1

6.5. Întreruptoare cu vid

Proprietăţile dielectrice ale vidului au fost recunoscute încă din anii 1890, astfel încât de foarte mult timp

există încercări de a-l folosi la echipamentul de comutaţie. În anii 1920 au fost inițiate primele studii

având drept obiect arcul electric, iar în 1926 apare prima menţionare scrisă a unui întreruptor de 40 kV

care foloseşte stingerea arcului în mediu vidat. Străpungerea electrică în vid are la bază fenomene de la

suprafaţa electrozilor şi nu din spaţiul izolant. Aceasta a făcut ca în vid studiul întreruperii arcului electric

să difere fundamental faţă de studierea arcului în alte medii de stingere.

Dezvoltarea întreruptoarelor cu vid a fost posibilă, printre altele, datorită

evoluțieie tehnologice din domeniul materialelor de contact (în anii 1960 s-a reuşit producerea pe

scară largă a materialelor de contact fără inserții de gaze),

perfecţionării mijloacelor de supraveghere a vidului

realizarării îmbinărilor etanşe şi în acelaşi timp flexibile ale metalelor cu sticla sau ceramica.

Tensiunea arcului electric în vid este foarte redusă, ceea ce face ca uzura contactelor să fie foarte slabă,

acestea rezistând la un foarte mare număr de comutări (de ordinul a 104 întreruperi !).

La întreruptoarele cu vid nu se poate folosi nici unul din procedeele mecanice de suflaj sau de răcire a

arcului electric. Singurul proces fizic prin care se poate restabili rigiditatea dielectrică a spaţiului dintre

contacte este difuzia arcului electric însuşi. Singura intervenţie posibilă asupra arcului electric este cea a

câmpului magnetic, existând deja diverse variante de impunere a acesteia.

Tensiunile pentru care au fost construite astfel de întreruptoare au fost de 36 kV în anii 1970, apoi de

72 kV în anii 1980, pentru ca să se ajungă astăzi la unităţi de stingere de 120 kV. Curenții de rupere sunt

cuprinși în intervalul 8...36 kA

La întreruptoarele cu vid, atât operaţia de anclanşare cât şi cea de declanşare se execută de către o singură

piesă mobilă, fără a se apela la vreo supapă de suflaj sau la compresia mediului. De aceea, energia

necesară acţionării este mai mică decât le orice alt tip de întreruptor, folosindu-se de regulă mecanisme cu

resort.

Limitările acestui tip de întreruptoare constau în tensiunea redusă pe camera de stingere şi în dificultatea

de realizarea a unor camere de stingere capabile să suporte un curent de durată de valoare mare. Totuşi,

faptul că întreruptorul este prevăzut cu un spaţiu de stingere complet etanş, oferă avantajul unei

mentenanțe simple.

Avantajele pentru care întreruptoarele cu vid sunt utilizate intensiv în aplicații industriale:

performanțe bune de stingerea a arcului

fiabilitate și siguranță în funcționare

nivel redus de poluare acustică

nu prezintă pericol de incendiu sau explozie

sunt echipamente compacte, ușoare, care necesită spațiu de instalare este redus

lucrările de mentenanță sunt puține și simple

6.5.1. Soluţii constructive

Fiecare pol al înteruptorului cu vid (figura 6.5.1) constă din suportul mecanic al camerei de stingere, fixat

la rândul lui prin izolatoare suport compozite (răşini sintetice armate cu fibră din sticlă) de structura

mecanică a mecanismului de acţionare, asigurând astfel camerei de stingere un cadru mecanic solid,

protejând-o faţă de acţiunea forţelor electrodinamice sau a celor ocazionate de manevrarea sa. Într-o

secţiune transversală a camerei de stingere se observă anvelopa izolantă (porţelan- reprezentată ca un

mediu transparent), care adăposteşte piesele fixă şi mobilă ale contactului principal, aflate în zona numită

cameră de arc electric. Piesa mobilă a contactului (cel inferior) este acţionată de un mecanism exterior

prin intermediul unui element izolant. Ambele piese de contact sunt înconjurate de un ecran metalic

protector rezistent la acţiunea arcului electric. Discul aflat la partea superioară a camerei de stingere se

fixează de suportul acesteia, iar partea ei inferioară se conectează mecanic cu mecanismul de acţionare,

care deplasează elementul mobil prevăzut cu un burduf metalic elastic şi etanş.

2

Camera arcului electric acţionează şi ca un ecran care protejează anvelopa izolantă de acţiunea vaporilor

metalici ce provin de pe suprafaţa contactelor. La apariţia arcului electric, vaporii metalici care nu se

redistribuie - prin condensare - pe suprafaţa electrozilor, vor condensa pe suprafaţa camerei de arc

electric, ceea ce constituie o protecţie a suprafeţei interne a anvelopelor din porţelan. Burduful metalic

permite deplasarea contactului mobil, asigurând în acelaşi timp şi etanşarea necesară păstrării vidului

înaintat din camera de stingere (10-8

bar).

Figura 6.5.1

Polul unui întreruptor cu vid pentru medie tensiune.

Întreruptorul este realizat pentru funcționare în interior.

1 – izolator suport (pentru izolația fază-pământ); 2 – piesă

de rigidizare; 3 – resortul contactului; 4 – tija de acţionare;

5 – pârghie de acţionare; 6 – indicator de eroziune a

contactelor; 7 – pghie basculantă; 8 – pârghie de transfer;

9 – borna inferioară; 10 – contact inelar (Leopold); 11 – cameră

de stingere; 12 – burduf metalic; 13 – piesă de contact mobilă;

14 – piesă de contact fixă; 15 – piesă de rigidizare; 16 – borna

superioară.

Reprezentare simplificată a principalelor elemente constructive

În figura 6.5.2 sunt reprezentate secţiuni prin două variante diferite de camere de stingere de construcţie

Siemens: (a) cu cameră de stingere exterioară (b) cu cameră de stingere interioară. În cazul (a) camera de

stingere are izolaţia divizată şi realizată cu două elemente izolante (izolatoare de ceramică); în cazul (b)

camera de stingere este în interiorul unui astfel de izolator ceramic.

3

Figura 6.5.2 Structuri tipice pentru camerele de stingere ale întreruptoarelor cu vid de construcţie Siemens

Pentru ambele variante, discurile de contact permit conectarea pieselor de contact ale întreruptorului la

terminalele exterioare acestuia. Unul dintre contacte este fix cel de al doilea este mobil. Piesele de contact

sunt realizate dintr-un suport din Cupru OFHC (OFHC = Oxygen Free Hard Copper sau pentru cuprul

utilizat în industria electrotehnică OFHC = Oxygen-Free High Conductivity) de forma unui pahar, pe care

se brazează elemente active din aliajul sinterizat Cu-Cr 50. Burduful metalic, realizat din oţel inoxidabil,

permite contactului mobil să îşi execute cursa (la deschidere sau la închidere) asigurând în acelaşi timp

menţinerea fermă a contactului electric cu corpul întreruptorului. Cursa contactului este de ordinul

4

milimetrilor. Presiunea în camera de stingere este de 10-7

bar. În interiorul camerei de stingere nu se află

ca la toate celelalte întreruptoare , un anumit mediu de stingere. Capacitatea de rupere a întreruptorului cu

vid precum şi comportarea sa în diferite condiţii de comutaţie, depind în mare parte de materialul pieselor

de contact şi de geometria acestora.

6.5.2. Comportarea vidului ca izolant

La un aparat de comutaţie în vid, piesele de contact se află într-o incintă vidată şi etanşă faţă de mediul

ambiant. Vidul utilizat în camera de stingere a unui contactor sau întreruptor (figura 6.5.1) calificat drept

"avansat", este de fapt un gaz la joasă presiune (în intervalul 10-1

...10-5

Pa respectiv 10-3

...10-7

mbar);

pentru o cameră de stingere nouă , valoarea tipică a presiunii este de 10-6

mbar.

La această presiune, un volum de 1 cm3 de aer conţine 27 x 10

6 molecule de gaz; numărul de ciocniri

intermoleculare care se produc în volumul gazului este practic neglijabil după cum rezultă din valoarea

parcursului liber mediu, care la această presiune este de ordinul 0.05 m...40 m:

224 pr

kT

(6.5.1)

- parcursul liber mediu

k = 1.38 10-2

Ws grd-1

– constanta lui Boltzman;

p [Pa] – presiunea gazului;

r [m] – raza cinetică;

Parcursul liber mediu rezultă aşadar sensibil mai mare decât distanţa dintre electrozii camerei de stingere

(cuprinsă între 2 mm pentru Un=1000 V şi 22 mm pentru Un=24 kV), astfel încât străpungerea electrică a

distanţei dintre contacte este un fenomen puţin probabil. Însă, la distanţe foarte mici dintre contacte,

intensitatea câmpului electric atinge valori foarte mari (circa 340 kV/m), ceea ce impune evitarea oricăror

asperităţi pe suprafeţele de contact.

6.5.2.1 Comportarea izolaţiei longitudinale (internă) realizată de camera de singere

În poziţia deschis, distanţa creată între contactele camerei de stingere, trebuie să asigure izolarea celor

două părţi de reţea rezultate prin întreruperea laturii în care se găseşte întreruptorul acţionat. Datorită

geometriei pieselor de contact, câmpul electric din spaţiul intercontacte poate fi considerat uniform

(liniile de câmp formează un fascicul de drepte normale la suprafaţa celor două piese de contact iar

valoarea intensităţii câmpului electric este practic aceeaşi în orice punct).

5

Pentru câmp electric uniform (sistem de electrozi placă-placă de exemplu) tensiunea de străpungere în aer

sau alte gaze izolante este dependentă de produsul pd (p-presiune, d - distanţă) în cadrul legii lui Paschen

(figura 6.5.2); variaţia tensiunii de străpungere cu produsul pd prezintă un minim pentru o valoare

denumită critică a produsului. Legea lui Paschen este valabilă în acele situaţii în care mecanismul de

dezvoltare al descărcării disruptive are la bază multiplicarea în avalanşă a purtătorilor liberi de sarcină

(electroni şi ioni) prin procese de ciocnire cu electroni liberi acceleraţi într-un câmp electric exterior;

mecanismul acesta este cunoscut sub numele de mecanism Townsend. Pentru a putea ioniza prin ciocnire

moleculele de gaz, electronul trebuie să acumuleze, între două ciocniri succesive, suficientă energie

cinetică (aceasta este proporţională cu V/pd V-tensiune). La valori coborâte ale presiunii, acest mecanism

nu mai poate funcţiona datorită concentraţiei reduse a moleculelor din volumul de gaz (probabilitatea de

ciocnire a electronilor liberi cu moleculele neutre de gaz devine neglijabilă). Ca atare, tensiunea de

străpungere creşte cu scăderea presiunii (ramura din stânga a curbei lui Paschen), după cum se observă

din figura 6.5.2.

6

Creşterea tensiunii de străpungere se produce însă numai până la valori de ordinul 10-2

Pam ale

produsului pd, valori pentru care este atins palierul vizibil în figura 6.5.2. În figura 6.5.3 pot fi comparate

tensiunile de străpungere pentru diferite medii de stingere

Se poate observa că în zona distanţelor de ordinul 10-3

m, caracteristicile dielectrice ale vidului avansat

sunt mult superioare tuturor celorlalte medii de stingere. Însă, o dată cu creşterea distanţei dintre electrozi,

caracteristica atinge un palier situat la circa 200 kV; pentru distanţe mai mari de 20 cm, tensiunea

disruptivă devine practic independentă de distanţă. Această comportare a determinat realizarea

întreruptoarelor cu vid pentru tensiuni nominale între 7.2 kV şi 36 kV, adică pentru distanţe cuprinse între

5 şi 25 mm.

Figura 6.5.3

Variaţia tensiunii disruptive funcţie de distanţă pentru diferite medii

de stingere, câmp electric uniform şi solicitare cu tensiune de impuls

Limitarea este vizibilă şi pe curba lui Paschen din figura 6.5.2, sub forma palierului din zona

mVpd 5105 . Existenţa palierului marchează o abatere de la comportarea intervalului în această zonă

a caracteristicii: tensiunea de străpungere rămâne constantă şi independentă de valoarea produsului pd.

Această zonă a curbei lui Paschen este utilizată în cazul camerelor de stingere cu vid (presiune 10-2

Pa

respectiv 10-3

mbar şi distanţe 1...20 cm). În absenţa fenomenelor de ionizare în care sunt implicate

moleculele de gaz rezidual, fenomene care determină apariţia descărcării disruptive pentru ramura

criticpdpd , sursele de electroni liberi active în zona palierului sunt emisia la rece a electronilor din

suprafaţa catodului şi particule captive pe suprafaţa electrozilor care pot fi detaşate.

6.5.2.1.1 Emisia de electroni

Extragerea electronilor din suprafaţa catodului (electrodul purtător al distribuţiei de sarcină negativă), se

poate face prin două mecanisme care pot acţiona separat sau în sinergie:

termoemisie superficială, prin creşterea temperaturii catodului până la un nivel suficient pentru

extragerea electronilor

emisie la rece (sub acţiunea câmpului electric).

În cazul contactelor deschise, mecanismul activ este emisia la rece, deoarece după cum s-a mai arătat, la

distanţe mici între piesele de contact, intensitatea câmpului electric are valori mari. Emisia de electroni

dintr-o suprafaţă plană ideală (fără asperităţi) necesită intensităţi ale câmpului electric superficial (pe

suprafaţa pieselor de contact) de ordinul 1010

V m-1

, valoare care pentru a fi realizată în realitate, necesită

aplicarea unei tensiuni de ordinul 1013

V pentru un interval de 10-3

m în vid (E = U / d). În realitate însă,

suprafaţa pieselor de contact are asperităţi, de ordinul 10-6

m (1 µm); aceste asperităţi pot produce

(datorită formei ascuţite), intensificarea locală a intensităţii câmpului electric cu un factor de intensificare

7

= Easperitate / Emed de ordinul 102..10

3. Pentru a produce un astfel de efect, este suficient ca asperitatea să

aibă o rază de curbură de ordinul 10-9

m (1 nm).

În figura 6.5.4 este schiţată suprafaţa unei plăci de oţel presupusă plană.

Figura 6.5.4

Asperităţi pe suprafaţa unei plăci de oţel

considerată plană

Pentru distanţe mici între piesele de contact, în zona asperităţilor, intensitatea câmpului electric poate

atinge valori suficient de mari pentru ca electronii să fie extraşi prin emisie la rece.

Recapitulare. Emisia la rece este descrisă de ecuaţia Fowler-Nordheim care poate fi scrisă sub formă simplificată:

E

BEAje

512 .

exp

je – densitatea curentului electronic [Am 2],

A şi B - constante fizice, A = 1.54 10-6

AJV-2

, B = 6.83 109 VJ

-1.5 m

-1

E – intensitatea câmpului electric

- lucrul mecanic de extracţie în eV (de exemplu 4.5 eV pentru cupru);

depinde de materialul electrodului

Emisia de electroni prin efect de câmp devine importantă (densitatea de curent electronic începe să aibă valori

semnificative) numai pentru valori ale intensităţii câmpului electric superficial creeate în vecinătatea asperităţilor.

Cercetări recente au pus în evidenţă şi contribuţia incluziunilor microscopice sau a particulelor izolante care se pot

afla pe suprafaţa pieselor de contact, la iniţiere şi întreţinerea unui curent electronic.

6.5.2.1.2 Mecanisme de străpungere în vid

Apariţia unui curent electronic întreţinut de emisia la rece de pe suprafaţa pieselor de contact, conduce la

dezvoltarea unei descărcări disruptive; producerea descărcării disruptive reprezintă de fapt o străpungere

electrică a intervalului intercontacte. Tensiunea pentru care apare acest fenomen se numeşte tensiune

disruptivă. Trebuie menţionat că descărcările disruptive iniţiate de emisia la rece au nevoie, de cele mai

multe ori şi de alte mecanisme complementare pentru a se finaliza. Curenţi stabili de ordinul câtorva mA

produşi prin emisie la rece nu conduc întotdeauna la apariţia unui fenomen disruptiv dacă tensiunea

aplicată la bornele camerei de stingere nu creşte peste valoarea care întreţine circulaţia de curent

menţionată; dimpotrivă în cele mai multe cazuri datorită fenomenului de condiţionare a electrozilor

(explicat mai jos), intensitatea curentului scade faţă de valoarea iniţială. Descărcarea disruptivă implică

apariţia plasmei în volumul camerei de stingere. În vid, plasma poate fi obţinută la catod (prin "explozia"

unui focar de emisie microscopic urmare a creşterii locale a temperaturii asociată circulaţiei curentului

electronic) sau la anod datorită bombardării anodului cu electroni acceleraţi în câmpul electric până la

energii cinetice foarte mari; sub acţiunea fluxului de electroni, sunt eliberate particulele de gaz captive în

suprafaţa anodului, simultan cu particule rezultate din vaporizarea metalului din care acesta este construit.

6.5.2.1.3 Influenţa particulelor detaşabile

Particulele detaşabile, prezente pe pereţii interiori ai camerei de arc pot fi la originea iniţierii şi dezvoltării

unor fenomene disruptive în vid. Eliberate ca urmare ciocnirii cu electroni sau sub acţiunea forţelor

electrostatice (în funcţie de natura conductoare sau dielectrică a particulei detaşabile), particulele se

încarcă cu sarcină electrică şi sunt accelerate în intervalul intercontacte; direcţia de mişcare este

determinată de semnul sarcinii electrice cu care sunt încărcate (cele negative sunt atrase de anod, cele

pozitive sunt atrase de catod). În momentul când ciocnesc electrodul către care au fost atrase, sunt

susceptibile să iniţieze un mecanism disruptiv prin două mecanisme posibile:

prin desorbţia (eliminarea) particulelor de gaz captive în reţeaua cristalină a metalului

electrodului având drept consecinţă creşterea locală a concentraţiei de gaz în vecinătatea

acestuia;

prin declanşarea unui fenomen de emisie la rece: electronii eliberaţi ca urmare a emisiei

contribuie la vaporizarea parţială a particulei care a provocat emisia.

8

Figura 6.5.5

Tensiunea disruptivă ca funcţie de distanţa dintre

electrozi pentru tensiune alternativă de frecvenţă

industrială, izolaţie în vid

O confirmare experimentală a importanţei rolului jucat de particulele detaşabile în dezvoltarea

descărcărilor disruptive în vid, este furnizată de variaţia tensiunii disruptive cu puterea 0.5 a distanţei care

separă piesele de contact; particulele detaşabile accelerate în câmp electric ajung la o energie cinetică

proporţională cu U2/d (U-tensiunea aplicată electrozilor, d-distanţa dintre electrozi) deci, în condiţiile în

care apare o descărcare disruptivă pentru U=Ud energia cinetică corespunzătoare este Ud2/d. Tot prin

prisma energiei cinetice necesare producerii unei descărcări disruptive, particulele de dimensiuni mai

mari, susceptibile să se încarce cu o cantitate mai mare de sarcină electrică, sunt mai periculoase decât

particulele de dimensiuni mai mici. Influenţa particulelor detaşabile (impurităţilor) asupra tensiunii

disruptive în vid are două consecinţe:

este greu de atins tensiuni de străpungere mari chiar dacă se măreşte distanţa dintre piesele de

contact, figura 6.5.5

nivelul de ţinere al unei camere de stingere cu vid are un caracter aleator: pentru aceeaşi

distanţă, descărcarea disruptivă poate să apară la valori diferite ale tensiunii aplicate aşa cum

poate fi observat în figura 6.5.6.

6.5.2.1.4 Condiţionarea pieselor de cont act

Existenţa focarelor microscopice de emisie la rece, active în special la camerele de stingere noi,

înrăutăţeşte comportarea dielectrică: camerele de stingere noi au un gradient mediu de străpungere de

ordinul 10 kV/m (prin gradient mediu de străpungere se înţelege raportul dintre tensiunea disruptivă şi

distanţa dintre piesele de contact în poziţia deschis). Această comportare iniţială, dispare o dată cu

creşterea numărului de descărcări disruptive care se produc între piesele de contact. Explicaţia rezidă în

modificarea stării suprafeţei pieselor de contact: descărcările disruptive succesive contribuie la

distrugerea focarelor de emisie active, fie prin "consumarea" metalului care formează asperităţile fie prin

reducerea factorului de intensificare ca urmare a creşterii razei echivalente de curbură.

Ca atare, nivelul de ţinere pe care îl asigură camera de stingere, este adus în intervalul impus pentru

utilizarea ei în reţea, urmare a unui proces de condiţionare care constă în aplicarea succesivă, la bornele

camerei de stingere, a unei tensiuni având forma şi valoarea de vârf corespunzătoare tensiunilor de ţinere

care definesc nivelul de ţinere impus (50 Hz sau ITT). Descărcările disruptive care se vor produce ca

urmare a acestei solicitări, vor determina creşterea treptată a performanţei urmărite, după cum se poate

observa din figura 6.5.6

9

Figura 6.5.6

Evoluţia în timp a tensiunii disruptive între doi

electrozi (piese de contact) în vid pe măsura

creşterii numărului de descărcări disruptive produse

Creşterea tensiunii disruptive de la 60 kV pentru camera de stingere nouă, la 150 kV (după condiţionarea

cu 500 descărcări disruptive) poate fi explicată prin reducerea factorului de intensificare până la o

valoare "ireductibilă" corespunzătoare palierului de 150 kV.

6.5.2.2 Concluzii privind utilizarea vidului pentru asigurarea izolaţiei

Vidul prezintă proprietăţi electroizolante interesante, cu condiţia ca tensiunile aplicate să nu iasă din

intervalul 100...200 kV, ceea ce corespunde nivelului de izolaţie corespunzător instalaţiilor funcţionând

până la tensiuni nominale de ordinul 36 kV, instalaţii pentru care izolaţia longitudinală poate fi asigurată

cu distanţe de ordinul centimetrilor între piesele de contact.

Pentru tensiuni nominale mai mari, asigurarea nivelului de izolaţie folosind vidul, presupune dificultăţi

care determină costuri importante; în acest domeniu sunt preferate camerele de stingere care utilizează

gaze sub presiune (în primul rând SF6).

Comportarea unei camere de stingere în vid la solicitări cu tensiune, evoluează în timp. Manevrele

mecanice şi efectul arcului electric, modifică starea suprafeţei pieselor de contact şi generează impurităţi

(particule detaşabile); nivelul de izolaţie obţinut prin condiţionarea camerelor de stingere înainte de

punerea lor în serviciu, nu poate fi considerat ca fiind un atribut definitiv al acestora. Vidul nu poate fi

considerat ca un mediu electroizolant recomandabil pentru situaţiile în care primează criteriul fiabilităţii

în alegerea tipului de întreruptor pentru echiparea unui circuit.

10

6.5.3. Arcul electric în vid

Iniţial, arcul electric în vid a fost studiat în situaţiile în care curentul în arc nu depăşea câţiva kA,

situaţii caracteristice reţelelor de JT. Pentru extinderea domeniului de utilizare al întreruptoarelor cu vid la

reţele de MT, a fost necesară cercetarea aceloraşi proprietăţi pentru curenţi în arc de ordinul zecilor de

kA, având în vedere faptul că în reţelele de distribuţie cu tensiune nominală de 6...20 kV, cu structură

buclată, valoarea efectivă a curentului de defect pe care trebuie să îl întrerupă un întreruptor, poate să

ajungă la 60 kA. În funcţie de intensitatea curentului în arc, arcul electric poate exista sub două forme

denumite modul difuz şi modul concentrat.

6.5.3.1 Modul difuz

Modul difuz este caracteristic arcului în vid; prezintă o serie de particularităţi care îl diferenţiază

de arcul electric în alte medii. Este forma de existenţă adoptată în mod „natural” de arcul în vid pentru

intensităţi ale curentului de ordinul câtorva kA.

Modul difuz este identificat prin următoarele caracteristici vizuale:

arcul electric este compus din mai multe ramuri existând în paralel între catod şi anod-figura 6.5.7 b

(ramura va fi denumită în continuare arc elementar);

contactul dintre piciorul unui arc elementar şi catod se numeşte pată catodică;

petele catodice nu sunt statice, ele se află într-o mişcare continuă pe suprafaţa catodului;

fiecare arc electric elementar are formă conică, cu un unghi la vârf de circa 60 îndreptat de la catod

spre anod;

c

Figura 6.5.7 Moduri de existenţă ale arcului electric în vid

La deschiderea contactelor unui întreruptor cu vid, apare arc electric dacă intensitatea curentului din

circuit și tensiunea pe piesele de contact depășesc anumite valori limită, sub care deschiderea se produce

fără arc electric. Formarea arcului depinde exclusiv de materialul contactelor deoarece arcul este inițiat de

vaporii metalici rezultați din evaporarea locală a pieselor de contact.

Componenta de stricțiune a rezistenței de contact variază depinde de forța de apăsare pe contact printr-o

relație de forma . Dacă crește, tensiunea pe contact dată de crește.

Temperatura în zona de contact crește și ea conform relației:

pentru în V. Când temperatura depășește temperatura de topire, metalul topit va forma punți între

piesele de contact pe cale să se separe. Principalele etape ale procesului de formare a arcului la

deschiderea contactelor pot fi urmărite în figura 6.5.7 (c)

Aspectul arcului difuz poate fi urmărit în figura 6.5.7.d

11

Figura 6.5.7.d Arc difuz (cathode spot – pata catodică)

6.5.3.2 Modul concentrat

Este schiţat în figura 6.5.7 (a) şi este caracteristic arcului în vid parcurs de curenţi de ordinul zecilor de

kA; are multe puncte comune cu arcul electric din medii de stingere gazoase (aer, SF6).

La creşterea intensităţii curentului, fenomenele din vecinătatea anodului se modifică după cum urmează:

Coloana de plasmă, care în modul difuz ocupă întreg spaţiul inter-electrozi, se contractă ca urmare a

efectului Hall (vezi Nota A)

; aria secţiunii transversale a coloanei arcului se micşorează în vecinătatea

anodului, prin concentrarea liniilor de curent către axa intervalului.

Electronii „atraşi” de anod, se grupează în vecinătatea acestuia formând o sarcină spaţială de

polaritate negativă; în zona acestei sarcini spaţiale plasma îşi pierde neutralitatea. Pentru a asigura

în continuare circulaţia curentului în arc, în zona anodică se produce creşterea căderii anodice de

tensiune (în realitate creşte gradientul mediu de potenţial în zona anodică) şi în consecinţă creşte

forţa electrostatică cu care electronii sunt în continuare atraşi spre anod, în pofida existenţei barierei

de sarcină spaţială negativă.

Energia recepţionată de anod creşte ca urmare a acestor modificări, iar aria zonei de contact dintre

piciorul arcului şi anod scade (prin concentrarea liniilor de curent). În zona petei anodice suprafaţa

anodului atinge temperaturi importante suficiente pentru a produce vaporizarea metalului anodului

(2500...3000ºK). O parte din atomii extraşi prin vaporizare se ionizează, contribuind la formarea

unei plasme secundare localizată în vecinătatea anodului. Plasma secundară este formată din

electroni secundari (eliberaţi prin ionizarea atomilor de metal emişi prin vaporizare de la anod) şi

ioni pozitivi lenţi (valoare mică a energiei cinetice iniţiale şi în consecinţă mobilitate redusă);

parametrii plasmei secundare sunt mult diferiţi de cei ai plasmei emise de petele catodice).

Fenomenele descrise contribuie la apariţia unei pete anodice de dimensiuni importante (arie de

ordinul cm2). Dacă pata anodică este suficient de activă pentru a interfera cu fluxul de particule de

la catod, o penetraţie de plasmă anodică apare în spaţiul dintre electrozi .

Efectul de concentrare a liniilor de curent iniţiat la anod, se propagă spre catod, datorită apariţiei

unui parcurs preferenţial în zona inter-electrozi, creat de plasma anodică care difuzează spre catod.

Petele catodice izolate, caracteristice modului difuz, se reunesc într-o singură pată catodică iar arcul

evoluează în modul concentrat, caracteristic şi celorlalte medii de stingere gazoase. Arcul a devenit

arc de „înaltă presiune” care arde într-o atmosferă densă formată din vapori metalici. Menţinerea

arcului în această atmosferă, se bazează pe procesele de ionizare care au loc în volumul de gaz, spre

deosebire de arcul în mod difuz, a cărui existenţă depinde de procesele de la catod.

Prezenţa petei anodice poate influenţa capacitatea întreruptorului de a stinge arcul electric. La trecerea

prin zero a curentului, plasma emisă de catod dispare în cel mult 1 µs iar petele catodice devin inactive în

câteva nanosecunde datorită constantei termice foarte mici asociate (dimensiunile microscopice ale petei

12

catodice determină răcirea rapidă a acesteia după dispariţia circulaţiei de curent). Pata anodică însă

continuă să rămână în activitate datorită constantei de timp mult mai mari (determinată de dimensiunile ei

mai importante). Ea va continua să emită vapori metalici timp de câteva milisecunde după trecerea prin

zero a curentului din circuit. Prezenţa vaporilor metalici poate conduce la străpungerea electrică a

intervalului sub acţiunea TTR şi la restabilirea circulaţiei de curent. Pentru a evita astfel de situaţii, în

construcţia întreruptoarele moderne anodul are o formă specială prin care se evită apariţia petei anodice

sau, dacă apare, evoluţia ei este controlată

6.5.3.3 Utilizarea câmpului magnetic pentru controlul arcului electric în vid

Pentru un curent de arc care variază cu frecvenţa de 50 Hz, pe durata unei semialternanţe arcul poate să

existe succesiv în cele două moduri: difuz în vecinătatea trecerii prin zero şi concentrat în zona valorii

maxime a curentului (figura 6.5.8).

Figura 6.5.8

Reprezentarea schematică a evoluţiei HCVA în

concordanţă cu variaţia în timp a curentului în arc.

Atunci când arcul există în modul concentrat,

energia sa este transferată pieselor de contact prin

intermediul unei zone de contact de dimensiuni

reduse; apar local creşteri ale temperaturii până la

temperatura de topire a materialului contactelor.

Dacă picioarele arcului aflat în mod concentrat

rămân în contact permanent cu aceeaşi zonă a

pieselor de contact (pata catodică şi pata anodică îşi

păstrează aceleaşi poziţii), nu mai poate fi garantată

stingerea arcului.

Concluziile care se desprind din prezentarea

anterioară a fenomenelor, vizează necesitatea de a

reduce pe cât posibil încălzirea contactelor şi de a

mări durata de existenţă a modului difuz raportat la

durata unei semialternanţe, deoarece modul difuz

este modul în care arcul se stinge mai uşor.

În acest scop sunt disponibile două soluţii, ambele bazate pe interacţiunea dintre câmpul magnetic şi

plasma arcului electric:

- evitarea topirii materialului anodic, prin deplasarea continuă a piciorului arcului electric sub

acţiunea unui câmp magnetic transversal (radial) în raport cu axa arcului; în acest fel transferul de

energie este extins la toată suprafaţa pieselor de contact, temperatura este limitată şi nu apare riscul

vaporizării materialului anodului;

- blocarea tranziţiei de la modul difuz la modul concentrat prin aplicare unui câmp magnetic orientat

axial (în lungul arcului). Atunci când intensitatea câmpului magnetic ajunge la o valoare

suficientă, arcul este stabilizat într-un mod calificat drept coloană difuză şi concentrarea este

blocată; deşi arcul în acest mod este imobil, picioarele sale utilizează întreaga suprafaţă a pieselor

de contact, încălzirea acestora fiind limitată.

Câmpul magnetic necesar controlului arcului este obţinut:

- cu ajutorul unei bobine incorporate în întreruptor;

13

- prin proiectarea specială a formei pieselor de contact

În ambele situaţii intensitatea sa va depinde de intensitatea curentului din arc.

6.5.3.3.1 Câmp magnetic transversal (radial) – TMF (Transverse Magnetic Field)

Pentru a crea un câmp magnetic transversal (sau radial) sunt folosite în principal două geometrii ale

pieselor de contact prezentate în figura 6.5.9

Figura 6.5.9 Figura 6.5.10

Figura 6.5.11

Arcul în mod concentrat poate fi asimilat unui

conductor parcurs de curent a cărui direcţie este

paralelă cu axa intervalului. Dacă se aplică un

câmp magnetic radial interacţiunea sa cu

câmpul magnetic propriu creat de curent,

generează o forţă electromagnetică azimutală; în

figura 6.5.10 sunt reprezentate sensurile de

referinţă ale densităţii de curent, inducţiei

magnetice şi forţei electromagnetice în sistemul

de coordonate cilindrice care poate fi asociat

geometriei pieselor de contact. Orientarea

azimutală a forţei electromagnetice va

determina rotirea arcului în jurul axei

intervalului. O imagine mai explicită a traseului

urmat de piciorul arcului poate fi urmărită în

figura 6.5.11. Sub acţiunea forţei

electromagnetice piciorul arcului se deplasează

pe unul din braţele în spirală ale contactului

urmând traseul h-g din figură; corespunzător

acestei mişcări, arcul se roteşte în interval; pe

figură sunt reprezentate două poziţii succesive

ale arcului în interval notate a-b-c-d (poziţie

apropiată de axă) respectiv e-l-g-h (poziţie

apropiată de vârful spiralei).

Figura 6.5.12 conține 6 imagini succesive ale

14

evoluției arcului în vid într-un sistem de piese de contact cu câmp magnetic transversal, având diametrul

de 62-mm; arcul este în mod concentrat și curentul în arc este de 31.5 kA. Intervalul de timp dintre

cadrele succesive este de 0.6 secunde. Prima imagine corespunde valorii de vârf a curentului în arc iar în

ultima imagine (6), se vede arcul în curs de stingere la 1 ms înainte de trecerea prin zero a curentului. Pe

schițele asociate fiecărei imagini este marcată poziția petei catodice; este evidentă rotirea arcului pe

suprafața pieselor de contact sub influența câmpului magnetic transversal.

Figura 6.5.12

Figura 6.5.13 conţine două fotografii ale unor piese de contact în spirală iar figura 6.5.14 imaginea unei

piese de contact cu dublu strat de braţe dispuse în spirală.

Figura 6.5.13 6.5.14

15

Câmpul magnetic orientat radial este obţinut datorită traseului impus curentului prin braţele în spirală ale

pieselor de contact. Câmpul magnetic fiind generat de curentul din arc, valoarea inducţiei magnetice va

depinde de intensitatea curentului. Funcţionarea corespunzătoare a întreruptoarelor cu vid cu câmp

magnetic radial depinde de geometria contactului:

● Dacă fantele dintre braţele contactului sunt prea mari, piciorul arcului "sare" cu dificultate de pe un

braţ pe cel alăturat. Arcul poate să ocupe o poziţie staţionară pe marginea braţului unde va

supraîncălzi local suprafaţa de contact.

● Dacă fantele sunt prea mici ele pot fi obturate prin topirea materialului contactului; dispare câmpul

magnetic radial datorită modificării formei liniilor de curent din piesele de contact; arcul devine

staţionar.

Chiar dacă este mobil, în câmp magnetic radial arcul păstrează atributele modului concentrat; datorită

presiunilor mari caracteristice zonei de contact dintre piciorul arcului şi piesa de contact, se produce o

expulzare de material sub formă de picături. Procesul se dovedeşte eficient în ceea ce priveşte limitarea

creşterilor de temperatură ale piesei de contact în ansamblu (sau facilitează răcirea acesteia). deoarece

energia transferată de arc este parţial consumată în procesul de apariţie al picăturilor lichide iar acestea,

după expulzare se condensează pe ecranul camerei de stingere. Acelaşi proces contribuie însă la erodarea

pieselor de contact, scurtând în acest fel durata de viaţă a camerei de stingere.

6.5.3.3.2 Câmp magnetic axial – AMF (Axial Magnetic Field)

Dacă plasma unui arc electric este supusă acţiunii unui câmp magnetic orientat axial (paralel cu liniile de

curent) a cărui intensitate (sau valoare a inducţiei) este suficientă, electronii sunt antrenaţi într-o mişcare

în elice în jurul liniilor de curent aşa cum este schiţat în figura 6.5.15. Câmpul magnetic axial se compune

cu câmpul magnetic propriu al curentului din arc (orientat azimutal); câmpul magnetic rezultant

interacţionează cu particulele încărcate din plasma arcului – apare forţa Lorentz – orientată astfel încât

mişcarea imprimată particulelor încărcate descrie o traiectorie în elice (giratorie) a cărei axă sunt liniile de

curent. Efectul este resimţit în special de electroni, care sunt particule mult mai uşoare decât ionii

metalici; mişcarea ionilor pozitivi sub acţiunea forţei Lorentz poate fi practic neglijată. Menţinerea

electronilor într-o mişcare giratorie în jurul liniilor de curent determină extinderea plasmei în toată zona

dintre contacte în care există câmp magnetic axial şi, urmare a acestei extinderi, arcul iniţial concentrat,

capătă caracteristicile unui arc difuz cu toate că densitatea de curent este mult mai mare (figura 6.5.16).

Figura 6.5.15

Reprezentarea schematică a principiului de

funcţionare pentru întreruptoare cu vid cu câmp

magnetic axial (AMF)

Figura 6.5.16

Arc în vid sub influenţa unui câmp magnetic axial;

curentul în arc este de 31.5 kA valoare efectivă iar

imaginea coincide cu trecerea curentului prin valoarea

maximă. Anodul este la partea superioară; diametrul

pieselor de contact este de 68.5 mm

16

Pentru ca arcul să rămână în această stare, în care întreruperea sa este mai uşoară, trebuie îndeplinite două

condiţii:

- Câmpul magnetic axial trebuie să fie suficient de puternic; pragul dincolo de care apariţia unei pete

anodice concentrate nu mai este posibilă, poate fi evaluat cu ajutorul relaţiei empirice

1093 pcritica IB .,

cu Ba (inducţia magnetică) axială în mT şi Ip (valoarea de vârf a curentului) în kA

- Suprafaţa electrodului trebuie să aibă o arie astfel încât, pentru cea mai mare valoare a curentului

întrerupt, densitatea de curent să nu depăşească 17 A/mm2 . Puterea de rupere a unui astfel de

întreruptor este proporţională cu d1.4

d- diametrul contactelor.

In figura 6.5.17 a și b este realizată o comparație între arcul în mod concentrat, în absența câmpului

magnetic axial (a) și în prezența acestuia (b). Sub efectul câmpului magnetic conducția din intervalul

inter-contacte se produce prin coloana arcului și parțial prin plasmă pe întreaga suprafață a anodului

respectiv catodului.

a b

Figura 6.5.17

Într-o cameră de stingere cu câmp magnetic axial, arcul este mult mai puţin mobil decât în camerele de

stingere cu câmp magnetic radial. Chiar dacă densitatea de curent are valori importante, eroziunea

contactelor este mai redusă în raport cu cazul câmpului radial însă, materialul topit rămâne pe loc şi

întârzie răcirea pieselor de contact după întreruperea arcului.

Pentru obţinerea câmpului magnetic axial pot să fie folosite mai multe soluţii constructive, toate folosind

curentul din circuit ca sursă a câmpului magnetic. În figura 6.5.18 şi 6.5.19 a şi b sunt prezentate două

soluţii posibile: spire integrate în spatele pieselor de contact şi spiră amplasată în exteriorul camerei de

stingere.

Ca regulă generală, lungimea căilor de curent necesare creării unui câmp magnetic axial este mai mare

decât cea necesară creării unui câmp magnetic radial dar, forma pieselor de contact este mai simplă.

17

Figura 6.5.18

AMF creeat cu spire amplasate în spatele pieselor de

contact

(a)

AMF creeat de spiră esxterioară

Figura alăturată reprezintă un sistem de trei spire

imbricate, legate în paralel; ansamblul lor legat în

serie cu contactele principale ale camerei de stingere

(b)

Figura 6.5.19

AMF creeat cu sisteme de spire exterioare

camerei de stingere

18

Cea mai răspândită soluţie este cea a spirelor incorporate pieselor de contact, motiv pentru care în

continuare, această soluţie va fi prezentată cu mai multe detalii. În figura 6.5.20 este reprezentat principiul

de funcţionare al unui sistem bipolar respectiv cvadripolar de generare a câmpului magnetic axial.

a

b

c

SISTEM BIPOLAR

d

SISTEM CVADRIPOLAR

În spatele fiecărui piese de contact se găsesc bobine care generează câmp magnetic axial bipolar (a);

pentru câmpul cvadripolar (b) se foloseşte o soluţie constructivă hibridă formată dintr-un circuit magnetic

asociat cu fante practicate în piesele de contact. Structura câmpului magnetic într-un plan perpendicular

pe axa intervalului, situat la mijlocul distanţei intercontacte este reprezentat în figurile (c)-pentru structura

bipolară respectiv (d) pentru structura cvadripolară. Suprafaţa transversală a camerei de stingere este

împărţită în două respectiv patru sectoare în care structura câmpului magnetic este identică în ceea ce

priveşte modulul inducţiei magnetice însă diferă în ceea ce priveşte sensul liniilor de câmp. Pe suprafeţele

de separaţie dintre sectoare inducţia este nulă. Valorile mari ale inducţiei sunt asigurate în zonele centrale

ale fiecărui sector.