259

8.

APARATE DE DISTRIBUIE

n ntreruperea oricrui curent (sarcin, suprasarcin, scurtcircuit) n instalaiile electrice de for este necesar a se introduce aparate capabile s ntrerup n deplin siguran aceti cureni. Din punct de vedere al valorii curentului ntrerupt distingem urmatoarele aparate electrice:

I=0 Separatoare 0

260

Cerintele principale ale unui separator sunt : Serviciul de funcionare de durat - sa asigure un contract bun, presiunea pe

contacte trebuie s fie mare iar materialul s nu oxideze, lucru care ar putea duce la ntreruperea continuitii circuitului sau la mrirea rezistenei de contact i implicit la nclziri locale. In acest sens o atenie deosebit trebuie acordat contactelor fixe ntre care se introduce lamela mobil ( contactul mobil). Se observ (figura 8.2) c n toate cazurile presiunea de contact necesar este asigurat de resorturi de diferite tipuri. n vederea nlturrii oxidrii, acestea se confecioneaz din cupru argintat

Figura 8.2 Contacte ale separatoarelor

Capacitatea de rupere nula- nu se vor utiliza pentru decuplri n sarcin (nu se

prevd sisteme de stingere a arcului) Caracteristicile electromecanice ale separatoarelor fabricate n ar sunt: - tensiunea nominal : 500 V i 1000 V - curentul nominal : 200 A; 315 A; 630 A ; 1000 A. - rezistena la uzur mecanic : 1000 cicluri - acionarea : manual (de obicei cu prjin izolatoare) - durata de conectare : 100 % In simbolizarea separatoarelor litera reper de identificare este S iar functia de separator este redata prin simbolul atasat contactului fix.

a. separator b.separator de sarcina Figura 8.3 Simbolizarea separatorelor

Observatie: Separatoarele de sarcina nu intrerup curenti de scurtcircuit, putand

fi comandate local sau de la distanta. Functiile indeplinite sunt:

suporta si intrerup curenti nominali si curenti de suprasarcina, putand fi manevrate in sarcina;

suporta un timp dat curenti de scurtcircuit, dar nu intrerup curenti de scurtcircuit;

261

realizeaza functia de separare pentru curenti de valoare limitata; 8.2 NTRERUPTOARE DE JOAS TENSIUNE 8.2.1Constructia si funcionarea ntreruptoarelor de joas tensiune ntreruptoarele sunt aparate de comutaie capabile s suporte, nchid i

deschid cureni nominali dar i de scurtcircuit n condiii prestabilite. Disjunctoarele sunt aparate de distribuie n instalaiile electrice capabile s

suporte, nchid i deschid cureni nominali dar i de scurtcircuit avand si rolul i de aparat de protecie. Disjunctoarele se obtine prin echiparea ntreruptoarelor cu declanatoare termice pentru protecia la suprasarcin (DT), declanatoare electromagnetice (sau relee de curent) pentru protecia la scurtcircuit (DE), declanatoare de minim tensiune DTm sau declanatoare de deschidere DD pentru comanda de la distan.

Aceste aparate stabilesc, suporta si intrerup curenti normali si curenti de scurtcircuit, si sunt de obicei instalate la inceputul unei instalatii electrice.

Elementele componente ale unui un ntreruptor automat sunt evidentiate in figura 8.4

Figura 8.4 Elemente componente ale ntreruptoarelor de jt

Indentificam din figura 8.4 urmatoarele componente ale intrerupatoarelor:

circuitul principal de curent format din: contacte principale i borne de racord la circuitul exterior realizate din cupru argintat. Piesele de contact se execut din materiale sinterizate (argint cu wolfram);

262

camere de stingere din materiale refractare, camere de stingere ce limiteaz i izoleaz spaiul de formare i stingere a arcului electric i permite evacuarea cantitii de cldur dezvoltat n coloana arcului electric. Ele se execut din materiale electroizolante cu rezisten la temperaturi ridicate (termoceramit, azbociment, etc.) in care sunt plasate plcutele feromagnetice;

piese izolante ce servesc la susinerea mecanic i la izolarea electric a cilor de curent. Piesele izolante se execut din materiale ceramice (porelan pentru sigurane fuzibile, steatit pentru aparate electrocalorice, etc.), materiale termorigide (bachelit pentru piese fr solicitri mecanice sau termice deosebite), materiale cu umplutur anorganic mic, azbest pentru piese cu solicitri termice deosebite, polistireni cu fibr de sticl pentru solicitri la arc i materiale plastice(PVC pentru carcase, prize, poliamide i polistireni pentru capace transparente (plexiglas); din rini fenolice;

cutia aparatului executat din tabl la ntreruptoarele mari iar la cele de tip compact din rini fenolice;

elemente de protecie: (termobimetalele i declanatoarele electromagnetice ) DT, DE, DTm, instantanee sau temporizate;

elemente accesorii precum, contacte auxiliare; mecanismul de acionare manual, cu electromagnei sau motoare electrice

pentru comanda i acionarea contactelor ntreruptoarelor ; Mecanismul de acionare al ntreruptoarele de joasa tensiune poate fi : cu

acionare manuala , electromagnet sau cu motor. Cinematica sistemului de actionare manuala a intrerupatoarelor de joasa tensiune este redat in schita din figura 8.5

Figura 8.5 Cinematica intrerupatoarelor actionate manual

ntreruptoarele acionate manual au doua pozitii stabile inchis deschis si una

intermediara corespunzatoare declansarii prin protectie (figura 8.6)

263

Figura 8.6 Mecanism de acionare

Intreruptorul poate fi privit ca un sistem format din subsisteme interconectate, subsisteme ce realizeaza urmatoarele functiuni:

- funciunea de comutaie mecanic ndeplinit prin nchiderea , respectiv deschiderea contactelor principale i auxiliare, realizata prin acionarea mecanismului ;

- funciunea de detecie a suprasarcinilor i declanare automat cu temporizare conform caracteristicii de protecie;

- funciunea de detecie a scurtcircuitelor i declanare instantanee; - funciunea de declanare liber manifestat prin preponderena comenzii de

deschidere asupra celei de nchidere ;; Aceste funciuni sunt asigurate de cte un subansamblu constructiv , schema bloc a intreruptorului fiind prezentat n figura 8.7

Figura 8.7 Funciuni ale ntreruptoarelor de jt

Subansamblele ntreruptorului sunt : mecanismul de acionare M , declanatorul termic DT , declanatorul electromagnetic DE . Opional , poate exista declanator de tensiune minim DTm , sau de deschidere DD.

Mecanismul M asigur funciunea de comutaie mecanic , blocul DT (declanatoare termice ) asigur funciunea de detecie / declanare la suprasarcini iar

264

blocul DE (declanatoare electromagnetice ) asigur funciunea de detecie / declanare la scurtcircuit .

Funciunea de detecie / declanare la suprasarcini poate fi asigurata de declanatorul termic DT prin:

releu termic (lamela bimetalica) declanator electronic Funciunea de detecie / declanare la scurtcircuit asigurata de blocul DE se face prin declanatoare electromagnetice relee de curent declanator electronic

8.2.2 Simbolizarea ntreruptoarelor n scheme electrice

Disjunctorul dupa functiunea de detectie se clasifica in : disjunctor cu releu termic-are principala utilizare in asigurarea protectiei

conductoarelor unui circuit contra suprasarcinilor; Principiul de functionare al lui este: curentul traverseaza disjunctorul, un bimetal este incalzit prin efect Joule, iar daca aceasta incalzire este suficient de importanta, bimetalul declanseaza, intrerupand curentul. Acest sistem este simplu si robust, dar nu suficient de precis, fiind caracterizat de timpi de reactie mari (este lent).

disjunctorul magnetic - are principala utilizare in protectia echipamentelor electrice contra defectelor (suprasarcina, scurtcircuit, lipsa tensiune,etc.) Principiu de functionare este urmatorul: in regim normal, curentul nominal circula prin bobina disjunctorului fara sa aiba efect asupra aramturii mobile (lamelei); circuitul ramane inchis. Daca apare un defect in circuitul din aval de disjunctor, impedanata circuitului va scadea iar curentul va ccreste pana la valoarea de scurtcircuit. In acest moment, curentul produce magnetizarea armaturii mobile, ceea ce duce la deschiderea circuitului (intreruperea alimentarii circuitului din aval). Intreruperea este instantanee, ceea ce face ca acest tip de disjunctor sa poate fi folosit cu succes in locul sigurantelor fuzibile pentru protectia la scurtcircuit.

disjunctor electromagnetic-inglobeaza cele doua tipuri de disjunctoare amintite mai sus, magnetic pentru protectia la scurtcircuit, termic pentru protectia la suprasarcina.

disjunctorul diferential (DDR) -Asigura protectia oamenilor contra contactului indirect; poate fi folosit ca protectie suplimentara a echipamentelor contra curentilor de fuga generati de un contact imperfect, de un defect de izolatie, etc. Are un principiu de functionare simplu: fiecare conductor al circuitului supravegheat trece printr-un circuit magnetic (tor), dand nastere unor campuri electromagnetice identice si in opozitie, care se anuleaza. In cazul existentei unei diferente (aparitia unui defect), campul rezultant actioneaza un dispozitiv care intrerupe imediat curentul. Este caracterizat de sensibilitate, care da valoarea curentului de defect la care declanseaza aparatul - 6, 10, 30, 100, 300, 500 mA.

265

Tipurile de declansatoare ale acestor disjunctoare sunt redate in figura 8.8 iar caracteristica de declanare t d = f( I ) este prezentat n figura 8.9

Figura 8.8 Declanatoare

Figura 8.9 Caracteristica de protecie a ntreruptoarelor

In caracteristica de protectie se observ existena unei zone dependente de

curent (aciunea DT) i a unei zone independente de curent ( aciunea DE la Isc ) . n acord cu recomandrile CEI 60947-2 , standardul STAS-12120/2 83

asociaza litera reper Q pentru identificarea ntreruptoarelor. Reprezentarea grafica a intrerupatorului se face printr-un contact normal deschis caruia i se asociaz funcia de ntreruptor (x ), pe contactul fix, respectiv funciile de declanare pe contactul mobil. Aceste functii se refera la declanatoarele electromagnetice ce au simbolul iar declanatoarele termice au simbolul . (fig.8.10 a,b)

Funcia de declanare automat ,n cazul unor cureni anormali, este asigurat pentru suprasarcini de DT i scurtcircuite de DE, ceea face ca unui ntreruptor automat s i se asocieze simbolul din figura 8.10.c.

In schema monofilara simbolul general este redat in figura 8.10 d iar a disjunctorului electromagnetic si diferential in figura 8.10 e si f

266

a b c

d. simbol general e. disjunctorelectromagnetic f .disjunctor diferential Figura 8.10 Simbolizarea disjunctoarelor

8.2.3 Alegerea ntreruptoarelor (disjunctoarelor) a. Criterii generale de alegere Pentru alegerea intrerupatoarelor avem nevoie de datele consumatorului redate prin

putere , tensiune,randament, cos simultaneitatea funcionarii etc si date ale instalaiei lungime cablu, elemente de circuit , puterea retelei . Se determina in baza acestor date curentul nominal si de scurtcircuit ce este vehiculat prin aparat. Alegerea intrerupatorului implica :

Alegerea capacitatii de rupere Capacitatea de rupere a unui intreruptor se determina din calculul curenilor de

scurtcircuit si reprezinta valoarea efectiva a celui mai mare curent ntrerupt de aparat Cunoscnd capacitatea de rupere funcie de tipul consumatorului (tensiune de utilizare si curentul nominal al acestuia) se poate alege gama de intrerupatoare rezultat al intersectiei capacitatii de rupere cu valoarea curentului nominal

curent nominal

Figura 8.11 Tabela tipuri disjunctoare

267

definirea tensiunii nominale de utilizare ce se alege funcie de valoarea nominal a tensiunii de linie a reelei. Aceasta reprezint tensiunea dintre cile de curent i poate avea valoarea 60, 250, 380, 500, 660, 800, 1000Vef.

alegerea curentului maxim suportat de aparat (practic tipul aparatului). Curentul nominal al ntreruptorului reprezint valoarea efectiv a curentului suportat de aparat timp de 8h fr ca nclzirea cailor de curent s depeasc limita admis

intreruptorului echipat cu declanatoare electromagnetice i declanatoare termice i se alege, in funcie de curentul consumatorului, curentul de reglaj termic IR In i curentul declanatorului electromagnetic Im ( n general valoarea curentul declanatorului electromagnetic Im este de 10IR pentru protectie motoare , iar ntreruptoare pentru distributie au gama de reglaj 4-10IR) Caracteristicile de protectie pot fi de forma B - (3-5) In, C - (5-10) In i D - (10-20) In.

Figura 8.11 Curbe de declansare

alegerea tensiunii de comand (numai pentru ntreruptoarele acionate cu

electromagnei sau motor electric) ce reprezint valoarea efectiv a tensiunii ce se aplic blocului de comand. Valorile acestor tensiuni sunt standardizate putnd efectua comanda att n c.a. ct i n c.c. 24, 48, 110, 380, 500 Vc.a. respectiv 24, 48, 60, 110, 220, 440 Vc.c.

b. Alegerea disjunctoarelor pentru aplicaii n c.c. Alegerea tipului de disjunctor pentru protecia unei instalaii de c.c. depinde de

urmtoarele criterii: a.curentul nominal, care determin alegerea aparatului b tensiunea nominal, care determin numrul de poli n serie necesari pentru

ntreruperea circuitului c curentul de scurtcircuit maxim n acel punct al instalaiei, care determin

capacitatea de rupere d tipul reelei Principalele scurtcircuite in functie de tipul de retea sunt indicate in tabelul

urmator:

268

La aparitia unui scurtcircuit la bornele unei baterii, curentul de scurtcircuit stabilizat este dat de relatia Isc=Ub/Ri unde: Ub = tensiunea maxim de descrcare (bateria ncrcat 100 %) Ri = rezistena intern echivalent cu suma rezistenelor elementelor (valoare dat de obicei de ctre fabricant n conformitate cu capacitatea bateriei).

Spre exemplificare curentul de scurtcircuit la bornele unei baterii cu o capacitate de 500 Ah, tensiune de descrcare maxim 240 V (110 elemeni de 2,2 V), curent de descrcare: 300 A, autonomie: 1/2 ore Ri rezistena intern 0,5 m pe element. Rezistenta totala la locul de scurtcircuit este R = 110 x 0,5 10-3 = 55 x 10-3Curentul de scurtcircuit este 4,36 kA Not: Dac nu se cunoate rezistena intern, se poate utiliza urmtoarea formul aproximativ: Isc = kC, unde C este capacitatea bateriei exprimat n Amperi-or, iar k este un coeficient apropiat de 10, dar ntotdeauna mai mic de 20.

8.2.4 Tipuri de intreruptoare Caracteristicile standardizate indicate pe plcuta indicatoare. a oricarui intreruptor sunt:

tip aparat :se indica denumirea si curentul nominal Ui: tensiune nominala de izolaie Uimp: tensiune de tinere la impuls Icu: capacitate de rupere ultima, pentru diferite valori ale tensiunii de utilizare Ue cat: categorie de utilizare Icw: curent de scurta durata admisibil Ics: capacitate de rupere in serviciu In: curent nominal aptitudine de sectionare

Capacitatea de rupere este criteriu principal de alegere a unui intrerupator, motiv pentru care ntreruptoarele de joas tensiune se ncadreaz n 4 mari categorii:

269

ntreruptoare cu capacitate mic de rupere Cr < 5KA cunoscute sub denumirea de ntreruptoare automate mici sau ntreruptoare pentru instalaii interioare;

ntreruptoare compacte (trifazate) cu capacitate medie de rupere Cr(5 15) KA.

ntreruptoare de mare putere de rupere Cr>50KA ntreruptoare limitatoare ce acoper ntreaga gam a capacitilor de

rupere Cr(1 200)KA.

a. ntreruptoare automate mici au capacitate de rupere sub 5 KA atat in c.a cat i n c.c. Au curenii nominali cuprini n gama de reglaj: 0,5; 1; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 6; 10; 16; 20; 25; 32 A. 63A Variantele constructive sunt de tip monopolar, bipolar i tripolar , echipate cu DT si DE (in gama (3-5)In sau (5-10)In) si/sau DTm Realizarile tehnice din ultimi ani au condus la cresterea capacitatii de rupere a acestor microintrerupatoare la valori de pana la 8KA

Simbolizare

Figura 8.12 Intrerupatoare automate mici

b. ntreruptoarele compacte sunt utilizate pentru protecia liniilor i a motoarelor electrice. n aceast categorie se ntlnesc fabricate n ara noastr dou tipuri de ntreruptoare: AMRO i USOL avnd capacitate de rupere cuprinse ntre 3-25KA;

b.1 ntreruptoarele compacte de tip AMRO reprezint o serie modular complet n carcas izolat pentru receptoare i linii de c.a. cu valori nominale ale curentului cuprinse ntre 10 400 (630, 800, 1000)A. Constructiv aparatele conin: carcas izolat, contacte fixe i mobile, mecanisme de acionare, DT i DE, manet de acionare, camer de stingere cu plcue. Semnalizarea situaiei deschis prin acionarea proteciei la supracureni se face prin rmnerea manetei de acionare pe poziia de cuplare. Recuplarea aparatului este posibil numai prin acionarea manetei n poziia deschis. Apratele din gama AMRO pot fi echipat cu protecie la :

suprasarcin (DT) i pot fi reglate n domeniul (0,67 1)Ir, cu Ir curent reglat termic;

scurtcircuit realizat prin relee electromagnetice fixe pentru AMRO 25 100A reglate n domeniul (2 4) In i (3 6)In pentru AMRO 250 400A;

minim tensiune (DTm) reglate n intervalul (0,35 0,7)Un din tensiunea de lucru. Schemele electrice tipice ale acestor ntreruptoare sunt funcie de varianta constructiv , prezentat pe lng contactele de for i contactele auxiliare.

270

b.2 ntreruptoare automate compacte de tip USOL se construiesc pentru valori normale ale curenilor n gama (100 1000) A, construcia fiind asemntoare cu ce a celor de tip AMRO. Aceste ntreruptoare de sarcin pot fi echipate cu aceleai tipuri de protecii definite mai sus, iar comanda poate fi manual (cureni sub 100A), cu electromagnet (250A), sau cu motor (1000). Schema electric complet este funcie de varianta constructiv i de tipul acionrii. Spre exemplificare n figura 8.13 se prezint schema electric a ntreruptorului USOL acionat cu electromagnet si respectiv motor.

Fig. 8.13 USOL acionat cu electromagnet si motor DT - declanator termic ; DE - declanator

electromagnetic ; CFC - contact de fine curs ; M - motor de acionare ; Fem - frn electromagnetic ; CC - contactor de comand ; RB - releu de blocaj ; I,O - butoanele de comand a nchiderii i

deschiderii In figura 8.14 este redat [1]desenul de construcie al ntreruptorului compact

USOL 250 A, n care se vede amplasarea divergent a plcuelor folosite la fragmentarea arcului electric, iar n tabel sunt prezentate date constructive ale camerelor de stingere ale ntreruptoarelor de tip compact.

271

1 - manet de acionare; 2 - clichet principal; 3 - clapeta de armare; 4 - biela I; 5 - biela II; 6 - echipaj mobil; 7- element mobil de contact; 8 - element fix de contact; 9 - resort principal; 10 - clapet ax declanator; 11 - declanator termic; 12 - buton de reglaj {0,8 ... 1) Ir; 13 miez fix

pentru declanatorul electromagnetic; 14 - axul suport al echipajului mobil; 15 - carcasa aparatului; 16 - plac de prindere; 17 - borne de bare; 18 - camere de stingere cu plci

feromagnetice; 19 - armtura mobil a declanatorului electromagnetic; 20 - axul declanatorului; 21 - clichet mic.

Fig. 8.14. ntreruptor compact tip USOL 250:

Camera de stingere a ntreruptorului compact este construit pe principiul efectului de electrod, cumulat cu efectul de ni. (figura 8.15). Camerele de stingere dimensionate la 500 V pentru ntreruptoarele compacte tip USOL si capacitatile de rupere ale acestora sunt redate in tabelul urmator

Curentul nominal

[A]

Curentul de

rupere KAef

Volumul1) camerei de

stingere cm3

Numrul de plci

Grosi mea unei plci

Material pentru plac

i tratamentul

Material pentru

contacte

100 8 58,7 8 1,5 Ol zincat Ag-Ni2) 250 10 92,5 11 1,5 pasivizat Ag-Ni*) 500 20 299 12 1,5 Ag-Ni) 800 25 363 20 2 Ag-No *)

1) pe un pol; 2) un deget pe element; 3) dou degete pe element; 4) dou degete pentru contact permanent + un deget pentru contact de arc.

272

Figura 8.15 Camere de stingere cu efect de electrod i ni

b.3 Alte realizri tehnice: 1 Firma Mitsubishi produce

ntreruptoare compacte PSS n gama 30-800 A pe cinci categorii 30/60A, 100A, 250 A, 400A, i 800A. Categoria PSS-100A este similar ntreruptorului romnesc USOL-100 A , fiind echipat cu contacte auxiliare i de alarm. Declanatoarele termice au curenii de reglaj Ir n gama 0,5; 1; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32 ,40,63,80 100 A iar declanatoarele electromagnetice reglate la 10 Ir , durata fiind de 10ms. Vederea frontala a ntreruptorului PSS-100A este redata in figura 8.16a

2.Grupul Schneider produce produce intrerupatoare Masterpact pentru gama 80-6300A. Intrerupatoarele automate Masterpact M08 pana la M63 sunt echipate cu unitati de control electronice cu microprocesor, care asigura indeplinirea functiilor de baza ale aparatului. Toate functiile de protectie sunt alimentate de la reteaua de curent alternativ deci nu este necesara o alimentare suplimentara. Acelasi lucru este valabil si pentru majoritatea functiilor complementare. Fiecare unitate de control a Masterpact-ului corespunde unui anumit tip de aplicatie (instantanee, distributie, selectivitate, universala).

Figura 8.16a PSS-100A

3.Firma Moeller produce intrerupatoare cu performane crescute: noua gam de ntreruptoare automate capsulate de la 0,16A pn la 6300A

ntreruptoarele automate din familiile PKZ, NZM i IZM ntr-o concepie unitar care mbin caracteristicile convenionale cu tehnologiile moderne. Noutile se refer, de exemplu, la posibilitile de comunicare la distan a unor informaii, dar i la creterea capacitilor de rupere sau reducerea dimensiunilor de gabarit. Cele trei familii acoper o gama foarte mare de cureni i diverse tipuri de aplicaii. n general,

273

accesoriile pot fi montate sau demontate ulterior instalrii, ceea ce este foarte convenabil pentru ntreinere i modernizri.

Figura 8.16 b. ntreruptoare automateMo ler de la 16A pn la 6300A Domeniul de cureni menionat este acope PKZM - ntreruptoare automate n doua

cuprini ntre 1,6 i 63A; NZM - ntreruptoare automate n patru

cuprini ntre 40A i 1600A; IZM - ntreruptoare automate n trei gab

ntre 630A i 6300A c.ntreruptoare cu mare putere de ruperPentru a face fa curenilor de scurtcirc

mare putere de rupere este echipat cu: - contacte de regim permanent, de arc

arcului electric n camera de stingere; - camere de stingere cu plci mai groas

extragerea de cldur prin piciorul arcului electrn figura 8.17 se prezint, schematizat, c

un ntreruptor OROMAX 4000 A, fabricat decontactul principal 7 trece aproximativ 60% diarc electric aproximativ 40%.

1 contact principal; 2 contact de arc electric; 3 a,

pies suport pentru elementele mobile de contact; conductor flexibil; 9

Figura 8.17 Sistemul de contacte al unui ntr elrit astfel: gabarite pentru cureni nominali

gabarite pentru cureni nominali

arite pentru cureni nominali cuprini

e tip OROMAX uit de ordinul 50 kA, ntreruptorul cu

electric i rampe pentru introducerea

e pentru divizarea arcului electric i ic. alea de curent n zona contactelor, la ntreprinderea Electroaparataj. Prin n curentul total, iar prin contactul de

b rampe ; 4 separator de flam; 5 6 resort; 7 pies intermediar; 8 - cale de curent eruptor cu putere mare de rupere:

274

La deschiderea aparatului se face transferul total de curent din contactul principal n cel de arc electric. Pentru ca transferul s fie fcut ct mai rapid inductivitatea buclei stabilit ntre cele dou contacte trebuie s fie ct mai redus, n figura 8.17 b este dat schema electric echivalent a sistemului de contacte pe care se poate urmri raionamentul menionat, n regim tranzitoriu se poate scrie:

dtdiLiR

dtdiLiRu 22221111 +=+= cu .21 constiii =+= (8.1)

Indicele 1 este atribuit cii de curent prin care trece curentul principal i1 iar indicele 2 cii de curent prin care trece curentul secundar i2.. Din cele dou relaii

rezult: ( )dtdiLiR

dtdiLiiR 22222121 += . (8.2)

Pe durata transferului de curent, R1 are tendina de cretere, iar intensitatea curentului total i se poate considera constant; din relaia de mai sus se obine:

([ 221121

2 1 iRRiRLLdt

di ++= ) ] (8.3) Derivata lui i2 va fi cu att mai mare, cu ct inductivitile L1 i L2 sunt mai mici; contactele principal i de arc trebuie situate ct mai aproape unul de altul. n figura 8.18 se prezint o seciune ntr-un ntreruptor de mare putere OROMAX de 4000 A. Principalele piese componente sunt trecute n legenda figurii 8.18

1bare de legtur; 2 cadru fix; 3 contact debroabil, element fix; 4contact debroabil, element mobil; 5contact principal, element fix; 6 contact principal, element mobil; 7 ramp pentru extinderea arcului cu element fix de contact pentru arc; 8 ramp i element de contact pentru arc, mobile; pcamer de stingere cu placi feromagnetice; 10 declanator de curent maxim; 11-declanator de tensiune minim; 12clichet principal; 13 dispozitiv de siguran contra debrosrii sub sarcin; 14 mecanism (partea centrala); 15resoarte principale ; 16butoane de nchidere i deschidere; 17 semnalizator resoarte armate" ; 18 semnalizator mecanic nchis-deschis"; 19 manet pentru armarea resortului 15.

Fig. 8.18. Seciune ntr-un ntreruptor OROMAX 4000 A

275

Camera de stingere. Pereii camerelor de stingere sunt realizai din ceramic

electrotehnic rezistent la temperatura arcului electric i la variaii rapide de temperatur

Mecanismul de acionare Dispozitivele de acionare cu resort (arc), sunt dispozitive cu acumulare de energie destinate echiprii ntreruptoarelor de medie tensiune, joas tensiune si, uneori, la cele de foarte nalt tensiune (ntreruptor cu SF6). n figura 8.19 se pot vedea principalele elemente constructive ale unui astfel de dispozitiv de acionare. Cea mai important proprietate a acestui tip de dispozitiv este aceea c nu necesit o surs de alimentare special si costisitoare, ns mecanismul de acionare trebuie s asigure:

-meninerea poziiei nchis i zvorrea forei de declanare -declanarea cu o energie minim -declanare liber la existena unei comenzi de declanare Faza de nchidere (anclansare): arcul 3 acumuleaz energia necesar efectuarii

operatiei de nchidere fiind tensionat prin actionarea sa de ctre operator (prin manivel) sau de ctre un electromotor: arcul este zvort n pozitia tensionat printr-un sistem de clicheti 5,6. Manual sau electric, clichetul 5 este eliberat prin electromagnetul 7; prin aceasta arcul 3 antreneaz prin intermediul axului motor 1 si cuplajul 11 axul ntreruptorului 2 si ntreruptorul se nchide. ntreruptorul este zvort n pozitia nchis de ctre sistemul de clicheti 8,9; totodat, este tensionat arcul 4 care va asigura deschiderea.

Faza de deschidere (declansare): la eliberarea clichetului 8, prin comanda manual sau electric prin elecromagnetul 10, se actioneaz asupra clichetului 9; ntreruptorul este deschis sub actiunea arcului 4. Volantul 12 restituie energia nmagazinat la sfrsitul curselor, cnd arcurile sunt aproape destinse, ameliornd functionarea mecanismului si asigurnd revenirea acestuia n pozitia necesar de repaus.

1- arbore motor (al dispozitivului de actionare); 2- arbore rezistent (al ntreruptorului); 3- arc de

nchidere; 4- arc de deschidere; 5-6- clichet de zvorre a arcului de nchidere; 7- electromagnet de nchidere; 8-9- clichet de zvorre a arcului de deschidere; 10- electromagnet de deschidere; 11-

cuplaj comandat; 12- volant Figura 8.19 Schema principal a unui mecanism cu dispozitiv de actionare cu acumularea energiei n

arc

276

Alte realizri tehnice Firma Mitsubishi produce ntreruptoare compacte Super AE pentru gama 1000-6300 A fixe si debroabile pe dou categorii Super AE1000-3200 SS respectiv Super AE 4000-6300 SS. .

Figura 8.20 ntreruptorul Super AE -1600A

Intreruprorul Super AE 1000-3200 admite urmtoarea gam a curenilor

nominali 1000,1250,1600 2000,2500, 3200 Amperi , are tensiunea de izolare 1000 V, tensiunea de utilizare 690V ,i capacitatea de rupere de 50KA la 690V respectiv de 65KA la 500V Categoria Super AE este similar ntreruptorului romnesc OROMAX, fiind echipat conform figurii 8.21

277

Figura 8.21 Elemente ale ntreruptoarelor Super AE

d. ntreruptoare limitatoare d.1 Teoria limitrii ntreruptoarele limitatoare sunt fabricate pentru ntreaga gam de cureni

nominali cu performana c pot ntrerupe orice curent de scurtcircuit datorit capacitii de rupere foarte ridicat (200 KA). Denumirea de ntreruptor limitator ridic cteva ntrebri i anume "ce limiteaz" i "cum se limiteaz".Instalaiile electrice sunt supuse unor solicitri termice, dinamice (mecanice) solicitri ale arcului i solicitri electrice datorate mrimilor electrice curent i tensiune. Astfel curentul produce solicitri termice i mecanice, tensiunea solicitri electrice, iar curentul i tensiunea solicitri ale arcului electric. Prin noiunea de "ntreruptor" nelegem posibilitatea ntreruperii n bune condiii a unui circuit electric parcurs de curentul nominal sau de avarie (suprasarcin, scurtcircuit), iar noiunea de "ntreruptor limitator" trebuie s nsemne limitarea ca valoare a curentului ce poate fi trecut prin aparat. Pentru nelegerea noiunii de "limitare" trebuie s definim conform recomandrii 50 a C.E.I. urmtorii cureni: - curentul prezumat al unui circuit electric ce reprezint curentul ce ar trece prin circuit dac n locul aparatului de comutaie ar fi o bar masiv conductoare de impedan neglijabil. n c.a. curentul prezumat reprezint amplitudinea vrf la vrf a curentului (fig. 8.22).ce ar trece prin bar scpp Ii 22=

278

n circuitele de c.c. curentul prezumat reprezint valoarea curentului de scurtcircuit permanent (limitat de rezistena circuitului) REip /= . - curentul limitat tiat reprezint valoarea instantanee a curentului prin aparat la care apare arcul electric. Valoarea curentului la care ncepe stingerea arcului definete curentul prezumat tiat. La apariia unui scurtcircuit curentul din circuit crete de la valoarea normal la valoarea curentului prezumat. Durata scurs ntre momentul apariiei scurtcircuitului i momentul atingerii valorii curentului limitat poart denumirea de durata prearc dac se admite c momentul apariiei scurtcircuitului coincide cu momentul deschiderii contactelor. n realitate acest lucru nu este posibil fiind necesar sesizarea creterii curentului iar, dup un anumit timp (foarte redus), ncepe procesul deschiderii contactelor aparatului de comutaie.

Figura 8.22 Explicativ privind curentul limitat

n baza curentului prezumat i limitat fig 8.22 c avem rspunsul la ntrebarea

"ce limitm ?". Astfel limitm curentul ca prin el s limitm solicitrile produse de acesta. ntrebarea urmtoare ce decurge n mod logic este "cum se realizeaz limitarea ?". Pentru a rspunde la aceast ntrebare s considerm diagrama schematic din figura 8.23 n care, de la un transformator cu tensiunea secundar "e" alimentm printr-o linie R - L impedana Z protejat de un aparat de comutaie A.

Figura 8.23.

Apariia scurtcircuitului la bornele sarcinii Z, dac ntreruptorul A este nchis,

conduce la urmtoarea ecuaie a tensiunilor:

dtdiLRie += (8.4).

n care creterea curentului de scurtcircuit n momentul iniial este limitat numai de inductivitate:

279

Le

dtdi

t

=

=0

(8.5)

Aceasta cretere la un factor de putere 25,0cos 75 ) i R

dtdiL >> i devine :

audtdiLe += . (8.7)

Curentul limitat atinge valoarea maxim cnd 0=dtdi , caz n care

aue = (8.8)

Figura 8.24 Corelari in limitarea curentului

Din cele prezentate rezult c nu putem limita creterea curentului de scurtcircuit pn cnd tensiunea arcului nu atinge valoarea tensiunii sursei. Aceast

280

tensiune are valoarea nul n momentul separrii contactelor i crete pe msur ce piesele de contact se deprteaz. Tensiunea dintre piesele de contact la ntreruperea sarcinii inductive poart denumirea de Tensiunea Tranzitorie de Restabilire (TTR), Dup ce tensiunea arcului depete valoarea tensiunii sursei (conform fig.8.24) curentul de scurtcircuit, n acel moment, atinge valoarea maxim i ncepe procesul de stingere a arcului n aparatul de comutaie. Notnd cu "P" punctul de intersecie a tensiunii arcului cu tensiunea sursei i innd cont c pentru sarcinile puternic inductive curentul se maximizeaz dup aproximativ 5 ms la 50 Hz, rezult c procesul de sesizare a scurtcircuitului, de executare a comenzii de deschidere i de separare a contactelor trebuie s se fac sub 5 ms. Dac aceste procese se realizeaz lent, nu se poate realiza limitarea curentului de scurtcircuit. Sintetiznd cele descrise putem desprinde trei condiii ce trebuiesc ndeplinite pentru o corect limitare a curentului de scurtcircuit i anume:

1. Timp de sesizare a scurtcircuitului redus la minim (tS - mic). Acest lucru este condiionat n special de dispozitivele de sesizare a curentului de scurtcircuit.

2. Mecanism performant de deschidere, concretizat prin viteze mari de separare a contactelor i alungire rapid a arcului electric mecanism cu inducie redus.

3. Camer de stingere performant, capabil s creeze tensiuni timpurii necesare arcului i cu valori mari

Se ajunge n baza condiiilor enunate la o alt ntrebare i anume "cum se pot realiza aceste condiii ?". O analiz amnunit a acestor condiii conduce la concluzia c baza lor o constituie tensiunea necesar coloanei arcului electric ce trebuie s prezinte o cretere rapid cu o apariie timpurie, adic, pe ct posibil, nc din faza de sesizare a scurtcircuitului. Creterea rapid a tensiunii arcului este uor de realizat prin analiza definiiei acestei tensiuni i dependenele ei de rezistena arcului electric scaa iRU = . O rezisten foarte mare la un curent de scurtcircuit dat, conduce la tensiuni ridicate din coloana arcului electric. Creterea rezistenei este posibil prin dou metode: - introducerea de rezistene suplimentare n serie n circuit, rezisten ce trebuie s aib valoare foarte ridicat la cureni inteni. Acest lucru este posibil prin utilizarea de materiale conductoare cu punct de topire sczut, materiale prenclzite de trecerea curentului nominal i cu o vaporizare rapid la curent de scurtcircuit. Rezistena n aceast situaie crete foarte mult fiind dependent de proporia materialului uor fuzibil, n materialul cii conductoare. n acest sens, ntlnim calea conductoare cu zone de strangulare, umplute cu un astfel de material uor fuzibil (caz asemntor siguranelor fuzibile). Deficiena acestor soluii este c dup o deconectare cu limitare, calea de curent trebuie nlocuit. - utilizarea rezistenei coloanei arcului electric n limitarea curentului de scurtcircuit prin intensificarea condiiilor de rcire a arcului. Rezistena neliniar dependent puternic de temperatura coloanei arcului, poate fi un element cheie al limitrii curentului de scurtcircuit. Asocierea pereilor reci, a suflajului magnetic ca principii de stingere cu efectul de electrod i ni poate conduce la intensificarea condiiilor de rcire i alungirea rapid a coloanei arcului. n cazul unor astfel de camere tensiunile necesare existenei coloanei arcului electric ating valori de 1000 V pentru o reea cu tensiunea de faz de 220 V.

281

Realizarea condiiilor de limitare este posibil prin utilizarea curentului de defect . Apariia timpurie a tensiunii arcului electric este posibil prin utilizarea de contacte cu tendin de desprindere la cureni inteni. Astfel de contacte utilizeaz efectul electrodinamic al curentului de scurtcircuit, for ce tinde s desprind contactele permind apariia i dezvoltarea arcului nainte de primirea comenzii de deschidere(figura 8.25)

Figura 8.25 Contacte cu tendina de desprindere

Figura 8.26 Circuite magnetice

Cmpul magnetic necesar desprinderii poate fi sporit prin dispozitivul din figura 8.26. caz n care acionarea e independent de curentul de defect O corect limitare a curentului de scurtcircuit implic un timp de sesizare a scurtcircuitului i de acionare a mecanismului de deschidere foarte redus (aproximativ 1 ms). Indicat ar fi ca limitarea s se fac pentru orice curent deconectat, iar mecanismul de acionare s aib nmagazinat energia necesar deconectrii. Aceast energie necesar deconectrii poate fi: - mecanic, acumulat n resoarte, dispozitive pneumatice sau hidraulice. n general nu sunt economice deoarece crete gabaritul construciei i datorit ineriei durata acionrii este de aproximativ 10 ms. - chimic, declanat prin explozie, poate provoca o acceleraie ridicat necesar deconectrii. Acest procedeu nu este aplicat, dar exist studii n acest sens. - electric, stocat ntr-un condensator conform experimentelor Thomson (figura 8.27). Dispozitivul conine pe disc un conductor spiralat ce produce inducia B. Descrcarea condensatorului pe bobin controlat electronic prin comanda tiristorului produce o for de repulsie a discului superior (conductor) prin interaciunea curentului indus n disc. Acest impuls este de amplitudine ridicat cu un timp foarte redus (1 ms). Acest procedeu este utilizat la ntreruptoarele ultrarapide.

282

Figura 8.27 Dispozitivul Thomson

Acest aparat de protecie limiteaz ca amplitudine i durat curentul de

scurtcircuit, ca urmare a faptului c n reelele de joas tensiune cu cureni de scurtcircuit importani (30-100 kA) i cureni nominali mari (600-1000 A) , siguranele fuzibile au efect de limitare redus .

d.2 Parametrii limitrii funcie de curentul de scurtcircuit Parametrii limitrii pentru scurtcircuitele in cc .

Procesul de limitare este realizabil prin separarea timpurie a elementelor de contact (2-3ms) , imediat dup apariia scurtcircuitului n vederea formrii arcului electric , care n continuare este alungit i rcit intens .

n acest mod , rezistena electric a arcului crete sensibil , impedana sarcinii crete , amplitudinea curentului scade , iar trecerea prin zero a curentului este necesar ca tensiunea de arc s creasc rapid, la o valoare de care depinde amplitudinea curentului limitat i durata lui .

n adevr , ecuaia de funcionare ntr-un circuit cu rezisten i inductivitate este:

E= Ri + Ldi/dt +u (8.9) unde E este tensiunea sursei i u este tensiunea arcului electric; limitarea curentului se produce n momentul n care :

di/dt=1/L [E-(Ri+u)=0 (8.10) Efectele limitrii curentului apar mai pregnante dac n relaia scris mai sus se

fac ipotezele c tensiunea arcului electric este constant i c rezistena R a circuitului este nul .

n adevr , dac se consider ecuaia arcului electric dat de Ayrton , pentru valori mari ale curenilor , termenii care conin pe i la numitor sunt neglijabili , iar expresia simplificat , pentru n intervale de arc se poate scrie :

aUlnu =+= (8.11) cu condiia ca lungimea arcului s fie o mrime constant , adic arcul electric

s fie alungit foarte repede i s ard pe aproape toat durata la lungimea final l . Pe de alt parte , se poate considera c regimul de scurtcircuit este practic

inductiv . n aceste condiii , din relaia E= Ri +Ldi/dt + u , ( R=0) , rezult : E- Ua = L di2/dt (8.12)

unde cu i2 s-a notat curentul limitat , adic n prezena tensiunii arcului electric Prin scderea ecuaiei (circuit pur inductiv fr arc)

E=L di/dt (8.13) din ecuaia circuitului pur inductiv cu arc

E-Ua = Ldi2/dt (8.14)

283

(8.13)- (8.14) se obine : Ua=L(di1/dt-di2/dt) = Ld/dt(i1-i2)= Ldif/dt (8.15)

unde if este curentul fictiv definit cu relaia: if=i1-i2 (8.16)

Figura 8.28 Explicativ privind limitarea curentului

Curentul if apare n momentul t0 al apariiei arcului electric , iar nainte de acest

moment el este nul . Prin integrarea ecuaiei (8.15) n limitele 0 i t , =t

ai

f dtLUdi

a

00

se obine : if=i1-i2 = Ua t/L pentru circuitele pur inductive si (8.17)

( )Ttnaf eRUi /1 1 = , pentru circuitele reale de cc. (8.18) cu T= L/R constanta de timp a circuitului . La t1 , if=0 iar

i2=il - Ua t/L (8.19) La t2 i2=0 rezultand durata arcului

t2=ilL/Ua (8.20) Parametrii limitarii sunt:

o Raportul de limitare )1(1)( 111112

1

UU

Tt

ULRtU

Tt

LItUe

Itik aa

p

aTt

pl ===

(8.21)

El este cu atat mai bun cu cat t1 mai mic T si Ua mai mare decat a sursei.

o Energia dezvoltat n camera de stingere(integrala Joule) se calculeaz cu relaia :

dtiUWt

oaa 2

2= (8.22)

Parametrii limitrii pentru curentului de scurtcircuit simetric Expresia curentului de scurtcircuit simetric este de forma

284

( )0sin += tIi (8.23) Unghiul 0 se datoreaz faptului c numai dup depirea curentului calibrat ,

declanatorul aparatului transmite un impuls mecanic asupra punii cu piese mobile n contact , iar separarea pieselor de contact se face cu ntrziere .n aceste condiii din relaia : if=i1-i2=(Ua/L)t rezult expresia curentului limitat :

( ) tL

UtIi a+= 02 sin (8.24) Momentul t1 (sau unghiul 1t ) la care are loc valoarea maxim il a curentului

limitat se afl din condiia :

( ) 0cos 02 == LUtI

dtdi a (8.25)

din care rezulta

01 arccos =n

a

UUt (8.26)

unde ILU n =Parametrii limitarii sunt:

o Raportul de limitare se obine mprind curentul i2 din relaia (8.24) n momentul t1 cu obtinand : 1 iI ( ) ( ) 10112 sin tU

UtItik

n

al +== (8.27)

Momentul t2 trecerii curentului ( ) tLUtIi a+= 02 sin prin zero (anularii

curentului) este 022 arcsin

= tUUt

n

a relaie care se rezolv prin iteraii .

a- curent simetric b- dependenta curent limitat de tensiunea sursei

Figura 8.29 Explicativ privind momentul limitrii

Din relaia uS-Ua=Ldi2/dt se observ c pentru i2=il , tensiunea de arc este egal cu tensiunea sursei , uS=Ua .

285

o Energia dezvoltat n camera de stingere se calculeaz cu relaia :

( ) dtL

UtIUdtiUWt

o

aa

t

aa

+== 22 020

sin sau

( )[ ]LtUtIUW aaa 2

cos 2

22

020 += (8.28)

Parametrii limitrii pentru curentului de scurtcircuit asimetric Expresia curentului de scurtcircuit asimetric , n ipoteza amortizrii nule este :

( )[ ]01 cos1 += tIi (8.29) relaie ce conduce la expresia curentului limitat il=i1-i2=(Ua/L)t de forma

( )[ ]L

UtIi a+= 02 cos1 t (8.30) Momentul t1 (sau unghiul t1 ) la care curentul limitat are valoarea maxim il se

afl din condiia :

( ) 0sin 02 =+= LUtI

dtdi a (8.31)

Parametrii limitarii sunt:

o Raportul de limitare ( ) ( )1

011222

cos12

tU

UtItik

n

al +== (8.32)

Momentul t2 ( sau unghiul t2 ) trecerii curentului ( )[ ] tLUtIi a+= 02 cos1

prin zero se obine din relaia :

022 1arccos

= t

UUt

n

a care se rezolv prin iteraii .

Figura 8.30 Explicativ privind momentul limitrii

286

o Energia dezvoltat n camera de stingere se calculeaz cu relaia :

( )[ ] dttL

UtIUdtiUWt

aa

t

oaa

+== 22

002 cos1

( )LtUtIUtIUW aaaa 2

sin

22

2

022 ++= (8.33) d.3 Curbe limitatoare de curent

Capacitatea de limitare a curentului unui disjunctor este definit de dou curbe care dau, funcie de curentul de scurtcircuit prezumat (curentul care ar circula dac nu ar fi montat nici un dispozitiv de protecie):

curentul limitat in functie de curentul prezumat

Figura 8.31 Curbe de limitare

solicitarea termic(A2s), adic energia disipat de scurtcircuit ntr-un

conductor cu o rezisten de 1 in functie de curentul prezumat

287

Figura 8.32 Curbe de limitare termica

Spre exemplu valoarea real a unui scurtcircuit prezumat de 150 kA eficace limitat de ctre un disjunctor limitator n amonte este 30 kA vrf (a se vedea curbele de limitare si termice). Capacitatea de limitare a unui disjunctor reprezint aptitudinea acestuia de a limita curenii de scurtcircuit.

Comparnd funcional i constructiv un aparat limitator cu unul nelimitator se desprind urmtoarele avantaje pentru ntreruptorul limitator : - se diminueaz sensibil tensiunea de restabilire i ca urmare solicitarea dielectric

dup trecerea prin zero a curentului este mai mic - se diminueaz energia dezvoltat de arcul electric i ca urmare gradul de ionizare ,

n camera de stingere , este mai redus - cile de curent se dimensioneaz la curentul limitat i nu la curentul de scurtcircuit

prezumat . Capacitatea excepional de limitare a intrerupatoarelor limitatoare reduce

substanial forele create de ctre curenii de defect n aparat.Rezultatul const ntr-o cretere major a performanei de rupere. n mod special capacitatea de rupere de serviciu, Ics este egal cu 100% din Icu. Valoarea Ics, definit de standardul CEI 60947-2, este garantat de ncercri care cuprind urmtoarele operaii:

ruperea de 3 ori consecutiv a unui curent de defect egal cu 100 % din Icu verificarea c aparatul continu s funcioneze normal:

o conduce curentul nominal fr creteri anormale de temperatur o funciile de protecie lucreaz n limitele specificate de standard

caracteristicile de izolare nu sunt afectate.

288

Efectul introducerii intreruptoarelor limitatoare in distributia energiei electrice conduce la :

Longevitatea instalaiilor electrice Disjunctoarele limitatoare reduc substanial efectele negative ale scurtcircuitelor asupra instalaiilor.

Efecte termice Creteri de temperatur n conductoare, mai mici, deci o durat de via mai lung pentru cabluri.

Efecte mecanice Fore electrodinamice reduse, deci riscuri mai sczute ca barele sau contactele electrice s fie deformate sau rupte.

Efecte electromagnetice Perturbaii mai mici pentru aparatele de msur amplasate lng circuitele electrice.

Economie prin cascadare Cascadarea este o tehnic derivat direct din limitarea curentului. n aval de un disjunctor limitator se pot monta disjunctoare cu capacitatea de rupere mai mic dect curentul de scurtcircuit prezumat. Capacitatea de rupere este mrit prin capacitatea de limitare a aparatului din amonte. Drept urmare, se pot face economii importante la echipamentul i tablourile electrice din aval.

d4. Realizri tehnice. ntreruptoarele limitatoare sunt fabricate de Grupul Schneder prin firma Merlin

Gerin pentru cureni de pn la 630 A cu tensiuni necesare coloanei arcului cuprinse ntre 600 900 V. aparate ce utilizeaz dubla ntrerupere (fig.8.31). Aparatele cu ntrerupere simpl sunt utilizate pn la 250 A. iar peste aceast valoare utilizeaz dubla ntrerupere ce au micare de rotaie a contactului mobil .Curent prezumat este de 100 KA (capacitate de rupere) ntrerupt n 2,5 ms.

Figura 8.33 ntreruptoare limitatoare

289

8.3 SIGURANELE FUZIBILE Acest aparat asigura protectia circuitelor electrice impotriva curentilor de

scurtcircuit de valori si durate mari, intrerupand un circuit cand curentul supravegheat depaseste o valoare data intr-un timp determinat. Litera reper de identificare este F iar simbol general este conform figurii:

Figura 8.34a Simbol general sigurante

8.3.1 Tipuri de sigurante fuzibile Cele mai simple i deci cele mai utilizate aparate de protecie sunt siguranele

fuzibile. Ele se bazeaz pe fenomenul de transformare a energiei electrice n energie caloric. Peste o anumit valoare a intensitii curentului , metalul elementului fuzibil se topete i circuitul respectiv se deschide. n momentul arderii siguranei exist posibilitatea formrii arcului electric care s continue conducia i de aceea se iau msuri speciale pentru a evita acest lucru. Datorit simplitii constructive i mai ales a uurinei de nlocuire, ele sunt utilizate n marea majoritatea circuitelor (de for, de comand , etc ) . Din punct de vedere constructiv siguranele pot fi deschise, la care arcul se rupe n aer liber, sau nchise, la care arcul se rupe n alt mediu. a.Siguranele deschise Sunt utilizate mai mult n circuitele de for i se construiesc pentru cureni pn la 500 A, din lamele de zinc electrolitic avnd un singur loc de topire. Ele se monteaz pe sigurane de tip mner . Din cauz c arcul care se produce la topirea fuzibilului este exterior , produsele arderii se depun pe placa portsiguran putnd duce la metalizarea acesteia. n al doilea rnd , arcul format poate trece i-n fazele vecine, din care cauz va trebui ca ntre faze s se plaseze perei despritori izolani. Cele dou fenomene constituie principalele dezavantaje ale acestor sigurane. Sigurana de tip mner se introduc n nite contacte fixe asemntoare celor pentru separatoare.

Figura 8.34b Sigurante deschise

Un alt tip de siguran deschis este cea tubular de fabricaie ruseasc , din porelan i fuzibile din argint, pentru 60,80,100,125,160 i 200 A la tensiuni pn la

290

500 V. Utilizarea argintului prezint avantajul c srma nu se oxideaz la nclzire chiar pn la 350 , ceea ce asigur stabilitatea condiiilor de topire. Un al doilea avantaj al acestor sigurane l constituie prezena tubului de porelan care limiteaz efectele arcului electric. b. Sigurane de tip nchis.

Siguranele de tip nchis pot fi fr sau cu umplutur. Cele fr umplutur prezint avantaje fa de siguranele deschise tubulare cu care dealtfel se aseamn. n primul rnd efectele arcului sunt mai strns localizate, fuzibilul fiind complet nchis, iar n al doilea rnd, materialul tubului fiind gazogen (fibr , textolit ) , arcul este rupt instantaneu ca urmare a creterii presiunii locale. Dei schimbarea fuzibilului este mai anevoioas dect la siguranele deschise, se prefer ultimelor din cauza gabaritului de montaj mai redus. Din categoria siguranelor fuzibile cu material de umplutur cele mai utilizate sunt siguranele unipolare cu filet, care se folosesc att n circuitele de comand, de iluminat ct i n cele de for (6..100 A). O astfel de siguran se compune din trei pri:

Soclul , montat fix pe panoul electric pe tabloul de distribuie. Soclul se construiete n dou variante : cu legare n fa (tip LF) i cu legare n spate (tip LS ). Ele se compun din corpul de porelan 1 , capacul 2 tot din porelan , contactul filetat superior 3 cu borna de legtur 4, contactul de fund 5 cu borna respectiv 6.

Fig 8.35 Soclul siguranelor fuzibile cu material de umplutur

Patronul port- fuzibil, confecionat dintr - un corp de porelan cu dou contacte

metalice la capace, ntre care se leag fuzibilul. Interiorul este umplut cu nisip de calitate superioar (90% bioxid de siliciu, lipsit de oxizi metalici). Patroanele se construiesc n variante , deosebite ca form i dimensiuni:

- patroanele de 6,10,16 A (fig 8.36 a ) - patroane de 20,25,35,50,63 A (fig 8.36. b ) - patroane de 80,100 A (fig 8.36. c )

291

Fig 8.36 Elemente de siguran fuzibile cu umplutur: patrone

Capacul filetat (fig8.36. d) are rolul de a fixa n soclu i de a asigura presiunea

pe contactul de fund al acestuia . Cuprinde capacul propriu - zis filetat 1 i piesa izolatoare din porelan.

Diferitele prescripii la aceste tipuri de sigurane sunt standardizate:

1. Condiii tehnice : STAS 452 / 1-73 2. Dimensiunile soclurilor : STAS 452 / 2-73 3. Capacele filetate : STAS 452/3-73 4. Patroanele siguranelor: STAS 452/4,5-73

Corelarea dintre curentul nominal al consumatorului si diametrul firului fuzibil este redata in tabelul urmator: Curentul Nominal (A)

Diametrul conductorului fuzibil (mm)

Numrul de conductoare

Seciunea fuzibilului ( ) 2mm

6 0,18 1 0,0255 10 0,25 1 0,049 15 0,35 1 0,096 20 0,45 1 0,158 25 0,35 2 2 x 0,096 35 0,35 3 3 x 0,096 45 0,45 2 2 x 0,158 60 0,65 2 2 x 0,33 80 Band de 0,15 mm - 0,60 100 Band de 0,15 mm - 0,75

292

Siguranele fuzibile de joas tensiune, n funcie de curentul de scurtcircuit prezumat, pot fi clasificate n trei categorii. Nr.

Denumirea Tensiune nominal

Curent nominal

Curent prezumat

Aplicaii

- - [V] [A] [KA] - 1 Sigurane

miniatur < 550 V 0,110 < 2 Aparate electronice

(redresoare, aparate radio-TV)

2 Siguran fuzibil cu filet

< 1.000 V 15100

< 33 Instalaii industriale i casnice (domestice)

3 Sigurane fuzibile de mare putere (MPR)

< 1000 V 1001000

< 50 Instalaii industriale

O serie de construcii originale n care fuzibilul se topete foarte repede la atingerea

unei temperaturi relativ sczute, aa cum se prezint n figura 8.37. t

A

KIr 1000[A] 50 100

1

0.01

5

secu

nde

mnu

te

i

3

4

6 D

B

C

5 1 2

1

a) b) c)

a) cu desprindere mecanic b) element fuzibil utiliznd efectul metalurgic c) caracteristica de topire Figura 8.37 Soluii originale n construcia elementelor fuzibile

1,1 fir fuzibil 2- pies metalic cu mare capacitate termic 3- jonciune cu aliaj eutectic 4- arc 5- aliaj eutectic uor fuzibil 6- band de Cu cu istmuri

Cazul a)-reprezint un element fuzibil cu desprinderea mecanic, folosit la

sigurane cu ruperea arcului n aer. La un curent de suprasarcin de lung durat, cldura degajat de cele dou elemente fuzibile 1 i 1provoac topirea aliajului 3. Resortul 4, tensionat, ndeprteaz elementul fuzibil 1 din poziia iniial, determinnd formarea arcului de ntrerupere. La suprasarcini de scurt durat (pornirea motoarelor electrice asincrone), zona de lipire are inerie termic i n intervalul de timp relativ sczut n care se manifest suprasarcina, sigurana rmne solid. La scurtcircuit sigurana se arde n cele dou poriuni 1 i 1, acionnd ca o siguran

293

rapid; n acest caz trebuie exclus topirea n zona de lipire pentru a nu se produce o cantitate suplimentar de vapori metalici.

Cazul b) n cadrul siguranelor fuzibile de joas tensiune (

294

Creterea n continuare a puterii de rupere i a rapiditii de acionare a siguranelor fuzibile cu umplutur de nisip a fost posibil reducndu-se seciunea echivalent necesar, mrind gradul de rcire al elementului fuzibil.

Figura 8.39 Element nlocuitor pentru sigurana fuzibil de joas tensiune

1, 2 cuit pentru contact; 3 band fuzibil; 4 semicarcas din material ceramic; 5 spaiu pentru nisip de cuar; 6 nit cu aliaj eutectic; 7 gaur pentru nitul eutectic; a topire la scurtcircuit; b topire la suprasarcin

n figura 8.37c. se reprezint patru caracteristici de topire aparinnd siguranelor de joas tensiune cu putere de rupere ridicat.

A Caracteristica de topire inert (siguran lent) aparine siguranelor cu desprindere mecanic sau cu efect metalurgic i se recomand receptoarelor cu vrfuri de curent de durat relativ scurt (motoarele asincrone (58)In, de durata ctorva zeci de secunde, transformatoare de for, condensatoare de for, etc.).

B caracteristica de topire rapid (sigurane rapide) corespund siguranelor cu fuzibile confecionate dintr-un singur metal cu seciune relativ uniform i se recomand la protecia cablurilor, conductelor i n general a instalaiilor n care nu se produc vrfuri mari de sarcin.

C caracteristica de topire ultrarapid (sigurane ultrarapide) se obine la sigurana cu element fuzibil puternic gtuit, executat dintr-un singur metal i se recomand la protecia receptoarelor cu capacitate termic redus (redresoare cu germaniu i siliciu).

D caracteristica de topire mixt (sigurane lent - rapide) aparin siguranelor cu mare putere de rupere, care, n acelai patron, are ncorporat dou elemente fuzibile, montate n serie cu acionare independent: un fuzibil cu efect metalurgic cu caracteristica inert i un fuzibil realizat din lamele metalice cu gtuiri cu caracteristica ultrarapid; se recomand pentru protecia instalaiilor miniere (motoare asincrone n regim greu de pornire, dar care necesit o rapid deconectare la scurtcircuit).

295

8.3.2 Caracteristici ale sigurantelor fuzibile Se disting dou moduri de funcionare dependente de intensitatea curentului ce

traverseaz fuzibilele , moduri ce determin dou caracteristici i anume caracteristica timp-curent i caracteristica de limitare.

Regimurile de funcionare numite de fuziune , care sunt date cu faza de pre-arc i faza de arc , depind foarte mult de supraintensitate .

Fuzibilele sunt foarte sensibile la suprasarcinile instantanee i la schimbrile termice cu exteriorul .Trebuie menionat c procesul de ntrerupere depinde de temperatura iniial a nisipului care este suficient de mare n momentul apariiei arcului produs de curentul de suprasarcin . n acest caz rezistivitatea nisipului scade i deci capacitatea acestuia de a rupe arcul electric.

a.Caracteristica timp-curent reprezinta dependenta dintre timpul de fuziune si intensitatea curentului electric ce trece prin elementul fuzibil.

Comportamentul lamelei fuzibile depinde de condiiile de disipare a pierderilor datorate supraintensitii , disiparea se face prin conducie , longitudinal de-a lungul conductoarelor i transversal de-a lungul nisipului de umplutur i corpurilor izolante fa de mediul exterior .Scurgerea relativ de energie termic este prea mare fa de supraintensitate care este slab i din acest motiv duratele de pre - arc t p, pot deveni foarte mari date de :

PdR

Vcdtif

vt p

+= 0

2 ,

unde tR

P = cu Rt rezistena termic echivalent a fuzibilului fa de mediul ambiant. Pentru un element de lamel fuzibil . de lungime L , seciune constant S i rezisten R ( ) , nclzirea rmne uniform .Calculul unei capaciti termice a metalului ,nisipului i anvelopei la temperatura parvenit de-a lungul timpului t este dat de dependena supratemperatur - timp este de forma :

)1( /maxTte=

ntruct nclzirea este lent fiecare supratemperatur este datorat unui curent cu dependena :

2max

2

max II=

. Se obine astfel caracteristica de suprasarcin sau timp-curent a siguranei

fuzibile ce se adapteaz obiectului protejat

22max

2maxln

III

Tt p = (8.34) b.Caracteristica de limitare Caracteristica de limitare exprim dependena curent limitat curent prezumat i

se determin pe baza duratei pre-arc. Durata pre-arc reprezinta intervalul de timp cuprins ntre nclzirea materialului

i vaporizarea acestuia fiind descris de urmtoarea integral Joule :

296

22321

0 0

2222 )(3 1 2

1

3

2

kSSkkkdtidtidtidtit t t

t

t

t=++=++= =Wp energia pre-arc

b.1Durata pre-arc n c. c. Dac se consider un circuit pur rezistiv i sigurana este parcurs de

curentul I de scurtcircuit , relaia anterioar conduce la : I2t=kS2 (8.35)

sau t=kS2/I2=t0 numit timp de fuziune . (8.36)

Parametrul limitarii este 1 deoarece curentul limitat de siguranta fuzibila este egal cu valoarea celui prezumat il=I

circuit R-L ce are constanta de timp RL= iar curentul care parcurge

sigurana are expresia :

=

t

eIi 1 (8.37)

si reprezentarea grafica conform figurii 8.39 a

Figura 8.39 Durata pre-arc n c. c

Dupa ce s-a exprimat prin serie Taylor exponentiala

ttet

==

)1(11

prin introducerea curentului (8.37)n relaia integralei Joule (8.35)

22

32

2

02

2

3

2

kStIdttIt

== se poate determina timpul de fuziune astfel:

02

3

31 t

t = (8.38) sau

3 203 tt = (8.39) Curentul limitat se determin din relaia

=

t

eIi 1 utiliznd dezvoltarea

Taylor a exponenialei i nlocuind timpul de fuziune rezultnd: il=I t2/. (8.40)

297

Dac se raporteaz timpul de fuziune t i timpul de fuziune n curent continuu t0 la constanta circuitului , se obin timpii de fuziune n mrimi relative

303 =ind (8.41)

curentul limitat devenind: il=Iind (8.42)

b.2 Durata pre-arc n c. a. n cazul curentului de scurtcircuit simetric , expresia acestuia la trecerea

curentului prin zero poate fi scris sub forma : tItIi 2sin2 == (8.43)

n ipoteza c topirea fuzibilului are loc dup timpul t2 timpul de fuziune se determin din relaia :

3 222

223

222

0

222

0

2

23

322

22

IkStkStIdttIdti

tt

==== (8.44) Notnd ;02

2

tI

kS = 22

2 4T = va rezulta :

3 203 22

02 3

18

3 TtTtt = (8.45) Dac se raporteaz timpul de fuziune t2 i timpul de fuziune n curent continuu t0

la durata perioadei T, se obin timpii de fuziune n mrimi relative :

TtTt

mm == 22 TtTt

000

0 == 3 03 30 31

31 == mm TT

Deci , timpul de fuziune relativ n c. a. simetric se poate exprima n funcie de timpul de fuziune relativ n c. c.

Curentul limitat se obine nlocuind timpul de fuziune n tItIi 2sin2 == rezultand :

Ii m 222 = (8.46) n figura 8.40 este evideniat evoluia curentului de scurtcircuit prezumat

(simetric) , a tensiunii din coloana arcului , a tensiunii sursei , a curentului limitat , durata pre-arc fiind determinat de intersecia tensiunii arcului cu a sursei

Figura 8.40 Durata pre-arc n c. a.

298

Curentului de scurtcircuit asimetric cu asimetrie maxim : ( )tIteIi t cos12cos2

=

(8.47)

prin dezvoltarea n serie a funciei tcos i limitarea la primii doi termeni se obine :

22

2112

2222 tItIi =

+= (8.48)

Din integrala Joule 252442

0

22

2

58

2242 kStI

TdtIt

T

t

==

Se determina timpul de fuziune

50

45 42

2

2 53.21

53.21 tTT

IkSt == (8.49)

Sau in unitati relative 5

05

050

02

53.21

53.21; ==== mmm TTT

tTt

Curentul limitat se determina prin inlocuirea timpului de fuziune in relatia

54

42

22

85(

22

TI

kSIi = (8.50)

Figura 8.41 Durata pre-arc pentru curentul asimetric

c. Regim de arc al siguranei fuzibile Tensiunea de arc n fuzibile Faza de arc n sigurana fuzibil apare numai dup ce tensiunea furnizate arcului

(TTR) depete valoarea tensiunii necesare. Dup scurta perioad unde arcul este esenial ncrcat cu atomi metalici de la vaporizarea din lamel , arcul conine ioni de Si i O2 provenind din nisipul de umplutur .

Echilibrul arcului depinde de posibilitile de disipare a puterii electrice din coloan, prin conducia termic de-a lungul gazului i a pereilor laterali , modelat simplificat pentru un arc de lungime L i de grosime d , cu d

299

E - cmp electric ; T - temperatura ; - conductivitate electrica 23

0T = respectiv termic 2

3

0T = cu condiiile : 0;02 ==

dxdTdT iar gradientul de tensiune al

arcului : 4.0210*65.5

=

LI

dEa cu I - curentul arcului .

Lungimea canalului arcului electric Canalul se alungete progresiv plecnd de la striciuni , prin dispersia metalului din

lamel . n acest fenomen intervine puterea disipat de arc la electrozi , tipic metalului utilizat i puin diferit de la catod la anod . Viteza de eroziune este proporional cu densitatea curentului v f = C'J , cu C' =1.0310-9 m3/(A s) - pentru argint respectiv C'= 1.0910-9 m3/(A *s) - pentru cupru

Dimensiunile canalului evolueaz de la seciunea dreapt a lamelei , modificnd puin lrgimea sa L dar n funcie de d . Energia disipat n coloana arcului provoac un efect , dup vaporizarea metalului i dispersia sa n spaiile intergranulare , fuziunea nisipului refractar care domin n suprafa i se comprim sub efectul presiunii gazului ionizat .

Durata si energia arcului n fuzibile Considernd un circuit pur inductiv tensiunea din coloana arcului Ua=U+Ldia/dt

relaie din care se determin curentul din arc ia =il-(Ua-U)t/L

cu il=I t2/ =Ritpa/L=Utpa/L curentul limitat. ntruct curentul din arc se stinge ia=0 durata arcului se determin funcie de

durata pre-arc ta=tpa /(k-1) (8.52)

unde k=Ua/U Energia de-a lungul duratei arcului ta la o tensiune de arc constant Ua =k U (k

raport tensiune arc pe tensiune sursa) se determin funcie de energia dezvoltat n durata pre-arc :

/12

ppl

aala WUtk

kitUiW =

== (k-1) (8.53)

Energia total Wt=Wp+Wa=[k/(k-1)]Wp= [k/(k-1)]KS2 (8.54)

Aceast energie depinde de integrala Joule de pre-arc si caracteristic metalului folosit . Ea depinde mult de k i poate deveni foarte mare n caz de insuficien a tensiunii de arc .

Pierderile nominale n fuzibile Pentru o lamel fr striciuni pe ea cu o putere nominal 22 nnn IS

LRIP == , are energia total 211

kSk

kWk

kW pt

=

= Presupunnd gradientul tensiunii de arc constant : E a = U a / L , obinem : ( )

22

223

1 nan

t PEIUk

kkW

= (8.55)

300

d. Caracteristici electrice specifice siguranelor

d.1 Curentul nominal al soclului este acel curent de valoare constanta care poate fi suportat un timp nedefinit ,fr a depi supratemperaturile maxime admisibile si pentru care s-a calculat funcionarea de durata a prilor conductoare de curent i a contactelor siguranelor .Cum de obicei un anumit tip de siguran permite utilizarea mai multor elemente fuzibile pentru diferii cureni nominali, curentul nominal al soclului (indicat pe corpul lui) reprezint cel mai mare dintre curenii nominali ai elementelor fuzibile destinate acestei sigurane.

d.2 Curentul nominal al elementului fuzibil este acel curent de durata la care elementul fuzibil trebuie sa funcioneze timp ndelungat ;curentul nominal al fuzibilului se determina prin calibrarea sa pe baz de ncercri. Rezult ,att pentru socluri ct i pentru patroanele elementelor fuzibile, ca valoarea curentului nominal este condiionat de valoarea standardizat a temperaturii mediului ambiant i de valoarea supratemperaturilor maxime admise la funcionarea de durata( C). = 520na

d.3 Curent limit de topire al fuzibilului este curent pn la care elementul fuzibilului nu se topete timp ndelungat (practic una, dou ore, teoretic un timp infinit lung).Unele standarde precizeaz domeniul de existen al curentului de topire minim indicndu-se:

- curentul cel mai mare (maxim)la care nc nu se produce topirea (fuziunea) intr-un timp dat curent concepional de nefuziune I . f1

- curentul cel mai mic (minim) la care trebuie s se produc topirea ntr-un timp dat-curent concepional de fuziune I .Aceti cureni se exprim ca multiplii ai curentului nominal.

f

d.4 Tensiunea nominal a siguranei fuzibile-intervine ori de cte ori se aleg sau se compara intre ele doua sigurane de construcii diferite .Cum in exploatare valoarea tensiunii variaz intre anumite limite ,apare necesar noiunea de tensiunea de serviciu maxima admisa U nm U= 15,1 .

d.5 Capacitatea de rupere (curent de rupere)- I -al siguranei indicat prin valoarea maxim a curentului de scurtcircuit ,pe care l poate ntrerupe sigurana ,in condiii de ncercare precizate de norme .

r

d.6 Puterea de rupere Pr-a siguranei la scurtcircuit se poate determina pentru circuitele de curent alternativ cu relaia : rnr IUP = 3

Observaie prin curent de rupere se nelege curentul de scurtcircuit de oc simetric ce s-ar stabili n circuitul dat in cazul in care sigurana ar fi scoas din circuit prin untare ( nlocuit cu o impedan neglijabil- o bar ).

d.7 Integrala Joule se obine trecnd pe ordonat efectul termic adic energia pre-arc i pe abscis valoarea efectiv a curentului nominal al elementului nlocuitor. aceast mrime nu are dimensiunea unei energii ci este definit ca o integral Joule specific (pe unitatea de rezisten)

dti2

d.8 Caracteristicile timp-curent i de limitare a siguranei fuzibile In functie de timpul de topire al fuzibilului avem:

sigurante lente (cu intarziere) - se folosesc cand in circuitul protejat apar supracurenti temporari (datorati pornirii motoarelor de exemplu).

301

sigurante rapide sigurante ultrapide - se folosesc pentru protejarea elementelor semoconductoare.

In functie de capacitatea de rupere avem: sigurante cu capacitate mica de rupere - folosite la protectia instalatiilor de

comanda si automatizare; pot fi cu legaturi spate (LS,LSf) sau cu legaturi fata (LF,LFi).

sigurante cu capacitate medie de rupere - pot fi cu legaturi spate (LS) sau cu legaturi fata (LF,LFi).

sigurante cu mare putere de rupere (MPR)- se folosesc pentru protejarea circuitelor contra curentilor de scrutcircuit de valori mari.

e. Alegerea sigurantelor fuzibile

n cazul circuitelor de for se folosesc, n general, sigurane cu mare putere de rupere (MPR).

Alegerea siguranelor de protecie const n alegerea tipului constructiv, a tensiunii nominale de funcionare i a curentului nominal al fuzibilului. Dac un circuit electric alimenteaz cu energie electric mai multe motoare, de puteri diferite, atunci Inf trebuie s fie mai mare dect curentul nominal de sarcin Ins al conductorului i mai mare sau cel puin egal cu Imax/k, unde Imax este dat de relaia: += max max pnm III ,

n care: nmI reprezint suma curenilor nai tuturor motoarelor exclusiv curentul nominal almotorului de putere maxim cu I

ominali

s)

p max la pornire, iar k este un coeficient a crui valoare este 2,5 n

cazul motoarelor cu condiii normale de pornire (porniri rare i de durat scurt 5-10i 1,6-2, n cazul motoarelor cu condiii grele de pornire (porniri dese i de durat mare, pn la 40 s).

I(A)

t(s)

t1

I1

Figura 8.42

Curentul admisibil prin conductor Isc trebuie s fie ct mai mare sau egal cu cInf, c fiind o constant supraunitar care depinde de felul reelei i de suprasarcinile care pot aprea n reea. Sigurantele fuzibile sunt identificate prin litera F ( indica functia de protectie) urmata de doua litere ce au urmatoarea semnificatie :

prima litera g - pentru toti curentii; a - numai o parte din curenti.

a doua litera G - uz general; M - protectia motoarelor; L - protectia liniilor.

302

Exemple: gG, gL pentru protectia circuitelor rezistive de orice curent; aM pentru protectia circuitelor motoarelor, doar pentru anumiti curenti

Mecanismul de acionare al ntreruptoarele de joasa tensiunTipurile de declansatoare ale acestor disjunctoare sunt re

Funcia de declanare automat ,n cazul unor cureni anormac.ntreruptoare cu mare putere de rupere tip OROMAXParametrii limitrii pentru curentului de scurtcircuit sime8.3 SIGURANELE FUZIBILEFig 8.35 Soclul siguranelor fuzibile cu material de umplut

d. Caracteristici electrice specifice siguranelor