AE-C3_1

SOLICITARI ALE AE DATORATE

COMUTATIEI AEC reprezint cea mai larg categorie de AE

Acestea trebuie s asigure conectarea i deconectarea n circuitele n care sunt incluse, n condiii normale de funcionare sau chiar n condiii de defect

La manevra de conectare, arcul electric se amorseaz, dac viteza de deplasare a contactelor mobile este prea mic.

Dac aceasta depete (0,5 1) [m/s] pentru AE de joas tensiune i respectiv (5 -10) [m/s] n cazul AE de nalt tensiune, arcul electric de conectare este evitat

Intervenia arcului electric la deconectare conduce la solicitri, n principal termice, la nivelul contactelor AE i al elementelor componente ale camerelor de stingere, dar i la solicitri dielectrice, datorate supratensiunilor de comutaie, ce intervin imediat dup stingerea arcului electric, regsite de fapt sub numele de tensiune tranzitorie de restabilire (TTR)

Amorsarea arcului electric de

comutaie Apariia arcului electric de comutaie n funcionarea AE cu

contacte intervine la deschiderea contactelor (deconectare)

Efecte: arderea pieselor de contact, n fapt nclziri excesive, posibila topire i deteriorare a acestora, uzura contactelor

Arcul electric de conectare, la nchiderea contactelor, se stinge repede (dac viteza de deplasare a contactelor mobile este suficient de mare), prin atingerea celor dou piese de contact

Este important eliminarea vibraiei pieselor de contact la

conectare, ce poate genera deteriorarea, lipirea sau sudarea lor

Cu privire la amorsarea arcului electric

de comutaie

Amorsarea arcului electric la deconectarea circuitelor se poate explica apelnd la modelul simplu al unui circuit R L de curent continuu, alimentat

de la o surs de tensiune U, n care contactul K al unui AEC se deschide


de comutaie

Evoluia n timp la deconectare a rezistenei contactului K, r(t), curba reala:

Evolutia rezistentei contactului, r(t), curba ideala (treapta):

r(t) = 0 pentru t < 0

r(t) = rmax pentru t = 0

r(t) = rmax pentru t > 0

rmax = m R , m >> 1

0

0ttrtr


de comutaie

Ecuaia care descrie comportarea circuitului la deconectare

i admite soluia

RUI0i,UtitrR

dt

tdiL n

1mR

LT,em11mR

Uti Tt


de comutaie

Valorile constantei de timp a circuitului, T, sunt mult mai mici dect valoarea (L / R), pe durata regimului tranzitoriu de deconectare (m tinde practic la

infinit), ceea ce indic o evoluie foarte rapid scztoare n timp a curentului i(t)

cderea de tensiune pe contactul K al AEC n primul moment al desprinderii

pieselor de contact, UK(0), rezult :

UK(0) = rmax i(0) = m U >> U intensitatea cmpului electric dintre piesele metalice de contact situate la

distana d, E(0), va fi peste valoarea de autoemisie electronica:

d

)0(U)0(E K


de comutaie

deoarece distana d este initial practic nul, E(0) poate depi limita de [V/cm], se manifest spontan fenomenul de autoemisie electronic

Purttorii de sarcin, (pereche), ce apar ntre piesele de contact, n deplasarea lor orientat sub aciunea cmpului electric, asigur amorsarea unei descrcri de tip scnteie electric

Prin bombardarea catodului, de ctre ionii pozitivi din descrcarea iniial, temperatura acestuia crete (local) foarte mult, putnd depi final 20000 K, n zona ce va fi numit pat catodic , astfel nct n aceast zon se manifest spontan fenomene de autoemisie termic

Dac puterea sursei de alimentare a circuitului este destul de mare, se produce transformarea scnteii electrice iniiale n descrcare de tip arc

electric, (plasm termic), aceast evoluie avnd loc n 1 [ns]

7103


de comutaie

Scnteia electric este deci o descrcare de scurt durat, instabil, de form arborescent, de culoare alb-violet, caracterizat prin valori mici ale curentului ce o parcurge i ale densitii de curent, dar prin valori relativ mari ale tensiunii dintre piesele de contact

Arcul electric este o descrcare de lung durat, stabil (autonom), sub

forma de coloan, de culoare alb-glbui, caracterizat prin valori mari ale curentului i mai ales ale densitii de curent, dar prin valori relativ reduse ale tensiunii dintre piesele de contact, doar de (20-30) [V].

Semnalam descrcrile electrice de tip plasm rece, ce genereaz specii active, capabile s ntrein reacii electrochimice de degradare a poluanilor, n absena catalizatorilor chimici

Fenomene de ionizare n coloana de arc electric. Factori de influen

Arcul electric reprezint un continuu echilibru dinamic ntre fenomenele de ionizare i cele de deionizare ce decurg concomitent n coloana de arc

In functie de aceste fenomene arcul electric are tendinta de a se dezvolta,

de a se stinge sau de a se mentine stationar

Fenomenele de ionizare din coloana de arc pot fi :

Ionizare prin autoemisie electronic i/sau termic ;

Ionizare prin ciocniri ;

ionizare termic

Fenomene de ionizare prin autoemisie

In etapa iniial, de amorsare a arcului electric, intervin n principal fenomenele de ionizare prin autoemisie electronic i/sau termic, respectiv fenomenele de ionizare prin ciocniri, n timp ce arderea stabil a arcului electric are la baz fenomenele de ionizare termic

Fenomenele de ionizare prin autoemisie electronic intervin de obicei n primul moment dup desprinderea pieselor de contact la deconectarea AE, cnd intensitatea cmpului electric este suficient de mare

densitatea de curent de autoemisie electronic putndu-se evalua cu

ajutorul rela:

Eab

22ae eEaAJ

Fenomene de ionizare prin autoemisie

Intensitatea fenomenelor de ionizare prin autoemisie electronic se

diminueaz pe msur ce distana dintre piesele de contact crete

temperatura la nivelul catodului, bombardat de ionii pozitivi din descrcarea iniial, creste si se manifest fenomene de ionizare prin autoemisie termic

densitatea de curent corespunztoare putnd fi evaluat cu ajutorul relaiei

contribuia total a fenomenelor de autoemisie n dezvoltarea arcului

electric, Ja, este dat de relaia lui Richardson

Tb

2at eTAJ

EaTb

2a eEaTAJ

Fenomenele de ionizare prin ciocniri Sub aciunea forelor electrostatice, pe seama cmpului electric E produs de

tensiunea de alimentare U dintre piesele de contact, situate la distana d, purttorii de sarcin (vom comenta mai ales contribuia electronilor), avnd

sarcina electronului, e i masa m, vor dobndi acceleraia a :

a = F/m , F = e E , E = U/d

deci, dup un timp dobndesc viteza

v = a

deci energia cinetic

Dac aceast valoare a energiei cinetice depete valoarea energiei de

ionizare, Wi : Wi = e Ui , deci pentru viteze:

2

vmW

2

c

dmUe2

mEe2

mUe2v iii

Fenomenele de ionizare prin ciocniri

. Pentru a evidenia mai clar influena diferiilor factori asupra fenomenelor de ionizare prin ciocniri vom accepta ca n mediul gazos dintre piesele de contact drumul mediu liber al electronilor, e este comparabil cu drumul mediu liber necesar pentru a realiza

ionizarea, i, i innd seama c pentru un gaz oarecare, la

presiunea p : e p = C = const.

Rezulta: (a se considera purtatorii de sarcina liberi!!!/cmc)

dpmCUe2v

Fenomene de ionizare termic

Asemenea fenomene intervin atunci cnd, dup amorsarea descrcrii, temperatura absolut a gazului n zona de descrcare, T, n fapt o msur a energiei cinetice de agitaie termic a particulelor de gaz aa cum indic relaia

gradul de ionizare :

Tk23

2

vm 2

N

N

0

3T

U11600

5,2

2

2

10eT8,3151

p i

Fenomene de ionizare termic- Influente Influenta naturii gazului si a presiunii

Fenomene de ionizare termic- Influente

valorile densitii de curent corespunztoare fenomenelor de ionizare termic, Jt, sunt n concordan cu valorile obinuite ale densitii de curent n coloana de arc, Jarc= (10^4 10^5) [A/mm2], i se pot evalua cu relaia

n care reprezint gradul de ionizare, N1- numrul de particule ce se gsesc ntr-un cm3 de gaz la temperatura T, b - mobilitatea purttorilor de sarcin iar q - sarcina electric a acestora, celelalte mrimi pstrnd semnificaiile definite anterior, cu presiunea p exprimat n [Pascal]

Tp

1005,7b,qbENJJ e41arct

Fenomene de deionizare n coloana de arc

Fenomenele de deionizare n coloana de arc electric de comutaie decurg

prin recombinare sau prin difuzie Fenomenele de deionizare prin recombinare au loc prin neutralizarea a

dou particule cu sarcini electrice diferite, rezultnd o particul neutr i eliberndu-se energia primit la ionizare. Datorit mobilitii diferite a ionilor pozitivi, mai leni dect cei negativi (electroni), ciocnirea direct cu recombinare a acestora este puin probabil, acest fenomen de recombinare decurgnd prin ataarea unui electron la o particul neutr, dup care, aceasta deplasndu-se cu viteza comparabil cu aceea a ionilor pozitivi, intervine practic recombinarea, ce genereaz dou particule neutre i elibereaz energia absorbit la ionizare

Fenomenele de recombinare decurg bipolar, cu viteza de scdere a densitii purttorilor de sarcin data de relatia:

nn

dtdn

dtdn

Fenomene de deionizare n coloana de arc

Deoarece numarul purtatorilor de sarcina pozitivi si negativi este acelasi

si cu condiia iniial n(0) = n0, rezulta soluia

Dac numrul de particule ionizate pe unitatea de lungime a arcului electric

de diametru d este N0, se pot scrie succesiv relaiile (camere nguste STIS !)

2ndt

dn

tn1

ntn0

0

20

2022

2

0d

N4

dtdn,

dN4n,n

4

dN

Fenomene de deionizare n coloana de arc Fenomenele de deionizare prin difuzie constau n deplasarea perechilor de

purttori de sarcin ctre exteriorul coloanei de arc, unde are loc

recombinarea acestora cu eliberarea energiei absorbite la ionizare

Aceast deplasare decurge dup o direcie perpendicular pe direcia coloanei de arc electric i se explic, considernd interiorul camerei de stingere ca un sistem termodinamic caracterizat prin existena unui important gradient de temperatur, de concentraie a sarcinilor electrice sau de cmp electric, orientate mereu transversal fa de coloana de arc electric

Viteza de deionizare prin difuzie poate fi descris cu ajutorul relaiei

3vD,

rnD2

dtdn e

2

Fenomene de deionizare prin difuzie Pentru a stimula fenomenele de deionizare prin difuzie se impune a evita

formarea norului spaial de sarcini electrice pozitive, mai puin mobile, n vecintatea coloanei de arc.

n acest scop se acioneaz asupra coloanei de arc electric, prin suflaj cu fluide, ce poate fi transversal, longitudinal sau mixt, care favorizeaz deci stingerea arcului electric la deconectare

O soluie dual o reprezint utilizarea suflajului magnetic n construcia camerelor de stingere ale AEC, ce asigur deplasarea coloanei de arc electric de comutaie ctre zone neionizate, i acest efect cumulat cu alungirea mecanic a coloanei de arc faciliteaz ntreruperea circuitelor

De remarcat faptul c aceiasi factori influeneaz att fenomenele de deionizare ca si fenomenele de ionizare, (temperatur, presiune, intensitatea cmpului electric, raza coloanei de arc),

Deci intervenia asupra unuia dintre aceti factori favorizeaz stingerea arcului electric n camerele de stingere ale AEC att prin scderea intensitii fenomenelor de ionizare ct i prin creterea intensitii

fenomenelor de deionizare

Arcul electric de comutaie ca descrcare autonom.

Curbele lui Paschen

Manifestarea arcului electric de comutaie ca descrcare autonom nseamn meninerea acestei descrcri electrice chiar dac fenomenele de ionizare iniiale ce stau la baza amorsrii acesteia nceteaz

Considerm de exemplu un electron ce se deplaseaz ntre piesele de contact, situate la distana d, care n prezenta cmpului electric se manifest

ca un catod , (K), respectiv ca un anod, (A),

Cu privire la arcul electric ca descrcare autonom

Corespunztor modelului lui Townsend, un electron situat la distana x de catod, n deplasarea sa ctre anod, pe distana dx, produce ionizri, unde reprezint numrul de ionizri produse de un electron n deplasarea sa

ctre anod, pe unitatea de lungime

Numrul de noi perechi de purttori de sarcin (electroni) ce sunt produi

astfel, pentru n electroni existeni ntre piesele de contact, dn, va fi :

dn = n dx , n(0) = n0

astfel nct rezulta succesiv:

x0 enxn d0 endn

Cu privire la arcul electric ca

descrcare autonom Fenomene similare de ionizare prin ciocniri au loc i datorit ionilor pozitivi

n deplasarea lor ctre catod, a cror intervenie e caracterizat de numrul de ciocniri cu ionizare pe unitatea de lungime a deplasrii lor, , dar valorile


descrcare autonom Pentru descrcarea electric sub form de arc electric s se stabilizeze, la

un numr iniial de electroni, n0, i pentru un numr n* de electroni nou produi, se poate scrie o ecuaie de bilan al numrului de electroni:

astfel nct numrul de electroni n regim staionar, n*, va fi:

iar n vecintatea anodului numrul de electroni devine n1:

1ennn d*0*

1e1nn

d0*

1e1en

ennd

d0

d*1


descrcare autonom Densitatea de curent a descrcrii de tip arc electric, Ja, va fi desigur

proporional cu numrul de electroni, n1 :

iar arcul electric de comutaie se comport ca o descrcare autonom dac manifestarea sa continu, Ja cu valori nenule, chiar la ncetarea

fenomenelor iniiale de ionizare, J0=0, deci dac este satisfcut condiia:

1e1e

JJd

d

0a

11lnd1sau01e1 d

Curbele lui Paschen

Aceast condiie poate fi utilizat pentru a deduce relaia lui Paschen referitoare la valorile tensiunii care asigur manifestarea autonom a descrcrii de tip arc electric de comutaie, procednd astfel:

pentru o valoare e a drumului mediu liber al electronilor, numrul de ciocniri posibile pentru deplasarea acestora pe unitatea de lungime a parcursului

dintre piesele de contact este nc:

nc = 1 / e

probabilitatea de a realiza o ciocnire cu ionizare, Pi, este:

numrul ciocnirilor cu ionizare pe unitatea de lungime a deplasrii

electronului, y, rezult:

ei

i eP

ei

eic e1Pny

Curbele lui Paschen

Aceasta corespunde n fapt definiiei coeficientului , astfel nct se scrie:

Tinnd seama de relaiile

e p = C= const. , Ui = iE , E =U / d ,

se obine expresia curbelor lui Paschen:

11ln

d1e1sauy i

e

e

11lnC

dpln

dp

CUU i

Curbele lui Paschen

tensiunea de alimentare limit pentru care descrcarea de tip arc electric de

comutaie se manifest ca descrcare autonom, depinde de (pd):

Curbele lui Paschen Se constat c aceste curbe U(pd) prezint un minim, la

Umin si (pd)min:

Examinnd aceste curbe se pot defini trei zone distincte :

o prim zon, sub curbele lui Paschen, pentru valori (pd) inferioare valorii de minim, ce corespunde AEC ce funcioneaz la presiune sczut, eventual celor cu comutaie n vid ;

o a doua zon, tot sub curbele lui Paschen, dar pentru valori (pd) superioare valorii (pd)min, ce corespunde realizrii AEC cu fluid sub presiune, (chiar pe seama energiei disipate de arcul electric), sau AEC cu aer comprimat ;

o a treia zon, deasupra curbelor lui Paschen, ce corespunde situaiilor n care se dorete utilizarea arcului electric ca descrcare autonom, cum este cazul cuptoarelor electrice cu arc utilizate n siderurgie ; (similar pentru plasma rece)

11lnUeU imin

11lneCdp min

Ardere stabil i ardere instabil a

arcului electric de comutaie

Pentru ca AEC s asigure deconectarea circuitelor n care sunt incluse, se impune evitarea condiiilor de manifestare a arcului electric ca descrcare autonom, prin favorizarea fenomenelor de deionizare

Valori limit ale curentului pentru arderea arcului electric sunt cu att mai mici cu ct tensiunea este mai mare:

1,3 [A] la 50 [V] si respectiv 0,5 [A] la 220 [V] pentru cupru

1 [A] la 50 [V] si respectiv 0,25 [A] la 220 [V] pentru argint 5 [A] la 50 [V] si respectiv 0,1 [A] la 220 [V] pentru carbon

Procesele ce au loc difer n cazul AE de curent continuu fa de AE de curent alternativ, dar sunt influenate i de natura circuitului de deconectat

Ardere stabil i instabil a arcului electric

de curent continuu n circuite pur rezistive Se consider un circuit pur rezistiv, pentru care deconectarea se realizeaz

prin deschiderea contactului K al AEC

Ecuatia circuitului este de forma: U = R I + Ua(I)

Ardere stabil i instabil a arcului electric de curent continuu n circuite pur rezistive

Daca se accepta relaia propus de Ayrton, se obtine:

U = R I + + = f(I)

I

Conditii critice de stingere a arcului

de comutatie n circuite pur rezistive de cc

Dac se evalueaz puterea disipat de arcul electric corespunztoare

arderii critice a acestuia, Pa cr

i se ine seama de condiia de ardere critic, se constat c se poate scrie

o relaie de forma:

cracra

crcrcracracra I

IldblcaIUP

RP U

2

s ,P25,0

R4

UP S

2

acr

Lungimea critica a arcului de comutatie

n circuite pur rezistive de cc

Arderea critic a arcului electric de comutaie n circuite pur rezistive de curent continuu poate fi abordat i considernd aproximarea caracteristicii volt amper a arcului electric corespunztoare modelului cilindric

ceea ce conduce la:

nICIRU

n

n

II

I1

C

U

R

UIn



Considernd condiia de ardere critic a arcului electric, scrisa sub forma :

rezult :

i deci:

0dI

dl

ncra I1n

nI

nacr I3

1I

nn1n

n

cr I1n

n

CUl



Menionm faptul c lungimea critic a arcului electric de comutaie este important pentru construcia AEC, permind definirea nlimii H a camerei

de stingere, pentru o distan c dintre piesele de contact n poziia deschis

2c

2crl

31H

Ardere stabil i instabil a arcului electric de comutaie n circuite inductive reale de

curent continuu Se consider circuitul inductiv real, (R L), de cc, a crui comportare pe

durata procesului tranzitoriu de deconectare, realizat prin deschiderea

contactului K al unui AEC, este descris de ecuaia :

UiUiRdtdiL a

R

UI)0(i n

Evoluia n timp a curentului la deconectarea circuitelor R-L de c.c.

pentru aproximarea tensiunii de arc electric, Ua(i), se accept relaia propus de Ayrton i se neglijeaz termenul (/i), ceea ce nu compromite calitativ concluziile, se obine:

ecuaie diferenial ce admite soluia :

unde s-a considerat:

tvcaUiRdtdiL

tRvce1

RaT

Rvc

RUti T

t

R

LT,I)0(i n

Ardere critica a arcului electric n circuite R-L de cc

Valorile curentului de deconectare, i(t), devin nule dup durata de ardere a arcului electric, ta L-R, care este mai mare n cazul circuitelor inductive reale de curent continuu dect n cazul circuitelor pur rezistive, practic suma ntre timpul de arc pentru circuite pur rezistive i constanta de timp a circuitului inductiv real, T: taR-L = taR + T > taR

Pentru o vitez dat a contactelor mobile ale AEC, se vor obine lungimi critice mai mari n cazul arcului electric de comutaie pentru circuitele inductive reale fa de circuitele pur rezistive, afirmaie confirmat dac se evalueaz energia

disipat de coloana de arc electric la deconectare, Wa :

Ardere critica a arcului electric n circuite R-L de cc

considernd ecuaia circuitului considerat, i multiplicnd-o cu idt,

rezult dup integrarea pe durata de ardere a arcului electric, ta L-R

respectiv :

Wa = Ws + Wmagn stingerea arcului electric n circuitele inductive reale de curent

continuu decurge mai dificil dect n circuitele pur rezistive, i este nsoit de supratensiuni la bornele AEC

UK(ta L-R) = U + > U

RLat

0a

0

kI

RLat

0

2 dtiUdiiLdtiRiU

dtdiL

Ardere stabil i instabil a arcului electric n circuite R-L de cc

Se scrie ecuaia ce descrie comportarea unor asemenea circuite n prezena arcului electric, sub forma echivalent :

(U R i) Ua(i) = L dt

di

Punctele de intersecie dintre (U-Ri) si

Ua(i) corespund unor valori 0dt

di

deci arderii arcului electric n regim staionar

Se foloseste metoda micilor perturbatii,

a lui Poincar, pentru analiza stabilitatii arcului electric

Particulariti legate de stingerea arcului electric

de curent alternativ

n ceea ce privete stingerea arcului electric de curent alternativ intervin particulariti specifice, datorate evoluiei armonice a tensiunii de alimentare a circuitului, ce asigur treceri naturale prin zero ale curentului din coloana de arc pentru fiecare semiperioad (10 ms), deci momente de ardere critic ale acestuia, urmate de reamorsarea pentru semiperioada urmtoare a tensiunii de alimentare

Atunci cnd aceast reamorsare nu mai este posibil, fie datorit creterii lungimii coloanei de arc (pentru AEC de joas tensiune), fie datorit unor intense fenomene de deionizare asociate trecerii naturale prin zero a

valorilor curentului de arc (pentru AEC de nalt tensiune de obicei), se obine firesc stingerea arcului electric de comutaie i deci deconectarea

circuitului

Particulariti legate de stingerea arcului electric de curent alternativ n circuite

pur rezistive n cazul unui circuit pur rezistiv, de rezisten R, alimentat de la o surs de

tensiune alternativ, u(t), de valoare efectiva U, de pulsaie i de faz iniial

ecuaia care-i descrie comportarea la deconectare, este:

u(t) = R i + ua(i) ce se poate scrie sub forma, daca se considera relatia lui Ayrton:

cu solutia:

tsinU2)t(u

0

Rtvdbi

R2

tvcatsinU22i2

Rdvtb

R2

cvta)tsin(U2[

R2

cvta)tsin(U2]2

Particulariti legate de stingerea arcului electric de curent alternativ n circuite

pur rezistive Se constat c exist mai multe momente,

tk, de ardere critic a arcului electric de

comutaie, ce reprezint soluii ale ecuaiei

Tensiunea de arc se poate accepta

n prim aproximaie dat de relaia :

ua(t) = E vt

0R

dvb

r2

cva)sin(U2[ t]tt k

2kk


n circuite pur rezistive de ca

Pentru circuite pur inductive de curent alternativ, de reactan X, ecuaia ce descrie procesul de deconectare cu arc electric se poate scrie:

pentru rezultnd:

deci curentul corespunztor arderii critice a arcului electric, ca soluie a

ecuaiei

)i(uIXU 2a222

n2

2

n

2

iI

i1

C

U

a

a iC)i(u

0di

)i(d

1n

nIi ncr

Evoluia n timp a curentului de deconectare : sarcina inductiv i capacitiv

deconectarea circuitelor inductive reale

de ca are loc naintea trecerii

naturale prin zero a curentului, n timp ce

pentru circuite capacitive reale de ca

deconectarea intervine dup trecerea

naturala prin zero a curentului ce parcurge

coloana de arc, ceea ce n anumite situaii

poate conduce la deteriorarea izolaiei

condensatoarelor

AE-C3_1

Documents

Transcript of AE-C3_1