71

III.4.2 Aparate de protecție împotriva curenților de defect

A. Fuzibilul Fuzibilul este un aparat electric care, montat în circuit, are rolul de a asigura protecția

contra curenților de defect (scurt circuit și suprasarcină sau scurt circuit). Principiul de funcționare constă în topirea controlată a unui fir fuzibil, la trecerea

unui curent superior unei valori date (valoarea curentului nominal al circuitului) ce corespunde unei durate de timp.

Fuzibilul se realizează la ora actuală în mai multe variante constructive: • patron cu fuzibil; • cartuș cu corp ceramic; • cartuș cu corp din sticlă.

În figura 3.12 este prezentat patronul cu fuzibil (figura 3.12 a), soclul (figura 3.12b) prevăzut cu filet și capac de protecție (figura 3.12 c). Soluția este clasică, se regăsește încă în tablourile vechi, încă se produc și se comercializează, fiind o soluție ieftină.

a) b) c)

Figura 3.12 Siguranță fuzibilă cu patron (a), soclu (b) pentru fixarea în tabloul electric și capac cu filet Figura 3.13 Secțiune prin fuzibil: 1- corp ceramic; 2 – nisip de cuarț; 3, 4-elemente de contact; 5) inel de contact; 6) – fir fuzibil; 7- indicator

În interiorul fuzibilului ( patron cu fuzibil sau cartuș cu corp ceramic) cu corpul din

ceramică se găsește firul fuzibil alături de un fir indicator, ambele fiind pozate în nisipul de

72

cuarț al circuitului. Atunci când valoarea curentului prin circuit depășește valoarea de calcul, elementul fuzibil se topește după o anumită perioadă de timp, întrerupând astfel alimentarea cu energie electrică a receptorului electric alimentat pe circuitul electric unde a apărut curentul de defect.

Nisipul de cuarț are rolul de a stinge arcul electric care se formează la topirea firului fuzibil.

După remedierea defectului, fuzibilul se înlocuiește cu unul având aceleași caracteristici tehnice, cel vechi nemaifiind utilizabil.

În același timp cu elementul fuzibil se topește și firul indicator, indicatorul (7) al fuzibilului desprizându-se de acesta ceea ce indică topirea elementului fuzibil, deci necesitatea înlocuirii lui.

Patronul se montează în soclu (figura 3.12c) fixarea acestuia în soclu făcându-se cu ajutorul unui capac ce se înfiletează pe soclu. În variantă mai nouă, elementul fuzibil se află în interiorul unui cartuș cu corp ceramic (figura 3.14) având aceeași structură ca și a patronului cu fuzibil, cartușul montându-se în aparate electrice denumite separatoare cu fuzibil, realizate în forme constructive diferite (figura 3.15). Prin intermediul acestora, elementul fuzibil este montat în circuitul electric (sau coloana electrică) fiind parcurs, ca și în primul caz, de curentul nominal al circuitului. În momentul apariției unui curent de defect, elementul fuzibil se topește fiind înlocuit cartușul. În figura 3.15 sunt prezentate câteva tipuri de separatoare cu fuzibil. Separatoarele cu fuzibil prezintă avantajul că permit separarea vizibilă a părții din rețea care rămâne sub tensiune.

Figura 3.14 Cartușe cu corp ceramic pentru montat în separatoare de sarcină

Figura 3.15 Separatoare cu fuzibile

73

Reprezentarea simbolică a unui separator echipat cu cartușe fuzibile se face ca în figura 3.16, în funcție de numărul de poli. Pentru situații în care este nevoie de o capacitate mai mare de rupere se folosesc fuzibile cu mare putere de rupere MPR care au o construcție specială, prezentate în figura 3.17. . a) b) c) d)

Figura 3.16 Simboluri fuzibil: a) siguranțe fuzibile - reprezentare în scheme monofilare; b) siguranțe fuzibile -

reprezentare în scheme multifilare; c) separator cu fuzibil - reprezentare în scheme monofilare; d) separator cu fuzibil - reprezentare în scheme multifilare;

a) b)

Figura 3.17 Siguranță cu mare putere de rupere, MPR a) element fuzibil b) suport pentru montare element fuzibil

74

Figura 3.18 Structura interioară a elementului fuzibil al siguranțelor cu mare putere de rupere, MPR

În funcție de domeniul de utilizare, cartușele fuzibile se clasifică în:

• cartușe fuzibile tip gG-gL utilizate pentru instalații casnice sau similare, pentru uz general);

• cartușe fuzibile gM sau aM utilizate pentru aplicații industriale (pentru circuite în care apar vârfuri ale intensității curenților din circuit, de exemplu cazul motoarelor electrice).

Siguranțele gG-gL sunt construite astfel încât, pentru o dimensionare

corespunzătoare, să se asigure atât protecția la scurt circuit cât și protecția la suprasarcină. Siguranțele tip gM și aM asigură protecția numai la scurt circuit, sunt utilizate în

circuite de motor și trebuie asociate întotdeauna cu relee termice pentru a se asigura astfel și protecția la suprasarcină. Elementul fuzibil având o anumită secțiune este caracterizat de un curent nominal fI

.

Siguranțele fuzibile tipul gG și gM sunt caracterizate de: • curentul convențional de nonfuziune (curent limită inferior)

fnI acesta reprezentând

valoarea curentului pe care elementul fuzibil poate să-l suporte un timp specificat, fără să se topească;

• curentul convențional de fuziune (curent limită superior) 2I este valoarea de curent care va produce topirea elementului fuzibil înainte de scurgerea unui timp specificat (ex: o oră).

În tabelul nr. 3. 2 sunt precizate valorile curenților convenționali de nonfuziune și de fuziune pentru fuzibilele tip gG și gM.

Tabel nr. 3.2 Tip fuzibil Curent nominal

fuzibil fI

Curent convențional de nonfuziune

fnI

Curent convențional de fuziune 2I

Timpul convențional

][h

1 2 3 4 5 gG, gM AI f 4≤ 1,5 fI⋅ 2,1 fI⋅ 1

AI f 164 ≤< 1,5 fI⋅ 1,9 fI⋅ 1

AI f 6316 ≤< 1,25 fI⋅ 1,6 fI⋅ 1

AI f 16063 ≤< 1,25 fI⋅ 1,6 fI⋅ 2

AI f 400160 ≤< 1,25 fI⋅ 1,6 fI⋅ 3

AI n 400> 1,25 fI⋅ 1,6 fI⋅ 4

75

Gama fuzibilelor gL-gG este de: 2A, 4A, 6A, 10A, 16A, 20A, 25A, 32A, 35A, 40A, 50A, 63A, 80A, 100A; 125A, 160A, 200A, 250A, 315A, 400A, 500A, 630A, 800A. Principalelele caracteristicile tehnice ale separatoarelor cu fuzibil sunt:

• tensiunea nominală ][VU e;

• curent nominal ][VI f;

• tensiunea nominală de izolație ][VU i;

• frecvența ][Hz ;

• capacitate de rupere ][kA .

B. Releul electromagnetic

Releul electromagnetic este un aparat electric care are rolul de a proteja la curenți de scurt circuit. În figura 3.20 este reprezentată schema de principiu a acestui aparat. El are în structura sa un miez magnetic (1) pe care este înfășurată o bobină (2) ce este parcursă de curentul nominal al circuitului, curent ce trebuie supravegheat. Armătura (3) este ținută în poziția depărtată de o forță elastică

rF produsă de resortul (4) . Atunci când prin circuitul electric valoarea curentului nominal este depășită (valoarea curentului prin bobină crește), asupra armăturii se exercită o forță electromagnetică

emF care

va modifica poziția acesteia deschizând totodată contactele normal închise NÎ (6) și închizând contactele normal deschise ND (5). Prin deschiderea contactului NÎ se comandă întreruperea alimentării cu energie electrică a receptorului electric în al cărui circuit de alimentare a apărut un defect, iar prin închiderea contactului ND se semnalizează apariția defectului.

Figura 3.20 Schema de principiu releului electromagnetic; 1- miez magnetic; 2- bobină; 3 - armătură; 4 - resort elastic; 5 - contact normal deschis ND; 6-contact normal închis-NÎ

76

Figura 3.21 Releul electromagnetic. Simbol utilizat în schemele electrice

Deoarece releul electromagnetic nu este prevăzut cu cameră de stingere a arcului electric, nu se realizează ca aparat electric individual, acesta fiind montat în structura altor aparate electrice prevăzute cu cameră de stingere a arcului electric, de exemplu în structura unui întreruptor automat.

C. Releul termic

Releul termic este un aparat electric care are rolul de a proteja la apariția unui curent de suprasarcină.

În figura 3.22 este prezentată schema de principiu a releului termic. Acesta are în structura sa un bimetal (1) realizat din metale având coeficienți de dilatare termică diferiți. La trecerea prin circuitul electric al unui curent mai mare decât curentul pe care îl supraveghezează , bimetalul se încălzește. Încălzirea bimetalului se poate face:

- direct, dacă bimetalul este parcurs de curentul electric supravegheat; - indirect, dacă încălzirea bimetalului se face prin conducție sau radiație, acasta fiind

rezultată în urma parcurgerii unui alt element rezistiv de către curentul electric supravegheat; - semidirect sau mixt, în condițiile în care bimetalul este încălzit simultan, prin

procedeele amintite mai sus; bimetalul este legat în serie sau în paralel cu elementul rezistiv. - cu reductor de curent; se adoptă această metodă în cazul circuitelor electrice parcurse

de curenți electrici de intensitate mare. Bimetalul se leagă în secundarul transformatorului. La încălzire, bimetalul sau dispozitivul compus din trei bimetale (în cazul circuitelor

trifazate), se curbează acționând tija mobilă (3), contactul normal închis NÎ (4) se deschide comandând înteruperea alimentării cu energie electrică a receptorului electric alimentat și se închide contactul normal deschis ND (5) care semnalizează apariția defectului.

În figura 3.23 sunt reprezentate simbolurile utilizate pentru releul termic în schemele monofilare şi în schemele multifilare.

Figura 3.22 Schema de principiu a releului termic 1- bimetal; 2- element de prindere fix; 3-tijă mobilă; 4-

contact normal închis; 5-contact normal deschis; 6- resort elastic; 7-element pentru reanclanșarea releului termic;

77

a) b)

Figura 3.23 Releul termic. Simbol utilizat în schemele electrice: a) în scheme multifilare; b) în scheme

monofilare

Figura 3.24 Releului termic Caracteristicile principale ale releelor termice:

- curentul nominal, ][AI nRT ;

- curentul de serviciu ][AI s ;

- curentul de reglaj, ][ AIthr

;

- curentul fuzibilului maxim admis, ][AI fRT ;

- tensiunea nominală,

][VU e ;

- temperatura de funcționare ][ CT o ; - protecția la mersul în două faze.

D. Releul electronic

Releele electronice sunt utilizate, de asemenea, pentru protecția motoarelor la curenți

de suprasarcină. Acestea realizează protecția prin sesizarea indirectă a temperaturii prin intermediul curentului care se transmite pe cele trei conductoare de fază ale circuitului electric supravegheat sau prin sesizarea directă a temperaturii în motor cu ajutorul termistoarelor.

Sesizarea indirectă a temperaturii se face prin intermediul unor “senzori cu trecere” sau „senzori cu cordon” care se montează pe conductoarele circuitului electric. În cazul sesizării unei supratemperaturi, semnalul transmis unui dispozitiv de declanșare va avea ca efect deschiderea circuitului electric (de exemplu, se va deschide un contactor) care alimentează cu energie electrică un receptor.

Releele electronice permit reglarea curentului de supravegheat într-o plajă mult mai largă, aproximativ ( )

DnI1.......4,0 . Aceste relee se găsesc, de regulă, în componența

întreruptoarelor automate.

78

E. Întreruptorul automat sau disjunctorul

Întreruptorul automat sau disjunctorul este un aparat electric care are rol de protecție la curenți de defect (scurt circuit și suprasarcină), având totodată funcția de comandă și separare.

a) b) c) d)

f) Figura 3.25 Întreruptoare automate modulare: a) 1P, b) 2P, c) 3P+N; d) 3P+N, f)

4P. Pentru a asigura protecția la curenți de scurt circuit, întreruptoarele automate sunt

echipate cu relee electromagnetice, iar pentru protecția la suprasarcină acestea pot fi echipate cu relee termice sau electronice.

Întreruptoarele automate pot fi modulare cu 1P, 1P+N, 2P, 3P, 3P+N, 4P (figura 3.25);

Dacă întreruptorul automat este prevăzut și cu releu diferențial, acesta poate asigură suplimentar și protecția diferențială (contra șocului electric și incendiului). Releul diferențial poate fi încorporat în aparat – întreruptoare automate diferențiale (figura 3.25) sau atașat, prin intermediul unui modul atașabil (figura 3.26).

a) b)

Figura 3.25 Exemplu întreruptoare automate diferențiale: a) cu 2P; b) cu 3P; c) cu 4P.

79

Figura 3.26 Exemplu întreruptor automat ce poate fi echipat cu modul diferențial.

În funcție de varianta constructivă, pe lângă funcțiunile amintite mai sus, acestea mai

îndeplinesc o serie de alte funcțiuni prin atașarea unor aparate auxilare: • protecție la lipsa de tensiune, prin atașarea unui declanșator de tensiune minimă; • managementul consumului de energie prin intermediul unui modul de prelucrare a

datelor (DMI= DATA MANAGEMENT INTERFACE), aceasta asigurând conectarea la o rețea de comunicații (BMS) – recunoaște vârfurile de sarcină și se comandă delestarea selectivă a sarcinilor;

• comandă manuală de pe ușa tabloului prin atașarea unui mâner; • comandă electrică de la distanță prin atașarea unui modul de declanșare; • semnalizare defect prin atașarea unui contact auxiliar cu semnalizare la defect;.

a) b) c) d)

Figura 3.27 Accesorii pentru întreruptoarele automate a) declanșator de minimă tensiune; b) declanșator de deschidere; c) contact auxiliar; d) declanșator de la distanță

În figurile 3.28 şi 3.29 sunt prezentate simbolurile folosite în schemele electrice pentru

întreruptoarele automate modulare, în schemele monofilare şi în schemele multifilare.

80

a) b)

Figura 3.28 Simboluri utilizate în schemele electrice monofilare pentru: a) întreruptor automat monopolar, bipolar, tripolar, tetrapolar; b) întreruptor automat diferenţial monopolar, bipolar, tripolar,

tetrapolar

Figura 3.29 Simboluri utilizate în schemele electrice multifilare pentru: întreruptor automat monopolar, bipolar, tripolar, tetrapolar

Din punct de vedere al domeniului de utilizare, întreruptoarele automate pot fi: • de tip casnic, cu protecție la scurt circuit și suprasarcină, cu sau fără protecție

diferențială; • de tip industrial (exemplu: protecția motoarelor), cu protecție la scurt circuit și

suprasarcină, posibilitatea atașării unor module de protecție diferențială, cu posibilitatea setării valorii curenților de declanșare.

În figura 3.30 este prezentat un astfel de întreruptor automat pentru protecția motoarelor. Caracteristicile tehnice ale întreruptoarelor automate:

• tensiune nominală ][VU e;

• tensiune nominală de separare ][VU i;

• tensiunea nominală de ținere la impuls ][kVU imp ;

• curent nominal ][AI nIA;

• curentul de reglaj la suprasarcină ][AI rth;

• curentul de reglaj la scurt circuit ][AIm ;

• capacitatea de deconectare la scurt circuit cuI sau

cnI ;

• grad de protecție IP; • domeniul de reglaj.

81

a) b) Figura 3.30 Întreruptoare automate pentru protecția motoarelor; a) cu pornire manuală;

b) cu acționare prin intermediul elementelor de automatizare

Tensiunea nominală ][VU e

este tensiunea la care aparatul electric funcționează la

parametrii nominali pentru care a fost proiectat, în regim de lungă durată. Tensiunea nominală de separare ][VU i

reprezintă tensiunea la care s-au realizat

testele de rigiditate dielectrică și pentru care sunt definite distanțele de străpungere și conturnare. Valoarea maximă a tensiunii nominale trebuie să fie inferioară tensiunii de separare,

ie UU < ;

Tensiune nominală de ținere la impuls ][kVU imp este o valoare de vârf a tensiunii pe

care întreruptorul automat o suportă fără a se deteriora. Curentul nominal ][AI nIA

este valoarea maximă a curentului la care întreruptorul

automat poate funcționa la parametrii nominali, pentru anumite condiții impuse de producător.

Un întreruptor automat poate fi echipat cu module diferite de protecție la curenți de suprasarcină, având diferite domenii de reglaj. În acest caz, curentul nominal al întreruptorului automat va fi cel mai mare curent de reglaj al oricărui modul de protecție.

Curentul de reglaj al releului de suprasarcină, ][AI rth, reprezintă valoarea de

curent peste care releul termic al întreruptorului automat va comanda deschiderea întreruptorului automat.

Curentul de reglaj la scurt circuit ][AIm reprezintă valoarea curentului de scurt

circuit pentru care întreruptorul automat declanșează. Valorile de declanșare ale curentului ][AIm

sunt precizate de producător conform

standardelor sau, în cazul întreruptoarelor de tip industrial, există posibilitatea reglării ][AIm

în funcție de necesități. În figura 3.31 este prezentată curba caracteristică a unui întreruptor automat echipat cu

releu termic și releu electromagnetic. În abscisă este reprezentat supracurentul care poate

82

străbate circuitul la un moment dat, iar în ordonată este reprezentat timpul de declanșare al întreruptorului automat.

Curba caracteristică a unui întreruptor automat este compusă din două părți: - curba de declanșare termică, timpul de declanșare fiind cu atât mai mic cu cât

curentul este mai mare; - curba de declanșare magnetică; peste valoarea curentului de reglaj la scurt circuit,

timpul de declanșare a întreruptorului automat este de ordinul milisecundelor.

Irth Im Icu

t(s)

I(A)

Figura 3.31 Curba caracteristică a unui întreruptor automat echipat cu releu termic și releu electromagnetic.

În funcție de modul de răspuns la comanda de declanșare , pot fi clasificate în: • întreruptoare automate cu caracteristica de declanșare B (declanșare rapidă); • întreruptoare automate cu caracteristica de declanșare C (declanșare lentă); • întreruptoare automate cu caracteristica de declanșare D (D sau K în cazul

întreruptoarelor industriale) (declanșare foarte lentă).

Aparatele de protecție care au o caracteristică de declanșare B declanșează la valori ale supracurenților

DnmDn III 53 <≤ , cele care au o caracteristică de declanșare C, declanșează la

valori ale supracurenților IDnmDn III 105 <≤ , aparatele de protecție având o caracteristică de

declanșare D, declanșează la valori ale supracurenților cuprinse între DnmDn III 2010 <≤ .

Întreruptoarele automate se aleg în funcție de caracteristicile de declanșare. Capacitatea de deconectare la scurt circuit

cuI sau cnI reprezintă cea mai mare

valoare a curentului pe care acesta poate să-l întrerupă fără ca aparatul de protecție să fie deteriorat. Întreruptoarele automate industriale pot fi clasificate în:

• aparate categoria A fără întârziere în acționarea dispozitivelor de protecție la curenți de scurt circuit.

• aparate categoria B la care este posibilă declanșarea temporizată în scopul realizării selectivității cu celelalte întreruptoare automate.