Posibilităţi de stingere a arcului electric de comutaţie •
Problema comutaţiei este prioritară pentru construcţia si functionarea AE cu contactela deconectare
•
Aceasta presupune amorsarea, arderea şi stingerea arcului electric, într-o incintă specială, numită « cameră de stingere »
•
Pentru AEC de c.c. de joasa tensiune, principala actiune este de alungire a coloanei de arc, cu scaderea curentului sub valoarea critica Pentru AEC de c.a. de joasa tensiune, stingerea se asigura prin alungirea suficienta a coloanei de arc, pentru a evita reamorsarea în semiperioada urmatoatre
•
•
Pentru AEC de ca de înalta tensiune, principala interventie este de a asigura deionizari intense în momentul trecerii naturale prin zero a curentului, care evita reamorsarea acestuia în semiperioada urmatoare (post-arc…)
Posibilităţi de stingere a arcului electric de comutaţie pentru AE de joasă tensiune •
Se are în vedere pozitia caracteristicii dinamice a circuitului, (U-RI) în raport cu caracteristica volt-amper Ua(I) a arcului electric
•
Posibilitatile de stingere se refera la:
-
Alungirea coloanei de arc: l1 < l2 < lcr
-
Plasasea de rezistente în serie;
-
Plasarea de rezistente în paralel
Stingerea arcului electric de comutatie prin utilizarea unor rezistente în serie •
Schema electrica si caracteristicile (U-RI) în raport cu U a(I):
Stingerea arcului electric de comutatie prin utilizarea unor rezistente în paralel cu arcul electric (cu contactul ce se deschide) •
Schema electrica si caracteristicile (U-RI) în raport cu Ua(I)
U = R·i + Ua(i1)
Stingerea arcului electric de comutatie prin utilizarea unor rezistente în paralel cu arcul electric (cu contactul ce se deschide) •
Valorile rezistentei în paralel, Rp trebuie sa fie cât mai mici la întrerupere
U R + Rp
•
Curentul din circuit dupa întrerupere este Io =
•
Valorile rezistentei Rp trebuie sa fie cât mai mari dupa stingerea arcului pentru a valida întreruperea: solutii posibile (R-C) sau tiristor comandat
Principii şi dispozitive de stingere a arcului electric de comutaţie în funcţionarea AE •
Construcţia AEC se caracterizează prin existenţa unor ansambluri specializate, numite camere de stingere, în interiorul cărora are loc amorsarea, arderea şi stingerea arcului electric de comutaţie
•
Cerinţe specifice pentru realizarea camerelor de stingere, care sunt legate de performanţele AEC : -energia disipată de coloana de arc în interiorul camerei de stingere să fie minimă ; -timpul de ardere al arcului electric de comutaţie să fie cât mai scurt ; -uzura elementelor active, ce intervin în procesul de stingere al arcului electric de comutaţie să fie minimă ; -supratensiunile de comutaţie si efectele secundare (acustice, optice etc.), legate de procesul de deconectare, să fie cât mai reduse
Principii si dispozitive pentru realizarea camerelor de stingere ale AEC •
Cele mai importante procedee ce stau la baza construcţiei camerelor de stingere ale AE sunt:
-alungirea mecanică a coloanei de arc electric de comutaţie ; -utilizarea grilelor metalice ce fragmentează coloana de arc electric ; -suflajul cu fluide ; -suflajul magnetic ; -utilizarea fenomenului de expandare ; -utilizarea materialelor gazogene ; -utilizarea materialelor granuloase ; -comutaţia în SF6 ; -comutaţia în aer comprimat ; -comutaţia în vid -comutaţia fără arc electric.
Alungirea mecanicÄ&#x192; a coloanei de arc electric de comutaĹŁie â&#x20AC;˘
Posibilitatile de alungire depind de pozitia si de miscarea contactelor
Alungirea mecanică a coloanei de arc electric de comutaţie • •
Cresterea vitezei de separare a contactelor favorizeaza stingerea arcului prin alungire mecanica , cu posibile solutii de realizare: Plasarea contactului fix pe un resort elastic:
•
Deschiderea contactului dupa tensionarea prealabila a unui resort elastic
Alungirea mecanică a coloanei de arc electric de comutaţie •
Un efect favorabil similar se obţine şi în cazul utilizării « ruperii duble », când viteza de deplasare, v, a traversei contactelor mobile asigură o viteză de alungire a arcului electric de comutaţie de valoare 2·v
- Energia cinetică necesară pentru a asigura deplasarea contactului de masa 2 m ⋅ v m cu viteza v, la deconectare, este : Ec0 =
2
Acelaşi efect, în cazul ruperii duble, necesită o viteză (v/2) de deplasare a traversei contactelor mobile, de masă 2·m, deci o energie cinetică
( )
2⋅m⋅ v 2 E c1= 2
2
=1 ⋅E c0 2
Tehnica modulului pentru întrerupatoare de înalta tensiune tip IO 80/1600 * Pentru funcţionarea la tensiunea nominală de 110 kV se utilizează două asemenea module conectate în serie • Pentru tensiunea nominală de 220 kV, se folosesc 4 asemenea module conectate în serie. • Funcţionarea unor asemenea ansambluri, exploateaza avantajele anunţate mai sus, daca: - modulele sunt comandate de la acelaşi dispozitiv de acţionare - se realizeaza deschiderea simultană (sincronă) a tuturor contactelor, - se asigura distribuţia uniforma a tensiunii pe modulele componente, pentru a echilibra solicitările acestora la deconectare, utilizând în acest scop condensatoare de egalizare, cu capacitatea (5-7) pF.
Alungirea mecanica a coloanei de arc si dimensiunile camerei de stingere •
Dezavantajul AEC de joasă tensiune, ce folosesc la întrerupere alungirea mecanică a coloanei de arc electric (ca arc electric « liber », nedeionizat), îl reprezintă dimensiunile de gabarit mari ale camerelor de stingere
•
Reducerea acestor dimensiuni se obtine prin utilizarea unor materiale izolatoare şi termorezistente, ce asigură trasee suficent de lungi ale coloanei de arc electric de comutaţie pentru înălţimi H, mai mici ale camerelor de stingere, sau prin laminarea arcului în camere înguste (cam
darc)
Utilizarea grilelor metalice • •
Grilele metalice exploateaza efectul fed si efectul de nisa Forma grilelor In c.c. se utilizeaza efectul de electrod:
Umax = (1,5 – 2,5) · U , UA-K= (20 – 30) V U max n= U A −K ng = n - 1 •
In c.a. sunt numite « grile deion »: Uo este tensiune de tinere a arcului scurt
n s = 3⋅U n ⋅α⋅β ⋅γ 2⋅U0
ng = ns – 1 ,
ns n = −1 2 * g
Principiul suflajului cu fluide • •
•
Suflajul poate fi transversal, axial sau mixt, primul fiind preferat caci asigura si alungirea coloanei de arc Atunci când suflajul transversal se realizează cu lichide, viteza acestora, de dorit cât mai mare, şi calităţile dielectrice definesc construcţia camerei de stingere, cu unul sau mai multe canale de suflaj In cazul uleiului de transformator viteza limită de suflaj este de (20 – 40) [m/s]
Suflajul cu fluide poate fi realizat şi prin « autocompresie », când un piston ataşat contactului mobil asigură compresia fluidului de suflaj şi dirijarea acestuia către zona de arc electric, cazul anumitor întrerupătoare cu SF6
Principiul suflajului magnetic •
Se foloseste interactiunea electrodinamica dintre coloana de arc si un câmp magnetic, de inducţie B, de obicei 0,01[T], din considerente legate de reducerea uzurii pieselor de contact
•
Câmpul magnetic poate fi asigurat fie de o bobină de suflaj magnetic, parcursă chiar de curentul de deconectat, fie de o bobină de tensiune alimentată de la o sursă separată, fie de un magnet permanent
F=B·I·l
Principiul suflajului magnetic •
In ipoteza că efectele corespunzătoare celor două soluţii sunt identice pentru curentul nominal din circuitul de întrerupt, se constată că bobina de suflaj serie se dovedeşte mai eficientă pentru valori mari ale curentului, de exemplu curenţi de defect, când în plus există riscul ca actiunea bobinei de tensiune să scadă datorită defectului
•
În ceea ce priveşte utilizarea magneţilor permanenţi, aceştia pun mereu problema conservării în timp a performanţelor iniţiale
•
În mod obişnuit bobina de suflaj serie este parcursă tot timpul de curentul din circuit, însă există soluţii constructive pentru a asigura intervenţia acesteia doar în momentul desprinderii pieselor de contact ale AEC
Principiul suflajului magnetic • Construcţia întrerupătoarelor de înaltă tensiune (cu comutaţie în vid sau cu SF6) utilizează suflajul magnetic pentru a obţine rotirea coloanei de arc pe piesele de contact, (cu diminuarea cantităţii de vapori metalici din zona de arc si scăderea uzurii contactelor • În acest scop se asigură acţiunea unui câmp magnetic de direcţie radială, care prin forţele electrodinamice tangenţiale, de interacţiune cu coloana de arc axială, asigură « arcul electric rotativ », ca în desenul alaturat.
Principiul expandarii •
Se foloseste energia disipata de coloana de arc electric la deconectare pentru a descompune o cantitate mica de lichid ( apa, expansina sau ulei) pentru a genera presiuni mari în incinta camerei de stingere
•
Conform relatiei lui Bauer se scrie succesiv:
τ
W a =∫0 Ua ⋅i⋅dt V = C · Wa C este constanta lui Bauer • C = 60 [cmc/kJ] pt. ulei • C = 10 [cmc/kJ] pt. expansina
Principiul materialelor gazogene •
Un alt exemplu de utilizare a energiei disipate de coloana de arc la deconectare pentru întreruperea circuitelor.
•
În acest scop, în interiorul camerei de stingere, în proximitatea zonei în care se manifestă arcul electric de comutaţie, se amplasează materiale gazogene (fibră organică, mase plastice)
•
Se obtine un volum V de gaze:
V = δ · Wa •
Amplasarea materialelor active trebuie sa fie cât mai aproape de coloana de arc Cantitatea de material m pentru o intrerupere si autonomia de functionare pentru N manevre va impune o masa necesara M = N m
Utilizarea materialelor granuloase • Constă în plasarea în vecinătatea coloanei de arc a unor materiale speciale (nisip de cuarţ, acid boric, praf de marmură etc.), care în prezenţa descărcării, ce comportă vapori metalici, formează un conglomerat vitros (« omida de nisip »), caracterizat printr-o conductibilitate termică importantă, ce asigură evacuarea de energie din zona de arc şi deionizări intense, deci deconectarea circuitului • Este cazul obişnuit al construcţiei siguranţelor fuzibile de mare putere de rupere cu material de umplutură, care prin durata redusă de ardere a arcului electric realizează şi un « efect de limitare ».
Comutatia în hexafluorura de sulf • este un exemplu de utilizare a unui gaz electronegativ ca mediu de stingere • Are la bază prezenţa sulfului, gurmand pentru electronii din coloana de arc, dar şi stabilitatea deosebită a moleculei acestui gaz • Se apeleaza de obicei la presiuni de ordinul (3 – 6) atm pentru a evita trecerea în faza lichida •
Posibilitatea SF6 de a trece în fază lichidă în cazul AEC de exterior ce funcţionează la temperaturi scăzute a impus fie utilizarea unor rezistenţe de încălzire, fie folosirea unui amestec SF6 cu N2
Comutatia în aer comprimat • Comutaţia în aer comprimat se bazează pe faptul că la presiuni ridicate, de (20 -30) atm., gradul de ionizare este scăzut, astfel încât stingerea arcului electric este mai uşor de realizat. • Practic întrerupătoarele de înaltă tensiune cu comutaţie în aer comprimat asigură creşterea presiunii în incinta camerei de stingere la comanda de deconectare, şi un debit masic maxim al aerului ce părăseşte camera de stingere (printr-un ajutaj special conceput), în concordanţă cu puterea limită de deconectat • Instalaţiile anexe sunt costisitoaresi pentru pentru a asigura funcţionarea sigura a acestor AE se impune rezervarea • Cum presiunea în camera de stingere după deconectare revine la presiunea atmosferică, pentru a valida deconectarea şi a asigura distanţe de izolaţie suficiente, aceste AEC folosesc un pol separator exterior, ce se deschide după stingerea arcului electric de comutaţie. • Aerul comprimat serveste si la actionare
Comutatia în vid • Comutaţia în vid reprezintă o soluţie actuală de realizare a unor AEC performante, alături de comutaţia în SF6 • Se încearcă evitarea prezenţei purtătorilor de sarcină (favorabili dezvoltarii arcului electric de comutaţie), prin utilizarea unor camere de stingere cu vid avansat, 10^(-9) – 10^(-8) atm. • Asemenea ansambluri se caracterizează printr-o durată mare de viaţă, 20-30 ani, fiind în fapt ceea ce se numeşte obişnuit AEC fără întreţinere. • În cazul întrerupătoarelor de înaltă tensiune cu comutaţie în vid, aceste performanţe au la bază : -menţinerea etanşeităţii camerei de stingere (la imbinarea metal-izolator) -soluţii deosebite legate de realizarea contactelor electrice.
Progrese actuale în asigurarea comutatiei • Comutaţia fără arc electric este o realizare a ultimilor decenii, şi se poate realiza ca o comutaţie sincronizată, ca o comutaţie hibridă, sau ca o comutaţie statică, după cum s-a comentat anterior • Un domeniu inedit, ce face obiectul unor cercetări intense în laboratoare specializate din întreaga lume, îl constituie realizarea AEC cu contacte metalo-lichide
Fenomene post-arc la bornele AEC • În funcţionarea AEC, după stingerea arcului electric, zona dintre piesele de contact nu dobândeşte instantaneu calităţi izolante • Refacerea rigidităţii dielectrice decurge în timp, corespunzător construcţiei şi performanţelor camerei de stingere • De asemenea, natura circuitului în care este inclus AE se manifestă cu particularităţi specifice legate de creşterea tensiunii dintre piesele de contact • O întrerupere « reuşită » a circuitului în care este inclus un AEC, rezultă dacă valorile tensiunii ce se manifestă între piesele de contact, după stingerea arcului electric, numită obişnuit tensiune tranzitorie de restabilire, UTTR(t), rămân inferioare tensiunii de ţinere, ce corespunde refacerii rigidităţii dielectrice dintre piesele de contact, UR(t)
Fenomene post-arc pentru AEC de curent continuu (circuite pur rezistive) •
•
În cazul AEC ce realizează deconectarea circuitelor pur rezistive de cc, procesul de deconectare se bazează pe alungirea coloanei de arc electric de comutaţie, şi, la depăşirea lungimii critice a acesteia se obţine stingerea descărcării Tensiunea ce intervine între contactele AEC la întrerupere devine practic tensiunea nominală de alimentare a circuitului
Fenomene post-arc pentru AEC de cc ĂŽn circuite inductive reale â&#x20AC;˘
La bornele AEC se manifesta supratensiuni: Uk(0)=Umax=Un+
Limitarea efectelor supratensiunilor de comutatie in cicruite R-L reale •
În acest scop se folosesc scheme ce realizează « şuntarea » inductanţei circuitului, şi limitarea valorilor acestor supratensiuni la aproximativ Umax = (1,1- 1,4) ·Un
Limitarea supratensiunilor la deconectarea circuitelor R-L reale folosind două întrerupătoare •
Prin utilizarea unui întrerupător ultrarapid, I1, ce este şuntat de rezistenţa de limitare R*, şi a unui întrerupător normal, I, ale cărui contacte se deschid, desigur, după cele ale întrerupătorului ultrarapid, se micsoreaza energia câmpului magnetic
Wmo
1 = ⋅ L ⋅ I2 2
I=
U R
1 Wm1 = ⋅ L ⋅ I12 2
U I1 = R +R*
Fenomene post-arc pentru AEC de cc la deconectarea circuitelor R – L – C •
Se considera un circuit R – L – C, alimentat de la o sursă de cc de tensiune U, ca mai jos
•
Fenomenele la întrerupere sunt descrise de ecuatia:
d 2 Uc dUc +ω 2⋅Uc =ω 2⋅U + 2 ⋅ δ ⋅ 0 0 dt dt 2
cu Uc(0) =
d Uc t=0 dt
Fenomene post-arc pentru AEC de cc la deconectarea circuitelor R – L – C •
Cu notatiile uzuale:
i( t ) = •
q( t ) = C ⋅ U c ,
dq , dt
R 2⋅δ = , L
1 ω = , L⋅C 2 o
Rezultând solutia:
δ − δt U c ( t ) = U K ( t ) = U ⋅ 1 − e (cos ωe t + sin ωe t ), ωe •
Care pentru:
•
Devine final:
δ 2 − ωo2 = −ωe2 , δ << ωe ,
U c ( t ) = U K ( t ) = U(1 − e
− δt
cos ωe t ),
Fenomene post-arc pentru AEC de cc la deconectarea circuitelor R – L – C • Se constată că valoarea maximă a supratensiunii ce se poate manifesta între contactele AEC la deconectarea circuitelor R – L – C de curent continuu este de (1,4 – 1,6) U • solicitările AEC la deconectarea circuitelor R –L – C de curent continuu nu depind doar de valoarea maximă a tensiunii ce se manifestă între piesele de contact după stingerea arcului electric de comutaţie, ci şi de viteza de creştere a acesteia, deci de pulsaţia ωe • Daca valorile UR(t) ramân mereu mai mari decât UTTR(t) atunci avem o întrerupere reusita, în caz contrar se reamorseaza arcul electric de comutatie, cu o întrerupere nereusita
Intrerupere reusita si ĂŽntrerupere nereusita pentru circuite R-L-C de cc â&#x20AC;˘
Intrerupere reusita
Intrerupere nereusita
Fenomene post-arc la deconectarea AEC de ca •
În cazul circuitelor pur rezistive de curent alternativ fenomenele de deconectare cu ajutorul AEC decurg similar cu cele prezentate în cazul circuitelor de curent continuu, întreruperea fiind favorizataa de trecerile naturale prin zero ale curentului din circuit
•
În cazul circuitelor inductive reale, după cum s-a precizat anterior, întreruperea intervine înaintea trecerii naturale prin zero a curentului ce parcurge circuitul, prin “tăierea” curentului, şi este însoţită de supratensiuni datorate comutaţiei magnetice inverse
•
deconectarea circuitelor capacitive reale de curent alternativ prezintă particularitatea că întreruperea are loc prin « smulgerea » valorilor curentului, după trecerea naturală prin zero a acestuia
TTR pentru circuite R-L-C de ca •
Schema electrica de principiu a unui asemenea circuit este:
•
Iar ecuatia care-i descrie comportarea la deconectare se scrie:
t di 1 L⋅ +R⋅i+ ⋅∫−∞i⋅dt =U⋅sin(ω ⋅t +ϕ ) dt C
TTR pentru circuite R-L-C de ca •
In raport cu tensiunea la bornele condensatorului, Uc, în fond aceeaşi cu tensiunea la bornele contactului, UK , de fapt tensiunea tranzitorie de restabilire ce se manifestă între piesele de contact ale AEC, UTTR avem:
•
t 1 Uc(t) = UK(t) = C⋅∫−∞i⋅dt =UTTR ( t )
Si deci ecuatia echivalenta a circuitului se scrie: d 2 Uc dUc + 2⋅Uc = 2⋅U⋅sin + 2 ⋅ ⋅ 0 0 dt dt 2
δ
•
Cu solutia de forma:
UTTR ( t ) =
δ= R 2⋅L
ω
(ω ⋅t +ϕ )
ω
U⋅sin(ω ⋅t +ϕ −ϕ 1 )
ω ⋅C⋅ R 2 +ω ⋅L− 1 ω ⋅C
ω e2 = ω 02 − δ 2
2
+ U1⋅e−δ ⋅t ⋅sin(ω e⋅t −γ )
TTR pentru circuite R-L-C de ca • Curba UTTR(t): Conform solutiei
Definirea celor 4 parametri de baza
f0 = 1 2⋅t v dUTTR =4⋅f0⋅U dt
Intrerupere reusita si întrerupere nereusita în ca •
Compararea curbelor UTTR(t) si UR(t): Intrerupere reusita
Intrerupere nereusita
Solutii pentru a evita reamorsarea arcului electric datorita vitezei de crestere a TTR • Soluţiile constructive pentru a împiedica reamorsarea arcului electric după stingerea prealabilă a acestuia, sunt: •
mărirea vitezei iniţiale de creştere a tensiunii UR(t), prin utilizarea unui jet suplimentar de fluid neionizat orientat către zona ocupată anterior de arcul electric (cazul întrerupătoarelor IUP)
• scăderea vitezei de creştere a TTR, folosind rezistenţe de şuntare convenabil calibrate (cazul întrerupătoarelor cu aer comprimat)
Întreruperea curenţilor mici (capacitivi sau inductivi) cu ajutorul AEC de înaltă tensiune de ca •
•
La întrerupere intervine transformarea energiei câmpului magnetic în energie a câmpului electric, putându-se scrie o relatie de bilant:
1 ⋅L⋅I2max = 1 ⋅C⋅U 2max 2 2 astfel încât tensiunea maximă ce se poate manifesta între contactele AEC este:
L U max =Imax ⋅ >>U C Aceste supratensiuni pot genera ceea ce obişnuit se numeşte defect « evolutiv » pentru funcţionarea AEC de înaltă tensiune, ce are la bază deteriorarea izolaţiei acestora la întrerupere, după care intervine de fapt un defect veritabil datorat izolatiei deteriorate
Particularitati de întrerupere pentru AEC trifazate •
Solicitările sunt diferite, după cum AEC sunt incluse în circuite cu neutrul izolat sau în circuite cu neutrul « tratat »
•
In cazul circuitelor cu neutrul izolat, faza care se întrerupe prima este mai solicitată, ea preluând practic 50% din puterea consumatorului, şi suportând o TTR de valoare :
•
U1max =1,5⋅ 2⋅U nf
unde Unf reprezintă tensiunea nominală de fază, în timp ce celelalte două faze suportă doar tensiunea:
U 2max = U3max =0,5⋅ 2⋅Unf •
În cazul AEC ce deconectează circuite trifazate cu neutrul tratat se obţine un efect favorabil, de echilibrare a solicitărilor pentru cele trei faze, cu o valoare maximă a TTR de doar (1,3 – 1 ,4)
⋅ 2⋅Unf
CONTACTELE APARATELOR ELECTRICE • Contactele AEC reprezintă locul de atingere dintre două sau mai multe piese metalice, parcurse de un curent electric • Contactele electrice sunt componentele cele mai solicitate din construcţia AE, atât datorită faptului că reprezintă o “strangulare locală” a căii de curent, legătura electrică realizându-se prin puncte elementare de contact, cât şi datorită faptului că acestea sunt expuse unor solicitări suplimentare, mecanice (ciocniri la închidere) , termice (prin acţiunea arcului electric de comutaţie) etc. • Contactele electrice constituie elemente de rangul I în ansamblul AEC, deoarece deteriorarea pieselor de contact face imposibilă utilizarea ulterioară a acestora.
Clasificarea si constructia contactelor electrice • •
Contactele electrice, pot fi fixe sau mobile. Contactele fixe pot fi nedemontabile (realizate prin lipire – sudare), sau demontabile, realizate ca îmbinări cu şuruburi sau cu cleme elastice
•
Contactele mobile la rândul lor pot fi contacte glisante (alunecătoare), pentru care deplasarea relativă a pieselor de contact nu realizează întreruperea circuitului, sau contacte mobile de comutaţie, utilizate frecvent în construcţia AEC
Contacte electrice glisante
Contacte electrice de comutaĹŁie â&#x20AC;˘
Exemple de contacte mobile de comutatie
Contactele AEC • Cerinţele principale impuse pentru realizarea contactelor electrice (adesea contradictorii): • realizarea unei legături electrice sigure, de calitate şi de lungă durată între piesele de contact ; • asigurarea unor fenomene minime de uzură a pieselor de contact în funcţionare ; • evitarea unor fenomene de lipire-sudare a pieselor de contact în timpul funcţionării ; • efecte minime asupra pieselor de contact sub acţiunea arcului electric de comutaţie
Contactele AEC •
•
•
•
realizarea unor contacte electrice de calitate pentru AEC reprezintă adesea un compromis, ce ţine seama de particularităţile funcţionale ale AE şi de parametrii săi nominali: contactele întrerupătoarelor automate de joasă tensiune de curenţi nominali mari se acceptă specializarea funcţională a diferitelor elemente componente ale pieselor de contact, deosebind contact de rupere, contact intermediar şi contact principal (caracterizat prin valori reduse ale rezistenţei de contact) ; această soluţie comportă şi adaptarea mişcării pieselor de contact pentru a respecta ordinea firească la conectare şi respectiv la deconectare, acţiunea arcului electric de comutaţie referindu-se la contactele de rupere, amplasate de obicei accesibil, uşor de schimbat, la partea superioară a AE. Pentru întrerupătoarele de înaltă tensiune cu comutaţie în vid, (incinta vidată are o durată de viaţă de (20 – 30) ani), impune la construcţii speciale ale pieselor de contact, astfel încât coloana de arc se manifestă « difuz » între piesele de contact, fără a se acroşa într-un punct, ce ar deveni sursă de vapori metalici pe de o parte, dar şi evitând formarea de « cratere » ce ar favoriza amorsarea arcului electric la o funcţionare ulterioară
Contactele AEC • Mai explicit încă este compromisul acceptat pentru întrerupătoarele de înaltă tensiune de tip IUP: •
contactul de tip tulipă este realizat cu aliaje ce conţin W, care deşi cresc valorile rezistenţei de contact, asigură o comportare mai bună la acţiunea arcului electric de comutaţie.
• Se poate afirma că nu dispunem de un material sau de o formă constructivă pentru piesele de contact ale AEC care să răspundă tuturor cerinţelor de performanţă impuse de buna funcţionare a acestora în exploatare, numeroase cercetări, mereu actuale, fiind dedicate acestui subiect.
Rezistenţa de contact. Componente şi factori de influenţă • • • • •
Pentru a pune în evidenţă rezistenţa de contact se poate face un experiment simplu : se măsoară rezistenţa unui conductor de secţiune constantă, pentru o lungime dată, l, de valoare R ; se realizează o secţiune în zona mediană a acestui conductor, după care se măsoară, pentru aceeaşi lungime l, rezistenţa R* Valoarea rezistenţei de contact, ce presupune o forţă de apăsare, F c, între cele două porţiuni ale conductorului după secţionare, va fi : Rc = R* - R
Rezistenţa de contact. Componente şi factori de influenţă •
Dacă se examinează la microscop două piese metalice de contact, (A,B), se evidenţiază proeminenţe de pe suprafaţa acestora, legate de rugozitatea şi deci de gradul de prelucrare mecanică suprafeţelor, astfel încât legătura electrică între piesele A şi B se realizează printr-un număr finit de puncte elementare de contact
Contacte elementare
Contact elementar sferic
Rezistenţa de contact. Componente şi factori de influenţă •
În zona punctelor elementare de contact intervin creşteri fireşti ale densităţii de curent, deci solicitări termice mai mari faţă de calea de curent masivă
•
Holm a propus ipoteza că toate aceste puncte elementare de contact se comportă identic în funcţionarea AE, astfel încât pentru o valoare Rc0 a rezistenţei contactului elementar şi pentru n puncte elementare de contact, rezistenţa de contact, Rc, devine:
R co Rc = n •
•
Forma geometrică a contactelor elementare poate fi diferită, dar se acceptă de obicei o formă geometrică regulată, sferă de rază a, sau elipsoid de rotaţie. În cele ce urmează vom considera doar contactul elementar de formă sferică, de rezistenţă Rc0, ceea ce, după definirea numărului « n »de puncte elementare de contact, permite evaluarea rezistenţei de contact, Rc
Rezistenţa de contact. Componente şi factori de influenţă •
Dacă se consideră un asemenea contact elementar de formă sferică, de rază a, realizat între piesele metalice A şi B, caracterizate prin valori ale rezistivităţii electrice ρA şi respectiv ρB, se evidenţiază două componente ale rezistenţei acestuia, rezistenţa de stricţiune, datorată strangulării locale a căii de curent, Rs0, şi rezistenţa peliculară, Rp0, datorată peliculei de oxizi metalici, de grosime infimă e drept, dar de rezistivitate electrică mult mai mare ca a metalului piesei de contact :
Rc 0 = Rs0 + Rp0 •
Pentru a evalua componenta de stricţiune a rezistenţei contactului elementar, Rs0, se poate folosi metoda analogiei electrostatice, ce permite scrierea unei relatii de forma:
R · C = ρ · ε0 R este rezistenţa, C – capacitatea condensatorului sferic de rază a, ρ – rezistivitatea electrică a materialului piesei de contact, iar ε0 – permitivitatea electrică a mediului
Rezistenta de strictiune a contactului elementar • • • • • •
Ipotezele lui Holm, acceptate în studiul contactelor electrice: rezistivitatea electrică a materialului pieselor de contact este constantă ; conductibilitatea termică a materialului în zona de contact este infinită ; suprafeţele echipotenţiale reprezintă sfere concentrice cu contactul elementar Capacitatea condensatorului sferic de rază a , având a doua armătură la infinit, C, se calculează cu relaţia : corespunzător piesei de contact A rezultă:
C = 4 · π · ε0 · a •
, CA = 2 ·
iar corespunzătoare contactului elementar pentru piesa de contact B:
R soB •
π · ε0 · a
ρA R soA,= 2πa
ρB = 2πa
astfel ca rezistenţa de stricţiune a contactului elementar, Rs0, va fi:
R so = R soA + R soB
ρA + ρB = 2πa
Rezistenta de strictiune a contactului elementar •
Cum în construcţia AEC se preferă utilizarea aceluiaşi material pentru realizarea celor două piese de contact:
ρA = ρB = ρ
ρ R so = πa
•
Se obtine:
•
În cazul unui contact elementar ce are forma unui elipsoid de rotaţie
ρ R = 2a * so
Pentru a evalua rezistenţa de stricţiune a contactului elementar, trebuie cunoscut materialul utilizat pentru realizarea pieselor de contact, şi apoi calculată raza contactului elementar, a ; în acest scop se poate folosi de exemplu relaţia lui Hertz, valabilă în domeniul deformaţiilor elastice ale proeminenţelor microscopice, pentru Fco referitoare la contactul elementar
(
2 1−σ 2 1 − σ B 3 A a =3 ⋅Fc0 ⋅ + ⋅ 1 +1 4 E B rA rB EA
)
−1
Rezistenta de strictiune a contactului elementar •
Forta de apasare pentru un punct elementar de contact este:
Fc Fco = , Fc = f sp ⋅ I n n •
Astfel încât raza « a » a acestuia se scrie:
a = k 1 3 Fco •
Iar rezistenta de strictiune corespunzatoare devine: 1 3 co
R so = K ⋅ F
−
Rezistenta de strictiune a contactului elementar •
O relaţie similară se obţine pentru rezistenţa de stricţiune a contactului elementar dacă se consideră « strivirea » proeminenţelor microscopice ale suprafeţelor de contact, caracterizată prin coeficientul de strivire, σstr (constantă fizică de material), astfel încât rezultă succesiv
a= •
Fc0 π ⋅σ str
1 2 co
ρ R so = = k2 ⋅F πa
−
Se poate deci accepta astfel o relaţie bine confirmată experimental, pentru evaluarea rezistenţei de stricţiune a contactului elementar −m so co în care C şi m reprezintă constante, depinzând de natura materialului pieselor de contact, de forma pieselor de contact, dar şi de gradul de prelucrare al suprafeţelor de contact (Fc creste – Rso scade)
R = C⋅F
Rezistenta peliculara a contactului elementar •
Rezistenţa peliculară, Rp0, datorată în fapt peliculei de oxizi, de grosime foarte mică, δ =10^(-8) [m], dar de rezistivitate electrică ρp de ordinul a (10^5 – 10^8) [Ω·m], astfel încât rezultă :
R po = •
ρp ⋅ δ π⋅a
2
Pentru a evalua Rpo se poate folosi si relatia:
R po
R ss = 2 πa
unde valorile Rss depind de natura materialului pieselor de contact şi de grosimea peliculei de oxizi ce acoperă suprafaţa acestora. Desigur, prin întreţinerea corectă a pieselor de contact se poate evita formarea acestei pelicule de oxizi metalici, rezultând reducerea rezistenţei peliculare a contactelor electrice
Rezistenta de contact •
La închiderea contactelor AEC, se asigură o « alunecare » la atingerea pieselor de contact, « fritting mecanic », astfel încât componenta peliculară a rezistenţei de contact devine nesemnificativă deoarece se realizează astfel « autocurăţirea » pieselor de contact
•
Pentru evaluarea rezistenţei contactului elementar, Rc0, este unanim acceptată o relaţie de forma :
R co = C o ⋅ Fco− m
•
Ceea conduce la expresia pentru calculul rezistentei de contact de forma:
−m c
Rc = C⋅F
Rezistenta de contact •
Influenţa forţei de apăsare între piesele de contact, Fc,asupra rezistentei de contact:
Se constată că valorile rezistenţei de contact, Rc, la scăderea valorilor forţei de apăsare între piesele de contact, Fc, sunt mai mici, ceea ce se poate explica prin deformaţiile plastice, remanente, ale proeminenţelor microscopice ale suprafeţelor pieselor de contact
Contactele electrice ale AEC •
Forta de apasare pe contact depinde de In dar si de functionalitatea AEC, prin valorile fsp, duble pentru Ag fata de Cu, si mai mari la intrerupatoare fata de contactoare: Fc = fsp In Factori ce influenţează valorile rezistenţei de contact, Rc :
•
natura materialului pieselor de contact, de dorit de rezistivitate electrică cât mai mică, deşi astfel creşte riscul de a obţine lipirea-sudarea acestora la deconectare, sau în cazul vibraţiilor în poziţia « conectat », ce trebuiesc evitate
•
forma geometrică a pieselor de contact
•
gradul de prelucrare mecanică pieselor de contact, (rugozitatea suprafeţelor acestora)
•
temperatura pieselor de contact, mai ales în zona punctelor elementare de contact.
Cu privire la forta specifica de apasare pe contact •
Dependenta fsp de In:
•
Aspecte diferite intervin în cazul contactelor metalo-lichide, utilizate în ultimul timp pentru realizarea unor AEC, realizate între o piesă metalică de contact şi un lichid conductor (mercur), când nu se mai pune problema forţei de apăsare între piesele de contact ci aceea a densităţii de curent, deci practic a suprafeţei de contact dintre metal şi lichidul conductor. Funcţionarea acestor AE are la bază modificarea nivelului lichidului conductor în interiorul camerei de stingere, ce realizează închiderea sau deschiderea contactelor