14862114

3. COMUTAIA ELECTRIC

La deconectarea circuitelor electrice parcurse de cureni, ntre elementele de contact ale aparatelor de comutaie (ntreruptoare sau contactoare) apare un arc electric ai crui parametri (tensiune, densitate de curent, durat) depind de condiiile locale din camera de stingere.

Existena arcului electric conduce la o solicitare suplimentar, cauzat de transferul de energie din coloana arcului ctre piesele componente conductoare sau izolante ale aparatului. Aceasta se manifest prin supratemperaturi care pot solicita elementele de contact pn la vaporizare.

i la nchiderea unor circuite poate aprea un arc electric ntre elementele de contact, dar dac viteza de nchidere este suficient de ridicat, efectul termic al acestui proces este nensemnat.

Figura 3.1 Modelul fizic al arcului electric.

n scopul limitrii efectelor produse de arcul electric n aparatele de comutaie, este util a se prezenta unele aspecte din fizica arcului, aspecte teoretice ale tehnicii ntreruperii, principiile folosite n scopul ntreruperii arcului i aplicaiile acestor principii n construcia aparatelor de comutaie.

Arcul electric n aparatele de comutaie este o descrcare autonom ntrun gaz (aer, SF6, N2, .a.), caracterizat prin temperatur ridicat i densitate mare de curent la electrozi.

Figura 3.2. Cderea de tensiune pe arcul electric.

Arcul const dintro coloan de plasm, dou zone de cdere de tensiune, cu zonele lor de trecere. n figura 3.1 se prezint arcul electric ntro form puternic idealizat, cu cderile de tensiune: anodic UaA; catodic UaK i a coloanei UaC.Coloana arcului este o plasm n echilibru termic, temperatura electronilor, a ionilor i a atomilor neutri avnd aproximativ aceeai valoare i se comport ca un conductor foarte mobil, uor deplasabil sub aciunea curenilor de fluid, a cmpului electric i magnetic i a crui seciune se ajusteaz spontan dup valoarea curentului care l parcurge.

n privina amorsrii arcului electric se presupune existena apriori a unor surse de purttori de sarcin, n spe de electroni. Aceste surse provin din emisia termic corelat cu efectul Schottky i din emisia datorat cmpului electric intens.

Ulterior apariiei electronilor, apar n coloana arcului procese fizice suplimentare ca: ionizarea prin oc, termoionizarea, fotoionizarea, excitaia atomului. Procesul de formare i meninere a arcului electric se datoreaz fenomenelor de ionizare ce au loc pe suprafaa electrozilor i n coloana de arc. Simultan cu procesele de ionizare au loc i procese de deionizare datorit recombinrii ionilor i a difuziei. Cnd procesele ionizante sunt mai intense dect cele deionizante, arcul se menine, n caz contrar se stinge. Stingerea arcului este cu att mai eficient cu ct procesele deionizante se desfoar mai energic.

n aparatele de comutaie (contactoare, ntreruptoare) arcul electric apare la separarea pieselor de contact, n procesul de deconectare al aparatului i nainte de atingerea pieselor de contact, n procesul de conectare.

Formarea arcului electric la separarea pieselor de contact, se poate urmri schematic n figura 3.3. Pn n momentul t1 piesele de contact sunt n atingere fiind apsate cu o for suficient pentru a obine o presiune optim pe contact, de exemplu pentru un contact punctiform :

Figura 3.3. Variaia tensiunii la amorsarea arcului electric.

mV(3.1)

n intervalul t1t2 fora de apsare scade, aparatul tinznd si deschid contactele, punctul de contact se diminueaz ca arie, rezistena de contact crete, metalul se nclzete ridicndui temperatura pn la temperatura de topire. n aceast situaie tensiunea pe contact este:

(3.2)

T( este temperatura de topire a metalului. n momentul t3 se termin nclzirea metalului i se produce vaporizarea acestuia n mod exploziv. Rezultatul este formarea de plasm n locul format anterior de puntea metalic.

Dup formarea plasmei are loc vehicularea purttorilor de sarcin, care din cauza sarcinilor spaiale, n faa catodului mai ales, dar i n faa anodului, distorsioneaz puternic cmpul electric. Astfel se produce un gradient puternic n faa catodului, din care se extrag electroni prin efect de cmp electric, dar i prin efectul de nclzire al catodului, n zona petei catodice.

Procesul descris pn la acest stadiu corespunde formrii arcului electric scurt, mai ales n aparatele de comutaie n vid. Dac arcul se lungete prin ndeprtarea contactului mobil i piesele de contact nu sunt n vid, intervine ionizarea gazului din mediul ambiant ca suport pentru vehicularea purttorilor de sarcin.

Formarea arcului electric la nchiderea pieselor de contact, se explic prin strpungerea ce se produce ntre piesele de contact ce se apropie. Ea presupune o anumit valoare a tensiunii, iar iniierea descrcrii apare ca urmare a emisiei de electroni prin efectul de cmp.

Din cele prezentate se poate trage concluzia c arcul electric se poate forma numai dac exist o anumit tensiune minim ntre electrozi, respectiv un anumit curent minim.

Figura 3.4. Fenomenologia arcului electric.

Bilanul de puteri la electrozi este prezentat n figura 3.4.

Se constat c ionii pozitivi la ciocnirea de catod i pierd o parte din energia cinetic, n zona cderii de tensiune catodice.

Ei sunt neutralizai prin electroni i sunt respini cu o energie de recul, astfel nct energia care rmne pe catod const n diferena celor dou energii. La neutralizare se elibereaz i o energie de ionizare i apar i pierderi determinate de energia necesar extragerii electronilor care folosesc pentru neutralizarea ionilor, funcie de lucrul mecanic de ieire. O alt parte ( care este n general neglijabil), este puterea transmis prin nclzire i radiaie de la coloana arcului. Emisia de electroni din catod se datoreaz att emisiei termoelectronice ct i emisiei datorat cmpului electric. O teorie general a emisiunii termoionice a fost elaborat de Murphi i Good, ea conduce la o ecuaie care n form final nu este integrabil. Ca urmare a acestei emisiuni n zona catodului densitile de curent pot avea valori de 104 pn la 107 A/cm2.

Sa constatat, relativ recent, c la catod au loc fenomene legate de contracia diametrului arcului. Poriunea din apropierea coloanei, datorit ionizrilor puternice, formeaz un domeniu de trecere. Ionii produi n acest domeniu se deplaseaz mpreun cu ionii produi n coloana arcului, al crui numr comparativ este mai mic, spre zona cderii de tensiune catodice i se destind pe un parcurs de 104(105 cm. Se obine deci o ionizare puternic n gazul din apropierea catodului, aceasta constituind sursa principal de purttori de sarcin. Densitatea de curent mrit apare datorit trangulrii arcului electric n zona catodului datorit ionilor acumulai acolo. Cderea de tensiune catodic UaK este integrala intensitii cmpului i are valoarea ( 10 V.

Fenomenele de la anod sunt ilustrate n figura 3.4, constatnduse ptrunderea electronilor n metal nsoit de eliberarea energiei lor cinetice i poteniale, la care se adaug contribuia nclzirii i radiaiei coloanei arcului. Fenomenele de la anod se deosebesc ns fundamental de cele de la catod. Pe cnd la catod i n domeniul de ionizare apropiat se produc 99% din electronii ce formeaz curentul prin arc i cea mai mare parte a ionilor ce curg spre catod, n domeniul cderii de tensiune anodice se produc doar 1% din ionii ce formeaz curentul.

Pe de alt parte domeniul cderii de tensiune anodice are rolul de a micora viteza ionilor la valori corespunztoare repartiiei vitezelor n coloana arcului, ca i preluarea cderilor de temperatur ntre coloana fierbinte (300012000 K) i anodul relativ rece (temperatura maxim 1000 K). Cum anodul n cazul arcului electric practic nu emite electroni, curentul care curge spre anod este un curent de electroni. El aduce deci sarcini spaiale negative care produc cderea de tensiune anodic. Densitatea de curent la anod este mai sczut dect la catod (obinuit 10(105A/cm2) iar cderea de tensiune anodic UaA are valori cuprinse ntre 40 i 1 V, ea scznd cu creterea curentului.

La ambii electroni, datorit puterii transmise prin arc, fluxul termic duce la nclzirea acestora, ceea ce conduce la arderea materialului i vaporizarea lui.

Coloana arcului are o temperatur foarte mare (300012000 K) datorit energiei eliberate de purttorii de sarcin (n cea mai mare parte electroni) la ciocnirile cu moleculele gazului. Corespunztor, exist i un grad de ionizare a coloanei arcului foarte important, care asigur o conductivitate electric ridicat.

3.1. Modelarea arcului electric

Pentru aprecierea comportrii arcului se folosesc frecvent modele simplificate. Pentru unul din aceste modele, aa numitul model de canal, se fac urmtoarele simplificri:

arcul se consider cilindric, un domeniu cu conductivitate omogen, cu temperatura (1, de conductivitate electric (((1)=ct. i de raz r1. Conductivitatea termic a domeniului se consider infinit;

coloana arcului este nconjurat de un domeniu neconductor electric, cu conductivitatea termic ( constant, ale crui dimensiuni exterioare formeaz un perete cilindric de raz r2, ce se afl la o temperatur constant (2 (figura 3.5).

Puterea ce se disip n arc n domeniul conductivitii electrice este:

P1=jE(r12=(E2(r12(3.3)

Figura 3.5 Modelul de canal al arcului electric.

Puterea care se cedeaz prin transmisie termic, prin suprafaa lateral a cilindrului de raz r i lungime unitar, este:

(3.4)

Deoarece:

P1=P2,(3.5)

Rezult:

(3.6)

(3.7)

i prin integrare se obine:

(3.8)

Dependena cunoscut dintre conductivitatea electric ( i temperatura coloanei arcului (1 face ca aceast ecuaie s descrie legtura ntre mrimile nominale ale coloanei arcului r1, (1 i E.

mpreun cu alte dou ecuaii rezultate din condiiile de minim:

,

se pot determina exact parametrii coloanei arcului pentru modelul de canal, dac se dau valorile lui I, r2, (2, ( i (.

Arcul electric din camera de stingere a unui ntreruptor nu are form cilindric din cauza diferitelor influene la care este supus i anume: fore electrodinamice, jetul de gaz sau de lichid, traseul obligat din cauza formei camerei de stingere. n afar de aceste influene arcul este supus forei Lorentz.

Aceast for se manifest sensibil la intensiti ridicate (peste 3 kA), ori tocmai acesta este cazul n ntreruptoare cnd curentul ntrerupt poate atinge valori de 1 100 kA. n teoria modelului cilindric nu sa inut cont de existena forei Lorentz, ceea ce face ca teoria expus s fie valabil numai pentru valori reduse ale curentului, de ordinul 1 100 A.

Aceste valori reduse le are un curent de scurtcircuit n zona de trecere a curentului alternativ prin valoarea 0. Cu alte cuvinte, utilitatea teoriei modelului de canal (modelul cilindric) este de a studia regimul de funcionare al arcului electric ntrun domeniu interesant pentru stingerea arcului electric n ntreruptoarele de curent alternativ.

3.1.1. Spectrul termic i de curent n arcul electric.

Dac rezolvarea sistemului de ecuaii (3.3)((3.11) este deosebit de dificil, simplificrile fcute n cazul modelului de canal i anume: temperatur constant, conductivitate electric constant, conductivitate termic constant n coloana arcului, transmisivitate termic constant, duc la relaii puin precise.

n realitate temperatura scade avnd valoarea maxim n axa coloanei. Odat cu ea se modific conductivitatea electric i conductivitatea termic. Se tie c n gaze conductivitatea depinde puternic de temperatur i determin starea coloanei arcului.

De aceea distribuia densitii de curent i a temperaturii arcului sunt foarte neuniforme (figura 3.6). n figura 3.6. se indic repartiia temperaturii (T) i a densitii de curent (j) ntrun plan transversal pe arc i n figura 3.6. distribuia temperaturii ntrun plan median pe arc.

Figura 3.6. Repartiia temperaturii i a densitii de curent n coloana

arcului electric.

Coloana central fierbinte a arcului are o temperatur maxim care descrete rapid spre periferie, grania de existen a arcului electric corespunznd temperaturii de disociere a gazelor.

Figura 3.7 Repartiia temperaturilor la arcul electric dezvoltat n ulei.

n aparatele de comutaie se folosesc frecvent lichide de stingere, n special uleiul izolant. La deschiderea contactelor ntrun mediu fluid, are loc, sub influena temperaturilor nalte din arcul electric, o rapid vaporizare i supranclzire a lichidului nconjurtor. Se obine o bul de gaz sub presiune (figura 3.7) n care se poate deosebi o repartiia a temperaturilor n zone mai mult sau mai puin conturate.

Capacitatea mai bun de rcire a arcului n lichide fa de aer se datoreaz conductivitii termice ( i a cldurii specifice c, mult mai mare n ulei fa de aer. Aceasta este i cauza care justific utilizarea uleiului ca mediu de stingere la ntreruptoare de nalt tensiune.

n sfrit, n vid naintat, mediu care datorit rigiditii dielectrice mari este un mediu de stingere ideal, posibilitatea de ionizare este att de redus c plasma sau coloana arcului, n sens clasic, nu poate exista.

Ca o observaia general se menioneaz c curentul care trece prin coloana arcului este format (99(99,9 %) din electroni. Aceasta rezult i din ecuaiile densitii de curent n plasm (relaiile 3.5. i 3.3.), care prin neglijarea densitii de curent de difuzie devin:

(3.9)

Deoarece la numr egal de sarcini Ne=Ni, viteza de deplasare a electronilor este mult mai mare dect cea a ionilor (ve((vi).

3.1.2. Efectul Pinch.

Curentul prin arc produce un cmp magnetic al crui efect asupra purttorilor de sarcin (electroni i ioni) const dintro for. Fora Lorentz are expresia:

(3.10)

Aceast for i apare ca urmare a interaciunii dintre densitatea de curent i inducia magnetic proprie .

Figura 3.8 Efectul Pinch.

ntrun arc electric de form cilindric fora Lorentz este dirijat spre axul coloanei, astfel nct acesta sufer o compresiune (figura 3.8). n acest caz fora Lorentz este egal cu gradientul de presiune:

(3.11)

Pornind de la ecuaia lui Maxwell:

(3.12)

pentru modelul de canal cu o densitate de curent j, depinznd de raza r1, se obine:

(3.13)

Am considerat c densitatea de curent este o mrime constant n aria seciunii transversale de form circular. n acest caz:

(3.14)

unde r este raza curent i R raza cercului de limitare a coloanei izolante.

Procesul de comprimare al coloanei de plasm, ca urmare a dezvoltrii forei Lorentz, se numete efectul Pinch.

Din punct de vedere practic acest efect conduce la diametre de arc sensibil mai mici dect cele obinute cu relaia (3.16) n care nu sa considerat fora Lorentz.

Figura 3.9. Ejecia de plasm datorat efectului Pinch.

Un arc electric care arde ntrun gaz nu i menine coloana sub form cilindric, deoarece piciorul arcului i are sediul pe un material conductor (metal) unde densitatea de curent este mai mare, iar coloana se dezvolt ntrun gaz, care este un mediu mai puin conductor. Ca urmare diametrul coloanei de gaz va depi sensibil diametrul petei catodice, iar arcul electric va prezenta o umflare n zona central

Aceast modificare de diametre, pe msur ce se trece la alt seciune transversal n coloana arcului electric, cauzeaz o asimetrie de cmp magnetic i de densitate de curent i deci o modificare a forei Lorentz fa de cazul modelului cilindric. Efectul acestei asimetrii const n formarea unor cureni de plasm ctre axa de simetrie transversal a arcului electric.

n zona acestei axe curenii de plasm provenind de la cei doi electrozi se izbesc i dau natere unei radiaii (ejecii) de plasm, n planul de simetrie transversal. n figura 3.9. sa reprezentat schematic coloana de diametru variabil a plasmei care se afl n echilibru hidrodinamic.

Pentru un punct oarecare situat la o anume distan fa de piciorul arcului, echilibrul electrodinamic este definit de relaia:

(3.15)

unde () reprezint fora Lorentz, v vectorul vitez, de care este antrenat plasma i (d densitatea.

n axa coloanei B=0, deci fora Lorentz este nul, astfel c rmne:

(3.16)

ceea ce arat c presiunea scade de la electrod spre coloan, adic se obine o cdere de presiune n direcia axial, care este cauza fluxului de plasm de la electrod.

Pe poriunea cilindric n apropierea electrodului se poate considera coloana cilindric i masa plasmei imobil, adic este valabil relaia (3.23).

Formarea curenilor de plasm are drept consecin eliminarea unei mase de plasm i deci deionizarea arcului electric. Sub acest aspect, n tehnica ntreruperii arcului electric se urmrete formarea de zone trangulate de arc electric. Disimetria astfel format determin cureni de plasm dup direcia artat cu sgei.

Analiza stabilitii arcului arat c pentru a obine un arc instabil n curent alternativ este necesar ca Tm s fie mai mic dect o anumit valoare limit. n acest sens creterea puterii disipate p0 se realizeaz prin activarea rcirii plasmei i constau din diverse procedee de alungire, deionizare sau suflaj al arcului electric.

Se verific experimental pentru domeniul trecerii prin zero al curentului electric, cnd diametrul coloanei arcului este minim i se admite c rcirea se face prin conductivitate termic.

3.2. Arcul electric de curent continuu.

Din analiza modelului fizic al unui arc de curent continuu se desprind urmtoarele aspecte:

n faa catodului exist o cdere de tensiune Uak de ordinul 2530V, datorit concentraiei de ioni pozitivi cu o mobilitate relativ redus. Catodul genereaz electroni, ce contribuie cu peste 90% la formarea curentului. Zona de trecere dintre cderea de tensiune catodic i coloana de arc este caracterizat de o grosime de ordinul 103mm i o strlucire puternic, din care cauz se mai numete i pat catodic. Temperatura n faa catodului poate atinge 2500300K.

Coloana arcului electric are lungimi variabile n funcie de construcia camerei de stingere a aparatului. Lungimea arcului poate ajunge la 0,5m i chiar mai mare. Temperatura coloanei, n axul ei, poate atinge valori de 300015000K, n funcie de modul de rcire i intensitatea curentului electric.

Cderea de tensiune anodic UaA se datoreaz sarcinilor spaiale de electroni n faa anodului i este de ordinul 2(6V. n faa anodului curentul este, practic n exclusivitate, datorat electronilor care au o mare mobilitate n raport cu ionii pozitivi. Densitatea de curent n faa anodului este cu un ordin de mrime mai mic dect cea de la catod.

n acord cu conceptul modelului de canal (cilindric) de arc electric spre periferia coloanei de gaz ionizat nu mai exist conducie electric, ci numai conducie termic. n ceast zon are loc procesul de difuzie al electronilor i ionilor i de recombinare a acestora obinnduse astfel atomi neutri.

Vom nelege prin caracteristica arcului electric dependena dintre cderea de tensiune pe arc (ua) funcie de intensitatea curentului prin arc (i), ntlnit sub denumirea de caracteristic tensiunecurent.

3.2.1. Caracteristicile arcului electric de c.c.

Caracteristica static determin dependena ua=f(i) n regim staionar, la o lungime constant a arcului. Caracteristicile statice corespunztoare diferitelor lungimi de arc (1) se pot determina din rezolvarea ecuaiilor arcului electric (3.3)((3.11). Cum o asemenea soluie n general nu este posibil, ele se determin experimental, sau se calculeaz cu relaii puternic simplificatoare. Valorile obinute prin calcul se corecteaz cu ajutorul unor coeficieni experimentali.

n figura 3.10. se prezint alura unor caracteristici statice ua=f(i) pentru diferite lungimi constante ale arcului electric. Conform ecuaiilor modelului de canal aceast dependen este cztoare i conform ipotezei Mayr este o hiperbol echilateral.

Figura 3.10 Caracteristicile statice ale arcului de curent continuu.

Analiza caracteristicilor statice din figura 3.10, arat c la o lungime constant cderea de tensiune ua scade cu creterea curentului i, atingnd un minim i apoi crete din nou conform liniei punctate. Scderea cderii de tensiune, la curenii mici, se poate explica prin scderea rezistenei electrice a coloanei arcului determinat de identificarea ionizrii, creterea seciunii coloanei arcului deci creterea conductivitii electrice odat cu creterea curentului prin arc.

La cureni foarte mari se poate considera c ntregul spaiu dintre cei doi electrozi este complet ionizat, rezistena electric a arcului rmne constant i deci cu creterea curentului cderea de tensiune pe arc prezint din nou o alur cresctoare.

Figura 3.11. Variant a caracteristicilor statice ale arcului electric de c.c.

Majoritatea caracteristicilor prezentate n literatur, au fost ridicate pentru intensiti de curent sub 100A i de aceea prezint doar poriune cztoare a caracteristicilor. Se observ din figura 3.10 c cu ct lungimea arcului este mai mare caracteristica se deplaseaz n sus, adic la acelai curent se obine o cdere de tensiune mai mare.

Tabelul 3.1. Constantele din formula lui Ayrton.

Constanta

Material([V]([VA]([V/cm]([VA/cm]

Cupru30101030

Carbon3911,70,211,05

Pentru domeniul uzual (zona cztoare a caracteristicilor statice) se folosesc diferitele relaii prin care se aproximeaz curbele ridicate experimental. Relaia cea mai folosit este a lui Ayrton i este de forma:

(3.17)

n care:

ua este cderea de tensiune pe arc;

i curentul prin arc;

l lungimea arcului,

(, (, ( i ( constante ce depind de materialul electrozilor i mediul de stingere. Relaia (3.17) ne arat c la intensiti mari ale curentului, cdere de tensiune pe arc rmne practic constant, ea nu poate modela poriunea de caracteristic cresctoare a curbei ua=f(i).

Valorile constantelor din relaia lui Ayrton sunt date n tabelul 3.1. n literatur exist i alte relaii de calcul ce caut se modele caracteristica experimental a arcului electric.

Astfel relaia lui Rieder, stabilit pentru cureni pn la 80A este:

(3.18)

unde constantele ce intervin, pentru Ag, Cu i W, au valorile: a=26V; bCu=1,3cm; bAg=1,1cm; bW=1,6cm; c=5400V/cm; d=7,4103A. n aceast relaie, lungimea arcului se introduce n cm i intensitatea curentului n A. La o modificare rapid a curentului, cderea de tensiune pe arc nu mai urmrete caracteristica static. Este de menionat c temperatura ca i diametrul coloanei arcului i prin aceasta conductivitatea sa nu se pot modifica rapid. Arcul are o inerie termic, care are ca urmare o cretere mai mare a cderii de tensiune la creterea curentului i o comportare invers la scderea tensiunii. n acelai timp se produc i rapide modificri ale formei geometrice a arcului electric.

La o modificare rapid a curentului, cderea de tensiune pe arc nu mai urmrete caracteristica static. Este de menionat c temperatura ca i diametrul coloanei arcului i prin aceasta conductivitatea sa nu se pot modifica rapid. Arcul are o inerie termic, care are ca urmare o cretere mai mare a cderii de tensiune la creterea curentului i o comportare invers la scderea tensiunii. n acelai timp se produc i rapide modificri ale formei geometrice a arcului electric.

Figura 3.12 Diagramele curentului i tensiunii arcului electric de c.c.

n regim dinamic.

La o modificare rapid a curentului, cderea de tensiune pe arc nu mai urmrete caracteristica static. Este de menionat c temperatura ca i diametrul coloanei arcului i prin aceasta conductivitatea sa nu se pot modifica rapid. Arcul are o inerie termic, care are ca urmare o cretere mai mare a cderii de tensiune la creterea curentului i o comportare invers la scderea tensiunii. n acelai timp se produc i rapide modificri ale formei geometrice a arcului electric.

Astfel, de exemplu, dac se modific curentul la un arc de curent continuu prin salt de la valoarea Ia1, la valoarea Ia2 (figura 3.12), atunci se modific cderea de tensiune pe arc de la valoarea Ua1 din regim staionar la o valoare mai mare i apoi scade n timp la noua valoare staionar Ua2. Saltul cderii de tensiune peste valoarea Ua1 se explic prin aceea c rezistena coloanei arcului n momentul variaiei curentului rmne constant. Abia ulterior, dup creterea ionizrii, scade cderea de tensiune pe arc datorit micorrii rezistenei arcului la noua valoare staionar.

Figura 3.13 Caracteristicile dinamice ale arcului de cc.

Modul n care variaiile de curent influeneaz caracteristicile arcului rezult n figura 3.13. Pentru diferite pante de variaie a curentului n raport cu timpul (di/dt), ntre limitele (0 i () se obin diferite caracteristici dinamice. Pentru di/dt=0 se obine caracteristica static i pentru di/dt=(, ua=f(i) are o variaie liniar, datorit faptului c rezistena (conductivitatea) arcului rmne constant la modificarea curentului. ntre cele dou extreme se gsesc caracteristicile dinamice ale arcului de curent continuu.

3.2.2. Stabilitatea arcului electric de c.c.

n diferitele domenii ale electrotehnicii, ca, de pild n sudura electric, cuptoare electrice cu arc, n aparatele de proiecie, .a., este necesar ca arcul c aib o ardere stabil. Dimpotriv, n aparatele de comutaie, la descrctoare, sigurane fuzibile, etc., se impune ca arcul c se sting ct mai repede cu putin, cu alte cuvinte s fie instabil.

Pentru determinarea condiiilor de ardere stabil i nestabil a arcului considerm cazul simplificat, cnd contactele dup ntrerupere sau ndeprtat rapid ajungnd pn la poziia final. Astfel pe toat durata arcului avem 1=ct. i n acest caz putem considera caracteristica static a arcului determinat experimental.

Figura 3.14. Determinarea stabilitii arcului de c.c.

Considerm un circuit serie (figura 3.14) alimentat n curent continuu de la tensiunea U, care conine o rezisten R, inductivitatea L i arcul electric pe care apare cderea de tensiune ua. n regim dinamic ecuaia diferenial a circuitului este:

(3.19)

Notnd cu:

(3.20)

tensiunea de reducere ((U1), definit astfel pentru c inductivitatea L definete viteza de reducere a curentului, rezult:

(U1=(URi)ua(3.21)

n figura 3.14b, se reprezint caracteristica static a arcului ua=f(i), caracteristica extern a sursei, dreapta (URi), iar (U1 reprezint diferena celor dou caracteristici.

n regim staionar ecuaia circuitului este:

U=Ri(ua(3.22)

adic:

URi=ua(3.23)

Aceast condiie este ndeplinit n punctele ( i (, la intersecia caracteristicii externe a circuitului cu caracteristica arcului.

Se observ c stingerea arcului este posibil dac exist tendina de scdere a curentului, adic dac (U1(0. Aceast condiie este ndeplinit pentru i(i( i i(i(. Pentru i(i(, (U1(0 i curentul scade la valoarea i(. Pentru i((i(i(, (U1(0 i curentul crete spre valoarea i(.

Rezult c ( este un punct de ardere stabil a arcului, deoarece creterea sau descreterea curentului este nsoit de apariia cderii de tensiune negative respectiv pozitive, care readuc curentul la valoarea i(.

n schimb punctul ( este un punct de ardere nestabil a arcului electric, deoarece creterea curentului este nsoit de apariia unei cderi de tensiune (U1 pozitive care va mri n continuare curentul pn la valoarea i(; iar scderea curentului sub valoarea i( este urmat de apariia unui (U1 negativ, care accentueaz scderea curentului pn la valoarea zero.

3.2.3. Metode de stingere ale arcului electric.

Din figura 3.14 rezult c stingerea arcului la orice valoare a curentului i este posibil dac este ndeplinit condiia de a nu avea intersecie ntre caracteristica arcului ua=f(i) i caracteristica extern a sursei, dreapta (URi)=f(i), caz n care (U1 este negativ pentru orice valoare a curentului.

Prin urmare caracteristica arcului aparatului de comutaie trebuie s se afle n ntregime deasupra caracteristicii externe a sursei. De aici rezult clar c un circuit se poate ntrerupe numai cu un anumit ntreruptor, dat fiind c ua=f(i) este o caracteristic bine determinat pentru fiecare ntreruptor.

Figura 3.15 Metode de stingere a arcului electric de c.c.

Aceast condiie se poate obine pe dou ci: fie prin ridicarea caracteristicii ua=f(i); fie prin nclinarea dreptei (URi). Ridicarea caracteristicii arcului se poate realiza prin alungirea mecanic a arcului pe calea ndeprtrii contactelor, prin deionizarea mediului de arc prin suflaj magnetic, suflaj cu fluide, rcirea arcului n camere de stingere. n figura 3.15a, se prezint posibilitatea stingerii arcului prin lungirea sa. Pentru lungimea l1 arcul arde stabil i pentru o lungime l3 arcul arde nestabil. Situaia limit de la care arcul ncepe s ard nestabil este cazul n care curba este tangent la dreapt n punctul A. ncepnd de la aceast lungime numit lungime critic arcul ncepe s ard instabil.

A doua metod const n nclinarea caracteristicii externe a circuitului, prin introducerea unor rezistene suplimentare n serie cu arcul electric. Din figura 3.15b. se constat c cu ct crete rezistena circuitului, curentul de funcionare stabil scade i ncepnd de la valoarea rezistenei critice (Rcr) cnd dreapta este tangent la curb, arcul arde nestabil, fapt valabil i pentru orice alt rezisten R(Rcr.

3.3. Arcul electric de curent alternativ.

Arcul electric de curent alternativ este un proces n regim variabil i se caracterizeaz prin stingeri i aprinderi periodice, la fiecare trecere a curentului prin zero. Studierea lui este de maxim importan, deoarece n aparatele electrice de nalt tensiune apar arcuri electrice de mare stabilitate, pentru stingerea crora trebuiesc concepute camere de stingere speciale.

3.3.1. Caracteristicile arcului electric de c.a.

Se tie c la o modificare rapid a curentului, temperatura ca i diametrul coloanei i prin aceasta i conductivitatea sa nu se pot modifica rapid. Arcul are o inerie termic, care are ca urmare o cretere mai mare a cderii de tensiune la creterea curentului i o comportare invers la micorarea curentului. n acelai timp au loc i rapide modificri ale formei geometrice a arcului.

Arcul de curent alternativ se caracterizeaz printrun proces dinamic, caracteristica sa tensiune curent, precum i variaiile n timp ale curentului i cderii de tensiune pe arc sunt prezentate n figura 3.16. Se constat c arcul se aprinde atunci cnd tensiunea atinge valoarea uap numit tensiune de aprindere i dureaz pn cnd tensiunea scade la o valoare uas numit tensiune de stingere. n intervalul tp numit pauza de curent (pauza de arc) prin circuit circul un curent postarc de valoare mic.

n acest timp spaiul de arc devine din ce n ce mai izolant, prin creterea rigiditii sale dielectrice pe msura rcirii arcului electric. Refacerea proprietilor dielectrice decide fie reaprinderea n semiperioada urmtoare, fie stingerea arcului electric. Tensiunea de aprindere uap este strns legat de procesele ce au loc n timpul pauzei de curent, presiunea mediului care nconjoar arcul i temperatura i natura materialului contactelor. tensiunea de stingere depinde de ineria de deionizare a gazului, conductivitatea acestuia modificnduse mai lent. Se constat c ntotdeauna uap(uas.

Figura 3.16 Caracteristicile dinamice ale arcului electric.

Curentul i cderea de tensiune pe arc sunt n faz, datorit caracterului rezistiv al arcului, dar nici tensiunea i nici curentul nu i pstreaz forma sinusoidal deoarece arcul este un element neliniar.

Prin eliminarea timpului ntre caracteristicile ua=f(t) i i=f(t) din figura 3.19a., rezult caracteristica tensiunecurent a arcului de curent alternativ ua=f(i) sub forma unei bucle de histerez reprezentat n figura 3.19b. Aria acestei bucle este proporional cu energia nmagazinat n arc. Se mai face observaia c gradul i caracterul de deformare al curbelor tensiunii i curentul depind de frecvena circuitului. Cu creterea frecvenei bucla de histerez scade, astfel c la frecvene foarte mari se obine o variaie aproape liniar.

3.3.2. Metode de stingere ale arcului electric de c.a..

Aa cum sa mai prezentat, n curent alternativ arcul se stinge i se aprinde la fiecare trecere a curentului prin zero. De aceea pentru o stingere definitiv a arcului trebuie luate msuri care s evite reaprinderea. Se tie c spaiul de arc nu se deionizeaz instantaneu i pstreaz dup stingerea arcului un anumit grad de conductivitate, ceea ce permite trecerea unui curent postarc. Curentul postarc produce o nclzire a spaiului arc, nclzire care mpiedic deionizarea i favorizeaz reaprinderea arcului.

Figura 3.17. Caracteristicile dinamice ale arcului electric de c.a. ntr-un circuit pur rezistiv.

n cazul circuitelor pur rezistive, fig. 3.17, curentul fiind n faz cu tensiunea, trece simultan prin zero odat cu acesta. Arcul se reaprinde cnd tensiunea atinge valoarea uap i se stinge cnd tensiunea atinge valoarea uas. ntre momentul stingerii arcului i al reaprinderii urmtoare, curentul este practic nul, i apare pauza de curent. n acest interval de timp (tp), spaiul de arc din starea precedent cu atribute de conductor devine progresiv un mediu izolant a crui grad de regenerare dielectric decide n ultim instan stingerea definitiv sau reaprinderea arcului.

Figura 3.18 Cracteristicile electrice ale arcului electric de c.a. ntr-un circuit inductiv.

n cazul circuitelor inductive, figura 3.18, pauza de curent este mult mai mic i n consecin stingerea arcului este mult mai dificil. Explicaia intervalului mult mai mic de al pauzei de curent (tp) const n faptul c n momentul trecerii prin zero al curentului arcul se stinge dar se reaprinde imediat, deoarece tensiunea sursei este mai mare dect tensiunea de aprindere.

n practic circuitele sunt nici pur rezistive i nici pur inductive, aa c la un circuite R, L pauza de curent este cuprins ntre cele dou limite extreme prezentate.

3.3.3. Tensiunea de restabilire.

Tensiunea la bornele aparatelor de comutaie cu contactele deschise este egal cu tensiunea de alimentare. Cnd contactele sunt nchise, tensiunea este foarte mic i se datoreaz cderii de tensiune pe contacte (de ordinul zecilor de milivoli). La deschiderea contactelor apare arcul electric i tensiunea ntre contacte devine egal cu cderea de tensiune pe arc. Din clipa stingerii arcului, ntre contactele deschise ncepe un proces tranzitoriu, care, dac stingerea este definitiv, se finalizeaz cu instalarea tensiunii de alimentare. Valoarea momentan a tensiunii, care apare ntre contacte n acest proces tranzitoriu, se numete tensiune de restabilire.

Pentru a determina expresia tensiunii oscilante de restabilire ne situm n ipoteza deschiderii instantanee (fr arc electric), a unui circuit cu parametrii concentrai (figura 3.19), n momentul apariiei unui scurtcircuit. n figur sa notat cu K contactul ntreruptorului, la bornele cruia se stabilete tensiunea oscilant de restabilire ur, cu R i L parametrii concentrai ai reelei, C capacitatea parazit a reelei, Z impedana consumatorului i u tensiunea de alimentare. n figura 3.19 sa reprezentat defazajul ntre tensiune i curent, n regimul de scurtcircuit, ntre punctele a i b, cu ntreruptorul K nchis.

Figura 3.19. Determinarea tensiunii oscilante de restabilire.

Pentru a calcula tensiunea oscilant de restabilire ur, se admite c ntreruperea curentului de scurtcircuit are loc la trecerea lui natural prin zero. Curentul de scurtcircuit are forma:

(3.24)

Tensiunea de alimentare n ipoteza considerrii ca origine a timpului momentul trecerii prin zero a curentului de scurtcircuit este:

(3.25)

unde:

(3.26)

Ecuaiile difereniale ale circuitului, dup conectarea ntreruptorului K, innd seama c, din cauza curentului de scurtcircuit la momentul t=0, condensatorul nu a fost ncrcat cu sarcin electric, sunt:

(3.27)

(3.28)

Pentru soluionarea sistemului (3.2728) se fac urmtoarele ipoteze simplificatoare:

ntreruperea curentului de scurtcircuit are loc la trecerea lui natural prin zero;

defazajul dintre tensiune i curent este (/2 (figura 3.20.);

frecvena proprie de oscilaie este mult superioar fa de frecvena reelei;

se consider tensiunea alternativ constant i egal cu valoarea maxim a tensiunii alternative a reelei ;

nu se consider influena arcului electric, tensiunea de restabilire fiind tensiunea de restabilire independent.

n aceste condiii se obine pentru sistemul (3.2728) o soluie simplificat de forma:

(3.29)

n care sa notat cu:

(3.30)

factorul de atenuare;

(3.31)

pulsaia proprie a circuitului;

(3.32)

pulsaia proprie a tensiunii de restabilire.

n cazul n care se consider ((((e, se obine o form mai simplificat de forma:

(3.33)

Figura 3.20 Tensiunea de restabilire cu o singur frecven.

Tensiunea de restabilire avnd expresia dat de relaia (3.29), respectiv (3.33), se numete tensiune tranzitorie de restabilire cu o singur frecven de oscilaie. Diagramele corespunztoare sunt date n figura 3.20. pentru relaia (3.29) i (3.33), caracteriznd oscilaia tensiunii de restabilire, cu pulsaia proprie (e, n jurul tensiunii sursei. O astfel de tensiune de restabilire se caracterizeaz prin doi parametri i anume:

factorul de oscilaie ( definit ca raportul ntre valoarea de vrf a tensiunii de restabilire (urmax) i valoarea de vrf a tensiunii de frecven industrial (), care se obine din relaia (3.33) pentru (et=(:

(3.34)

i care teoretic poate ajunge pn la valoarea (=2, n practic ns ( este cuprins ntre 1,3 i 1,6;

frecvena proprie de oscilaie, care rezult din diagrama din figura 3.20:

(3.35)

te fiind momentul de apariie al maximului lui urm.

n locul frecvenei proprii de oscilaie, al doilea parametru se poate nlocui cu viteza de cretere a tensiunii de restabilire:

(3.36)

Cei doi parametri ai tensiunii de restabilire depind de inductivitatea, capacitatea i rezistena reelei. La reelele n cablu, inductivitatea este mai redus i capacitatea mai mare dect la reelele aeriene. Conductoarele reelelor electrice de nalt tensiune sunt plasate la distane mari ntre ele i fa de pmnt i ca urmare inductivitatea lor este mai mare dect la reelele de medie i joas tensiune. Astfel frecvena proprie de oscilaie a reelelor de medie tensiune (1(35 kV) este de 3(4 kHz, n timp ce la reelele de nalt tensiune este de 0,5(1 kHz.

Figura 3.21 Tensiunea de restabilire n cazul efectului kilometric.

Relaiile stabilite conform schemei echivalente din figura 3.20 determin tensiunea de restabilire cu o singur frecven de oscilaie. n practic, la apariia unui scurtciruit la civa kilometri de ntreruptor, apare o component cu pulsaia (1 datorit reelei de alimentare i o component cu pulsaia proprie (2 datorit poriunii scurcircuitate din reea, la civa kilometri de ntreruptor (figura 3.21). Acestea se suprapun peste tensiunea de alimentare de frecvena f=50Hz. Deoarece (2 este foarte mare, tensiunea de restabilire va avea o vitez de cretere foarte mare ce poate provoca reaprinderea arcului n ntreruptor. ntro asemenea situaie se vorbete de tensiunea de restabilire cu dou frecvene de oscilaie. De altfel, considerarea celor dou frecvene apare ori de cte ori se ine cont de aportul adus la arcul electric de poriunea de reea deconectat de ntreruptor. Descrcarea energiei electromagnetice nmagazinat de un element puternic reactiv contribuie la curentul prin arc n mod hotrtor, cnd aceast energie este comparabil cu cea care sosete de la reea. n cazuri practice de defect kilometric, frecvena f2(100kHz, f1=1(5kHz, iar zona n care apariia scurtcircuitului duce la pante periculoase ale tensiunii de restabilire este cuprins ntre 0,8(9km. Caracterizarea tensiunii de restabilire cu dou frecvene se face prin patru parametrii, doi caracteriznd primul maxim, corespunztor punctului B, din figura 3.21.

3.3.4. Arcul electric n aparatele de comutaie.

Din punct de vedre tehnic cel mai important caz l reprezint studiul stabilitii arcului electric n camerele de stingere a aparatelor de comutaie.

Figura 3.22. Condiiile de stingere a arcului electric ntr-o camer de stingere.

Deoarece un aparat de comutaie este plasat ntro reea, reuita sau nereuita ntreruperii arcului electric n camera de stingere depinde de parametrii reelei (curentul de scurtcircuit i tensiunea de restabilire) i de parametrii aparatului (tensiunea pe arc i tensiunea de strpungere sau tensiunea de inere, care semnific refacerea rigiditii dielectrice n coloana arcului).

Pentru a ilustra condiiile de stingere i reaprindere ale arcului la trecerea prin zero a curentului, se consider cazul cel mai dezavantajos i anume circuitul pur inductiv (figura 3.22). La trecerea curentului prin zero are loc stingerea definitiv a arcului dac tensiunea de restabilire ur(t) rmne tot timpul inferioar tensiunii de strpungere (inere) us1(t) a spaiului arc. Dac curba tensiunii de strpungere us2(t) intersecteaz curba ur(t) ntrun punct oarecare A, atunci intervalul va fi strpuns i arcul se reaprinde, aprnd cderea de tensiune pe arc ua(t) ca rezultat al preponderenei proceselor ionizrii asupra proceselor deionizrii. Rezult c pentru ca arcul electric i nu se reaprind este necesar ca tensiunea de strpungere s fie superioar tensiunii de restabilire.

Figura 3.23 Oscilograma deconectrii unui ntreruptor de .T.

Astfel n figura 3.23 se prezint oscilograma deconectrii reuite a unui ntreruptor cu ulei puin de nalt tensiune. Se constat c punctul ta marcheaz momentul deschiderii contactelor i nceperii procesului de ardere al arcului electric, iar punctul tb marcheaz momentul stingerii definitive a arcului, cnd curentul trece prin zero. Apariia acrului ntre contacte este nsoit de o cdere de tensiune pe arc, care crete progresiv, pe msur ce contactele se ndeprteaz i arcul se alungete. Curentul n timpul acestui proces i micoreaz treptat amplitudinea. n perioada de restabilire (10(100(s) oscilaiile tensiunii de restabilire se suprapun tensiunii de frecven industrial, tensiunea oscilatorie rezultant are o form complicat, iar panta de restabilire este mare. La finele procesului tranzitoriu (tc) valoarea momentan a tensiunii devine egal cu valoarea momentan a t.e.m. a sursei, iar curentul din circuit devine egal cu zero.

Din cele prezentate rezult c deconectarea circuitelor de curent alternativ este mai uoar dect deconectarea circuitelor de curent continuu. ntreruptoarele de curent alternativ sunt astfel construite nct ele nu foreaz ruperea unui curent, cu folosesc deionizarea arcului n momentul trecerii curentului prin zero, cu scopul de a prentmpina reaprinderea arcului. Stingerea arcului de c.a. devine mai dificil la ntreruptoarele de nalt tensiune la care tensiunea i puterea de rupere sunt mari.

n curent alternativ trifazat, datorit decalajului curenilor, atingerea arcului pe cele trei faze nu poate avea loc simultan. Cum deconectarea mecanic a celor trei faze se face concomitent, surpinderea curenilor la diferit valori momentane, face ca tensiunile de restabilire s difere pe cele trei faze. Valoarea tensiunilor de restabilire n circuitele trifazate, n caz de deconectare la scurtcircuit, depinde de natura i momentul apariiei surtciruitului, de felul conexiunilor reelei i de modul de tratare a neutrului instalaiei.

Dac ua este cderea de tensiune pe arc, iar ra rezistena arcului, atunci puterea Pa, respectiv energia Wa dezvoltate n arc, sunt date de:

Pa=uai=rai2 [W](3.37)

(3.38)

Pentru un circuit R, L (figura 3.18), n care arcul electric arde un timp t, rezult ecuaia bilanului energiilor:

(3.39)

n curent continuu, cnd u=U=ct., din relaiile (3.38) i (3.39) rezult:

(3.40)

adic energia dezvoltat n arc const din energia absorbit de la sursa de alimentare (primul termen) mai puin pierderile active din circuite (al doilea termen), la care se adaug energia magnetic acumulat n circuit (al treilea termen) n prealabil ntreruperii lui. Deci, cu ct inductivitatea circuitului ntrerupt este mai mare, cu att energia dezvoltat n arc este mai mare i deci ntreruperea circuitului este mai dificil.

n curent alternativ, dac ntreruperea are loc la trecerea natural a curentului prin zero, din relaiile (3.38) i (3.39) rezult:

(3.41)

adic energia magnetic acumulat n circuit se rentoarce la surs i nu contribuie la energia dezvoltat n arc, rezultnd c ntreruperea circuitelor de curent alternativ este mult mai uoar dect a circuitelor de curent continuu de aceeai putere. Dac ns, curentul este tiat nainte de trecerea lui natural prin zero, atunci o parte din energia magnetic nu reuete s rentoarc la surs i se degaj n arc.

Pentru a micora energia dezvoltat n arc, este necesar s se reduc ct mai mult timpul de ardere al arcului, utiliznd mijloace energice de deionizare a spaiului arc.

Pentru aprecierea capacitii de rupere la scurtcircuit, a unui aparat de comutaie, se utilizeaz parametrul denumit puterea de rupere i exprimat convenional prin relaia:

[MVA](3.42)

unde Un[kV] este tensiunea nlnuit nominal a reelei i Irn [kA] curentul de rupere nominal, ce reprezint valoarea efectiv a celui mai mare curent pe care l poate deconecta ntreruptorul, cnd tensiunea de restabilire de frecven industrial este Un. Puterea de rupere nu este o mrime fizic ci una convenional, de calcul, deoarece se exprim prin produsul a dou mrimi a cror existen n procesul deconectrii nu este simultan. naintea ntreruperii circuitului exist cderea de tensiune pe arc, iar curentul este cel de scurtcircuit; dup ntrerupere apare tensiune de restabilire, iar curentul este nul.

3.4. Principii de stingere ale arcului electric.

Principalele cerine ce se impun pentru o stingere eficient a arcului electric sunt:

energia degajat n arc s fie minim;

ntreruperea s se realizeze ntrun timp ct mai scurt i ntrun volum ct mai redus;

supratensiunile ce apar la ntrerupere s fie ct mai mici.

ntruct stingerea natural, produs prin simpla alungire a arcului la deschiderea contactelor, nu satisface aceste cerine dect la tensiuni i cureni mici, aparatele de comutaie destinate a efectua comutaii sub sarcin, sunt echipate cu dispozitive, numite camere de stingere, n care se dezvolt i se stinge arcul electric. Camerele de stingere au rolul funcional de a rci intensiv arcul electric i de a crea instabilitate n arderea lui. Acest proces poate fi realizat prin folosirea unor principii de stingere a arcului electric, care imprim forma constructiv a camerei de stingere i uneori a aparatului de comutaie n ntregime. Utilizarea unui anumit principiu de stingere se stabilete n funcie de parametrii sarcinii, natura sarcinii ca i de regimul de lucru. n cele ce urmeaz se vor prezenta principiile utilizate la stingerea arcului electric i principalele lor aplicaii, sub forma unor construcii de camere de stingere.

3.4.1. Principiul deion asociat cu suflajul magnetic.

Principiu deion const n extragerea de cldur din coloana arcului, la contactul acestuia cu pereii reci. n prealabil, arcul electric este introdus n camera de stingere, pentru a lua contact cu pereii reci, cu ajutorul suflajului magnetic creat de o bobin parcurs de curentul din circuit. Ilustrarea acestui principiu se prezint n figura 3.24. Prin separarea contactului mobil 2 de cel fix 1, apare arcul electric care se dezvolt ntro zon de inducie magnetic B. Cmpul magnetic este produs de curentul i care parcurge bobina de suflaj 4, avnd miezul de fier 3. Acest miez se prelungete cu piesele polare 5, n zona de apariie a arcului electric. Sub influena forei Lorentz arcul electric este mpins n camera de stingere 7, se alungete ntre rampele (coarnele) 8 i 10 i este obligat s intre n contact cu pereii reci din plci refractare 9, n contact cu care se deionizeaz.

Figura 3.24 Camer de stingere cu suflaj magnetic i efect deion.

Aparatele de comutaie care funcioneaz dup principiul deion asociat cu suflajul magnetic sunt n mod deosebit contactoarele i ntreruptoarele de curent continuu.

3.4.2. Principiul efectului de electrod asociat cu efectul de ni.

Efectul de electrod const n divizarea arcului, prin intermediul unor plcue metalice, ntrun numr de arce scurte independente i nseriate, fiecare caracterizate printro cdere de tensiune anodic, catodic i coloana arcului, Pentru n segmente de arc, cderile de tensiune la electrozi cresc de n ori i asociat cu alungirea i rcirea coloanei arcului, rezult o cdere de tensiune total ce nu poate fi asigurat de surs.

Plcuele metalice utilizate la divizarea arcului pot fi din cupru sau oel zincat, situaie n care apare i efectul de ni, ce const din exercitatrea unor fore suplimentare ce au tendina de a poziiona arcul spre interiorul niei, dnd natere la un traseu alungit i aducnd arcul n contact cu pereii reci.

Figura 3.25 Camer de stingere cu efect de electrod i ni.

Efectul de electrod este frecvent utilizat la stingerea arcului electric de curent alternativ n ntreruptoare i contactoare de joas tensiune, deoarece dai fiind trecerea natural a curentului prin zero, tensiunea necesar reaprinderii poate lua valori mari. Numrul de intervale de stingere ntre plcuele metalice se calculeaz innd seama de valoarea tensiunii de restabilire.

3.4.3. Principiul expandrii asociat cu jetul de lichid.

Acest principiu este folosit la stingerea arcului electric n mediu lichid, practic n ulei mineral. Uleiul mineral utilizat n acest scop nu conine oxigen, din aceast cauz arcul nu l poate aprinde. De asemenea coninutul n ap al uleiului este limitat la valori foarte sczute, pentru ai asigura proprieti izolante corespunztoare.

Stingerea arcului n ulei este mult mai eficient dect n aer, datorit rcirii mult mai intense i a rigiditii dielectrice mai ridicate.

Energia arcului electric este folosit parial la evaporarea uleiului i deci la formarea unei presiuni de 30(100bar n camera de stingere. Prin aceasta se realizeaz o transmisivitate termic sporit i se poate extrage cldur din coloana arcului electric. n cazul curentului alternativ, intensitii maxime a curentului i corespunde o presiune local maxim, dup care, odat cu scderea curentului i a presiunii are loc o vaporizare (expandare) a unei noi cantiti de lichid, extrgnduse din nou cldur din arc. Acest proces de expandare este reluat de 2(3 ori pn cnd presiunea din camera de stingere a crescut suficient pentru a determina stingerea arcului la trecerea prin valoarea zero a intensitii curentului.

Principiul expandrii este folosit la ntreruptoarele cu ulei mult. La ntreruptoarele cu ulei puin, aplicarea doar a principiului expandrii nu este suficient pentru stingerea arcului i atunci camerele de stingere se construiesc astfel nct s dirijeze un jet de ulei asupra arcului. De regul acest jet de ulei este creat n procesul ntreruperii, fr o surs exterioar, aprnd sub forma unui autosuflaj transversal sau longitudinal, astfel nct energia necesar jetului este luat chiar de arcul electric.

Pentru a ntrerupe i cureni mici, unde energia arcului nu este suficient furnizrii unui jet suficient de puternic, ntreruptoarele se construiesc fie cu suflaj transversal complet cu suflaj longitudinal (IO15), fie cu suflaj longitudinal combinat cu suflaje realizate mecanic, cum ar fi soluiile cu piston diferenial (IUP35), sau cu dispozitiv anticavitaional (IO110), prezentate n volumul II al cursului.

Figura 3.26 Camer de stingere cu jet de ulei combinat.

Din numeroasele forme constructive de camere de stingere existente se prezint cteva mai reprezentative. Astfel n figura 3.26 se prezint camera de stingere cu expandare i jet de ulei combinat, creat parial mecanic prin aduciune prin tija 2 i parial prin aciunea arcului electric. n poziia nchis tija mobil 2 se afl n interiorul tulipei fixe 1. Camera de stingere este prevzut cu un ajutaj 4 i o serie de canale 3 prin care poate circula uleiul. Capul tijei 2 este din material izolant, astfel nct la deschiderea contactelor arcul electric este obligat s ia un traseu strangulat. Se obine astfel un traseu parial longitudinal (n zona inferioar a arcului) i parial transversal n zona superioar a arcului. Se spune c arcul sufer un jet radial al unui curent de ulei.

Din construciile de camere de stingere prezentate se constat c sensul de micare preferat al contactului mobil, este de sus n jos, n acest fel arcul fiind ntins n zona de ulei proaspt.

3.4.4. Principiul jetului de gaz.

Stingerea arcului electric se poate face cu mare eficacitate prin intermediul unui suflaj de gaze sub presiune ca, de exemplu, cu aer comprimat, gaze generate de substane solide, hexaflorur de sulf (SF6) etc.

a). Stingerea arcului cu jet de aer comprimat, se bazeaz mai ales pe rcirea prin convecie forat, realizat prin dirijarea longitudinal, radial sau transversal a jetului fa de direcia arcului. Rigiditatea dielectric a aerului se mrete prin utilizarea lui n stare comprimat (10(30atm), iar suflajul de aer provoac alungirea brusc a coloanei arcului.

b). Stingerea arcului cu autogenerare de gaze se bazeaz pe descompunerea substanelor solide generatoare de gaze sub aciunea termic a arcului electric. Gazele sub presiune rezultate din descompunerea substanelor gazogene (sticl organic, fibr etc.), produc un puternic suflaj transversal sau longitudinal pe arc, stingndul n momentul trecerii prin zero. La aceste camere apar dificulti la stingerea curenilor mici.

c). Stingerea arcului cu hexaflorur de sulf (SF6). Proprietile gazului SF6 au determinat introducerea lui ca mediu de stingere i ca izolant n construcia ntreruptoarelor de nalt tensiune, dar i ca mediu izolant n instalaiile capsulate (bare, transformatoare de msur, separatoare). Hexaflorura de sulf este un gaz incolor, inodor, netoxic i incombustibil, cu o densitate de 5 ori mai mare dect a aerului la temperatur i presiune normal. Rigiditatea dielectric la presiunea atmosferic este de dou ori mai mare dect a aerului i crete rapid cu presiunea. Hexaflorura de sulf este un gaz electronegativ, adic moleculele sale prezint o foarte mare afinitate fa de electronii liberi, din combinaia lor rezultnd ioni negativi, cu mas mare, avnd deci o mobilitate extrem de redus i devenind practic neutilizabili ca purttori de sarcin.

Utilizarea hexaflorurei de sulf n tehnica stingerii arcului electric la ntreruptoare de mare putere are o serie de avantaje ca: puterea de rupere foarte ridicat, vitez mare de regenerare dielectric a intervalului dintre contacte dup ntreruperea arcului, caliti dielectrice excepionale, permind distane reduse ntre piesele sub tensiune, constant de timp mic a coloanei arcului.

Figura 3.27 Camer de stingere cu SF6 cu autocompresie.

Jetul de SF6 este trimis n zona arcului fie dintrun rezervor exterior, n care se gsete comprimat, prin deschiderea unui ventil, cnd se comand acionarea ntreruptorului, fie prin autocompresie, n care caz se folosesc camere de stingere a cror contrucie este prezentat n volumul II al cursului. n general SF6 nu atac materiale de construcie, cu excepia celor cu coninut de hidrogen i de aceea piesele izolate se construiesc din teflon.

INCLUDEPICTURE "figuri\\m2.jpg" \* MERGEFORMAT \d

INCLUDEPICTURE "figuri\\m3.jpg" \* MERGEFORMAT \d

Figura 3.28 Variante moderne de camere de stingere cu SF6 de medie tensiune.

Cele mai moderne camere de stingere cu hexaflorur de sulf folosesc metoda arcului rotitor.

3.4.5. Principiul vidului avansat.

nlturarea suportului material al arcului electric dintre contact, a condus la idea utilizrii vidului pentru stingerea arcului electric. Realizarea unui vid naintat (n jur de 107bar) este ns o problem tehnic dificil, deoarece presupune evacuarea aerului nu numai din spaiul propriuzis al camerei de stingere, dar i degazarea materialelor pereilor i a contactelor. De asemenea acest vid trebuie meninut n condiiile asigurrii mobilitii unui dintre contacte, care se deplaseaz n timpul operaiei de conectare.

Principiul vidului avansat n camere de stingere include dou idei de baz i anume: rigiditatea dielectric sporit la distane extrem de reduse ntre contacte i dezvoltarea arcului electric n vaporii metalici care se degaj din materialul contactelor. Aceti vapori se condenseaz ns foarte repede pe suprafeele reci ale camerei i deci vidul se reface. Trebuie luate ns msuri de ecranare a acestor suprafee, prin folosirea unui ecran ce nconjur suprafeele de contact, spre a evita conturnarea lor.

Figura 3.29 Camera de stingere cu vid.

ntreruperea arcului n vid se realizeaz cu smulgere de curent ceea ce poate pune probleme legate de apariia unor supratensiuni mari.

Dat fiind rigiditatea dielectric ridicat a vidului, cursa contactelor poate fi fcut foarte mic 5(20mm. Prin urmare intensitatea cmpului electric dintre contactele deschise atinge valori mari i ca urmare forma, dimensiunile i prelucrarea suprafeelor de contact prezint o importan deosebit.

Realizrile actuale cuprind contactoare de medie tensiune (3(12kV, 300A) i ntreruptoarele de medie tensiune ((25kV; 630(2000A), prezentate n volumul II al cursului.

3.4.6. Principiul materialelor granulate.

Stingerea arcului electric n contact cu granulele de material refractar este un principiu utilizat la construcia siguranelor fuzibile. n aceste aparate arcul electric apare dup topirea, provocat de trecerea curentului de scurtcircuit, a benzilor sau firelor fuzibile aezate n mediu granulos (nisip de cuar). Transferul de cldur de la plasm la granule se realizeaz prin conducie termic. Arcul electric care apare n locul poriunii de fuzibil volatilizat ptrunde ntre granulele materialului, unde este deionizat prin transmiterea cldurii din arc granulelor i mai ales prin rcirea provocat de scderea brusc a presiunii, rezultat din condensarea vaporilor pe granule. La aceste dispozitive, datorit efectului de rcire i deionizare extrem de puternic, posibilitatea unei reaprinderi a arcului datorit tensiunii de restabilire este foarte redus.

Test minimal de verificare a cunotinelor

Pe baza noiunilor tehnice prezentate n capitolul Comutaie electric rspundei la urmtoarele ntrebri:

1. Ce este un proces de comutaie?

2. Ce efect are arcul electric pentru restul instalaiei?

3. Care sunt zonele arcului electric?

4. Care este condiia de ardere stabil a unui arc electric?

5. Care sunt purttorii de sarcin majoritari n arcul electric?

6. Cum se numesc dispozitivele de stingere a arcului electric?

7. Ce temperaturi apar n arcul electric?

8. Care este cea mai cald zon a unui arc electric?

9. Care este cel mai folosit model al arcului electric?

10. Ce for d natere efectului Pinch?

11. n ce const efectul Pinch?

12. Ce arc electric este mai stabil: cel de c.c. sau cel de c.a.?

13. Ct este densitatea de curent n arcul electric?

14. Ce zone apar la arderea arcului electric n ulei?

15. Care este modelul Ayrton a arcului electric?

16. Ce metode de stingere a arcului electric de c.c. cunoatei?

17. Care sunt principalii factori care influeneaz stabilitatea arcului electric de c.c.?

18. De ce este mai uor de stins arcul electric de c.a.?

19. Ce este pauza de arc?

20. Cum influeneaz factorul de putere stabilitatea arcului de c.a.?

21. Definii tensiunea de restabilire.

22. Care este expresia tensiunii de restabilire?

23. Ct este factorul de atenuare a tensiunii de restabilire?

24. Ct este factorul de oscilaie a tensiunii de restabilire?

25. Ce factori influeneaz reamorsarea arcului de curent alternativ?

26. Ce principii de stingere a arcului electric cunoatei?

27. n ce const principiul deion?

28. La ce servete suflajul magnetic al arcului electric?

29. La ce aparate de comutaie folosim principiul deion i suflajul magnetic?

30. Din ce materiale se fac camerele de stingere cu efect deion?

31. n ce const principiul efectului de electrod?

32. n ce const principiul efectului de ni?

33. Ce tip de ni se folosete la camerele de stingere?

34. De ce se folosesc nie triunghiulare la camerele de stingere?

35. La ce aparate de comutaie folosim principiul de electrod i ni?

36. n ce mediu folosim principiul expandrii i a jetului de lichid?

37. n ce const expandarea unui lichid?

38. Cum se poate produce jetul de lichid?

39. Ce lichide se folosesc la stingerea arcului electric?

40. La ce ntreruptoare (de c.c. sau c.a.) se folosete ca mediu de stingere a arcului electric uleiul?

41. Ce este un gaz electronegativ?

42. n ce const principiul jetului de gaz?

43. Ce gaze se folosesc la stingerea arcului electric?

44. Ce nelegei prin vid tehnic?

45. n ce const principiul vidului avansat?

46. La ce tensiuni se folosesc aparatele de comutaie cu vid?

47. De ce nu putem folosi la nalt tensiune comutaia n vid?

48. n ce const principiul materialelor granulate?

49. La ce aparate de comutaie se folosete principiul materialelor granulate?

50. Ce materiale granulate folosim la stingerea arcului electric?

PAGE 114

_1090668792.unknown

_1090669464.unknown

_1090730691.unknown

_1090730814.unknown

_1090731057.unknown

_1090731336.unknown

_1090731368.unknown

_1090731465.unknown

_1090731264.unknown

_1090730950.unknown

_1090731015.unknown

_1090730914.unknown

_1090730749.unknown

_1090730797.unknown

_1090730717.unknown

_1090730564.unknown

_1090730602.unknown

_1090730668.unknown

_1090730588.unknown

_1090730499.unknown

_1090730525.unknown

_1090730447.unknown

_1090669195.unknown

_1090669276.unknown

_1090669307.unknown

_1090669229.unknown

_1090668924.unknown

_1090669043.unknown

_1090668894.unknown

_1090668505.unknown

_1090668621.unknown

_1090668716.unknown

_1090668772.unknown

_1090668649.unknown

_1090668585.unknown

_1090668596.unknown

_1090668534.unknown

_1090668218.unknown

_1090668341.unknown

_1090668486.unknown

_1090668296.unknown

_1090668059.unknown

_1090668182.unknown

_1090667991.unknown