APARATE DE COMUTATIE SI PROTECTIE

Introducere. Definitii. Aparatele de comutatie sunt dispozitive care realizeaza functiuni de inchidere si de deschidere a circuitelor electrice. Structura acestor aparate este determinata de regimul de stabilire sau de intrerupere a curentului electric in circuit. In acest sens se diferentiaza:

- regimul de comutatie in gol, in care inchiderea sau deschiderea circuitului are loc in absenta curentului electric sau in prezenta unui curent mult inferior curentului nominal, pentru care a fost dimensionat aparatul;

- regimul de comutatie in conditii normale de functionare si de suprasarcina a instalatiei alimentate, in care curentul prin aparatul de comutatie poate avea orice valoare de la zero pana la valoarea curentului admisibil de suprasarcina,; regimul de suprasarcina al unui echipament electric este un regim de functionare in care curent depaseste curentul nominal, care poate fi acceptat pentru un interval de timp limitat;

- regimul de comutatie inclusiv in conditii de avarie, in care curentul prin aparatul de comutatie poate atinge valori mult superioare curentului nominal.

Pentru protectia echipamentelor electrice in conditii anormale de functionare, in regimurile de avarie, sau la aparitia unor perturbatii interne sau externe, instalatiile electrice utilizeaza aparate de protectie. Acestea pot fi de sine statatoare sau pot echipa aparatele de comutatie.

C2.1 Electromagneti

Un electromagnetul este un dispozitiv electric constituit in general dintr-un miez magnetic si o bobina. Alimentarea bobinei are ca rezultat actionarea armaturii mobile a miezului magnetic. In constructia aparatelor de comutatie electromagnetii sunt utilizati ca organ motor, servind la stabilirea sau intreruperea mecanica a unor contacte.

C2.1.1. Tipuri de electromagneti. Miezul magnetic al unui electromagnet poate fi constituit doar din armatura mobila, care este atrasa in zona de camp magnetic intens a bobinei de excitatie. In general insa, o armatura fixa asigura dirijarea fluxului magnetic. Aceasta ultima varianta este cea mai uzuala, deoarece asigurarea unei anumite valori a inductiei magnetice in spatiul dintre armaturi necesita o solenatie de magnetizare cu atat mai redusa cu cat drumul prin aer al liniilor de camp magnetic este mai redus.

Electromagnetii pot fi alimentati in curent continuu sau in curent alternativ. In curent continuu, intensitatea curentului este independenta de pozitia armaturii mobile, fiind determinata de valoarea rezistentei electrice a bobinei. Intensitatea curentului alternativ absorbit depinde in principal de inductivitatea bobinei, care la randul sau este functie de pozitia armaturii mobile.

Exista mai multe tipuri constructive de electromagneti, Fig. 1, cu variatii specifice ale fortei de atractie in functie de cursa armaturii mobile, si anume :

- electromagnet plonjor fara armatura fixa, Fig.1a). Campul magnetic fiind maxim in centrul bobinei, forta electromagnetica tinde sa aduca armatura mobila in pozitie simetrica in raport cu bobina. Caracteristica fortei acestui tip de electromagnet in functie de cursa prezinta un maxim;

- electromagnet plonjor cu armatura fixa, Fig. 1b). Forta variaza relativ putin in functie de cursa si are valori mari in comparatie cu alte tipuri de electromagneti;

- electromagnet plonjor cu cursa mica (x mm), Fig. 1.c). Acest tip de electromagnet se caracterizeaza prin variatie rapida a fortei in functie de cursa;

- electromagnet U, Fig. 1d) este utilizat pentru curse mici si variatii lente ale fortei;

- electromagnet in manta, Fig.1e), are cursa redusa si forta de atractie mare. Circuitul magnetic este compact, iar suprafetele polilor sunt mari.

Fig. 1

C2.2. Aparate de comutatie

C2.2.1. Contacte electrice. Contactele electrice sunt elementele esentiale pentru functionarea corecta a aparatelor de comutatie. Contactul electric este un ansamblu de doua piese care asigura continuitatea unui circuit electric atunci cand acestea se ating, sau intreruperea circuitului la indepartarea acestora.

Contactele aparatelor de comutatie sunt supuse oxidarii sau reactiilor chimice la temperaturile mari din arcul electric, eroziunii sau uzurii electrice prin transport de material intre piesele in contact si respectiv uzurii mecanice datorita presiunii de contact.

Materialele contactelor electrice trebuie sa aiba conductivitate electrica si termica mare, rezistenta mare la coroziune, rezistenta la arcul electric cu transport minim de material, rezistenta la uzura mecanica. Aceste calitati nu coexista simultan la un singur material; de exemplu argintul are o conductivitate electrica si termica mare si rezistenta mica la arc, in timp ce wolframul are rezistenta mare la arc, insa conductivitate electrica mare. Contactele electrice folosesc ca materiale primare cuprul (Cu), argintul (Ag) si wolframul (W), de regula in aliaje sau sub forma de pulberi sinterizate.

Cuprul electrolitic este folosit pentru constructia contactelor supuse la solicitari medii. Se folosesc de regula aliaje ale cuprului, cu argint (2%..3% Ag), eventual si cu cadmiu (1,5% Cd), a caror rezistenta mecanica este dubla in raport aceea a cuprului electrolitic. Bronzul cu beriliu (1,2%..2% Be) se utilizeaza in constructia contactelor lamelare sau a resoartelor folosite drept cai de curent.

Argintul este folosit sub forma de acoperiri galvanice sau pentru placarea contactelor de cupru, in comutatia de joasa tensiune, la curenti sub 1000 A. Comportarea mai buna si duritate superioara au aliajele cu cadmiu (pana la 37% Cd), sau contactele sinterizate argint + oxid de cadmiu (Ag-CdO). Cadmiul determina cresterea vitezei de stingere a arcului electric.

Wolframul se foloseste in contactele puternic solicitate termic ale aparatelor de inalta tensiune deoarece are temperatura de topire ridicata (3410 C).

Contactele sinterizate realizeaza un compromis intre temperatura de topire ridicata a elementelor precum wolframul si molibdenul (Mo) si conductivitatea electrica mare a cuprului si argintului. Se realizeaza contacte sinterizate de tipul cupru - wolfram, argint - oxizi metalici (de exemplu CdO), argint - (W, Mo), argint - grafit. Ca urmare a proprietatilor de lubrifiant ale grafitului, contactele sinterizate cu grafit sunt destinate contactelor alunecatoare.

C2.2.2. Separatorul. Separatorul este un aparat de comutatie care in pozitia deschis asigura o distanta minima prescrisa intre contacte. Separatorul poate asigura comutatia numai a unor curenti de valoare neglijabila in raport cu curentul nominal, ce il strabate atunci cand se afla in pozitia inchis. In plus acest aparat trebuie sa suporte in pozitia inchis pe o durata scurta de timp un curent peste valoarea nominala (in cazurile de suprasarcina, sau chiar de scurtcircuit ale circuitului in care se afla).

Rolul separatorului este acela de a izola vizibil o parte a instalatiei fata de sursa de alimentare cu energie electrica. Acest aparat nu asigura comutatia in regimurile normale sau anormale de lucru ale unei instalatii (de scurtcircuit sau de suprasarcina).

Cu ajutorul separatoarelor se poate face transferul de energie intre doua retele de alimentare electrica, ca in exemplul din figura 2, in absenta curentului electric, respectiv dupa actionarea prealabila a unui intrerupator. Astfel, separatoarele S1 si S2 pot cupla linia L1 (spre consumator) la una din retelele de alimentare cu energie electrica, sau . Izolarea liniei L1 fata de retelele de alimentare se realizeaza cu separatorul S5 , iar pentru protectia personalului de interventie pe aceasta linie, ea

Fig. 2 este conectata la pamant prin separatorul S6.

Prin intermediul separatoarelor S3 si S4 se poate face transferul de energie de la reteaua la reteaua .

Separatoarele trebuie sa reziste la fortele electrodinamice si sa nu se incalzeasca excesiv la trecerea curentilor de scurtcircuit pe o durata determinata.

C2.2.2. Contactorul. Contactorul este un aparat de comutatie cu o singura pozitie de repaus, actionat in alt mod decat manual, capabil sa comute si sa suporte curenti in conditii normale de functionare a circuitului si in conditii de suprasarcina.

Contactele unui contactor pot fi normal deschise sau normal inchise. Prin contact normal deschis se intelege contactul care se afla in starea deschis atunci cand aparatul se afla in pozitie de repaus.

Contactorul se compune din:

- organul motor, care asigura deplasarea contactelor mobile; acesta este constituit dintr-un electromagnet, sau un piston cu aer comprimat. Actiunii acestui organ i se opune un dispozitiv antagonist, in general un resort, care are tendinta de aduce aparatul in pozitia de repaus;

- polii principali (trei, la aparatele pentru curent alternativ si doi, la cele de curent continuu) sunt subansamble care includ contactele fixe, cele mobile si camera de stingere a arcului;

- polii auxiliari contin contactele auxiliare; aceste contacte au functii variabile, de exemplu, de retinere in pozitia conectat a aparatului in absenta comenzii de inchidere (daca lucreaza in paralel cu butonul de comanda), de semnalizare a pozitiei inchis sau deschis a contactelor principale, etc.

- relee si declansatoare; aceste dispozitive se adauga la contactoarele care indeplinesc si functii de protectie, nu numai de comutatie.

In schita unui contactor cu miscare de translatie reprezentata in figura 3 bornele 1 si 2 sunt fixate pe carcasa 3, fiecare pol are doua contacte fixe 4, 5 si contactul mobil 6, sub forma unei punti.

Fig. 3

Contactele mobile sunt solidare cu armatura mobila 7 a electromagnetului. Presiunea pe contacte este realizata cu ajutorul resoartelor 8, iar mentinerea armaturii mobile in pozitie indepartata de cea fixa este asigurata de resoartele 9 si 10. Pe armatura fixa 11 este plasata bobina de excitatie 12. Acest tip de contactor, ce se utilizeaza pentru curenti pana la 100 A, este cu dubla intrerupere, in doua puncte ale circuitului, prin deplasarea puntii 6. La curenti mai intensi, intreruperea simpla este mai frecventa, din necesitatea lungiri cat mai mult arcului electric in vederea stingerii.

Schema uzuala de comanda a unui contactor echipat cu electromagnet de curent alternativ, actionat cu butoane de comanda, inchis I si deschis D, este reprezentata in figura 4.

Fig. 4

Un exemplu de utilizare a contactoarelor este schema inversorului de mers al unui motor trifazat, prin inversarea a doua faze, Fig. 5. Prin intermediul contactelor auxiliare ale contactoarelor, schema asigura interblocarea electrica reciproca a celor doua contactoare. Se observa ca bobinele contactoarelor C1 si C2 nu pot fi alimentate in acelasi timp, intrucat actionarea unui contactor (pentru mers inainte, sau inapoi) intrerupe prin contactele auxiliare circuitul de alimentare al bobinei celuilalt contactor.

Fig. 5

C2.2.3. Intrerupatorul de putere. Intrerupatorul de putere este un aparat de comutatie capabil sa inchida, sa suporte si sa intrerupa curenti in conditii normale de functionare ale circuitului si, in conditii prestabilite, sa inchida pentru o durata specificata, redusa si sa intrerupa circuite in care curentii au valori anormal de mari (de exemplu valori de scurtcircuit).

Calitatea de a intrerupere curenti intensi, de scurtcircuit, se defineste prin capacitatea de rupere a aparatului, care poate fi de 10.100 ori mai mare decat curentul nominal al acestuia.

Dupa functiile de protectie ce pot fi asigurate se diferentiaza:

- intrerupatoare normale, destinate de exemplu alimentarii motoarelor electrice. Acestea trebuie sa suporte curentii de scurtcircuit un interval de timp de 2-3 perioade; eforturile electrodinamice sunt considerabile in acest timp, dar incalzirea ca urmare a energiei produse prin efectul Joule al curentului nu este exagerata;

- intrerupatoarele limitatoare, sau ultrarapide sunt destinate a limita valoarea de varf a curentilor de scurtcircuit;

- intrerupatoarele selective, sau temporizate suporta fara a declansa curentii de scurtcircuit un timp determinat (mai multe perioade). In acest caz incalzirea aparatului poate avea valori ridicate.

Un intrerupator de putere se compune din organul motor, polii principali, cu contactele principale, camerele de stingere si contactele auxiliare, mecanismul (broasca) intrerupatorului si dispozitivele de protectie (relee si declansatoare).

Comanda de inchidere sau deschidere a intrerupatorului se realizeaza prin intermediul unui mecanism denumit broasca intrerupatorului, care realizeaza urmatoarele functii:

- mentine intrerupatorul in pozitia inchis, zavorand forta de declansare;

- asigura declansarea intrerupatorului cu forte relativ reduse;

- asigura declansarea libera a intrerupatorului, in sensul ca in prezenta ordinului de declansare intrerupatorul nu poate fi inchis si nici mentinut in pozitie inchis;

- asigura inchiderea manuala a intrerupatorului.

Organul motor asigura trecerea aparatului din pozitia deschis in pozitia inchis si invers. In cazul intrerupatoarelor de joasa tensiune inchiderea poate fi manuala, cu acumulare de energie intr-un resort, cu aer comprimat, sau prin actiunea unui electromagnet. Reprezentarea schematica a unui intrerupator este aceea din figura 6.

Fig. 6

Intrerupatorul normal este prezent in schemele de alimentare a instalatiilor electrice de joasa tensiune in care asigura si protectia impotriva suprasarcinilor si a scurtcircuitelor. Pentru a indeplini alaturi de functia de comutatie si pe aceea de protectie intrerupatorul este echipat cu relee termice, relee electromagnetice si relee de tensiune nula (vezi figura 6).

Releul termic asigura protectia instalatiei in raport cu regimuri anormale de suprasarcina, urmarind ca timpul de declansare a intrerupatorului sa corespunda solicitarilor maxime admisibile.

Releul electromagnetic asigura protectia instalatiei in raport cu regimul de avarie de scurtcircuit, in care caz trecerea intrerupatorului in pozitia deschis trebuie efectuata cat mai repede.

Actiunea releului de tensiune minima determina declansarea intrerupatorului sau imposibilitatea de anclansare a acestuia atunci cand tensiunii retelei de alimentare este sub tensiunea nominala. De regula aceasta actiune are loc pentru U < 0,7 U_n , cand armatura mobila a releului este atrasa de catre cea fixa.

Releele termice, electromagnetice si de tensiune nula actioneaza in mod automat asupra broastei intrerupatorului prin percutoare, care determina eliberarea energiei necesare trecerii intrerupatorului din pozitia inchis in pozitia deschis, sau invers. Acest lucru se poate realiza de asemenea si in mod voit , prin actiunea unui operator.

C2.3. Aparate de protectie

Aparatele de comutatie realizeaza inchiderea si deschiderea propriu-zisa a unui circuit, de regula in conditii normale de functionare a circuitului. Aparatele de protectie asigura intreruperea unui circuit, sau determina indirect intreruperea circuitului in conditiile aparitiei unei stari anormale de functionare. In acest sens, intrerupatoarele de putere indeplinesc functii de conectare si deconectare in mod direct, dar si prin actiunea releelor de protectie pe care le includ.

Vom prezenta aparatelor electrice de protectie propriu-zisa: sigurantele fuzibile, descarcatoarele si eclatoarele si aparate de protectie indirecta, sensibile la defecte ale circuitelor electrice , denumite declansatoare si relee electrice.

C2.3.1. Sigurante fuzibile. Sigurantele fuzibile sunt dispozitive de protectie care determina intreruperea unui circuit la depasirea unei valori date a curentului ca urmare a topirii unui element fuzibil. Functia unei sigurante este aceea de a intrerupe circuitul intr-un anumit interval de timp si pentru o anumita valoare a amplitudinii curentilor de scurtcircuit, si ca urmare, de a reduce efectele termice si electrodinamice ale acestor curenti asupra tuturor echipamentelor, inclusiv aparatelor de comutatie, din aval.

Un exemplu de utilizare a sigurantelor fuzibile este infatisat in figura 7 pentru protectia unui post de transformare de la 6 kV la 0,4 kV, echipat cu un transformator de putere relativ mica (200 kVA). Intrerupatorul din aval asigura conectarea si deconectarea (comutatia) alimentarii retelei de joasa tensiune in conditii normale de functionare, fara ca alimentarea transformatorului sa fie intrerupta. Cu intrerupatorul in pozitia deschis, alimentarea transformatorului poate fi intrerupta prin intermediul separatorului, curentul de mers in gol al transformatorului fiind mult mai mic decat curentul sau nominal. Prin aceasta actiune se separa si toata

Fig. 7 instalatia in aval de separator in raport cu reteaua de

alimentare de medie tensiune.

Siguranta fuzibila este aparatul de protectie al instalatiei din figura 7 pentru situatia in care scurtcircuitul apare in transformator. In cazul aparitiei unui scurtcircuit in reteaua de joasa tensiune, al utilizarii unei sigurante normale (nu ultrarapide) si al unui intrerupator care in mod normal este echipat cu relee electromagnetice pentru protectie la scurtcircuit, atunci protectia instalatiei se realizeaza prin actiunea intrerupatorului.

Caracteristica de topire a unei sigurante reprezinta dependenta dintre timpul de topire a fuzibilului si valoarea efectiva a curentului. Cum o siguranta asigura in mod normal doar protectie de tipul la scurtcircuit, alegerea sa este determinata de conditia ca temperatura fuzibilului sa nu atinga valoarea de topire in cazul unui regim de suprasarcina de durata bine definita. Daca siguranta trebuie sa asigure si o protectie de tipul la suprasarcina, atunci alegerea acesteia se face astfel incat topirea fuzibilului sa aiba loc la atingerea temperaturii maxim admisibile a obiectului protejat.

C2.3.2. Descarcatoare si eclatoare. Descarcatoarele si eclatoarele sunt aparate destinate a proteja echipamentul electric impotriva supratensiunilor, adica valori instantanee ale tensiunii mult peste valoarea nominala a tensiunii. Aceste supratensiuni pot fi de origine atmosferica, sau datorate comutatie electrice, adica rezultate in urma inchiderii sau deschiderii unui circuit.

Fig. 8

Descarcatorul cu rezistenta variabila (DRV), Fig. 8, este constituit din coloana de eclatoare A, coloana cu rezistente variabile B si anvelopa de portelan C. Coloana de eclatoare este constituita dintr-o succesiune de piese metalice intre care se stabileste o anumita distanta in functie de tensiunea de strapungere dorita a spatiului dintre aceste piese. Coloana de rezistente variabile este formata din discuri de carbura de siliciu, a caror caracteristica tensiune -curent este puternic neliniara, de forma U = kI^a unde = 0,16.0,23. Rezistenta electrica a discurilor scade foarte mult la atingerea unui anumit prag de tensiune .

In figura 8b) este reprezentata o schema electrica echivalenta a descarcatorului. In regimul de tensiune nominala al liniei, curentul ce se scurge la pamant pe traseul ABCD are o valoare neglijabila, datorita valorii foarte mari a rezistentei totale. Atunci cand tensiunea in punctul A creste peste o anumita limita, se strapung mai intai spatiile de aer dintre eclatoare, apoi rezistenta variabila RV scade foarte mult , asigurand scurgerea la pamant pe calea ABCD a curentului corespunzator supratensiunii.

C2.3.3. Declansatoare si relee. Declansatorul este un dispozitiv sensibil la o marime electrica, care determina un proces mecanic, de exemplu de deszavorare a unei forte, in timp ce releul este un dispozitiv sensibil la o marime electrica care determina un proces electric, de stabilire sau de intrerupere a curentului intr-un circuit electric.

Releele si declansatoarele pot fi maximale instantanee de curent, maximale temporizate de curent, de curent invers, de tensiune nula, de tensiune minima, de energie inversa, etc.

Protectia maximala de curent, protectia de tensiune nula sau de tensiune minima, poate fi realizata instantaneu cu relee electromagnetice. Variantele constructive de relee electromagnetice din figura 9 pot asigura inchiderea sau deschiderea unuia sau mai multor contacte la depasirea unei valori impuse a curentului supravegheat ce trece prin bobina de excitatie, la reducerea tensiunii de alimentare a bobinei sub o anumita limita, sau la anularea acesteia.

Fig. 9

Releele caracterizate ca asigurand protectie instantanee au intarzierea actionarii cuprinsa intre 20 si 100 ms. Pentru protectia temporizata a circuitelor sunt necesare uneori intervale de temporizare de ordinul secundelor sau chiar minutelor. Releele prevazute cu mijloace de temporizare se numesc relee de timp. Temporizarea independenta de marimea care comanda actionarea releului se realizeaza prin intermediul mecanismelor cu ceas (intre 0,5 si 20 de secunde), sau cu dispozitive pneumatice sau hidraulice.

Releul termic cu bimetal poate fi folosit atat pentru temporizarea releelor electromagnetice, cat si ca releu propriu-zis, de protectie la suprasarcina. In primul caz, releul electromagnetic, de exemplu un releu de curent maxim, comanda intrarea in functie a releului termic, al carui timp de actionare poate fi reglat independent de curentul care a comandat releul electromagnetic, sau dependent de acesta. In cel de-al doilea caz, cand bimetalul este incalzit de curentul supravegheat, releul este imaginea termica a instalatiei de protejat, in sensul ca temperatura sa reproduce temperatura instalatiei, atunci cand regimurile de functionare sunt lent variabile in timp.

Releul termic este elementul specific de protectie la suprasarcini de durata. Bimetalul este obtinut prin laminarea a doua table din metale cu coeficienti de dilatare diferiti care fac corp comun. Piesele din acest material, Fig. 10, se incovoaie prin incalzire, eliberand o parghie in cazul releului termic.

Fig. 10 Fig. 11

Un releu de curent invers poate fi un releu magnetoelectric, Fig. 11, a carui functionare se bazeaza pe principiul aparatelor de tip magnetoelectric. Actionarea contactelor este asigurata prin deplasarea bobinei mobile 1 in intrefierul circuitului magnetic 2. Sensul fortei electromagnetice este functie de sensul curentului in bobina mobila, proprietate pe care se bazeaza utilizarea aparatului ca releu de curent invers.

Daca campul magnetic din intrefier este obtinut cu o bobina, atunci avem un releu electrodinamic, care poate fi folosit de exemplu ca releu de energie inversa.