capitolul iv contacte electrice

164
CAPITOLUL IV CONTACTE ELECTRICE 4.1 GENERALITĂŢI Contactul electric este locul de atingere a două sau mai multe elemente conductoare, prin care are loc trecerea curentului electric. Elementele de contact sunt piesele prin care se realizează contactul. În tehnica aparatelor electrice se vor numi contacte chiar piesele de contact prin a căror atingere, sub o presiune oarecare, se stabileşte continuitatea unui circuit electric. 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. 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 sunt piesele cele mai solicitate ale aparatelor electrice de comutaţie, deoarece ele trebuie să suporte încălzirea în timpul funcţionării, uzura prin ciocniri şi frecări, acţiunea arcului electric ce se stabileşte, îndeosebi la deschiderea circuitului electric. Contactele electrice se pot clasifica după diferite criterii: 1) După forma geometrică a suprafeţei de contact, contactele electrice se împart în trei grupe - figura 4.1 a,b,c: a. Contacte punctiforme, la care, macroscopic, atingerea are loc doar într-un 1

Upload: eugen-croitoriu

Post on 24-Nov-2015

78 views

Category:

Documents


6 download

DESCRIPTION

vcvvcv

TRANSCRIPT

CAPITOLUL IV CONTACTE ELECTRICE 4.1 GENERALITI Contactul electric este locul de atingere a dou sau mai multe elemente conductoare, prin care are loc trecerea curentului electric. Elementele de contact sunt piesele prin care se realizeaz contactul. n tehnica aparatelor electrice se vor numi contacte chiar piesele de contact prin a cror atingere, sub o presiune oarecare, se stabilete continuitatea unui circuit electric. Orice echipament electric este considerat, n esen, ca un ansamblu de elemente funcionale i de conductoare interconectate electric. Punctul circuitului n care curentul trece dintr-o cale de curent n alta este denumit "punct de contact electric". n practic, prin contact electric se nelege un ansamblu compus din dou piese metalice, prin a cror atingere se stabilete conducia ntr-un circuit electric. Cele dou piese se numesc elemente de contact. Constructiv, la un contact electric, atingerea se realizeaz prin apsarea (cu ajutorul unei fore) a unui element contra celuilalt element. Suprafaa de atingere a pieselor de contact se numete suprafa de contact. Contactele electrice sunt piesele cele mai solicitate ale aparatelor electrice de comutaie, deoarece ele trebuie s suporte nclzirea n timpul funcionrii, uzura prin ciocniri i frecri, aciunea arcului electric ce se stabilete, ndeosebi la deschiderea circuitului electric. Contactele electrice se pot clasifica dup diferite criterii: 1) Dup forma geometric a suprafeei de contact, contactele electrice se mpart n trei grupe - figura 4.1 a,b,c: a. Contacte punctiforme, la care, macroscopic, atingerea are loc doar ntr-un singur punct, iar microscopic, pe o suprafa circular de raz foarte mic. b. Contacte liniare, la care atingerea are loc de-a lungul unei linii, adic, practic, pe o suprafa extrem de ngust. c. Contacte plane, la care atingerea celor dou piese se face pe o suprafa de contact.

Fig. 4.1.a Contact punctiform Fig. 4.1.b Contact liniar Fig. 4.1.c Contact de suprafa 2) Dup cinematica elementelor sale, contactele se clasific n: a. Contacte fixe, realizate, n general, prin mbinarea mecanic a celor dou elemente de contact prin uruburi, nituri, buloane - figura 4.2. a). b. Contacte amovibile, la care unul din cele dou elemente de contact este fix, iar cellalt este amovibil (fr sarcin i fr tensiune) figura 4.2.b. c. Contacte mobile pentru comutaia circuitelor electrice, la care cel puin unul din elemente este deplasabil (la funcionarea normal a echipamentului), determinnd astfel nchiderea sau deschiderea circuitului figura 4.2.c. 1,2-elemente de contact; 3-bulon 1-cuit; 2-lir; 3-resort Fig. 4.2.c Contact mobil 1-element fix; 2-element mobil

Fig. 4.2.a Contact fix Fig. 4.2.b Contact amovibil

169 210 1

d. Contacte alunectoare sau glisante, la care deplasarea piesei mobile fa de cea fix se face fr ntreruperea circuitului. 3) Din punctul de vedere al formrii peliculei disturbatoare: a. Contacte electrice cu atingere metalic (fr pelicul disturbatoare). Acestea sunt realizate din metale nobile (Au, Ag, Pt) n vid sau din metale nenobile n vid i care nu au suferit (n prealabil) aciunea vreunui mediu agresiv (oxidant); b. Contacte electrice cu atingere cvasimetalic. Aceste contacte sunt realizate din metale nobile, dar sunt utilizate n atmosfer normal. Din aceast categorie fac parte contactele din Au, Ag, Pt, care se acoper cu pelicule disturbatoare cu grosimi de circa 20 ; c. Contacte electrice cu pelicul disturbatoare. n aceast categorie intr contactele realizate din Cu n atmosfer normal (caz n care pelicula disturbatoare este de oxid de cupru Cu2O) i contactele de Ag n atmosfer de vapori sulfuroi (n acest caz pelicula fiind de sulfur de argint Ag2S). n conducie, pelicula este distrus. 4) Din punct de vedere al instalaiilor n care urmeaz a fi instalate: a. Contacte pentru fixarea conductoarelor electrice figura 4.3. Sunt realizate cu ajutorul uruburilor care, prin strngere, blocheaz conductorul electric n locauri corespunztoare. De cele mai multe ori, conductoarele sunt cositorite, iar piesele de strngere sunt din alam argintat, zincat sau nichelat.

Fig. 4.3 Contacte pentru fixarea conductoarelor b. Contacte fixe pentru bare plane (i derivaii la bare) figura 4.4. Se realizeaz prin mbinarea elementelor de contact (a barelor de Cu sau Al) cu ajutorul buloanelor de oel. Barele sunt din cupru argintat, cositorit sau din aluminiu. n figura 4.5 este prezentat contactul electric ntre dou bare conductoare. c. Contacte fixe de tip fi/priz. Sunt contactele folosite n construcia aparatelor de laborator, a aparatelor electrocasnice i de uz industrial sau a siguranelor de joas sau nalt tensiune. Cele dou piese ale unui astfel de contact au funcii complet diferite: 1) de a asigura presiunea pe contact (prin elasticitatea mecanic) 2) de a asigura un bun contact electric (piesele fiind din cupru argintat). Cele dou funcii sunt ilustrate pe larg, n construciile prezentate n figura 4.6, Fig. 4.4 Contacte pentru fixarea Fig. 4.5 Detaliu la contactul barelor plane ntre dou bare plane unde ntlnim ca elemente componente: lira, cuitul i resortul. Fig. 4.6 Tipuri de contacte fi-priz Pe acelai principiu sunt construite i contactele pentru sigurane fuzibile de joas tensiune, la care contactul cu rezisten electric redus este asigurat de piese din cupru argintat, iar presiunea pe contact se realizeaz cu resorturi (din oel de arc). d. Contactele releelor. Acestea se realizeaz ca n variantele prezentate de figura 4.7, prin nituire, sudare electric, placare etc. Fig. 4.7 Contacte pentru relee Materialul de contact (nitul, pastila de sudare sau placatul) se confecioneaz din materiale cu tendin redus de lipire i stabile n mediul nconjurtor, precum: argintul aurit, cnd exist pericolul formrii Ag2S; aliajul Ag-Pd, pentru a evita formarea peliculei disturbatoare; aliajul Ag-Ni, pentru contactele circuitelor cu cureni mari la nchidere; - aliajul Ag-CdO, pentru contactele circuitelor cu sarcini capacitive i lmpi; - aurul i platina, pentru contactele circuitelor de cureni mici. Drept suport pentru elementul activ de contact se folosete bronzul sau beriliul. e. Contacte pentru microntreruptoare. Acestea sunt destinate stabilirii i/sau ntreruperii curenilor mici (de pn la civa amperi) i pot fi aranjate cu un singur punct de contact sau cu mai multe puncte de contact. Forma lor este ilustrat n figura 4.8. Tehnologic, contactele microntreruptoarelor sunt asemntoare cu contactele pentru relee.

Fig. 4.8 Sisteme de contacte Fig. 4.9 Contacte pentru contactoare pentru microntreruptoare f. Contactele contactoarelor se execut n dou variante de baz - figura 4.9 (n care ntreruperea este dubl). Unde n figura 4.9.a) piesele de contact sunt aezate pe suport prin placare, iar n figura 4.9.b) piesele de contact sunt realizate prin lipitur tare. Ca material, contactele contactoarelor sunt executate, aproape fr excepie, din aliaj Ag-CdO. g. Contactele ntreruptoarelor de joas tensiune se construiesc innd seama c aceste echipamente sunt destinate s ntrerup curenii de scurtcircuit. Fig. 4.10 Sisteme de contacte la ntreruptorul de joas tensiune Din acest motiv, la valori mari ale curentului nominal (IN>200 A) i ale curentului de scurtcircuit (Isc>8 kA), ntreruperea se realizeaz cu ajutorul unui sistem format din dou contacte A i B (conectate n paralel), ca n figura 4.10. Atunci cnd ntreruptorul este nchis (figura 4.10.a), prin contactul A trece (0,7-0,8)I, iar prin contactul B (n paralel cu A) trece (0,3-0,2)I. La deschidere (figura 4.10.b) se ntrerupe mai nti calea de curent cu contactul A, nct tot curentul va fi condus de contactul B. Acesta va ntrerupe ultimul, iar ntre elementele lui apare arcul electric de comutaie. n continuare, arcul este mpins i ntins pe rampe de cupru (figura 4.10.c), urmnd ca apoi s fie introdus n camera de stingere (pentru a fi stins, v.poz.d). ntruct elementele contactului A nu sunt expuse aciunii arcului electric, ele se execut din aliaje Ag-Ni. Din contr, elementele contactului B sunt supuse aciunii arcului electric i, de aceea, ele se realizeaz din pseudoaliaje de tip Ag-W i Cu-W. h. Contactele ntreruptoarelor de nalt tensiune. Din multitudinea tipurilor constructive ale acestor contacte, reprezentative sunt dou: i. contactul tij-tulip ii. contactul alunector (cu role). Fig. 4.12 Contact alunector cu role Fig. 4.11 Contact tij-tulip i. Contactul tij-tulip este reprezentat n figura 4.11. Tulipa este format din degetele 1 aezate pe periferia unui cerc. Fiecare deget este prevzut n zona inferioar cu o inserie de wolfram 2 pentru preluarea arcului electric. n mod similar, tija 4 este prevzut cu un vrf de wolfram 3. n poziia nchis (punctat n figur), contactul se realizeaz ntre piese de cupru dur (argintat). ii. Contactul alunector cu role este reprezentat n figura 4.12. Transferul curentului de pe tija mobil 3 ctre barele 1 i 5 se face prin intermediul sistemului de role 2 i 4. Presiunea rolelor pe tija central 3 i pe barele laterale 1 i 5 este controlat prin intermediul resorturilor 6 i 7. 5) Din punct de vedere al condiiilor de funcionare a echipamentelor electrice: a. Contacte care stabilesc sau ntrerup un circuit electric n absena curentului electric (comutaie fr sarcin). n aceast categorie intr contactul fi-priz, contactele siguranelor fuzibile, contactele separatoarelor, contactele circuitelor imprimate i contactele utilizate n tehnica de calcul. Pentru aceast categorie de contacte se cere o rezisten de contact ct mai mic i o cdere de tensiune pe contacte de ordinul milivolilor. b. Contactele pentru tensiuni reduse i cureni mici. Asemenea contacte se ntlnesc la relee electrice, la microntreruptoare i n tehnica telecomunicaiilor. Aceste contacte lucrnd la tensiuni mici (sub 10 12 V), n absena arcului electric, singura problem ce trebuie rezolvat este cea a migraiei fine de material. c. Contactele pentru puteri de rupere medii. Aceste contacte lucreaz la joas tensiune (110 500 V) i cureni sub 1000 A, aflndu-se sub aciunea arcului electric, fiind folosite la construcia contactoarelor i ntreruptoarelor. Solicitarea acestor contacte const n arderea lor i n tendina de sudare. d. Contactele pentru puteri de rupere mari. In aceast categorie intr aparatele de joas tensiune de cureni nominali mari (630 2000 A) i cureni de scurtcircuit Isc = 10 60 kA, precum i contactele ntreruptoarelor electrice de nalt tensiune. Aceste contacte sunt intens solicitate de arcul electric ce apare ntre contacte la deschiderea lor. De aceea, problema care se pune este a arderii contactelor i migraia brut de material. e. Contacte glisante. Aceste contacte nu se deschid sub sarcin, dar i modific prin glisare locul de contact. Se ntlnesc la unele aparate de joas tensiune, dar mai ales la cele de nalt tensiune. Materialele utilizate n acest scop trebuie s aib un coeficient de frecare ct mai redus i s nu se altereze n contact cu mediul ambiant. Pe durata funcionrii lor, contactele sunt supuse la diferite solicitri. Astfel, contactele fixe i contactele amovibile sunt supuse nclzirii att n regimul normal, ct i n regimul de suprasarcin i, uneori, n regimul de scurtcircuit. n toate aceste situaii, nclzirea nu trebuie s depeasc valorile supratemperaturilor prescrise de standarde pentru fiecare din regimurile sus-menionate. Contactele echipamentelor de comutaie (i, n special, contactele mobile) sunt supuse i aciunii arcului electric, care apare ntre elementele de contact la separarea lor. Dei durata arcului electric este limitat (5-30 ms), temperatura ridicat a arcului provoac o nclzire intens a elementelor de contact. n plus, la echipamentele care execut un numr mare de comutaii sub sarcin se constat i o uzur electric a contactelor, adic o migraie de material de pe elementele de contact, sub aciunea temperaturii arcului electric. De asemenea, la contactele mobile poate s apar uzura mecanic, ca urmare a strivirii i deformrii pieselor de contact, dup un numr mare de manevre. Prin urmare, contactele electrice necesit o exploatare i o ntreinere conform prescripiilor. Nenlturarea uzurii contactelor, chiar nensemnat la prima vedere, poate determina apariia unor defecte grave (nclzirea peste msur a contactelor i chiar topirea lor), conducnd la scoaterea din funciune a echipamentelor. 4.2 PROCESE FIZICE N CONTACTELE ELECTRICE Suprafaa de atingere prin care se realizeaz contactul constituie suprafaa de contact. Orict de bine ar fi prelucrate aceste suprafee, ele nu pot fi niciodat perfect netede. Aceasta face ca atingerea celor dou elemente conductoare s nu se realizeze pe ntreaga arie aparent de contact (Aa), ci numai n cteva puncte, prin intermediul unor vrfuri cu suprafee extrem de mici, care constituie puni conductoare de trecere a curenilor i n care liniile de curent sufer o striciune (strngere). Sub aciunea forei de apsare, pn la o anumit valoare a presiunii, deformaia este elastic, dup care devine plastic. Pe msura creterii forei de apsare, punctele iniiale de atingere se transform n suprafee elementare de contact; totodat, pot aprea noi puncte de atingere, care la rndul lor pot deveni suprafee elementare de contact. Suma tuturor suprafeelor elementare de contact constituie suprafaa real de contact. Dependena dintre fora de apsare -F- i aria real de contact a fost stabilit de Holm, n condiii de deformare plastic, sub forma: (4.1) unde: H - duritatea materialului aria suprafeei reale de contact - coeficientul lui Prandt Dependena ntre fora de apsare normal F i aria de contact AF, pe care se exercit aceast for (n condiii de deformare plastic) este de forma: FFFF2 (4.2) = = ; A = = naAFn A0 unde este rezistena admisibil la strivire a materialului (n N/mm2), iar a este raza cercului echivalent (cu aria A0) pentru fiecare din cele n zone de contact. Relaia (4.2) arat c pe msur ce fora de apsare crete, deformarea vrfurilor este mai pronunat i noi micropuncte de contact pot aprea. n cazul contactului puctiform figura 4.13, atingerea ntre cele dou elemente se realizeaz ntr-o singur zon de contact, iar dependena ntre aria de contact AF = A0 i fora de apsare F rezult din (4.2), de forma: F2AF = A0 = = a (4.3)

Fig. 4.13 Contact Fig. 4.14 Variaia ariei de contact punctiform cu raza de curbur Conform figurii 4.14, aria de contact punctiform AF crete n acelai sens cu raza de curbur r a contactului, la diferite valori ale forei de apsare, n funcie de natura materialului de contact. Coeficientul lui Prandt, , ia valori ntre 0,2 5Tc, cderea de tensiune pe arc este aproximativ constant. 5.3 ARCUL ELECTRIC N CURENT CONTINUU Din analiza modelului fizic al unui arc de curent continuu se desprind urmtoarele aspecte: a) n faa catodului exist o cdere de tensiune de ordinul 25 30 V, datorit concentraiei de ioni pozitivi cu o mobilitate relativ redus. Catodul genereaz electroni, ce contribuie cu peste 90% la formarea curentului. Zona de trecere dintre cderea de tensiune catodic i coloana de arc este caracterizat de o grosime de ordinul 10 mm i o strlucire puternic, din care cauz se mai numete i pat catodic. Temperatura n faa catodului poate atinge 2500 3000 K. b) Coloana arcului electric are lungimi variabile n funcie de construcia camerei de stingere a aparatului. Lungimea arcului poate ajunge la 0,5 m i chiar mai mare. Temperatura coloanei, n axul ei, poate atinge valori de 3000 15000 K, n funcie de modul de rcire i intensitatea curentului electric. c) Cderea de tensiune anodic se datoreaz sarcinilor spaiale de electroni n faa anodului i este de ordinul 26 V. n faa anodului, curentul este, practic n exclusivitate, datorat electronilor care au o mare mobilitate n raport cu ionii pozitivi. Densitatea de curent n faa anodului este cu un ordin de mrime mai mic dect cea de la catod. d) n acord cu conceptul modelului de canal (cilindric) de arc electric, spre periferia coloanei de gaz ionizat nu mai exist conducie electric, ci numai conducie termic. n aceast zon are loc procesul de difuzie al electronilor i ionilor i de recombinare a acestora, obinndu-se astfel atomi neutri. Vom nelege prin caracteristica arcului electric dependena dintre cderea de tensiune pe arc n funcie de intensitatea curentului prin arc, ntlnit sub denumirea de caracteristic tensiune - curent. Caracteristica static determin dependena ua = f(i) n regim staionar, la o lungime constant a arcului. Caracteristicile statice corespunztoare diferitelor lungimi de arc se pot determina din rezolvarea ecuaiilor (5.5)(5.13) sau se determin experimental. Valorile obinute prin calcul se corecteaz cu ajutorul unor coeficieni experimentali. n figura 5.17 se prezint aliura unei caracteristici ua = f (i) pentru diferite lungimi constante ale arcului electric. Conform ecuaiilor modelului de canal, aceast dependen este cztoare i conform ipotezei Mayr este o hiperbol echilateral. Analiza caracteristicilor statice din figura 5.17 arat c la o lungime constant cderea de tensiune ua scade cu creterea curentului i, atingnd un minim i apoi crete din nou conform liniei punctate. u Vl=100mml=50mml=10mm010020030040050100150200250iA

Fig. 5.17 Caracteristicile statice ale arcului n curent continuu Scderea cderii de tensiune, la cureni mici, se poate explica prin scderea rezistenei electrice a coloanei arcului determinat de intensificarea ionizrii, creterea seciunii coloanei arcului, deci creterea conductivitii electrice odat cu creterea curentului prin arc. La curenii foarte mari se poate considera c ntregul spaiu dintre cei doi electrozi este complet ionizat, rezistena electric a arcului rmne constant i, deci, cu creterea curentului cderea de tensiune pe arc prezint din nou o alur cresctoare. Pentru caracteristicile cztoare se folosesc diferite relaii prin care se aproximeaz curbele ridicate experimental. Relaia cea mai folosit este a lui Ayrton. n literatur exist i alte relaii de calcul ce caut s modeleze caracteristica experimental a arcului electric. Astfel, relaia lui Rieder, stabilit pentru cureni pn la 80 A este: ua (5.57) 3lndiclba

unde constantele ce intervin pentru Ag, Cu i W au valorile: a = 26 V; bCu = 1,3 cm; bAg = 1,1 cm; bw=1,6 cm; c = 5400 V/cm; d = 7,4 10-3 A. n aceast relaie, lungimea arcului se introduce n cm i intensitatea curentului n A. La o modificare rapid a curentului, cderea de tensiune pe arc nu mai urmrete caracteristica static. Este de menionat c temperatura, ca i diametrul coloanei arcului i prin aceasta conductivitatea sa nu se pot modifica rapid. Arcul are o inerie termic, care are ca urmare o cretere mai mare a cderii de tensiune la creterea curentului i o comportare invers la scderea tensiunii. n acelai timp, se produc i rapide modificri ale formei geometrice a arcului electric. Astfel, de exemplu, dac se modific curentul la un arc de curent continuu prin salt de la valoarea Ia1, la valoarea Ia2, -figura 5.18, atunci se modific cderea de tensiune pe arc de la valoarea Ua1 din regim staionar la o valoare mai mare i apoi scade n timp la noua valoare staionar Ua2. ta1U1Ia2Iaa2Ut Fig. 5.18 Diagramele curentului i tensiunii

Saltul peste valoarea Ua1 se explic prin aceea c rezistena coloanei arcului n momentul variaiei curentului rmne constant. Dup creterea ionizrii, scade cderea de tensiune pe arc datorit micorrii rezistenei arcului la noua valoare staionar. Modul n care variaiile de curent influeneaz caracteristicile arcului rezult din figura 5.19. Pentru diferite puncte de variaie a curentului n raport cu timpul (di/dt), ntre limitele (0 i ) se obin diferite caracteristici dinamice. Pentru di/dt = 0 se obine caracteristica static i pentru di/dt = , ua = f(i) are o variaie liniar, datorit faptului c rezistena (conductivitatea) arcului rmne constant la modificarea curentului. ntre cele dou extreme se gsesc caracteristicile dinamice ale arcului de curent continuu. di0dtdidtdidtiidi0dttau

Fig. 5.19 Caracteristicile dinamice ale arcului de curent n diferitele domenii ale electrotehnicii este necesar ca arcul s aib o ardere stabil. n aparatele de comutaie i la sigurane fuzibile se impune ca arcul s se sting ct mai repede cu putin, cu alte cuvinte s fie instabil. Pentru determinarea condiiilor de ardere stabil i nestabil a arcului considerm cazul simplificat, cnd contactele dup ntrerupere s-au ndeprtat rapid ajungnd pn la poziia final. Astfel, pe toat durata arcului avem l = ct. i, n acest caz, putem considera caracteristica static a arcului determinat experimental. RLUau0iRiUURiLUaU0RiapUi()aUi

Fig. 5.20 Circuitul RL i caracteristica arcului electric unde: Ua este tensiunea de amorsare a arcului electric (tensiunea necesar meninerii arcului electric n funcionare stabil) este caracteristica extern a sursei U-R iUap este tensiunea de aprindere di este variaia tensiunii pe bobin U =LL dt Considerm un circuit serie figura 5.20, alimentat n curent continuu la tensiunea U, coninnd rezistena R, inductivitatea L i arcul electric pe care apare cderea de tensiune ua. n regim dinamic, ecuaia diferenial a circuitului este: diUR iLua (5.58) dt i notnd cu: diUlL (5.59) dt tensiunea de reducere (Uf), definit astfel pentru c inductivitatea L definete viteza de reducere a curentului, devine: UlUR iua (5.60) n fig. 5.20.b, se reprezint caracteristica static a arcului Ua = f (i), caracteristica extern a sursei, dreapta (U - Ri), iar U< 0 reprezint diferena celor dou caracteristici. n regim staionar, ecuaia curentului este: UR iua (5.61) adic: UR iua (5.62) condiie ndeplinit n punctele i la intersecia caracteristicii externe a circuitului cu caracteristica arcului. Se observ c stingerea arcului este posibil dac exist tendina de scdere a curentului, adic Ul < 0 . Aceast condiie este ndeplinit pentru i < i i i > i. Pentru i > i , Ul 0 i curentul crete spre valoarea i. Rezult c este un punct de ardere stabil a arcului, deoarece creterea sau descreterea curentului este nsoit de apariia cderii de tensiune negative, respectiv pozitiv, care reduc curentul la valoarea i. Punctul a este un punct de ardere nestabil a arcului electric, deoarece creterea curentului este nsoit de apariia unei cderi de tensiune U pozitiv care va mri n continuare curentul pn la valoarea i, iar scderea curentului sub valoarea i este urmat de apariia unui Ul negativ, care accentueaz scderea curentului pn la valoarea zero. Am presupus c rezistena unui circuit poate varia instantaneu. n particular, am considerat c n momentul nchiderii unui circuit, rezistena ntreruptorului variaz prin salt de la infinit la zero, iar n momentul deschiderii, prin salt de la zero la infinit. Aceast ipotez nu corespunde realitii. Pentru o asemenea variaie considerabil a rezistenei este necesar un interval de timp finit. La conectarea unui circuit n care curentul este nul, caracterul treptat al variaiei rezistenei nu are importan deosebit sub influena inductanei. Curentul crete lent i n timpul scurt, ct dureaz nchiderea contactelor, nu poate determina apariia unei tensiuni mari ntre ele. Dimpotriv, la deconectare, curentul are la nceput valoarea total i, din aceast cauz, ntre contacte apare o tensiune mare a crei variaie are o influen hotrtoare asupra procesului de deconectare. a) ntreruperea cu variaia treptat a rezistenei de contact. Deschiderea contactelor unui ntreruptor duce la micorarea treptat, pn la zero (la sfritul perioadei de deconectare), fie a presiunii de contact, fie a suprafeei de contact figura 5.21. Dac n decursul ntregii perioade de deconectare, contactele se deplaseaz uniform, aria iniial A a contactului se micoreaz dup legea: a=A(1-t/) (5.63) timpul t fiind considerat fa de originea micrii. Rezistena de contact, egal cu r pentru suprafaa total, variaz invers proporional cu suprafaa de contact: (5.64) 1rrtt

rELRieSa

Fig. 5.21 Aceast rezisten variabil se adaug rezistenei constante de sarcin R. Prin urmare, pentru procesul de deconectare unui circuit de curent continuu, se poate scrie ecuaia diferenial: LdirRiiEdtt

(5.65) liniar n raport cu i, dar care n termenul al treilea cuprinde un coeficient care depinde de timp. Pentru ecuaia (5.65) se poate obine o soluie general exact care expim variaia curentului n cursul ntregii perioade de deconectare. Ne intereseaz valoarea densitii curentului i a tensiunii n ntreruptor, n momentul deschiderii reale a contactelor. La nceputul micrii, cnd suprafaa de contact este nc mare, tensiunea es n ntreruptor este mic. Odat cu micorarea suprafeei de contact i cu mrirea suprafeei de contact, aceasta tensiune crete conform expresiei (5.64), dup legea: es (5.66) rit

ieSi

I Ir 0tt Fig. 5.22 Curentul, i, se micoreaz treptat n timpul procesului de deconectare a circuitului, aa cum se arat n figura 5.22. La sfritul acestui proces i anume pentru t=, curentul trebuie s fie egal cu zero; n consecin, pentru momente apropiate de sfritul procesului de deconectare, se poate scrie relaia: (5.67) diidtt

nlocuind aceast expresie n ecuaia diferenial (5.65), obinem la sfritul procesului de deconectare ecuaia: (5.68) ssLireittE

n ultimul moment, curentul devine att de mic, nct al doilea termen al ecuaiei (5.68) poate fi neglijat. Rezistena R a circuitului exterior nu influeneaz asupra sfrsitului procesului de deconectare, i menine o valoare finit, numai raportul i/(t), nlocuind acest raport. Conform relaiei (5.66), obinem: (5.69) ssLeeEr

Prin urmare, n momentul deconectrii definitive a circuitului, tensiunea ntre contacte are valoarea: E (5.70) 1ELr

Aceast expresie determin tensiunea maxim la deconectare. Observm c dac inductana L este mare, iar durata deschiderii circuitului este mic, tensiunea la deconectare va fi considerabil mai mare dect tensiunea de regim E. Dimpotriv, o rezisten de contact r mare contribuie la micorarea acestei tensiuni. Pentru anumite valori ale mrimilor L, r i , tensiunea la deconectare poate s devin chiar infinit de mare. Pentru ca tensiunea la deconectare eS s rmn finit, durata de deconectare trebuie s satisfac inegalitatea: L > (5.71) r adic ea trebuie s fie mai mare dect constanta de timp a contactelor care se deschid, determinat de rezistena iniial de contact r i de inductana L a circuitului exterior. Condiia obinut este satisfcut n cazul cnd durata de deconectare este suficient de mare i contactele sunt confecionate dintr-un material care are o rezisten de contact mare. Dac n circuit nu exist inductan, din ecuaia (5.65) se poate determina variaia curentului n cursul ntregii durate de deconectare. Pentru L=0, aceast ecuaie capt forma simpl: RiriEt

(5.72) care admite soluia algebric: i (5.73) 1ErRt

Rezistena de contact ncepe s se manifeste numai dup ce ea atinge o valoare de acelai ordin ca i rezistena exterioar a circuitului. De cele mai multe ori, aceasta se ntmpl cu puin nainte de sfritul procesului de deconectare. n figura 5.22, sunt reprezentate prin linii continue, curbele care exprim variaia n timp a curentului i a tensiunii n cursul ntregului proces de deconectare a unui circuit inductiv oarecare. Pentru a nelege esena fizic a procesului de deconectare, trebuie s ne imaginm ce s-ar ntmpl n circuit dac n el nu ar exista o inductan care s aib tendina de a mpiedica variaia curentului i de a menine constant valoarea acestuia. Datorit creterii rezistentei contactului, a crui suprafa se micoreaz, curentul ar varia dup curba ntrerupt figura 5.22 care reprezint relaia (5.73). n realitate, la nceputul procesului variaia curentului se dovedete a fi mult mai lent, iar la sfritul procesului cnd n circuit predomin rezistena de contact, variaia curentului este mult mai rapid. Din cauza variaiei rapide a curentului la sfritul procesului, n circuit apare o for electromotoare mare. Inegalitatea (5.71) determin condiia de deconectare corect a oricror contacte alunectoare sau cu presiune. Ea se extinde la controlere, reostate de pornire, relee i alte aparate de comutare, cum i asupra proceselor de comutare n mainile de curent continuu i alternativ, cu colector. Lamelele colectorului alunec sub periile fixe, cu o vitez considerabil; cu toate acestea, n ciuda inductanei de valoare mare a seciilor bobinajului indusului, la merginea frontal a periei nu trebuie s se obin o tensiune nalt. Contactele ntreruptorului trebuie s satisfac nc o condiie. Ele trebuie s aib o capacitate caloric suficient de mare, pentru ca temperatura lor s nu creasc excesiv de mult datorit absorbiei cldurii care se degaj la deconectarea circuitului. Energia electric disipat la contacte, n cursul ntregii perioade de deconectare, are valoarea: W (5.74) Seidt,

0nlocuind aici expresia tensiunii es ntre contacte, care este determinat, conform relaiei (5.66), de cel de al treilea termen al ecuaiei (5.65), obinem: W (5.75) 000iiiIdiERLidtERidtLdidt

n ultimul termen, diferenial n raport cu timpul se reduce i, n consecin, integrarea se efectueaz n raport cu variaia curentului ntre limitele corespunztoare valorilor acestuia la momentele t=0 i t=. Aceast ultim integral poate fi calculat, considernd constant inductanta L. Deoarece valoarea iniial a curentului este determinat n special de rezistena R, n prima integral facem nlocuirea E RI. i vom obine urmtoarea expresie a energiei: W (5.76) 22LIRIiidt

0 n expresia (5.76) primul termen reprezint energia nmagazinat n inductana circuitului. Observm c, n cursul perioadei de deconectare, aceast energie este absorbit n ntregime n ntreruptor, ea nu se ntoarce nici parial la surs. I-1i2i1ii

I t 0Fig. 5.23 Al doilea termen care depinde de variaia n timp a curentului descresctor i. Energia corespunztoare acestui termen ajunge la ntreruptor direct de la surs. S determinm aceast energie suplimentar pentru cele dou cazuri extreme ilustrate n figura 5.23. Curba real de variaie a curentului n timpul deconectrii este situat ntre dreapta i1 corespunztoare descreterii liniare a curentului ntr-un circuit cu inductana neglijabil i rezistena R mic i curba i2 a curentului care i menine invariabil valoarea iniial (datorit faptului c n circuit exist o inductan mare i o rezisten R considerabil), aproape pn la sfritul deconectrii. n primul caz limit, rezult: i1 , (5.77) 1ttIII

ceea ce ne d, pentru integrala care intervine n expresia (5.76), valoarea: (5.78) 220016tIiidtIdtI

exprimnd rezistena n funcie de constanta de timp. Aceasta este valoarea maxim posibil a integralei. Valoarea maxim corespunztoare a pierderilor de energie n ntreruptor, n timpul deconectrii este: Wmax 22LIRI

26 (5.79) Exprimnd rezistena n funcie de constanta de timp: LTR (5.80) expresia pierderilor de energie din ntreruptor capt forma: Wmax(5.81) 21123LIT

Observm c aceste pierderi depind n mare msur de raportul dintre timpul de deconectare, i constanta de timp T a circuitului. n al doilea caz limit, curentul i2 este egal cu curentul iniial I, pn n ultimul moment. n acest caz, pierderile din ntreruptor au valoarea minim posibil: 2LI

Wmin (5.82) 2 egal cu energia nmagazinat n inductana circuitului nainte de deconectarea acestuia. Aadar, contactele funcioneaz n condiii mai dificile, dei pierderile la deconectare se micoreaz; aceasta se datorete faptului c energia este degajat nu un timp ndelungat, ci numai n ultimul moment, localizndu-se la marginile contactelor. Contactele unui ntreruptor trebuie calculate n aa fel nct energia care se degaj n timpul deconectrii s nu provoace topirea sau deteriorarea lor. Aceasta se obine prin alegerea unei capaciti calorice corespunztoare i a unei conductibilitti termice adecvate a contactelor. Din acest punct de vedere, cele mai convenabile materiale sunt argintul i cuprul; argintul se utilizeaz mai ales la cureni mici, iar cuprul - n special la curenii mari. Aceste materiale, mai ales argintul, se caracterizeaz prin aceei rezisten de contact mic, ceea ce asigur o cretere nensemnat a temperaturii lor n ` 1qqqqqqqqqqqqqqqqcazul unei funcionri normale. Practic, asupra pierderilor i a tensiunii la deconectare are o influen important caracterul sarcinii circuitului; lmpile cu incandescen i alte rezistene asemntoare nu au aproape deloc inductan i, datorit acestui fapt, pot fi deconectate uor. n bateriile de acumulatoare i n motoarele cu excitaie acioneaz o for contraelectromotoare care nu depinde de curent; la deschiderea ntreruptorului, se produce deconectarea unui circuit n care acioneaz numai o tensiune mic. De aceea, nu apare o supratensiune considerabil sau o degajare important de cldur. Bobinajele de excitaie ale motoarelor cu excitaie derivaie, care au o inductan mare, rmn, de obicei, conectate la bobinajul indusului, care joac rolul de unt; n virtutea acestui fapt, energia nmagazinat n ele nu se degaj n ntreruptor sub form de cldur. La motoarele cu excitaie serie, fora contraelectromotoare i energia bobinajelor de excitaie sunt nule, dup deconectare i de aceea, ntreruptorul acioneaz aici n condiii mult mai grele dect n cazurile amintite mai sus. b) untarea arcului printr-o rezisten. Dac tensiunea de stingere a arcului n ntreruptor depete valoarea admisibil pentru instalaia considerat, n paralel cu arcul sau cu circuitul exterior se poate conecta o rezisten; aceast rezisten limiteaz tensiunea n cazul deconectrii instantanee. Variaia curentului i din circuitul cu arc reprezentat de schema din figura 5.24 este determinat de ecuaia diferenial cunoscut: diLRieBEdt (5.83) Curentul total i care trece prin circuitul sarcinii, se compune din curentul iB al curentului i al arcului i curentului ir din rezistena de untare: i (5.84) Brii

ebrriLERi Fig. 5.24

Pe caracteristica ntreruptorului cu o rezisten conectat n paralel, fiecrei valori a tensiunii arcului trebuie s-i corespund o anumit valoare a sumei acestor doi cureni. ntruct curentul din unt este proporional cu tensiunea arcului, curentul total este: i (5.85) BBei

r n consecin, caracteristica unui arc untat se obine prin adunarea pe cale grafic a curentului n arc, corespunztor unei anumite tensiuni, cu curentul n rezisten, proporional cu aceeai tensiune figura 5.25. Datorit conectrii unei rezistene n paralel, caracteristica cobortoare a arcului este retezat, aceast retezare fiind cu att mai important, cu ct rezistena de untare este mai mic. Prin urmare, caracteristica rezultant a unui ntreruptor untat se compune din dou pri: o parte liniar, determinat exclusiv de rezistent i corespunztoare arcului care s-a stins, i o parte curbilinie, determinat mai ales de arcul care arde. Ambele ramuri ale caracteristicii sunt reprezentate prin linii groase n figura 5.25. Caracteristica rezultant din figura 5.25 i ecuaia diferenial (5.83) determin variaia n timp a curenilor i a tensiunilor n proceul de deconectare. Construcia grafic trebuie s fie efectuat acum pentru aceast caracteristic rezultant. La cureni mari tensiunea e este mai mare, iar la cureni mijlocii ea poate deveni suficient chiar pentru stingerea arcului; n lipsa rezistenei de untare a arcului, la cureni mijlocii, arcul ar continua s ard nentrerupt. Dup ce curentul scade pn la o valoare oarecare il, arcul se stinge, iar curentul - care continu s se micoreze - trece numai prin rezistena de untare, la bornele creia apare n acest caz o tensiune nalt, aa cum rezult din figura 5.25. BiBiriEleleBeeiliIie Fig. 5.25

Tensiunea la bornele ntreruptorului scade acum odat cu micorarea curentului, dup o lege liniar, pn la valoarea corespunztoare curentului staionar i. Curentul nu poate scdea sub aceast valoare, determinat de punctul de intersecie a caracteristicii circuitului exterior cu caracteristica rezistenei care unteaz ntreruptorul i care corespunde conectrii n serie a rezistenelor R i r. Conform celor expuse mai sus, tensiunea maxim nu corespunde sfritului deconectrii, ci procesului de stingere a arcului. n figura 5.25, tensiunea maxim are aceeai valoare ca i n cazul cnd nu ar fi conectat n paralel la o rezisten. Dac este conectat un unt, de rezisten mult mai mic, - dup cum rezult din figura 5.26 - caracteristica arcului va fi att de deformat n cazul unor cureni mari, nct, ntr-un anumit punct, tangenta ei ajunge n poziia vertical. n cazul scderii curentului, tensiunea arcului nu poate depi tensiunea din acest punct, deoarece - n caz contrar - curentul ar ncepe s creasc din nou. eiilileEreBeIe11,525,23rR0 Fig. 5.26

Prin urmare, arcul se stinge instantaneu n acest punct al caracteristicii. ntregul curent il este deviat prin rezistena de untare, la bornele creia tensiunea crete pn la valoarea el; aceast valoare este ns considerabil mai mic dect tensiunea de stingere a arcului neuntat. Prin urmare, prin alegerea corespunztoare a valorii rezistenei conectate n paralel cu arcul, se reuete s se micoreze foarte mult tensiunea de stingere i, n consecin, s se micoreze supratensiunea din circuit pn la o valoare nepericuloas. Dup stingerea arcului, tensiunea-diferen e scade liniar cu curentul i, n consecin, aa cum rezult din ecuaia (26), timpul crete dup o lege logaritmic. Aadar, ncepnd din acest moment, curentul scade n timp dup o lege exponenial, tinznd spre valoarea final i. Dac rezistena untului este egal cu rezistena circuitului exterior, panta caracteristicii rezistenei de untare, reprezentat n figura 5.26, este egal ca valoare cu panta caracteristicii circuitului exterior, dar difer de aceasta ca semn. Prin urmare, pe scara r/R, din partea dreapt a figurii 5.26, poate fi determinat valoarea rezistenei cu care este necesar s fie untat arcul pentru obinerea efectului favorabil menionat mai sus. Dac ntreruperea curentului I s-ar face nu prin arc, ci prin desfacerea instantanee a contactelor untate de rezistena r, tensiunea la deconectare ar crete pn la o valoare determinat de intersecia curbei e1 cu perpendiculara care trece prin punctul de abscis I, n acest caz, ar rezulta o supratensiune nsemnat. De aici, reiese c folosirea unei rezistene de untare poate da caracteristicii de deconectare o form foarte favorabil. Prin acest procedeu se poate mri simitor puterea ntreruptorului i, n acelai timp, se poate micora considerabil supratensiunea care apare la deconectare. n locul rezistenei de protecie conectate n paralel cu ntreruptorul, aceasta poate fi conectat n paralel cu circuitul exterior, ca n schema din figura 5.27. n acest caz, pentru circuitul de sarcin, care conine arcul i sursa de alimentare, este valabil ecuaia diferenial (5.83). Curentul arcului este ns egal n acest caz cu suma curentului de sarcin i i a curentului ir din ramura paralel: iB (5.86) rii

Curentul din rezistena de protecie ir depinde diferena dintre tensiunea sursei i tensiunea reelei: ir r (5.87)BEe

ebrriLERFig. 5.27

n consecin, curentul de ncrcare va depinde de tensiunea arcului n modul urmtor: EBBei

i rr (5.88) Aceast expresie difer de expresia (5.85) numai prin ultimul termen constant. Caracteristica rezultant a deconectrii este reprezentat n figura 5.28. Caracteristica tensiune-curent a ramurii conectate n paralel cu sarcina are aceeai pant ca i n cazul precedent, ns intersecteaz partea negativ a axei i, n punctul de abscis - E/r. eilileEreBeIe15,1252,rR00,50Er Fig. 5.28

iB0 Aceast valoare se determin direct din expresia (5.88), dac se consider i bb= 0. n consecin, conectarea unei rezistene de protecie n paralel cu sarcina are aceeai influen favorabil asupra tensiunii de stingere a arcului, ca i untarea arcului nsui. Dup stingerea arcului, curentul scade din nou dup o curb exponenial, ns, n acest caz, pn la zero. La cureni mari, tensiunea-diferent e este ceva mai mic dect n cazul precedent. Astfel, pentru deconectarea curentului normal de sarcin, este raional ca rezistena de protecie s fie conectat n paralel cu circuitul principal. Pentru deconectarea curenilor de scurtcircuit este ns mai bine ca rezistena s fie conectat n paralel cu ntreruptorul, deoarece numai o asemenea poziie a rezistenei de protecie n circuit asigur eficacitatea funoionrii ei, independent de locul n care s-a produs scurtcircuitul. Deconectarea ulterioar a curentului mic care circul prin rezistena de untare nu prezint nici un fel de dificulti. 5.4 ARCUL ELECTRIC N CURENT ALTERNATIV Arcul electric de curent alternativ este un proces n regim variabil i se caracterizeaz prin stingeri i aprinderi periodice, la fiecare trecere a curentului prin zero. La o modificare rapid a curentului, temperatura ca i diametrul coloanei i prin aceasta i conductivitatea sa nu se pot modifica rapid. Arcul are o inerie termic, care are ca urmare o cretere mai mare a cderii de tensiune la creterea curentului i o comportare invers la micorarea curentului. n acelai timp, au loc i rapide modificri ale formei geometrice a arcului. Arcul de curent alternativ se caracterizeaz printr-un proces dinamic. Caracteristica tensiune - curent, precum i variaiile n timp ale curentului i cderii de tensiune pe arc sunt cele din figura 5.29. Arcul se aprinde atunci cnd tensiunea atinge valoarea Uap, numit tensiune de aprindere i dureaz pn cnd tensiunea scade la valoarea Uas, numit tensiune de stingere. n intervalul tp, numit pauza de current/pauza de arc prin circuit circul un curent postardere de valoare mic. n acest timp, spaiul de arc devine din ce n ce mai izolant, prin creterea rigiditii sale dielectrice pe msura rcirii arcului electric. Refacerea proprietilor dielectrice duce fie la reaprinderea n semiperioada urmtoare, fie la stingerea arcului electric. Tensiunea de aprindere Uap este strns legat de procesele ce au loc n timpul pauzei de curent, ea depinznd de distana dintre electrozi, temperatura i presiunea mediului care nconjoar arcul ct i de temperatura i natura materialului contactelor. Tensiunea de stingere depinde de ineria de deionizare a gazului, conductivitatea acestuia modificndu-se mai lent. Se constat c ntotdeauna Uap > Uas. 0iapuauptasut0iapuasu a) b)

Fig. 5.29 Caracteristicile dinamice ale acului electric Curentul i cderea de tensiune pe arc sunt n faz, datorit caracterului rezistiv al arcului, dar nu pstreaz forma sinusoidal, arcul fiind un element neliniar. Prin eliminarea timpului ntre caracteristicile Ua = f(t) i i = f(t)- figura 5.29.a, rezult caracteristica tensiune - curent a arcului de curent alternativ ua = f(t) sub forma unei bucle de histerezis, figura 5.29.b. Aria acestei bucle este proporional cu energia nmagazinat n arc. Gradul i caracterul de deformare al curbelor tensiunii i curentului depind de frecvena circuitului. Cu creterea frecvenei, bucla de histerezis scade, astfel c la frecvene foarte mari se obine o variaie aproape liniar. Pentru o stingere definitiv a arcului trebuie luate msuri care s evite reaprinderea. Spaiul de arc nu se deionizeaz instantaneu i pstreaz dup stingerea arcului un anumit grad de conductivitate, ceea ce permite trecerea unui curent postardere. Acesta conduce la o nclzire a spaiului arc, mpiedicnd deionizarea i favoriznd reaprinderea arcului. n cazul circuitelor pur rezistive, figura 5.30, curentul, n faz cu tensiunea, trece prin zero odat cu aceasta. Arcul se reaprinde cnd tensiunea atinge valoarea uap i se stinge cnd tensiunea atinge valoarea uas. ntre momentul stingerii arcului i al reaprinderii urmtoare, curentul este practic nul i apare pauza de curent. n acest interval de timp (tp), spaiul de arc din starea precedent cu atribute de conductor devine progresiv un mediu izolant al crui grad de regenerare dielectric decide stingerea definitiv sau reaprinderea arcului. Pentru circuitele pur inductive, figura 5.31, pauza de curent este mult mai mic i, n consecin, stingerea arcului este mult mai dificil. Explicaia intervalului mult mai mic al pauzei de curent tp const n faptul c n momentul trecerii curentului prin zero, arcul se stinge, dar se reaprinde imediat, deoarece tensiunea sursei este mai mare dect tensiunea de aprindere. n practic, circuitele nu sunt nici pur rezistive i nici pur inductive, aa c la un circuit R, L pauza de curent este cuprins ntre cele dou limite extreme. 0ptauasuutiujapu0ujuapuiauasutpt

Fig. 5.30 Explicativa la un circuit Fig. 5.31 Explicativa la un circuit Pur rezistiv inductiv n principiu, curentul alternativ se ntrerupe mult mai uor dect cel continuu deoarece el trece simetric prin valoarea zero, dup fiecare semiperioad. Dac s-ar putea da unui ntreruptor o comand att de exact nct el s ntrerup circuitul n momentul trecerii naturale a curentului prin valoarea zero, ncepnd din acel moment, curentul ar rmne nul i contactele nu ar ar suferi nici un fel de aciuni duntoare. Ineria contactelor i a sistemului de acionare a ntreruptorului nu permit s se obin nici o reglare precis, nici vitezele mari necesare pentru o ntrerupere att de exact. La ntreruptoarele moderne de construcie obinuit, timpul de deconectare este ns mult mai lung i este cuprins ntre o parte dintr-o perioad i cteva perioade. La ntreruperea curentului alternativ printr-un ntreruptor la care rezistena de contact se mrete treptat, apar fenomene foarte asemntoare fenomenelor care se produc la ntreruperea curentului continuu. n circuitele de curent alternativ, ntre contactele care se distaneaz apare aproape ntotdeauna un arc. Aici se vor observa fenomene esenial deosebite de acelea care au loc n ntreruptoarele de curent continuu: tensiunea sursei de curent alternativ schimbndu-i repede semnul, pot aprea multiple stingeri i aprinderi ale arcului. ReBCezezeI

Fig. 5.32 Fig. 5.33 Variaia n timp a tensiunii i a curentului. Procesul de ntrerupere prin arc, notat n figura 5.32 cu B, se desfoar n modul cel mai simplu cnd circuitul conine numai o rezisten R i o inductan nensemnat L. S studiem, de exemplu, deconectarea unor lmpi cu incandescen de la o reea de curent alternativ cu tensiunea de amplitudine constant E. Curentul i i tensiunea e se anuleaz simultan i, n acest caz, arcul dintre contactele ntreruptorului se stinge de fiecare dat. Imediat dup stingerea arcului temperatura contactelor se micoreaz, fapt datorit cruia tensiunea de aprinderea ez se mrete rapid, aa cum ilustreaz curba ntrerupt din figura 5.33. Dac distana dintre contacte este foarte mic, tensiunea sursei, care crete i ea, devine repede egal cu tensiunea de aprindere. n acest moment, arcul se aprinde din nou i curentul atinge, printr-un salt, valoarea lui staionar. Dac la urmtoarea trecere a curentului i a tensiunii prin valoarea zero distana dintre contacte este att de mare nct tensiunea de aprindere rmne mai mare dect tensiunea sursei, arcul nu se mai aprinde din nou. Curentul, trecnd ultima dat prin valoarea zero, rmne si ulterior egal cu zero. Arcul dintre contactele metalice cu conductibilitate termic mare, n special dintre cele de cupru, se stinge foarte repede, astfel nct aici este necesar o distanare relativ mic a contactelor. La tensiuni mai nalte, strpungerea intervalului dintre contacte se face mai uor. n consecin, este necesar s se ia msuri suplimentare pentru a se uura stingerea arcului i anume s se asigure o disipare mai intens a cldurii care se degaj n coloana arcului. Astfel, pentru ntreruperea unui curent alternativ, este necesar numai s se mpiedice aprinderea repetat a arcului dup trecerea curentului prin valoarea zero. Aceasta permite s se utilizeze ntreruptoare mici pentru ntreruperea unor cureni considerabili, n cazul unor sarcini pur active. Foarte uor pot fi deconectate i mainile cu for contraelectromotoare independent-de exemplu: motoarele sincrone sau convertizoarele cu un singur indus. n realitate, ns, este necesar s se in seama de influena inductanei de scpri a mainilor. Condiiile sunt mai puin favorabile la deconectarea circuitelor de curent alternativ inductive, la deconectarea transformatoarelor, a motoarelor asincrone i a altor dispozitive analoge. Condiii deosebit de grele se creeaz la deconectarea curenilor de scurtcircuit n reele. n cazurile enumerate, rezistena R a circuitului este mic n comparaie cu reactana inductiv a acestuia i, n consecin, curentul este defazat mult n raport cu tensiunea. Valoarea curentului nu este nul pentru o valoare instantanee mic a tensiunii ci, n momentul primei stingeri a arcului, tensiunea este mare nct poate urma imediat o aprindere repetat, concomitent cu apariia unui curent de sens contrar. n circuitul inductiv variaia n timp a curentului este determinat de ecuaia: diLRieBe (5.89) dt n care termenul cel mai important este tensiunea eB a arcului. iBeBeBe Fig. 5.34

Pentru a studia procesele care se desfaoar ntr-un circuit de curent alternativ n timpul arderii arcului, vom face cteva ipoteze simplificatoare. Vom considera c lungimea arcului este constant, iar caracteristica tensiune-curent are o form dreptunghiular, figura 5.34. Tensiunea arcului este: eB (5.90) be

semnul pozitiv corespunznd unei valori pozitive a curentului, iar semnul negativ - unei valori negative. Valorile mai mici corespunznd unor cureni mai mari, iar valorile mai mari unor cureni mai mici. Vom neglija influena tensiunii de aprindere i a tensiunii de stingere a arcului, care au importan numai n cazul unor cureni foarte mici, i de asemenea, nu vom ine seama de cderea de tensiune n rezisten, care este foarte mic n circuitele de curent alternativ. n consecin, n ecuaia (5.89) se poate neglija termenul Ri i ecuaia poate fi integrat direct. Tensiunea alternativ a reelei este determinat de frmula: eEsin( t) (5.91) n care este unghiul de faz al tensiunii n momentul t=0, corespunztor trecerii curentului prin valoarea zero. Din ecuaia (5.89) determinm, pentru alternana pozitiv a curentului, valoarea: 111i (5.92) 1sinBBeEeedttdtdtLLL

000 Efectund integrala, obinem: coscosbeEEittLLL Dup trecerea unei semiperioade: t

(5.93) (5.94) curentul de regim staionar trebuie s capete din nou valoarea zero. Pe baza relaiei (5.93) avem: cos (5.95) be

2 E ntr-un circuit pur inductiv, n care arde un arc, defazajul nu este egal cu 900, ci este determinat de raportul dintre tensiunea arcului i valoarea medie a tensiunii reelei. Dac tensiunea arcului crete, adic distana dintre contacte se mrete, defazajul se apropie de zero. Dac se nlocuiete expresia (5.95) a lui cos n relaia (5.93), se obine urmtoarea expresie a variaiei curentului n funcie de timp: i (5.96) cos2beEttLL

Curentul este format din dou componente. Prima dintre acestea reprezint curentul inductiv care se stabilete atunci cnd ntreruptorul este complet nchis. Acest curent este defazat cu 90 n urma tensiunii determinate de expresia (5.91). A doua component corespunde unui curent care variaz n timp dup o lege liniar; pe msur ce tensiunea arcului se mrete, aceast component joac un rol din ce n ce mai mare. eeeiiEBeeBettcos()t2t)a)b Fig. 5.35

Ambele componente sunt trasate, prin linii ntrerupte, n figura 5.35.a, pentru o tensiune eB a arcului mic n comparaie cu tensiunea aplicat E, iar n figura 5.36.a - pentru o tensiune mare a arcului. Cu linii groase sunt reprezentate curbele curentului, egal n ambele semiperioade cu suma unei consinusoide i a unei drepte, ultima fiind o parte dintr-o curb triunghiular periodic. Cu ct tensiunea arcului este mai mare, cu att curba curentului este mai deformat n comparaie cu o curb sinusoidal obinuit. n figura 5.35.b i 5.36,b sunt reprezentate curbele variaiei tensiunii eB a arcului i a tensiunii e-eB din circuitul exterior, corespunztoare curbelor date de variaie a curentului. Pe msur ce arcul se alungete, curba e-eB se deformeaz din ce n ce mai mult i apar salturi abrupte ale tensiuii. Din expresia (5.95) rezult c, pentru o tensiune a arcului care constituie o anumit parte 2/ 0,637 din tensiunea reelei, unghiul de faz se anuleaz i curba deformat a curentului trece prin valoarea zero simultan cu tensiunea. n realitate, ns, acest caz limit nu poate fi realizat. nainte ca tensiunea arcului s ating valoarea indicat mai sus, valoarea ei, pentru un curent nul, devine egal cu valoarea instantanee a tensiunii reelei sau o depete; datorit acestui fapt, arcul nu se mai reaprinde imediat dup stingerea lui. Apare o pauz a curentului care continu pn cnd tensiunea e a reelei atinge din nou valoarea tensiunii eB a arcului. n cursul acestei pauze, tensiunea din circuitul exterior rmne i ea nul, astfel nct curba e-eB este mult deformat. eeeiiEBeeBettcos()t2t)a)b Fig. 5.36

Concluziile referitoare la forma curbelor tensiunilor i curentului, obinute pe baza ultimelor relaii i grafice, nu se refer numai la procesele din cazul deconectrii. Curbele asemntoare se obin pentru orice circuit inductiv care conine un arc aprins. Observm c procesul de ntrerupere a unui curent alternativ se deosebete considerabil de procesul de ntrerupere a unui curent continuu. ntr-un circuit de curent continuu, chiar la o distan fix ntre contacte, procesul de stingere a arcului cuprinde o singur etap. ntr-un circuit de curent alternativ, n timpul distanrii contactelor, condiie necesar pentru stingerea arcului, acesta se aprinde de repetate ori la fiecare variaie a sensului curentului; pe msur ce lungimea arcului crete, se mresc valorile tensiunilor de aprindere i de stingere, pn cnd tensiunea de aprindere atinge valorile de vrf a tensiunilor aplicate E. ncepnd din acest moment, aprinderea repetat devine imposibil i procesul de ntrerupere se sfreste. Pentru a determina pierderile n arc, mai nti trebuie s determinm energia care se degaj n arc n cursul unei semiperioade a curentului i care se transform n cldur n interiorul ntreruptorului. Aceast energie are valoarea: W /eidt

0 (5.97) nlocuind pe eB din ecuaia (5.97), gsim: W /0//2eRiidtLidieidtRidt

0000 (5.98) Deoarece curentul i n raport cu care se efectueaz integrala capt valori nule att la nceputul, ct i la sfritul semiperioadei considerate, cea de-a doua integral este egal cu zero. La deconectarea unui curent alternativ, energia magnetic din circuit - care la ntreruperea unui curent continuu reprezent cea mai mare parte din energia care se degaj n arc - nu se degaj n arc nici mcar parial. Aceasta nseamn c energia nmagazinat n inductan revine n ntregime la surs, i nu este disipat n ntreruptor sub form de cldur. Energia transformat n cldur de arcul ntreruptorului este egal cu diferena dintre energia furnizat de surs i energia absorbit n rezistena circuitului. De aceea, deconectarea unui circuit de curent alternativ se efectueaz mult mai uor dect cea a unui circuit de curent continuu de aceeai putere. Pierderile la deconectare pot fi calculate efectundu-se direct integrala (5.78). n acest caz, vom neglija influena vrfurilor tensiunilor de aprindere i de stingere. Aceste vrfuri de tensiune mresc tensiunea eB a arcului numai n cursul perioadei scurte de aprindere i stingere cnd curentul i este foarte mic. De aceea, produsul dintre aceste tensiuni i curent, care intervine n relaia (5.78) modific puin valoarea integralei. Putem nlocui n expresia (5.78) tensiunea constant a arcului, determinat de relaia (5.64) i valoarea corespunztoare a curentului, conform relaiei (5.71), obinndu-se: (5.99) (5.100) Energia care se degaj n arc n decursul unei semiperioade este: W (5.101) 222sinsinbbEeIeL

unde I reprezint raportul dintre amplitudinea tensiunii aplicate i valoarea reactanei inductive egal cu amplitudinea curentului alternativ care trece prin circuit nainte de deconectarea acestuia, ceea ce corespunde primului termen al relaiei (5.96). Unghiul de faz este ntotdeauna apropiat de 900. n decursul timpului de deconectare , distana dintre contacte se mrete i tensiunea eB a arcului crete aproximativ proporional cu lungimea acestuia. n vederea obinerii expresiei pierderilor de energie n circuit n timpul deconectrii, vom considera c n cursul fiecrei semiperioade, tensiunea eB de ardere a arcului este proporional cu tensiunea de aprindere ez i c, n decursul ntregii perioade de deconectare, tensiunea crete liniar pn la valoarea limit E.n acest caz, tensiunea variabil a arcului este: eb (5.102) bzetEe n consecin, cos

, determinat de expresia (5.95), este foarte mic, iar sin din expresia (5.101) este ntotdeauna apropiat de unitate. Conform relaiei (5.94), durata unei semiperioade este egal cu . nlocuind n expresia (5.101) valoarea medie a tensiunii arcului, care se obine din relaia (5.102) dac n aceasta se consider t/ = 1/2, rezult energia total absorbit la deconectare ntr-un timp : /

W (5.103) 212bzeIEEIe

Energia de deconectare disipat n arc este determinat de o putere fictiv egal cu produsul dintre amplitudinea I a curentului nainte de deconectare, amplitudinea E a tensiunii dup deconectare, de durata de deconectare i de raportul dintre tensiunea arcului (de ardere) eb la curentul total i tensiunea de aprindere ez atunci cnd se schimb sensul curentului. Pierderile din arc vor fi mici la ntreruptoarele a cror construcie asigur un timp de deconectare minim, pentru o valoare maxim, a tensiunii de aprindere ez. Rezult condiiile pe care trebuie s le satisfac ntreruptoarele de mare putere. Contactele acestora trebuie confecionate dintr-un material cu capacitate caloric i conductibilitate, termic mare, astfel nct creterea temperaturii contactelor s fie minim i, prin aceasta, s fie evitat emisia intens a unor noi electroni. Gazul n care arde arcul trebui s se deionizeze rapid n timpul trecerii curentului prin valoarea zero. Trebuie s fie asigurat cretere rapid a lungimii arcului, pn la o valoare considerabil. Rezistena conectat n paralel cu arcul sau cu inductana are o influen favorabil asupra funcionrii ntreruptoarelor i n cazul curentului alternativ. Aceast rezisten modific forma caracteristicii rezultante a arcului aprins. Ca rezultat, tensiunea arcului nu scade prin salt pn la valoarea zero n momentul schimbrii sensului curentului, ci variaz n timp dup o lege liniar. Saltul tensiunii de la vrful de stingere pn la vrful de aprindere este eliminat i nlocuit cu o trecere treptat. Dup ce tensiunea arcului a atins valoarea tensiunii de aprindere ez, ea scade brusc pn la o valoare egal cu tensiunea arcului (de ardere) eb . Acest salt este ns considerabil mai mic dect acela care s-ar produce fr o rezisten conectat n paralel. n acelai moment, curentul trece, din rezistenta de untare n arc. La stingerea arcului are loc o trecere rapid a curentului din arc n unt, ceea ce provoac o cretere abrupt, a tensiunii. Rezistena de untare acioneaz favorabil deoarece ea mrete intervalul de timp dintre stingerea i aprinderea arcului. Acest interval este suficient pentru rcirea contactelor i a coloanei arcului; ca urmare, valoarea tensiunii de aprindere crete considerabil. Deci, rezistenele de untare nu numai c accelereaz stingerea arcului atunci cnd se schimb sensul curentului, dar i absorb o parte din energia care se degaj la deconectare, micornd n felul acesta sarcina coloanei arcului i a contactelor. Supratensiuni se pot obine la stingerea arcului i n ntreruptoarele la care timpul de declanare este de cteva semiperioade, dar viteza de deplasare a contactelor este la nceput mic, iar n ultima semiperioad crete nct tensiunea de stingere devine mai mare dect tensiunea de aprindere precedent. Este preferabil ca viteza de distanare a contactelor s fie reglat n aa fel nct ntreruperea definitiv a circuitului s se produc datorit imposibilitaii unor aprinderi repetate ale curentului i nu ca urmare a stingerii forate a acestuia. La ntreruptoare de mare putere, ntreruperea definitiv a oricrui arc de curent alternativ are loc atunci cnd dup trecerea curentului prin valoarea zero, tensiunea reelei nu poate provoca o reaprindere. n principiu, aprinderea repetat poate fi deviat prin diferite mijloace: ntrzierea cu un timp scurt a trecerii tensiunii la contactele ntreruptorului astfel nct n acest timp arcul se rcete i, n consecin, tensiunea de aprindere crete. crearea de condiii ca un timp oarecare nainte i dup trecerea prin valoarea zero, curentul s aib o valoare mic astfel nct n momentul critic din punct de vedere al aprinderii repetate nu se va degaja caldur. se poate mri artificial tensiunea de strpungere a intervalului disruptiv, acionndu-se asupra arcului, mai ales prin rcirea contactelor i a coloanei acestuia, sau prin deionizarea arcului. Tensiunea de ardere i cea de stingere depind n mare msur de compoziia gazului n care arde arcul. 5.5 PRINCIPII DE STINGERE A ARCULUI ELECTRIC Stingerea arcului la orice valoare a curentului i este posibil dac este ndeplinit condiia de a nu avea intersecie ntre caracteristica arcului ua = f (i) i caracteristica extern a sursei, dreapta (U - R i) = f (i), caz n care Ul este negativ pentru orice valoare a curentului -figura 5.20. Prin urmare, caracteristica arcului aparatului de comutaie trebuie s se afle n ntregime deasupra caracteristicii externe a sursei. De aici, rezult c un circuit se poate ntrerupe numai cu un anumit ntreruptor, dat fiind c ua = f (i) este o caracteristic bine determinat pentru fiecare ntreruptor. Aceast condiie se poate obine pe dou ci: fie prin ridicarea caracteristicii ua =f(i), fie prin nclinarea dreptei (U-Ri). Ridicarea caracteristicii arcului se poate realiza prin alungirea mecanic a arcului pe calea ndeprtrii contactelor, prin deionizarea mediului de arc prin suflaj magnetic, suflaj cu fluide, rcirea arcului n camere de stingere. n figura 5.37.a, se prezint posibilitatea stingerii arcului prin lungirea sa. Pentru lungimea l1, arcul arde stabil i pentru o lungime l3, arcul arde nestabil. Situaia limit de la care arcul ncepe s ard nestabil este cazul n care curba este tangent la dreapt n punctul A. ncepnd de la aceast lungime, numit lungime critic, lcr, arcul ncepe s ard instabil. 0UUcriiAURi1IcrI3Iaui2IUUURiiAcricrURi

a) b) Fig. 5.37 Referitor la stingerea arcului de curent continuu A doua metod const n nclinarea caracteristicii externe a circuitului, prin introducerea unor rezistene suplimentare n serie cu arcul electric. Din figura 5.37.b se constat c cu ct crete rezistena circuitului, curentul de funcionare stabil scade i ncepnd de la valoarea rezistenei critice (Rcr), cnd dreapta este tangent la curb, arcul arde nestabil, fapt valabil pentru orice alt rezisten R > Rcr. Din relaia (5.60), condiia necesar i suficient ca arcul electric s fie ntrerupt este ca Ul s fie negativ. Pentru a determina durata procesului de stingere a arcului electric, ca i tensiunea la contacte n momentul anulrii arcului - numit tensiune de stingere Uas - se procedeaz la o rezolvare grafo-analitic. Astfel, din relaia (5.59), rezult: dt (5.104) lUdiL

i prin integrare: ta0 (5.105) 0llUdiLdt

Pentru determinarea duratei de stingere ta se procedeaz la o rezolvare grafic a relaiei (5.105) scris sub forma: 0ta (5.106) llUdiL

n figura 5.38.a se reprezint n sistemul de coordonate u, i, caracteristica ua = f(i) i dreapta (U-Ri), care determin un Ul mereu negativ. Deoarece Ul < 0, curentul descrete n timp pn la stingerea arcului. Din valorile determinate pentru Ul ca funcie de current, se reprezint grafic curba i = f (1 / Ul) n figura 5.38.b. Integrnd aceast curb dup valoarea lui i, pornind de la valoarea iniial l, pn la valoarea final 0 i innd seama de relaia (5.106) se obine curba l = f(t), adic legea de variaie a curentului n funcie de timp figura 5.38.c. Pentru i = 0 se obine durata de stingere ta. Din curbele ua = f(i) i i = 0 se poate trasa grafic curba ua=f(t) figura 5.38.c, care determin la i=f(t) tensiunea de stingere uas. Se constat c tensiunea de stingere este mai mare dect tensiunea la bornele circuitului, ceea ce denot apariia unor supratensiuni periculoase. Din relaia (5.58) se poate scrie tensiunea pe circuitul exterior sub forma: diULRR iLUua (5.107) dt astfel c n figura 5.28.c, din curba ua = f(t) i dreapta U = ct. se poate trasa grafic variaia uLR = f(t), evideniind vrful de tensiune ce pericliteaz consumatorul n momentul stingerii arcului electric. Din figura 5.38 se vede c alungirea arcului, dei contribuie la scurtarea duratei de stingere (ta), conduce la creterea supratensiunii ce apare la stingerea arcului (uas). Folosirea uleiului ca mediu de stingere a arcului electric de curent continuu ar duce la o cretere exagerat a tensiunii de stingere uas, fapt care face s nu fie posibil utilizarea ntreruptoarelor n ulei la curent continuu. Arcasu000RLULAuURiauUUUasuuuiiiIILU1LU1LUauUtLRut()aut()itttat3()uU)a)b)c

Fig. 5.38 Referitor la determinarea duratei arcului Determinarea duratei arcului electric n camera de stingere a ntreruptoarelor de curent continuu se poate face i analitic. n figura 5.39.a s-a reprezentat circuitul echivalent n care R i L reprezint rezistena i inductivitatea cumulat n linia de alimentare i receptor, iar n figura 5.39.b s-au reprezentat diagramele curentului i ale tensiunii la bornele ntreruptorului n cazul ntreruperii curentului nominal din circuit. Cu ta s-a notat durata de stingere a arcului. Dup ce contactul se deschide, se formeaz arcul electric, a crui tensiune Ua se admite constant pe toat durata de ardere a arcului electric. n absena arcului, cu ntreruptorul nchis este valabil ecuaia: di1 (5.108) UnR i1Ldt La deschiderea ntreruptorului, ecuaia circuitului este: nUaULRat1I2InIaUfiUi)a)b

Fig. 5.39 ntreruperea curentului nominal a) schema electrica.b) diagramele curentului si tensiunii di2Ua (5.109) UnR i2Ldt Prin scderea celor dou relaii (5.108) i (5.109) se obine: d2121iiLiiR

Ua (5.110) dt i notnd cu: ifi2 (5.111) 1i

unde if este un curent fictiv, a crui introducere se justific pentru simplificarea calculelor, se obine: difUaR ifL(5.112) dt cu soluia: i f (5.113) TtaeRU1

unde T = L/ R este constanta de timp a circuitului. Din relaia (5.111), avem: i2 (5.114) TtfnfeIIii11

unde s-a notat cu: i1- curentul nominal n regim permanent; i f -curentul fictiv produs de o tensiune egal cu tensiunea arcului electric RUInnUa

Rn regim permanent. Durata arcului ta se obine din relaia (5.114) fcnd pe i2 = 0, sub forma: IannffUUTIIT/11lnln

ta(5.115) Relaia (5.115) ne mai arat c pentru un circuit cu constant de timp dat T, dac se impune durata ta a arcului electric, tensiunea arcului trebuie s aib o valoare bine determinat: Ua (5.116) TtnaeU/1

Pentru cazul ntreruperii curentului de scurtcircuit, n figura 5.40.a se prezint schema circuitului electric, n care inductivitatea L1 i rezistena R1 aparin liniei, iar inductivitatea L2 i rezistena R2 aparin consumatorului, iar n figura 5.40.b se prezint diagramele curentului i ale tensiunii la bornele ntreruptorului. La apariia scurtcircuitului ntre punctele m i n, curentul trece de la valoarea In valoarea i1 n absena arcului electric i la valoarea i2 n prezena arcului electric ce apare dup timpul t1 de la producerea scurtcircuitului. n regim de scurtcircuit, n absena arcului electric, ecuaia circuitului este: di1 (5.117) UnR1 i1L1dt nULRau1L1Rat2InIaUfiUit1i2inU1t0

Fig. 5.40 ntreruperea curentului de scurtcircuit Aceast ecuaie are soluia: i1 (5.118) TtscTtneIeI1

unde Isc =Un /R1 este curentul de scurtcircuit i T = L1/R1 este constanta de timp a circuitului. n regim de scurtcircuit i n prezena arcului electric, ecuaia circuitului este: di2Ua (5.119) UnR1 i2L1dt Prin scderea relaiei (5.117) din (5.119) i cu considerarea notaiei curentului fictiv conform (5.111), avem: difUaR1 ifL1 (5.120) dt a crui soluie este de forma: i f (5.121) TtfTtaeIeRU111

Relaia (5.121) este valabil pentru t>0, cu originea timpului n O2 - figura 5.40.b. Scriind i soluia (5.118) cu originea n O2 sub forma: i1 (5.122) TttscTttneIeI111

se obine durata arcului din relaia (5.111), n care pentru t = ta se face i2 = 0, deci i1 = if. Prin egalarea relaiilor (5.121) i (5.122) avem: I f (5.123) TttscTttnTtaaaeIeIe1111

care, rezolvat ne conduce la soluia: ta (5.124) 11ln1fscTtfnscIIeIIIT

sau cu notaiile: lsc /lf= a i ln / If = b : ta11ln1aebaTTt

(5.125) Tot din relaia (5.123) se poate extrage valoarea tensiunii arcului electric pentru valori cunoscute ale duratei pe arc t1, duratei arcului ta, curentului nominal In i curentului de scurtcircuit Isc. Rezult: ISCTtTttTttaaaeee1ln111

UaR1 (5.126) Echipamentele electrice de comutaie, destinate a efectua comutaii sub sarcin sunt echipate cu incinte, numite camere de stingere. n camera de stingere "se dezvolt" i "se stinge" arcul electric. Funcional, camerele de stingere au rolul de a rci intensiv arcul electric i de a crea instabilitate n arderea lui. Aceste obiective pot fi realizate prin folosirea anumitor principii de stingere a arcului electric, principii care determin forma constructiv a camerei de stingere. Utilizarea unuia sau altuia dintre principiile de stingere a arcului electric se stabilete n funcie de o serie de caracteristici, precum: felul curentului (continuu sau alternativ), de parametrii sarcinii (tensiunea nominal, intensitatea curentului de ntrerupt), de natura sarcinii (rezistiv, inductiv, capacitiv), de regimul de lucru (durata relativ de conectare, frecvena de conectare) etc. Un arc electric este caracterizat prin parametrii electrici: tensiunea de ardere, intensitatea curentului, cderile de tensiune Uc, Ua, Ul i prin parametrii geometrici: lungimea arcului i diametrul coloanei. ntre parametrii electrici i cei geometrici se pot stabili anumite legturi. Una dintre aceste legturi este relaia lui Ayrton, care stabilete o dependen ntre tensiunea u, intensitatea i i lungimea l (a arcului electric), de tipul: b u = a + ia = + l (5.127) b = + l unde , , , sunt constante de material. Pentru cupru =30, =10, =10, =30

Cnd intensitatea curentului i este mare, n relaia lui Ayrton termenul care conine pe i la numitor se poate neglija i expresia (5.127) se reduce la: u = a = + l (5.128) Efectul de electrod const n divizarea arcului n n segmente (cu ajutorul unor plcue metalice), n scopul creterii de n ori a cderilor de tensiune la electrozi. Astfel, n cazul mpririi arcului n n segmente, condiia stingerii arcului este: n + l > u (5.129) unde u este tensiunea de ardere a arcului electric. Efectul de electrod nu este aplicat la stingerea arcului electric de curent continuu deoarece eficiena unei camere de stingere construit dup acest principiu este foarte redus. Stingerea arcului de curent continuu are loc prin lungirea arcului, ct i prin contactul lui cu pereii reci ai camerei de stingere. Efectul de electrod este frecvent utilizat la stingerea arcului electric de curent alternativ. n acest caz, stingerea arcului electric este urmat de trecerea natural prin zero a curentului, astfel nct tensiunea pe interval ntre dou plcue, necesar stingerii arcului este de circa 100-200 V. Numrul intervalelor de stingere se calculeaz innd seama de valoarea tensiunii de restabilire. Dispoziia plcilor metalice ntr-o camer de stingere cu efect de electrod este cea din figura 5.41. Plcuele sunt din oel zincat (pasivizat) i au forma literei V, pentru c, sub aciunea niei astfel formate, arcul s fie mpins n camera de stingere, spre a fi divizat. n consecin, prin crearea efectului de ni, eficiena camerei de stingere este mrit. Principiul efectului de electrod este aplicat n construcia camerelor de stingere de la contactoarele electromagnetice i de la ntreruptoarele de c.a. de joas tensiune. 12344321

Fig. 5.42 Stingerea arcului electric cu ajutorul suflajului magnetic 1-bobina de suflaj; 2-plcue metalice; 3-arcul electric; 4- elementele de contact mpingerea arcului electric n camera de stingere se poate face cu ajutorul suflajului magnetic, adic cu ajutorul unui cmp magnetic exterior B perpendicular pe direcia arcului creat de o bobin, parcurs chiar de curentul care trebuie ntrerupt - figura 5.42. n aceste condiii, arcul electric va fi supus aciunii forei electromagnetice care, lungindu-l, tinde s-l introduc n camera de stingere. Principiul suflajului magnetic este aplicat n construcia contactoarelor de curent continuu, de joas tensiune. Un arc electric care arde ntr-un gaz nu i menine coloana sub form cilindric deoarece piciorul arcului se gsete pe un material conductor, unde densitatea de curent este mare, iar coloana arcului se dezvolt ntr-un gaz, care este un mediu mai puin conductor. Ca urmare, diametrul coloanei n gaz va depi diametrul din dreptul electrozilor, iar arcul electric va prezenta o umflare n zona central. EjecieEjecieJBgraddvgraddtJBJBdvdtctgrad Fig. 5.43 Efectul Pinch - diametrul variabil

Aceast modificare de diametre, pe msur ce se trece la alt seciune transversal n coloana arcului electric, cauzeaz o asimetrie de cmp magnetic i de densitate de curent i, deci, o modificare a forei Lorentz fa de cazul modelului cilindric. n figura 5.43 s-a reprezentat schematic coloana de diametru variabil a plasmei care se afl n echilibru hidrodinamic. Pentru un punct oarecare situat la o anume distan fa de piciorul arcului, echilibrul electrodinamic este definit de relaia: dvJBgradpp (5.130) dt unde ( J B ) reprezint fora Lorentz, v- vectorul vitez, de care este antrenat plasma i d- densitatea. n axa coloanei B = 0. Deci fora Lorentz este nul, astfel c rmne: dvgradpd (5.131) dt ceea ce arat c presiunea scade de la electrod spre coloan, adic se obine o cdere de presiune n direcia axial, care este cauza fluxului de plasm de la electrod. Pe poriunea cilindric, n apropierea electrodului se poate considera coloana cilindric i masa plasmei imobil, adic este valabil relaia (5.25). Formarea curenilor de plasm are drept consecin eliminarea unei mase de plasm i, deci, deionizarea arcului electric. Sub acest aspect, n tehnica ntreruperii arcului electric se urmrete formarea de zone trangulate de arc electric. Aceast modificare de diametre, pe msur ce se trece la alt seciune transversal n coloana arcului, determin o asimetrie de cmp magnetic i de densitate de curent, adic o modificare a forelor Lorentz fa de cazul modelului cilindric. Efectul acestei asimetrii const n formarea de cureni de plasm ctre axa de simetrie transversal a arcului electric. n zona acestei axe, curenii de plasm provenind de la cei doi electrozi se izbesc i dau natere unei expulzri de plasm n planul de simetrie transversal.

Formarea curenilor de plasm are drept consecin eliminarea unei mase de plasm i, deci, deionizarea arcului. Sub acest aspect, n tehnica ntreruperii se urmrete formarea de zone strangulate de arc electric, figura 5.44.a, unde arcul 3 este strangulat de plcile izolante 1 i 2. Disimetria astfel format determin cureni de plasm dup direciile marcate cu sgeat. n figura 5.44.b arcul electric aprut ntre elementele de contact 1 i 2 este obligat s parcurg orificii practicate n perei ceramici izolani 3. Expulzarea de plasm, care are loc dup direcia sgeilor este nsoit de rcirea plasmei eliminate, n contact cu pereii ceramici reci. Echipamentele de comutaie la care se aplic principiul rcirii arcului electric n contact cu pereii reci sunt contactoarele i ntreruptoarele de curent continuu de joas i de medie tensiune. n realitate, temperatura scade, avnd valoarea maxim n axa coloanei. Odat cu ea se modific conductivitatea electric i conductivitatea termic. Se tie c n gaze conductivitatea depinde puternic de temperatur i determin starea coloanei arcului. De aceea, distribuia densitii de curent i a temperaturii arcului sunt foarte neuniforme - figura 5.45. n figura 5.45.a se indic repartiia temperaturii (T) i a densitii de curent (j) ntr-un plan transversal pe arc, iar n figura 5.45.b distribuia temperaturii ntr-un plan median pe arc. Coloana central fierbinte a arcului are o temperatur maxim care descrete rapid spre periferie, grania de existen a arcului electric corespunznd temperaturii de disociere a gazelor. n aparatele de comutaie se folosesc frecvent lichide de stingere, n special uleiul izolant. La deschiderea contactelor ntr-un mediu fluid, are loc, sub influena temperaturilor nalte din arcul electric, o rapid vaporizare i supranclzire a lichidului nconjurtor. 0 15000K4000KTjd3000K6000K9000K10000K11000K12000K

Fig 5.45 Repartitia temperaturii si a densitatii de curent Se obine o bul de gaz sub presiune figura 5.46, n care se poate deosebi o repartiie a temperaturilor n zone mai mult sau mai puin conturate. Capacitatea mai bun de rcire a arcului n lichide fa de aer se datorete conductivitii termice i cldurii specifice c, mult mai mari n ulei fa de aer. Aceasta justific utilizarea uleiului ca mediu de stingere la ntreruptoarele de nalt tensiune. Coloana arcului Temp. 10000-15000Knveli gazosCderea de temp. 500K

nveli cu gaz sub presiuneTemp. scade spre exteriorStrat de fluid la temp. de fierbereLichid cu temperatura mediului ambiant Fig 5.46 Repartitia temperaturilor la arcul electric dezvoltat n ulei n sfrit, n vid naintat, mediu care datorit rigiditii dielectrice mari este un mediu de stingere ideal, posibilitatea de ionizare este att de redus nct plasma, respectiv coloana arcului, n sens clasic, nu pot exista. Ca o observaie general se menioneaz c la trecerea prin coloana arcului ,curentul electric este format 9999,9% din electroni. Aceasta rezult i din ecuaiile densitii de curent n plasm (relaiile 5.7 i 5.8), care prin neglijarea densitii de curent de difuzie, devin: jjejie Ne veEN1 vi E (5.132) cunoscut fiind c la numr egal de sarcini Ne = Ni, viteza de deplasare a electronilor este mult mai mare dect cea a ionilor (ve vi). Principiul expandrii asociat cu jetul de lichid este folosit la stingerea arcului electric cu ajutorul unui mediu lichid, cum este uleiul mineral care are i bune proprieti electroizolante. Energia arcului este folosit parial la vaporizarea uleiului i, deci, la formarea unei presiuni de 30-100 bari n camera de stingere. Prin aceasta se realizeaz o conductivitate termic sporit, care permite transferul cldurii din coloana arcului electric ctre pereii camerei de stingere. n cazul curentului alternativ, intensitii maxime a curentului i corespunde o presiune local maxim, dup care, odat cu scderea curentului i presiunii, are loc o vaporizare. Acest proces de vaporizare este reluat de 2-3 ori, pn cnd presiunea n camera de stingere a crescut suficient pentru a determina stingerea arcului electric la trecerea prin zero a curentului. La intensiti mici ale curentului, cantitatea de gaze este insuficient pentru rcirea arcului electric i, de aceea, se creeaz un jet de lichid dirijat asupra arcului electric. Conductivitatea termic relativ redus a aerului atmosferic (din cauza coninutului mare de azot), ca i rigiditatea dielectric redus (20-30 kV/cm, n cmp omogen) sunt caracteristici care nu ofer posibilitatea obinerii de performane ridicate n cazul comutaiei curenilor inteni (la tensiuni nalte) n aerul atmosferic. Principiul vidului avansat n camerele de stingere mbin dou idei de baz: 1) rigiditate dielectric sporit la distane extrem de reduse ntre contacte i 2) dezvoltarea arcului electric n vapori metalici provenii din eroziunea fin a elementelor de contact. Arcul electric format la separarea elementelor de contact este o plasm de vapori metalici, care se dezvolt n vidul avansat. Procesele fizice n faa catodului rmn aceleai ca la orice arc electric. Caracteristic arcului electric n vid avansat este, difuzia extrem de rapid a vaporilor metalici i, deci, a plasmei care, n contact cu pereii reci ai unui ecran, se condenseaz i vidul este refcut. Toate echipamentele de comutaie n vid au tendina de a tia curentul din arcul electric care, astfel, nu se mai stinge la trecerea natural prin zero, ci mai devreme. Refacerea rigiditii dielectrice, dup o ntrerupere, se efectueaz extrem de rapid, datorit difuziei i condensrii vaporilor metalici. Realizarea echipamentelor de comutaie cu stingerea arcului electric n vid avansat a fost posibil prin progrese tehnologice n direcia realizrii de lipituri metalsticl, metal-ceramic i n direcia obinerii de noi materiale pentru contacte. La echipamentele cu comutaie n vid, pe lng condiiile normale pe care trebuie s le ndeplineasc un contact, se mai cere ca din el s se poat dezvolta, n prezena arcului electric, o cantitate suficient de vapori metalici, pentru a nu se produce taierea timpurie a curentului. Principiul vidului avansat se aplic n construcia ntreruptoarelor de medie tensiune. Stingerea arcului electric n contact cu granule din material refractar este un principiu utilizat n construcia siguranelor fuzibile. n aceste echipamente arcul electric apare dup topirea, provocat de trecerea curentului de scurtcircuit, a benzilor sau firelor aezate n mediu granulos (nisip de cuar). Transferul de cldur de la plasm la granulele de nisip se realizeaz prin conducie termic, arcul se rcete, sfrind prin a se stinge. Principalele cerine ce se impun pentru o stingere eficient a arcului electric sunt: energia degajat de arc s fie minim; ntreruperea s se realizeze ntr-un timp ct mai scurt i ntr-un volum ct mai redus; supratensiunile ce apar la ntrerupere s fie ct mai mici. ntruct stingerea natural, produs prin simpla alungire a arcului la deschiderea contactelor, nu satisface aceste cerine dect la tensiuni i cureni mici, aparatele electrice destinate a efectua comutaii sub sarcin sunt echipate cu dispozitive numite camere de stingere, n care se dezvolt i se stinge arcul electric. Camerele de stingere au rolul funcional de a rci intensiv arcul electric i de a crea instabilitate n arderea lui. Acest proces poate fi realizat prin folosirea unor principii de stingere a arcului electric, care imprim forma constructiv a camerei de stingere i uneori a aparatului de comutaie n ntregime. Utilizarea unui anumit principiu de stingere se stabilete n funcie de parametrii sarcinii, natura sarcinii ca i de regimul de lucru. n cele ce urmeaz, se vor prezenta principiile utilizate la stingerea arcului electric i principalele lor aplicaii, sub forma unor construcii de camere de stingere. Principiul de ion const n extragerea de cldur din coloana arcului, la contactul acestuia cu pereii reci. n prealabil, arcul electric este introdus n camera de stingere, pentru a lua contact cu pereii reci, cu ajutorul suflajului magnetic creat de o bobin parcurs de curentul din circuit. Prin separarea contactului mobil de cel fix, apare arcul electric care se dezvolt ntr-o zon de inducie magnetic B. Cmpul magnetic este produs de curentul i, care parcurge bobina de suflaj, avnd miezul de fier. Acest miez se prelungete cu piesele polare, n zona de apariie a arcului electric. Sub influena forei Lorenz, F = j x B , arcul electric este mpins n camera de stingere, se alungete ntre rampe (coarnele) i este obligat s intre ntre pereii reci ai plcii refractare, n contact cu care se deionizeaz. Stingerea arcului se mai poate realiza n camere cu fante nguste cu perei rezisteni la arc. n aceste camere arcul este atras prin suflaj magnetic n fanta ngust. Pe msur ce arcul intr n fant se micoreaz diametrul arcului i curentul scade. Pentru a asigura pe toat durata stingerii arcului atingerea lui cu pereii camerei, deschiderea fantei se va ngusta progresiv. Pereii camerei sunt executai din amot, steatit, azbociment etc. Aparatele de comutaie care funcioneaz dup principiul de ion asociat cu suflaj magnetic sunt n mod deosebit contactoarele i ntreruptoarele de curent continuu. Aplicaia acestui principiu poate fi urmrit la ntreruptoarele de tip Solenarc - figura 5.47. Stingerea arcului n acest aparat are loc prin alungirea lui n form de solenoid i rcirea lui n atingerea cu pereii reci. n figura 5.47 se prezint un ntreruptor de fabricaie Merlin - Gerin. La deschiderea ntreruptorului, arcul se formeaz ntre piesele de contact 1. n cazul deconectrii unui curent de scurtcircuit, efectul de bucl creeaz fore electrodinamice capabile s mping arcul ntre coarnele de arc 2. n cazul deconectrii unui curent nominal, arcul electric se stabilete ntre coarnele 2 sub influena aerului suflat de dispozitivul cu burduf 7. Trecerea arcului electric de pe coarnele 2 n ntrefierul 4 de la baza camerei de stingere se realizeaz cu ajutorul suflajului magnetic produs de bobinele 3. La partea inferioar a camerei de stingere, arcul electric ntlnete o serie de clrei 5, din plci de cupru, care ncalec fiecare plac refractar 8 a camerei de stingere. Picioarele fiecrui arc elementar se stabilesc pe aceti clrei, iar arcul este constrns s ia forma unei bucle (solenoid) n spaiul dintre dou plci refractare. n continuare, arcul constituit sub form de bucl este ntins sub aciunea cmpului magnetic propriu pn la stingerea lui n contact cu plcile refractare. Braul mobil continu s se roteasc spre dreapta, antreneaz cuitele auxiliare 6, care ies din contactele lor i separ vizibil contactele.

Fig. 5.47 Intreruptor Solenarc (Merlin-Gerin) Efectul de electrod const n divizarea arcului, prin intermediul unor plcue metalice, ntr-un numr de arce scurte independente i nseriate, fiecare caracterizate printr-o cdere de tensiune anodic, catodic i n coloana arcului. Pentru n segmente de arc, cderile de tensiune la electrozi cresc de n ori i, asociat cu alungirea i rcirea coloanei arcului, rezult o cdere de tensiune total ce nu poate fi asigurat de surs. Plcuele metalice utilizate la divizarea arcului pot fi din cupru sau oel zincat, situaie n care apare i efectul de ni, ce const din exercitarea unor fore suplimentare ce au tendina de a poziiona arcul spre interiorul niei, dnd natere unui traseu alungit i aducnd arcul n contact cu pereii reci. Efectul de electrod este frecvent utilizat la stingerea arcului electric de curent alternativ n ntreruptoare i contactoare de joas tensiune, deoarece dat fiind trecerea natural a curentului prin zero, tensiunea necesar reaprinderii poate lua valori mari. Numrul de intervale de stingere ntre plcuele metalice se calculeaz innd seama de valoarea tensiunii de restabilire. Dispunerea plcuelor metalice ntr-o camer de stingere cu efect de electrod este artat n figura 5.48.

Fig. 5.48 Realizarea principiului efectului de electrod n varianta a) plcile 3 sunt din oel zincat pasivizat i au form de V, pentru ca, sub aciunea efectului de ni, arcul s fie alungit, divizat i deionizat. Arcul electric iniial se stabilete ntre elementele de contact 1 i 2 i, n final, este divizat ntre plcuele metalice 3. n varianta b) nia camerei de stingere este multipl, obinndu-se o eficien sporit. n fig. 5.49 este prezentat o camer de stingere cu bare metalice. Arcul electric, extins ntre rampele 2 i 3, este divizat de barele 1. Introducerea arcului n camera de stingere se face cu ajutorul unui cmp magnetic auxiliar, care se stabilete ntre plcuele feromagnetice 4 i 5, pe baza efectului de ni. Un rol important n procesul de stingere al arcului electric l joac i masa relativ mare a plcilor sau barelor metalice care extrag cldura din arc (prin efect de ion).

Fig. 5.49 Camera de stingere cu bare metalice Acest principiu este folosit la stingerea arcului electric n mediu lichid, obinuit n ulei mineral, care nu conine oxigen i din aceast cauz arcul nu l poate aprinde. Coninutul n ap al uleiului este limitat la valori foarte sczute, pentru a-i asigura proprieti izolante corespunztoare. a) Stingerea arcului n ulei este mult mai eficient dect n aer, datorit rcirii mult mai intense i a rigiditii dielectrice mai ridicate. Energia arcului electric este folosit parial la evaporarea uleiului i, deci, la formarea unei presiuni de 30100 bari n camera de stingere. Prin aceasta se realizeaz o transmisivitate termic sporit i se poate extrage cldura din coloana arcului electric. n cazul curentului alternativ, intensitii maxime a curentului i corespunde o presiune local maxim, dup care, odat cu scderea curentului i a presiunii are loc o vaporizare (expandare) a unei noi cantiti de lichid. Principiul expandrii este folosit la ntreruptoarele cu ulei mult. La cele cu ulei puin, aplicarea doar a principiului expandrii nu este suficient pentru stingerea arcului i atunci camerele de stingere se construiesc astfel nct s dirijeze un jet de ulei asupra arcului. De regul acest jet de ulei este creat n procesul ntreruperii, fr o surs exterioar, aprnd sub forma unui autosuflaj transversal sau longitudinal, astfel nct energia necesar jetului este luat chiar de la arcul electric. O camer de stingere ce utilizeaz expandarea i suflajul longitudinal de ulei este prezentat n figura 5.50- n camera de stingere 4 se afl contactul fix principal 2 i contactul de arc 3, precum i tija mobil 5. La ndeprtarea contactului mobil i apariia arcului electric are loc descompunerea uleiului, gazele rezultante adunndu-se sub presiune n compartimentele (buzunarele) camerei de stingere, crend n timpul pauzei de arc un jet ce se mic n lungul traseului arcului.

Fig. 5.50 Principiul expandarii i al suflajului longitudinal La soluia constructiv din figura 5.50, gazele se deplaseaz prin eava 1 cu viteza vg, n sens contrar deplasrii tijei mobile, ce se face cu viteza Vt. Pentru a ntrerupe i cureni mici, la care energia arcului nu este suficient furnizrii unui jet puternic, ntreruptoarele se construiesc fie cu suflaj transversal, completat cu suflaj longitudinal (IO-15), fie cu suflaj longitudinal combinat cu suflaje realizate mecanic, cum ar fi soluiile cu piston diferenial (IUP-35) sau cu dispozitiv anticavitaional (IO-110). Din numeroasele f