului electric (în interiorul siguranţei fuzibile) se numeşte "durata prearc" (tpa). Caracteristic pentru funcţionarea la scurtcircuit a siguranţelor fuzibile este procesul de limitare a curentului electric, atât ca durată, cât şi ca amplitudine. Astfel, în fig.3.2.a este ilustrat procesul de limitare a curentului de scurtcircuit simetric, iar în fig.3.2.b este reprezentată limitarea curentului de scurtcircuit asimetric (care are şi componentă aperiodică). Pe diagramele din figură s-au făcut următoarele notaţii: ip = curentul prezumat, definit ca acel curent care ar fi trecut prin circuit dacă siguranţa fuzibilă ar fi fost înlocuită cu un conductor de impedanţă nulă; ipt = curentul prezumat tăiat, definit ca valoarea instantanee a curentului prezumat în momentul apariţiei arculuui electric; il = curentul limitat ce trece prin siguranţa fuzibilă (ca valoare momentană), după amorsarea arcului electric; ilt = curentul limitat tăiat, definit ca valoarea instantanee maximă a curentului limitat; tpa = durata prearc; ta = durata de ardere a arcului electric; tpa + ta = durata de funcţionare a siguranţei fuzibile.

Fig.3.1 Fazele topirii fuzibilului

Aparate electrice

50

Se constată că după topirea completă a elementului fuzibil (deci după apariţia arcului electric) curentul mai creşte puţin, întrucât rezistenţa electrică a arcului este încă mică. În ceea ce priveşte durata prearc, aceasta este mai mare în cazul curentului de scurtcircuit asimetric, în comparaţie cu scurtcircuitul simetric. Efectul limitativ al siguranţei fuzibile este cu atât mai pronunţat cu cât valoarea nominală a curentului siguranţei este mai mică, iar curentul de scurtcircuit este mai mare. Evident, cu cât limitarea curentului de scurtcircuit este mai prnunţată, cu atât mai mari sunt supratensiunile care apar în circuit. 3.1.2. Caracteristica de protecţie a siguranţelor fuzibile Principala caracteristică a unei siguranţe fuzibile este caracteristica timp - curent, adică t = f(I). Ea este numită "caracteristica de protecţie" şi reprezintă dependenţa timpului de acţionare al siguranţei fuzibile (t) în funcţie de valoarea supracurentului (kxIN) la care fuzibilul acţionează (se arde). Astfel, în fig.3.3 s-au reprezentat 3 tipuri de caracteristici de protecţie, şi anume: - curba 1 reprezintă caracteristica de protecţie specifică siguranţelor rapide şi corespunde siguranţelor cu fuzibil dintr-un singur metal (Ag, Cu), cu secţiunea uniformă. Siguranţele rapide sunt utilizate pentru protecţia circuitelor fără vârfuri mari de sarcină (cabluri, conductoare pentru iluminat etc.); - curba 2 reprezintă caracteristica de protecţie specifică siguranţelor lente (cu inerţie, prin diferite metode), utilizate la protecţia circuitelor cu vârfuri de curent (a motoarelor electrice, a transformatoarelor electrice etc.); - curba 3 reprezintă caracteristica de protecţie tipică siguranţelor ultrarapide, realizate dintr-un singur material (cu gâtuituri şi perforaţii). Acestea sunt destinate protecţiei elementelor semiconductoare (şi a echipamentelor cu semiconductoare). Determinarea caracteristicii de protecţie corespunzătoare unui tip de siguranţă fuzibilă se face prin încercări (în curent continuu), pornind de la starea rece a fuzibilului, iar durata (timpul) de topire se consideră prin valoarea medie a măsurătorilor (de la mai multe încercări experimentale succesive).

Fig.3.2.a Limitarea curentului de scurtcircuit simetric

Fig.3.2.b Limitarea curentului de scurtcircuit asimetric


51

Protecţia instalaţiilor electrice cu ajutorul siguranţelor fuzibile se face confruntând "caracteristica termică" a echipamentului protejat cu "caracteristica de protecţie" a siguranţei alese. Caracteristica termică a unui echipament (dintr-o instalaţie electrică) este curba care reprezintă dependenţa dintre timpul în cursul căruia temperatura părţii celei mai încălzite (a echipamentului) atinge valoarea limită admisibilă θadm şi valoarea intensităţii supracurentului (kxIN) care o produce. În fig.3.4, în "zona" 1 se află caracteristica termică a echipamentului protejat, iar în "zona" 2 se află caracteristica de protecţie a siguranţei fuzibile alese. Poziţionarea ilustrată în fig.3.4 (unde zona 2 este mereu sub zona 1) caracterizează o bună protecţie a echipamentului electric avut în vedere. Punctele care determină caracteristicile "termică" şi "de protecţie" sunt cuprinse în interiorul ariilor haşurate, ele fiind stabilite ca medii ale multor determinări experimentale. Din cauza erorilor de măsurare şi de calibrare a elementelor fuzibile, cât şi datorită variaţiei temperaturii mediului ambiant se impune ca, întotdeauna, caracteristica de protecţie a siguranţei fuzibile să nu fie prea apropiată de caracteristica termică a echipamentului protejat şi, în nici un caz, cele două caracteristici nu trebuie să se intersecteze !!! 3.1.3. Construcţia siguranţelor fuzibile Din punct de vedere constructiv, siguranţele fuzibile se execută în două variante: 1) deschise, când arcul electric este stins în aer liber şi 2) închise, atunci când arcul electric este stins într-un tub (din fibră sau din porţelan) închis la capete, cu sau fără umplutură de nisip. Evoluţia constructivă a siguranţelor fuzibile este prezentată în figura 3.5. Primele siguranţe s-au realizat în construcţie deschisă, fuzibilul fiind alcătuit dintr-un fir de plumb (sau aliaje ale plumbului cu staniu), zinc, cupru sau argint (fig.3.5a).

Fig.3.4 Protecţia cu siguranţe fuzibile 1 = zona caracteristicii termice 2 = zona caracteristicii de protecţie

Fig.3.3 Caracteristica de protecţie t = f(I) 1 = siguranţă rapidă; 2 = siguranţă lentă; 3 = siguranţă ultrarapidă

Aparate electrice

52

Fuzibilele realizate din metale cu punct de topire scăzut (plumbul având punctul de topire la 200 gradeC, iar zincul la 420 gradeC) permit ca temperatura totală a siguranţei să fie menţinută la un nivel scăzut. Pe de altă parte, un astfel de fuzibil, cu o conductivitate electrică relativ mică, în cazul curenţilor mari trebuia să aibă o arie mare a secţiunii transversale, necesitând un volum mare de material.

Următoarea etapă în construcţia siguranţelor a constat în realizarea elementelor fuzibile din fire de cupru sau argint, introduse în interiorul unor tuburi dielectrice deschise la capete (fig.3.5b). În comparaţie cu plumbul şi zincul, fuzibilele din cupru şi argint pot fi realizate cu secţiune transversală mai mică. În schimb, ele se caracterizează printr-o temperatură de topire ridicată şi, în consecinţă, siguranţele sunt supuse unei creşteri înalte a temperaturii. Folosirea a două sau mai multe fuzibile în paralel determină creşterea suprafeţei de răcire a fuzibilului şi asigură utilizarea mai eficientă a siguranţei. Pentru creşterea puterii de rupere, s-au dezvoltat siguranţele fuzibile închise la capete, fără material de umplutură (fig.3.5c), sau umplute cu nisip de cuarţ (fig.3.5d). Nisipul de cuarţ are un puternic efect de răcire a coloanei arcului şi favorizează deionizarea şi stingerea rapidă a arcului electric. Creşterea în continuare a puterii de rupere şi a rapidităţii de acţionare a siguranţelor fuzibile cu umplutură de nisip a fost posibilă numai prin înlocuirea firelor rotunde cu benzi subţiri, gâtuite, din cupru sau argint (fig.3.5e). În construcţia siguranţelor ultrarapide s-a impus fuzibilul de tip "sită" (fig.3.5f), format dintr-o bandă fuzibilă în care s-au practicat perforaţii, aliniate în şiruri longitudinale şi transversale. Practic, în acest mod se obţin mai multe întreruperi în serie, ceea ce provoacă o creştere rapidă a căderii de tensiune în arc, limitând, astfel, extinderea şi durata arcului electric. Capacitatea de întrerupere a curenţilor de suprasarcină, când siguranţa nu are un efect limitativ, se obţine prin mai multe metode: prin desprindere mecanică, prin efect metalurgic sau prin efect chimic. Astfel, în fig3.6a este reprezentat un element fuzibil cu desprindere mecanică, folosit la siguranţele cu ruperea arcului în aer. La trecerea unui curent de suprasarcină de durată, căldura degajată produce topirea aliajului 3, care iniţial era lipit de piesa cu mare capacitate calorică 2 şi realiza legătura dintre cele două fire fuzibile, 1 şi 1'. După aceea, resortul 4, tensionat, va îndepărta elementul fuzibil 1' din poziţia iniţială, determinând formarea arcului de întrerupere. Topirea fuzibilului la o

Fig.3.5 Evoluţia siguranţelor fuzibile


53

temperatură redusă se poate obţine şi pe baza fenomenului numit "efect metalurgic" (fig.3.6b). Pentru declanşarea acestui fenomen este necesar ca pe elementul fuzibil 6, realizat dintr-un material cu punct de fuziune ridicat, să se prindă, prin lipire, o mică picătură 5 dintr-un aliaj eutectic de Pb, Sn. În cazul unor suprasarcini, atunci când se atinge temperatura de topire a picăturilor, acestea se topesc şi dizolvă metalul elementului fuzibil în punctul de lipitură, la temperaturi inferioare temperaturii de topire a elementului fuzibil. Procesul de difuzie a metalului picăturii se intensifică odată cu creşterea încălzirii, producându-se o evoluţie în avalanşă, iar arcul care ia naştere în zona picăturii topeşte şi restul fuzibilului. Similar poate fi folosit şi "efectul chimic" (asemănător "efectului metalurgic") la obţinerea inerţiei termice a fuzibilelor. În continuare vor fi prezentate tipurile reprezentative de siguranţe fuzibile de joasă tensiune. 1. Siguranţe cu filet. Au o capacitate medie de rupere şi sunt folosite atât în instalaţiile casnice, cât şi în cele industriale. Sunt caracterizate de tensiuni nominale de maxim 1000 V şi curenţi nominali de 10 - 100 A. Siguranţele cu filet pot fi de tipul LS (legătură spate), montate pe panouri izolante şi prevăzute cu şuruburi de contact, de tipul LF (legătură faţă), la care bornele de contact sunt accesibile prin partea din faţă a panoului, acoperite cu un capac demontabil de porţelan şi de tipul LFI, pentru instalaţii industriale. Ele sunt formate din soclu, patron şi capac filetat. 2. Siguranţe cu element inamovibil. Au curentul nominal în plaja 100-600 A şi sunt folosite în circuite de putere cu tensiuni de până la 500 V c.a. şi 440 V c.c. Se caracterizează prin efectul de limitare a curentului şi printr-o mare capacitate de rupere (până la 50 kA). O astfel de siguranţă este reprezentată în figura 3.7. Carcasa 1 este realizată din porţelan emailat de înaltă tensiune şi conţine un ansamblu constând din elementele fuzibile 2, sudate prin puncte pe discurile care poartă lamelele de contact 3. Tot ansamblul este fixat prin capacele 4, prinse cu şuruburi de carcasă, manşoanele de azbest 5 fiind plasate sub capace, pentru a asigura o etanşare corespunzătoare. Carcasa este umplută cu nisip de cuarţ (curat şi uscat), înconjurând fuzibilul pe toată lungimea lui. Manşoanele de azbest previn pătrunderea umidităţii în carcasă şi absorbţia ei de către nisip. Elementul fuzibil constă din mai multe benzi de cupru, cu grosime de 0,15-0,35 mm şi lăţime de până la 4 mm, prevăzute cu decupările 7 (care reduc aria secţiunii transversale a fuzibilului). Utilizarea mai multor benzi în paralel permite dezvoltarea unor arcuri electrice mai mici, arzând în paralel, care (în acest fel) asigură o mai bună disipare a energiei arcului în volumul de nisip.

Fig.3.6 Siguranţe fuzibile lente: (a) cu desprindere mecanică; (b) cu efect metalurgic

Aparate electrice

54

Efectul metalurgic, produs de picătura de staniu 8 (lipită pe fiecare bandă a fuzibilului), este utilizat pentru scăderea temperaturii siguranţei în cazul suprasarcinilor mici. Drept rezultat, punctul de topire al benzii scade la 475gradeC, iar creşterea de temperatură a siguranţei rămâne în limite acceptabile. 3. Siguranţe ultrarapide cu element inamovibil. Au o capacitate mică de rupere şi sunt utilizate la tensiuni de până la 550 V, având curenţii nominali în plaja 0,1 - 40 A (curentul prezumat întrerupt fiind mai mic de 2 kA). Sunt în construcţie deschisă sau închisă şi au fuzibilul cu secţiunea variabilă (în concordanţă cu caracteristica de protecţie cerută). Sunt folosite pe autovehicule, la protecţia circuitelor de comandă şi de automatizare, pentru protecţia instalaţiilor cu dispozitive semiconductoare etc. În cazul redresoarelor, siguranţele pot fi instalate atât pe partea de c.a. (cu UN 380 V), cât şi pe partea de c.c. (cu UN 400 V). 4. Siguranţe cu mare putere de rupere (MPR). Se construiesc cu tensiuni nominale de până la 1000 V şi curenţi nominali în domeniul 100 - 1000 A. Din fig.3.8 se constată că banda fuzibilă 3 prezintă mai multe locuri înguste (secţiuni diminuate), care constituie zonele (a) în care banda fuzibilă se va topi la trecerea curentului de scurtcircuit. În zona centrală (b) se depune pe banda fuzibilă un aliaj eutectic de staniu-plumb 6, pentru obţinerea efectului metalurgic. În această zonă, banda se va topi la trecerea unui curent de suprasarcină de (1,5 - 10)IN, fără însă a limita amplitudinea curentului, după o caracteristică dependentă. În schimb, curentul de scurtcircuit va fi limitat (ca amplitudine) prin topirea elementului înlocuitor. Elementul înlocuitor se introduce în contactele fixe prin cuţitele de contact 1 şi 2. Elementul fuzibil 3 este înconjurat de nisipul de cuarţ 5, introdus prin vibrare în carcasa din material plastic 4. Introducerea şi scoaterea elementului fuzibil în/din suport se realizează cu ajutorul unui mâner izolant detaşabil. Siguranţele MPR se construiesc pentru curenţi nominali de 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500 şi 630 A c.a. şi, respectiv, pentru 250 şi 400 A c.c. 3.1.4. Calibrarea siguranţelor Protecţia cu siguranţe se bazează pe efectul Joule la trecerea curentului electric prin fuzibil. În acest context se definesc următoarele valori ale curentului: 1. Curentul nominal (al siguranţei fuzibile) I sign este acea valoare a intensităţii curentului la care fuzibilul poate funcţiona timp nelimitat, fără a se topi;

Fig.3.7 Siguranţă cu element inamovibil

Fig.3.8 Siguranţă fuzibilă de mare putere


55

2. Curentul minim de topire I topmin reprezintă valoarea minimă a intensităţii curentului care, trecând prin fuzibil, îi produce topirea (în regim permanent). La orice siguranţă fuzibilă de joasă tensiune, între cei doi curenţi există relaţia: I1,3 I signtop ⋅=min Calibrarea siguranţelor (adică stabilirea valorii curentului I sign , cât şi alegerea lor) se face în raport de categoria consumatorului protejat şi de valoarea caracteristică a curentului consumatorului. 1. Pentru protecţia liniiilor electrice aeriene care alimentează consumatori casnici, curentul In sig trebuie ales mai mic decât curentul nominal InL al liniei pentru regimul permanent de funcţionare, utilizându-se relaţia:

1,8I > I >

1,25I nL

signnL (3.1)

după care, se alege siguranţa cu valoarea standardizată cea mai apropiată. 2. Pentru protecţia motoarelor electrice se are în vedere supracurentul de pornire Ip. Astfel, în cazul pornirilor uşoare se recomandă ca:

2,5I I p

sign ≈ (3.2)

pe când în cazul motoarelor electrice cu porniri grele trebuie ca:

21,6

I I p sign ÷

≈ (3.3)

3. Pentru protecţia condensatoarelor destinate îmbunătăţirii factorului de putere se recomandă relaţia: I2) (1,2 = I n sign ⋅÷ (3.4) 4. Pentru protecţia elementelor semiconductoare se utilizează, în exclusivitate, numai siguranţe ultrarapide, recomandându-se relaţia de calcul: I1,73) (1,57 = I n sign ⋅÷ (3.5) În mod practic, la fiecare din cazurile prezentate mai sus, siguranţa se alege (din seria constructivă de siguranţe fuzibile) ca având valoarea normalizată (standardizată) a curentului cât mai apropiată de valoarea calculată cu relaţiile de aproximare. În general, folosirea siguranţelor fuzibile prezintă o multitudine de avantaje tehnico-economice. Astfel, siguranţele fuzibile sunt cele mai ieftine echipamente de protecţie, nu necesită întreţinere, nu prezintă pericol de explozie sau incendiu, realizează întreruperea unui circuit electric mai rapid decât întreruptoarele, limitând valoarea curentului de scurtcircuit. În acelaşi timp, principalele dezavantaje ale utilizării siguranţelor fuzibile sunt: timpul relativ mare pentru înlocuirea fuzibilului, o caracteristică de protecţie nereglabilă şi necontrolabilă, o funcţionare influenţată de temperatura mediului ambiant (şi de stările anterioare producerii scurtcircuitului), riscul deconectării doar a unei singure faze etc. Cu toate acestea protecţia cu siguranţe fuzibile a instalaţiilor, a motoarelor şi a echipamentelor electrice are o puternică susţinere economică, în unele cazuri ele putând înlocui aparate electrice sofisticate şi mult mai costisitoare.

Aparate electrice

56

3.2. CONTACTOARE ELECTROMAGNETICE Conform definiţiei, contactorul este un aparat cu comutaţie mecanică, acţionat altfel decât manual (cu tije şi came, pneumatic, electromagnetic etc.), dar care are o singură poziţie de repaus. Contactorul trebuie să fie capabil să închidă, să suporte şi să întrerupă curenţii în toate regimurile de funcţionare normală a circuitelor electrice (inclusiv supracurenţii de pornire ai motoarelor electrice). Din acest punct de vedere, orice contactor este destinat a efectua un număr mare (105 ... 106) de comutaţii sub sarcină şi un număr şi mai mare (107) de comutaţii fără sarcină. Contactorul electromagnetic este acţionat de un electromagnet (de c.c. sau de c.a.). Funcţional, orice contactor are rolul de a conecta (sau deconecta) un circuit la darea unei comenzi şi de a-l menţine în starea respectivă, atâta timp cât durează comanda. Aşadar, contactele unui contactor pot fi "normal deschise" şi/sau "normal închise", cu următoarele semnificaţii (la contactoarele electromagnetice): - contactul "normal deschis" (ND) este contactul care se află deschis când aparatul este în stare de repaus (adică, în lipsa curentului în bobina de excitaţie a electromagnetului). Acest contact se va stabili, adică va deveni închis, la alimentarea excitaţiei. - contactul "normal închis" (NI) este contactul care se află închis atunci când aparatul este în stare de repaus. Acest contact se va deschide la alimentarea excitaţiei. Contactorul care are contactele principale "normal închise" este numit "ruptor". În continuare se face referire numai la contactoarele (ruptoarele) electromagnetice. Pentru acestea există mai multe criterii de clasificare. Astfel: 1. După felul reţelei în care funcţionează, contactorul poartă denumirea de contactor de curent alternativ sau de contactor de curent continuu. 2. După modul de stingere a arcului electric (care apare între elementele de contact) se deosebesc contactoare "în aer" şi contactoare "în ulei". 3. După cinematica armăturii (purtătoare a contactelor principale), contactoarele se pot clasifica în: - contactoare "cu mişcare de translaţie" a contactelor mobile şi a electromagnetului (cazul contactoarelor de curent alternativ); - contactoare "cu mişcare de rotaţie" a echipajului mobil (cazul contactoarelor de curent continuu); - contactoare "cu mişcare combinată", de rotaţie şi translaţie (cazul contactoarelor de curent alternativ pentru curenţi mari). În prezent, construcţia de contactoare electromagnetice (de c.c. şi de c.a.) este tipizată şi standardizată, în funcţie de diversele grade de protecţie şi de aplicaţiile caracteristice în care sunt folosite. Din acest punct de vedere se deosebesc: a. Contactoare electromagnetice folosite în circuite de c.a., cu simbolurile: - AC1, utilizat la comanda receptoarelor cu sarcini electrice neinductive sau slab inductive (cuptoare electrice cu rezistenţe); - AC2, utilizat la pornirea motoarelor asincrone cu inele şi la frânarea în contracurent; - AC3, utilizat la demarajul motoarelor asincrone cu rotorul în scurtcircuit şi la


57

oprirea motoarelor lansate; - AC4, folosit la pornirea motoarelor asincrone cu rotorul în scurtcircuit, la mersul cu şocuri şi la inversarea sensului de rotaţie al motoarelor. b. Contactoare electromagnetice utilizate în circuite de c.c., cu simbolurile: - DC1, folosit la comanda diferitelor receptoare cu sarcini neinductive sau slab inductive (cuptoare cu rezistenţă); - DC2, utilizat la pornirea motoarelor de c.c. cu excitaţie derivaţie şi la oprirea acestor motoare în plin mers; - DC3, utilizat la pornirea motoarelor de c.c. cu excitaţie derivaţie, la mersul cu şocuri şi la inversarea sensului de rotaţie al motoarelor; - DC4, folosit la pornirea motoarelor de c.c. cu excitaţie serie şi la oprirea acestor motoare în plin mers; - DC5, utilizat la pornirea motoarelor de c.c. cu excitaţie serie, la mersul cu şocuri şi la inversarea sensului de rotaţie al motoarelor. 3.2.1. Construcţia contactoarelor electromagnetice Din punct de vedere constructiv, la orice contactor distingem următoarele părţi: 1. Elementul motor (sau sistemul de acţionare). Este cel care asigură deplasarea contactelor mobile. La contactorul electromagnetic elementul motor este un electromagnet. Electromagnetul de acţionare poate fi alimentat cu tensiune alternativă (în cea mai mare parte a cazurilor) sau cu tensiune continuă. 2. Contactele principale (fixe şi mobile). Acestea, împreună cu bornele de intrare şi de ieşire, căile de curent şi punţile conductoare, sunt cele care asigură continuitatea circuitului principal. Numărul lor este multiplu de trei (în cazul contactoarelor de curent alternativ trifazat) sau de doi (în cazul contactoarelor de curent continuu). Ele sunt robuste, încât să reziste la frecvenţe mari şi la un număr cât mai ridicat de manevre. 3. Camerele de stingere. Au rolul de a activa stingerea arcului care apare între contactele principale. La contactoarele de curent continuu se folosesc camere de stingere bazate pe principiul deionizării (în contact cu pereţii reci), asociat cu suflajul magnetic. La contactoarele de curent alternativ camerele de stingere funcţionează pe baza principiului efectului de electrod asociat cu efectul de nişă. 4. Contactele auxiliare. Acestea, împreună cu bornele şi căile de curent aferente, sunt cuplate mecanic cu contactele principale. Ele pot fi normal închise şi/sau normal deschise şi sunt folosite în circuitele auxiliare ale contactorului. Contactele auxiliare sunt necesare menţinerii sub tensiune a bobinei electromagnetului, semnalizării şi asigurării interblocajului comenzilor. 5. Releele de protecţie. Cel mai frecvent, la contactoarele electromagnetice sunt utilizate relee termice (termobimetalice) şi relee electromagnetice. (Ele vor fi tratate în subcapitolele următoare ale lucrării.) 6. Carcasa aparatului şi sistemul de prindere sunt formate din ansamblul de piese izolante şi metalice care asigură protecţia, ghidajul şi fixarea aparatului în poziţia normală de funcţionare, cât şi izolarea electrică a tuturor pieselor sub tensiune (între ele şi faţă de masă).

Aparate electrice

58

Toate aceste elemente se regăsesc în fig.3.9 şi 3.10, în care sunt schiţate două tipuri constructive de contactoare electromagnetice. În fig.3.9 este reprezentată schema contactorului cu mişcare de rotaţie, cu o singură întrerupere, folosit, de regulă, în circuitele de curent continuu. Elementul motor este electromagnetul cu armătura fixă 4, pe care este plasată înfăşurare de excitaţie 5 şi armătura mobilă 3. Când bobina electromagnetului este parcursă de curent, armătura fixă 4 atrage armătura mobilă 3 (solidară cu contactul mobil 2), care se deplasează până la închiderea acesteia peste contactul fix 1. În acest fel, calea de curent, de la A la B, se închide prin contactul fix, contactul mobil şi legătura flexibilă 8. La întreruperea alimentării electromagnetului, sub acţiunea resortului antagonist 7, armătura mobilă revine în poziţia iniţială, iar arcul electric ce ia naştere între contactele principale 1 şi 2 se stinge în interiorul camerei de stingere 6. Utilizarea acestui tip de contactor în circuitele de curent continuu este determinată de realizarea unei distanţe relativ mari între contacte (deci, o alungire mare a arcului electric) la o distanţă relativ mică (de 4-10 mm) a întrefierului electromagnetului. Circuitul magnetic este de tip clapetă, cu armătura mobilă sprijinită pe o prismă (pentru asigurarea unei rezistenţe mari la uzură). În fig.3.10 este reprezentat un contactor cu mişcare de translaţie, cu dublă întrerupere, folosit în circuitele de curent alternativ. Aici, elementul motor este un electromagnet monofazat cu spiră în scurtcircuit, cu armătura fixă 8, înfăşurarea de excitaţie 6 şi armătura mobilă 5. Alimentarea bobinei 6 (pe la bornele 7) determină atragerea armăturii 5 şi, odată cu ea, a casetei izolante 11. În acest mod, puntea conductoare 9 (pe care se găsesc câte două contacte mobile 1) stabileşte cele două contacte (contactele fixe fiind notate cu 2), realizând astfel continuitatea circuitului principal, între bornele 3. Resortul 10 (comprimat în interiorul casetei 11) realizează presiunea de contact necesară contactelor principale. Invers, la întreruperea alimentării electromagnetului, sub acţiunea resoartelor antagoniste 4, armătura mobilă revine în poziţia iniţială, întrerupând circuitul

Fig.3.9 Contactor electromagnetic cu o singură întrerupere

Fig.3.10 Contactor electromagnetic cu dublă întrerupere


59

principal al contactorului. Avantajele acestei variante constructive sunt legate de întreruperea circuitului (pe fiecare fază) în câte două locuri şi de eliminarea legăturilor flexibile. Uzual, astfel de contactoare sunt destinate conectării motoarelor electrice de c.a., a reostatelor de pornire si reglaj, dar şi pentru diverse comutaţii în reţelele de forţă şi de iluminat (de c.a.). 3.2.2. Comanda contactoarelor În mod obişnuit, contactoarele sunt comandate printr-un buton dublu de acţionare (format din înserierea a două contacte, unul normal deschis iar celălalt normal închis, prevăzute cu revenire), alimentarea bobinei electromagnetului făcându-se fie în c.a. (cu tensiunea de linie 380 V sau de fază 220 V), fie de la o sursă de curent continuu (un redresor), în funcţie de tipul acestuia. În fig.10.11 este prezentată schema electrică de conectare a unui contactor trifazat, echipat cu electromagnet de curent alternativ, cu buton dublu de comandă. Schema se numeşte "de lucru" şi se caracterizează prin faptul că toate contactele contactorului sunt grupate pe acelaşi ax (aşa cum sunt şi în realitate). Prin apăsarea butonului de acţionare b1 (şi, deci,închiderea contactului 1-2) este alimentată (cu tensiunea de fază UR0) bobina BC a electromagnetului contactorului. Aceasta va determina atragerea armăturii şi, pe cale de consecinţă, închiderea contactelor principale 5-6, 7-8, 9-10 (care vor permite alimentarea consumatorului pe la bornele A, B şi C). Simultan cu contactele principale se închide şi contactul de automenţinere 11-12 (în paralel cu contactul 1-2 al butonului de pornire), prin care se asigură menţinerea sub tensiune a bobinei BC (a electromagnetului) şi după revenirea (în poziţia deschis) a butonului de pornire b1. Deconectarea consumatorului de la reţea se face prin intermediul butonului de oprire b2, care va întrerupe alimentarea bobinei contactorului, prin deschiderea contactului 3-4.

Fig.3.11 Schema de conexiuni a contactorului trifazat cu electromagnet de c.a.

Aparate electrice

60

În anumite situaţii (de exemplu, la consumatorii cu şocuri mari de curent) se recomandă ca electromagnetul de acţionare să fie de curent continuu. Astfel, în fig.3.12 este reprezentată schema electrică de conectare a unui contactor trifazat de curent alternativ, echipat cu electromagnet de curent continuu, alimentat prin intermediul unui redresor monofazat. De această dată, bobina electromagnetului se poate dimensiona economic, deoarece, în poziţia "închis", forţa dezvoltată de electromagnet (la întrefier minim) este maximă şi mult prea mare faţă de necesarul pentru asigurarea presiunii de contact. De aceea, în schemă este prevăzută rezistenţa economizoare Re, legată în serie cu contactul de automenţinere 11-12. În momentul închiderii butonului b1, bobina BC a electromagnetului este parcursă de curentul maxim, iar după momentul eliberării butonului b1, bobina BC fiind alimentată prin contactul de automenţinere 11-12 înseriat cu rezistenţa economizoare Re, va fi parcursă de un curent mai mic. În fig.3.13 este prezentată schema electrică de conectare a unui contactor bipolar de curent continuu. Întrucât contactorul este echipat cu un electromagnet de curent continuu, în schemă este prevăzută rezistenţa economizoare Re, care are rolul de a diminua curentul prin bobina de excitaţie BC. Astfel, în poziţia "deschis" a contactorului, rezistenţa Re este scurtcircuitată de contactul auxiliar normal închis 11-12 al contactorului. În momentul închiderii butonului de pornire b1 curentul care parcurge bobina BC are o valoare iniţială

Fig.3.12 Schema de conexiuni a contactorului trifazat cu electromagnet de c.c.

Fig.3.13 Schema de conexiuni a contactorului de curent continuu


61

mare, fiind limitat doar de rezistenţa bobinei. După momentul acţionării, se deschide contactul auxiliar 11-12 şi se închide contactul de automenţinere 9-10, încât curentul prin bobina BC va fi limitat şi de rezistenţa Re. Toate schemele electrice prezentate aici pot fi completate şi cu circuite de semnalizare, formate din becuri înseriate cu contactele auxiliare (normal închise sau normal deschise) ale contactorului. Acestea vor semnaliza poziţia sau "starea" (acţionat sau în repaus) în care se află contactorul. 3.2.3. Scheme cu protecţii şi semnalizări incluse În execuţie normală, contactorul electromagnetic propriu-zis nu este un echipament de protecţie. Dacă însă, în serie, în circuitul contactelor principale se conectează atât siguranţe fuzibile, cât şi relee termobimetalice şi/sau relee electromagnetice, contactorul electromagnetic va îndeplini şi funcţia de echipament de protecţie împotriva supracurenţilor. Aceste relee pot fi montate individual (câte unul pe fiecare fază) sau se pot realiza sub forma unor blocuri de câte trei relee termobimetalice, respectiv electromagnetice. Pentru protecţia împotriva scurtcircuitelor, contactoarele sunt asociate cu siguranţe fuzibile. Pentru protecţia împotriva scăderii sau dipariţiei tensiunii, contactoarele pot fi prevăzute cu relee minimale de tensiune, dar, în mod uzual, acest rol este îndeplinit chiar de bobina contactorului, care îşi va elibera armătura mobilă, atunci când tensiunea scade sub 0,7 UN. În plus, pe acelaşi tablou (sau panou electric) lângă contactoare pot fi montate şi alte relee. Acestea, legate electric, vor asigura corelaţia cu anumiţi parametri fizici (deplasarea, sens mişcare, temperatura, presiunea etc.) controlaţi sau vor realiza o anumită temporizare (cu relee de timp) în acţionarea contactoarelor din schemele de automatizare. În acest context, ansamblul format din contactorul electromagnetic şi din relee de protecţie constituie echipamentul electric cel mai des utilizat pentru comanda şi protecţia motoarelor electrice. Comanda acestora se poate face manual sau de la distanţă (printr-un dublu buton de acţionare). În prezent, majoritatea contactoarelor cu relee de protecţie se execută în varianta cu "contactele în aer", fiind prevăzute şi cu contacte auxiliare (atât normal deschise "ND", cât şi normal închise "NI"). Dintre contactele auxiliare, un contact normal deschis are întotdeauna rolul de automenţinere, iar celelalte contacte auxiliare se folosesc fie pentru semnalizare, fie pentru interblocaje. Există, încă, în exploatare contactoare de curent alternativ în ulei, la care atât electromagnetul, cât şi contactele (principale şi auziliare) se găsesc într-o baie de ulei. Utilizarea lor este, însă, limitată (la domenii restrânse), din cauza pericolului de explozie. Datorită multiplelor posibilităţi de utilizare, contactoarele electromagnetice cu relee de protecţie se întâlnesc într-o mare varietate de scheme electrice. Acţionarea lor se face cu electromagneţi de curent alternativ sau cu electromagneţi de curent continuu (alimentaţi de la o sursă independentă de c.c. sau de la o punte redresoare). În plus, schemele electrice de forţă, de comandă, de protecţie şi de semnalizare realizate cu contactoare electromagnetice (cu relee) se pot reprezenta grafic în mai multe moduri. Cele mai frecvente sunt 1) schema completă (de lucru) şi 2) schema funcţională

Aparate electrice

62

(sau desfăşurată). Schema completă se caracterizează prin faptul că toate elementele componente din circuitul electric (contactele principale, contactele auxiliare, releele, bobina de comandă etc.) sunt grupate împreună, aşa cum sunt ele în realitate. În schimb, schema funcţională reproduce legăturile electrice dintre elementele componente (în ordine funcţională), reprezentându-se separat circuitele de forţă şi separat circuitele de comandă, de automenţinere, de protecţie, de semnalizare etc. Pentru exemplificare, se va considera cazul concret al unui motor asincron trifazat M (fig.3.14), alimentat printr-un contactor electromagnetic prevăzut cu un bloc de relee termobimetalice e1, un bloc de relee electromagnetice e2 şi siguranţele fuzibile f1, f2, f3. Comanda se realizează cu două butoane de acţionare b1 şi b2. În fig.3.14 este reprezentată schema completă, în care bobina electromagnetului de acţionare BC (de c.a.) este alimentată cu tensiunea de fază URO. În schemă apar contactele principale (ale contactorului) 1-2, 3-4, 5-6; contactul ND de automenţinere 11-12; contactele: normal închis (NI) 13-14 şi normal deschis (ND) 15-16 (conectate în circuitele de semnalizare); blocul de protecţie termică e1 cu acţiune asupra contactului normal închis 7-8; blocul de protecţie electromagnetică e2 cu acţiune asupra contactului normal închis 9-10; siguranţele fuzibile f1, f2, f3; lămpile de semnalizare L1, L2; butonul de pornire (cu revenire) b1; butonul de oprire (cu revenire) b2 şi motorul asincron trifazat M.

Fig.3.14 Schema electrică completă (cu electromagnet de c.a.)


63

Funcţionarea schemei. Atunci când motorul nu este conectat (butonul b1 n-a fost încă apăsat), lampa L1 este alimentată între o fază (R) şi nulul (O) prin contactul normal închis 13-14 şi semnalizează (este aprinsă) această poziţie. Pentru conectarea motorului la reţea se apasă butonul de pornire b1, iar bobina BC (a contactorului) va fi alimentată între faza R şi nulul O (prin contactele butoanelor b2, b1 şi prin contactele normal închise 7-8 şi 9-10 ale celor două blocuri de protecţie). Drept urmare, are loc atragerea armăturii electromagnetului contactorului, ceea ce va conduce la alimentarea motorului asincron M prin contactele principale 1-2, 3-4 şi 5-6 (ale contactorului). Prin închiderea contactului ND (de automenţinere) 11-12, revenirea butonului de pornire b1 nu va conduce la întreruperea alimentării bobinei electromagnetului. În acelaşi timp, prin schimbarea poziţiei contactelor NI 13-14 şi ND 15-16 se întrerupe alimentarea lămpii L1 (care se stinge) şi simultan se conectează lampa L2 care, aprinzându-se, va semnaliza funcţionarea motorului. Pentru oprirea voită (întreruperea alimentării) a motorului se apasă butonul b2. Prin această manevră se întrerupe alimentarea bobinei electromagnetului şi, drept consecinţă, armătura cu toate contactele contactorului vor reveni în poziţia iniţială. În cazul unei suprasarcini, în funcţie de mărimea supracurentului, poate acţiona temporizat protecţia termică e1 (deschizând contactul NI 7-8) sau poate acţiona instantaneu protecţia electromagnetică e2 (prin deschiderea contactului NI 9-10), întrerupând alimentarea bobinei contactorului, ceea ce va conduce la deconectarea motorului de la reţea.

Fig.3.15 Schema funcţională corespunzătoare schemei complete

Aparate electrice

64

În caz de scurtcircuit, într-un timp foarte scurt vor acţiona siguranţele fuzibile (f1, f2, f3), montate în amonte de contactele principale, întrerupând astfel alimentarea motorului. Protecţia împotriva scăderii tensiunii la borne este asigurată intrinsec, chiar de bobina contactorului. Electromagnetul acestuia va dezvolta o forţă activă (de atracţie) mai mică decât forţa rezistentă, atunci când tensiunea de alimentare scade. Uzual, dacă U= 0,7UN armătura electromagnetului "cade", contactele principale (ale contactorului) se deschid, iar motorul va fi deconectat de la reţea. Aceeaşi schemă (de conectare şi de protejare a motorului M) poate fi reprezentată sub forma de schemă desfăşurată (funcţională), ca în fig.3.15. De această dată s-au reprezentat separat circuitul de forţă (cu linie groasă, în stânga figurii) şi separat circuitul de comandă, circuitul de automenţinere şi circuitele de semnalizare (cu linie mai subţire, în partea dreaptă a figurii). Citirea funcţionării schemei din fig.3.15 se face în mod identic cu a schemei din fig.3.14. În plus, ea prezintă avantajul reprezentării separate a circuitelor, ceea ce uşurează mult înţelegerea. 3.3. ÎNTRERUPTOARE DE PUTERE DE JOAS TENSIUNE Întreruptoarele de putere de j.t. sunt acele echipamente electrice cu comutaţie mecanică capabile să suporte, să închidă şi să deschidă (dar cu frecvenţă scăzută) curenţii din regimurile normale ale circuitelor electrice şi să întrerupă automat (să deschidă cu sau fără temporizare) circuitele în cazuri de avarii (la supracurenţi prelungiţi, la scurtcircuite, la scăderea sau dispariţia tensiunii la borne etc.). Construcţiile moderne de întreruptoare automate sunt de tipul disjunctor, adică numai cu declanşarea (deschiderea) automată, închiderea (sau armarea) făcându-se manual sau prin comandă de la distanţă. La acestea, funcţia de protecţie împotriva defectelor este asigurată prin echiparea întreruptoarelor cu declanşatoare automate, sensibile la fiecare tip de defect. Întreruptoarele automate de putere sunt folosite cu precădere la protecţia reţelelor electrice de distribuţie (în general) şi la protecţia motoarelor electrice (în particular). Asociate cu siguranţe fuzibile cu mare putere de rupere (MPR), întreruptoarele asigură (în plus) şi un puternic efect de limitare a curenţilor de scurtcircuit. Ceea ce deosebeşte întreruptoarele automate de contactoare este faptul că, după armare, întreruptoarele automate rămân în poziţia închis, fiind menţinute de un mecanism propriu de "zăvorâre", de tip mecanic sau de tip electromagnetic. În situaţii de defect (avarii), asupra acestui mecanism acţionează "declanşatoarele". Ele pot fi cu acţiune temporizată (cele termobimetalice) sau cu acţiune instantanee (precum declanşatoarele electromagnetice şi cele de tensiune minimă). Acestea, prin "deszăvorârea" mecanismului, vor "elibera" energia elementului motor care, prin deplasare, va deschide contactele principale, întrerupând astfel circuitul. Întreruptoarele automate de putere pot fi de c.a. sau de c.c. şi pot fi clasificate după diferite criterii (constructive sau funcţionale). Astfel: 1. După numărul polilor (sau al contactelor principale comutate simultan) se disting: întreruptoare monopolare, bipolare şi întreruptoare tripolare;


65

2. După mediul de stingere a arcului electric se deosebesc: întreruptoare cu stingere în aer şi întreruptoare cu stingere în ulei; 3. Din punct de vedere constructiv (al gradului de protecţie) putem avea: întreruptoare în execuţie deschisă (universale) şi întreruptoare automate capsulate în carcasă izolantă (din ebonită sau din material plastic); 4. După mărimea timpului propriu de deschidere (de declanşare automată), td, întreruptoarele automate de putere se împart în patru categorii: a) întreruptoare automate ultrarapide (cu td < 4 ms); b) întreruptoare automate rapide (cu td < 40 ms); c) întreruptoare automate selective (cu td < 0,5 s); d) întreruptoare automate temporizate (cu td > 1,0 s). 3.3.1. Elemente constructive Indiferent de tip, de mediu de stingere sau grad de protecţie, la toate întreruptoarele automate de joasă tensiune se regăsesc, în principiu, aceleaşi elemente constructive. Principalele elemente componente (părţi constructive) pot fi identificate (şi localizate) în fig.3.16 unde, ca exemplu, s-a reprezentat schema bloc a unui întreruptor trifazat de j.t. Denumirea şi poziţionarea funcţională (cu referire la fig.3.16), cât şi descrierea lor sunt date în continuare. Acestea sunt: - organul motor (electromagnet sau motor de acţionare), notat cu OM; - contactele principale (fixe şi mobile), poz.1; - camera de stingere a arcului electric; - contactele auxiliare (cuplate mecanic cu cele principale), poz.2; - declanşatoarele electromagnetice (poz.4), termice (poz.3) şi de tensiune (poz.5); - mecanismul de zăvorâre (sau broasca întreruptorului), poz.6; - carcasa aparatului cu sistemul de prindere (fixare). 1. Contactele principale (poz.1). În funcţie de capacitatea de rupere a întreruptorului, pe fiecare fază putem avea un singur contact sau un grup de mai multe contacte care lucrează în paralel. De exemplu, la întreruptoarele trifazate de joasă tensiune cu mare capacitate de rupere pot exista (pe fiecare fază) câte una sau două grupe de contacte, fiecare grupă constând din trei contacte legate în paralel: contactele de lucru, contactele de stingere şi contactele de uzură. Pe de altă parte, tipul contactului depinde de tipul întreruptorului. Astfel, la

Fig.3.16 Schema bloc a întreruptorului de putere

Aparate electrice

66

întreruptoarele cu rol de selectare a defectelor, la care curenţii de scurtcircuit ajung la 30-40 kA, contactele se realizează astfel încât forţele electrodinamice să fie antagoniste forţelor de repulsie din contact şi, ca urmare, forţa de apăsare în contact să varieze puţin la creşterea curentului. La întreruptoarele limitatoare de curent (care trebuie să aibă o viteză mare de deschidere a contactelor) contactele principale se construiesc în aşa fel încât forţele electrodinamice să le accelereze deschiderea. 2. Camerele de stingere. La majoritatea întreruptoarelor automate de joasă tensiune de curent alternativ, întreruperea arcului electric se realizează în camere de stingere. Acestea funcţionează după principiul efectului de electrod combinat cu efectul de nişă sau cu suflajul magnetic. 3. Contactele auxiliare (poz.2). Sunt cuplate mecanic cu contactele principale şi se folosesc în circuitele secundare de comandă, de semnalizare şi de interblocaje ale întreruptorului. 4. Elementul sau organul motor (OM). Este subansamblul cu ajutorul căruia se produce şi se acumulează energia necesară acţionării întreruptorului. Acesta poate fi un electromagnet, un motor electric de acţionare, un dispozitiv pneumatic. Electromagneţii de acţionare se deosebesc de cei ai contactorelor prin faptul că trebuie să dezvolte o forţă mare într-un timp foarte scurt, fiind dimensionaţi în mod corespunzător. 5. Mecanismul (sau broasca) întreruptorului (poz.6). Are următoarele funcţiuni: - menţine întreruptorul închis şi zăvorăşte energia, acumulată într-un resort, necesară operaţiei de deschidere automată a întreruptorului; - asigură declanşarea întreruptorului, folosind o energie minimă; - asigură declanşarea liberă (încât deschiderea contactelor întreruptorului sub acţiunea declanşatoarelor să nu poată fi blocată prin nici o acţiune din afară asupra sistemului de acţionare al întreruptorului); - asigură vitezele necesare pieselor mobile de contact, atât la închidere cât şi la deschidere. Toate aceste funcţiuni sunt realizate cu ajutorul energiei potenţiale acumulate în resorturi elastice şi prin utilizarea de mecanisme cu elemente de tip clichet (rotativ), cu genunchi sau de pârghii în combinaţii potrivit alese. Anclanşarea întreruptoarelor se poate face manual (local) sau prin comandă de la distanţă, ca urmare a acţiunii unui operator uman sau ca urmare a acţiunii unor relee. În plus, mecanismul (broasca) întreruptorului trebuie să permită deschiderea contactelor şi la intervenţia directă a operatorului uman şi să menţină ferm întreruptorul în poziţia deschis pe toată durata intervenţiei. 3.3.2. Declanşatoare Declanşarea întreruptoarelor se face manual (la intervenţia operatorului uman) sau automat (ca urmare a acţiunii unor declanşatoare). Pentru a asigura protecţia circuitelor electrice în care sunt conectate, întreruptoarele automate sunt prevăzute cu următoarele tipuri de declanşatoare: - declanşatoare termice, care deschid automat circuitul electric controlat, acţionarea fiind temporizată (ea depinzând atât de mărimea curentului, cât şi de timpul de


67

trecere al acestuia); sunt realizate, de obicei, cu lame bimetal şi asigură protecţia la curenţi de suprasarcină; - declanşatoare la supracurenţi (de obicei, electromagnetice), care asigură automat protecţia împotriva curenţilor de scurtcircuit şi de suprasarcini mari; - declanşatoare de tensiune, subdivizate în declanşatoare de minimă tensiune (care acţionează atunci când tensiunea circuitului scade sub o anumită valoare limită), în declanşatoare maximale de tensiune şi în declanşatoare de tensiune nulă. Din punct de vedere constructiv, întreruptoarele compacte de joasă tensiune pot fi echipate şi cu un singur declanşator, dar combinat (termic şi electromagnetic). Ca principiu, toate declanşatoarele transmit impulsuri mecanice de deschidere către mecanismul de acţionare al întreruptorului, în regimurile anormale (de avarie), atunci când parametrii controlaţi deviază de la valorile lor prestabilite. În acest context, în fig.3.17 se prezintă construcţia şi principiul câtorva tipuri de declanşatoare.

1. Astfel, în fig.3.17 la poz.a se sugerează principiul de funcţionare şi se arată elementele componente de bază ale unui declanşator electromagnetic la supracurenţi. Aici, conductorul (1) din calea de curent corespunzătoare unei faze a întreruptorului trece prin fereastra circuitului magnetic format din miezul (2) şi din armătura mobilă (3). Atunci când curentul depăşeşte valoarea maximă prestabilită a elementului declanşator, forţa dezvoltată de electromagnet (format din calea de curent, din miez şi din armătura mobilă) învinge forţa resortului antagonist (5), iar armătura mobilă se deplasează, rotind axul cu clapeta de declanşare (4). Drept rezultat, mecanismul de acţionare îşi eliberează energia şi are loc declanşarea întreruptorului. Valoarea curentului de acţionare poate fi stabilită prin reglarea resortului (5).

Fig.3.17 Tipuri de declanşatoare electromagnetice

Aparate electrice

68

2. În fig.3.17 la poz.b este reprezentat un declanşator de tensiune minimă. El conţine un electromagnet format din miezul (2), din armătura mobilă (4) şi din bobina de excitaţie (3) alimentată la tensiunea controlată. În condiţii normale de funcţionare (când U > Umin), armătura mobilă este atrasă continuu de miezul electromagnetului. Atunci când tensiunea controlată scade sub valoarea prestabilită (când U < Umin), forţa de atracţie scade, iar armătura mobilă (4) se va desprinde de miez sub acţiunea forţei resortului antagonist (5). La deplasarea armăturii se acţionează asupra mecanismului de deschidere prin intermediul clichetului (6) care, în final, va conduce la declanşarea întreruptorului. Sistemul magnetic al declanşatorului este astfel dimensionat încât tensiunea magnetomotoare (solenaţia) dezvoltată de bobina electromagnetului să fie insuficientă pentru a crea forţa necesară atragerii armăturii mobile, dar, în acelaşi timp, să fie suficient de mare pentru a menţine armătura mobilă în poziţia atras. Pârghiile articulate (1), care sunt cuplate cu axul de acţionare al întreruptorului servesc la revenirea armăturii mobile în poziţia iniţială (adică, la reînchiderea circuitului magnetic) atunci când întreruptorul este pregătit pentru reanclanşare. 3. În fig.3.17 la poz.c este reprezentat un declanşator de tensiune utilizat pentru deschiderea de la distanţă a întreruptorului. Aici, declanşatorul constă dintr-un electromagnet, la care armătura mobilă este atrasă şi apasă pe un clichet atunci când bobina este alimentată cu tensiunea nominală. Deci, armătura mobilă acţionează asupra mecanismului de deschidere şi realizează declanşarea întreruptorului. Spre deosebire de declanşatoarele descrise mai sus, în fig.3.18 se ilustrează un declanşator combinat (termic şi electromagnetic). Protecţia temporizată la suprasarcină este asigurată de declanşatorul termic după următorul modelul: lama bimetal (2) se înconvoaie datorită încălzirii provocate de curentul de suprasarcină şi va împinge axul de declanşare (4), prin intermediul şurubului (3). În schimb, protecţia la scurtcircuit este asigurată de mecanismul electromagnetic de declanşare, care constă din miezul magnetic (7) şi din armătura mobilă (5), dispuse în jurul căii de curent (6). untul electric (1) are doar rolul de a limita (în caz de scurtcircuit) curentul care va trece prin lamela bimetal (2). 3.3.3. Reglarea şi caracteristica de protecţie a întreruptoarelor

Fig.3.18 Declanşator termic şi electromagnetic


69

Întreruptoarele automate asigură protecţia reţelelor şi a consumatorilor electrici. În acest scop, ele sunt echipate cu declanşatoare sensibile la anumite defecte, precum: supracurenţi, scurtcircuite, scăderea (sau dispariţia) tensiunii de alimentare etc. Când un consumator electric este protejat cu un întreruptor automat, curentul nominal al întreruptorului trebuie ales mai mare (sau egal) decât curentul nominal al consumatorului. În plus, releele sau declanşatoarele întreruptoarelor trebuie reglate după cum urmează: - curentul reglat Ir al releelor sau declanşatoarelor termice se fixează la nivelul curentului nominal al consumatorului, pe când - curentul reglat al releelor sau declanşatoarelor electromagnetice se fixează la valoarea kxIr, unde Ir este curentul reglat al declanşatorului termic, iar k este un factor de multiplicare supraunitar (obişnuit, k = 7 - 8). Curentul nominal al unui întreruptor automat (respectiv, al declanşatorului său termic) este curentul maxim care, parcurgând timp nelimitat întreruptorul, nu provoacă acţionarea declanşatorului termic. În acelaşi context, curentul de reglaj al declanşatorului electromagnetic este curentul minim la care acţionează declanşatorul. Schema bloc a întreruptorului automat de j.t. de c.a. a fost deja ilustrată în fig.3.16. Îndată ce organul motor (OM) şi-a încheiat cursa, contactele întreruptorului rămân închise datorită zăvorului (sau broaştei) poz.(6), după care (OM) este decuplat automat. Prin închiderea contactelor principale (1) este realizată alimentarea consumatorului. La depăşirea curentului reglat acţionează, după caz, declanşatorul termic (3) sau cel electromagnetic (4) care, prin lovirea zăvorului, provoacă declanşarea (deschiderea) automată a întreruptorului. În caz de scurtcircuit, întreruperea alimentării consumatorului are loc în urma "arderii" siguranţelor fuzibile. În cazul scăderii sau dispariţiei tensiunii, întreruperea alimentării va fi provocată de declanşatorul de tensiune minimă (5) care, acţionând mecanic asupra zăvorului (6) va conduce la declanşarea întreruptorului. Caracteristica tipică de protecţie a unui întreruptor automat (cu declanşatoare termice şi electromagnetice şi cu siguranţe fuzibile) este reprezentată în fig.10.19. Pe ea sunt evidenţiate trei porţiuni (zone), după cum urmează: - porţiunea căzătoare "a" (dependentă de Ir) corespunde zonei de protecţie cu declanşatoare termice; - porţiunea dreaptă, orizontală "b" (independentă de Ir) corespunde zonei de protecţie cu declanşatoare electromagnetice

Fig.3.19 Caracteristica de protecţie

Aparate electrice

70

şi - porţiunea descendentă "c" (dependentă de Ir) corespunde zonei de protecţie cu siguranţe fuzibile. Caracteristica de protecţie reprezentată în fig.3.19 corespunde declanşatorului electromagnetic reglat pentru un curent egal cu 10xIr (unde Ir este curentul reglat al declanşatorului termic) şi prezenţei siguranţelor fuzibile. În absenţa siguranţelor fuzibile se schimbă şi alura caracteristicii de protecţie (în sensul lipsei porţiunii "c" din curba reprezentată în fig.3.19). În realitate, cu un întreruptor automat (prin reglarea lui Ir şi prin fixarea lui k) se poate obţine orice caracteristică de protecţie dintr-o familie de caracteristici date (cu limite foarte bine precizate).

aparate_electrice_curs

Documents