FENOMENE CARE PRODUC SOLICITARI ALE APARATELOR ELECTRICE

FENOMENE CARE PRODUC SOLICITARI ALE APARATELOR ELECTRICE

1. ARCUL ELECTRIC DE INTRERUPERE

1.1.Ionizarea si deionizarea gazelor.

Caracteristica volt-amper a arcului electric.

Atomii oricarui corp sunt formati dintr-un nucleu si din mai multi electroni, care se rotesc in jurul acestuia.

Electronul este incarcat cu electricitate negativa, iar nucleul - cu electricitate pozitiva. In conditii normale, cantitatea de electricitate negativa a tuturor electronilor unui atom compenseaza cantitatea de electricitate pozitiva a nucleului acestuia, astfel incat, fata de mediul exterior, atomul este neutru din punct de vedere electric.

Daca insa printr-un procedeu oarecare i se smulge atomului un electron, sarcina electrica a atomului nu mai este nula (atomul nu mai este neutru din punct de vedere electric) si el apare ca fiind incarcat cu o anumita cantitate de electricitate pozitiva. Un astfel de atom se numeste ion pozitiv.

Orice proces prin care se realizeaza smulgerea electronilor de pe orbitele lor, cu formarea de electroni liberi si ioni, poarta numele de ionizare.

Un gaz in care au aparut electroni liberi si ioni devine ionizat. In aceasta stare gazul isi pierde proprietatile izolante si devine conducator de electricitate,conductivitatea sa fiind cu atat mai mare, cu cat gazul este mai puternic ionizat.

Ionizarea se poate realiza:

prin soc (ciocnirea dintre un electron si un atom neutru);

prin procese termice;

sub actiunea radiatiilor cu energie mare (raze cosmice, radiatii gama);

sub actiunea radioactivitatii naturale

La separarea sub sarcina a contactelor unui aparat electric se produc rapid urmatoarele fenomene:

suprafata reala de contact scade foarte mult, pe masura ce contactele se departeaza;

in ultimul punct de contact metalul este incalzit pana la topirea, datorita densitatii de curent foarte mari;

puntea de metal lichid se vaporizeaza cand contactele s-au departat si mai mult

aerul se ionizeaza foarte puternic in conditiile existentei intr-un spatiu foarte redus a unei cantitati mari de vapori metalici si a unor electrozi puternic incalziti; se formeaza plasma;

ia nastere arcul electric, ca portiune a circuitului electric, prin care curentul continua sa circule.

Arcul electric nu se formeaza in orice conditii. Conditiile limita pentru formarea arcului electric sunt ilustrate in figura 1. Pentru circuitele avand perechile de valori (U, I) situate in zona hasurata, intreruperea are loc fara formarea de arc electric. Aceasta este domeniul electrotehnic al "curentilor slabi".

Descarcarea prin arc se caracterizeaza prin ionizarea intensa a spatiului (ionizarea termica este predominanta), emisia de electroni din metalul catodului.

La fiecare semiperioada curentul trece prin valoarea zero si polaritatea electrozilor se schimba.

Datorita trecerii naturale a curentului prin zero, mijloacele de stingere folosite in aparatele de c.a. isi exercita actiunea in special in aceasta perioada, restabilind, prin deionizarea spatiului de arc, rigiditatea dielectrica a acestuia si impiedica astfel reamorsarea arcului electric.

In felul acesta, stingerea arcului electric de c.a. se obtine cu o distanta mult mai mica intre contacte si cu degajare mult mai mica de energie decat stingerea arcului electric de c.c.

Metodele folosite pentru stingerea arcului de curent alternativ sunt:

- divizarea arcului intr-un mare numar de arcuri scurte, in camerele de stingere cu placute deionice (figura 2). Acestea, fiind din otel, creeaza un camp magnetic cu efect de atractie asupra arcului electric,ceea ce face ca la majoritatea aparatelor de joasa tensiune sa nu mai fie necesar si un dispozitiv de suflaj magnetic;

- suflajul magnetic, folosit acum aproape numai la unele aparate de medie tensiunea, in combinatie cu un gratar deionic;

- utilizarea mediilor de stingere :

solide: nisipul de cuart (la siguranta);

lichide: uleiul si apa;

gazoase. Aerul comprimat, hexafluorura de sulf, produsele substantelor gazoase ca aminoplastul sau fibra.

- vidul inaintat.

2. SUPRACURENTI SI SUPRATENSIUNI

2.1.Supracurenti

Supracurentii sunt curenti a caror valoare depaseste valoarea curentului nominal al unui receptor electric.

Supracurentii se datoresc unei stari anormale a receptorului sau circuitului electric.

In general, supracurentii apar in urmatoarele cazuri:

- suprasarcina a unui receptor electric, cum este, de exemplu, incarcarea unui motor electric peste puterea sa nominala;

- scurtcircuit.

Supracurentii pot sa fie :

de durata indelungata;

de scurta durata

Supracurentii de suprasarcina au valori care variaza intre 1,5 ..8 In, iar supracurentii de scurtcircuit au valori foarte mari, de ordinul de peste 20 In .

Efectele supracurentilor sunt termice si electrodinamice, ducand la solicitari suplimentare ale aparatelor, conductoareleor si receptoarelor electrice.

In cazul curentilor de suprasarcina, efectul lor este indeosebi termic,ducand in timp la distrugerea izolantilor din jurul cailor de curent strabatute de curenti.

In multe cazuri insa suprasarcina este de scurta durata pasagera si are un efect neglijabil.

Curentii de scurtcircuit se datoreaza scaderii la valori foarte mici a impedantei circuitului electric. Aceasta scadere se produce din cauza atingerii directe accidentale a unor conductoare intre care exista diferenta de potential. In functie de diferenta de potential dintre conductoare, de rezistenta lor electrica si de modul atingerii accidentale, curentii de scurtcircuit pot atinge valori de ordinul miilor de amperi.

Datorita acestor valori mari efectele termice si electrodinamice sunt foarte puternice.

La producerea unui scurtcircuit, variatia curentului urmareste, de obicei, evolutia in timp reprezentata figura 3, in care se observa ca valoarea curentului de scurtcircuit scade in cursul catorva alternante pana la o valoare stabilizata: Is curent de scurtcircuit de durata (care se ia in consideratie la calculul incalzirii la scurtcircuit).

Valoarea de varf a primei alternante Is se numeste curent de scurtcircuit de soc si se ia in consideratie la calculul fortelor electrodinamice.

El poate atinge valoarea maxima Is Id 2,55 Id

Pentru a limita efectele, protectia impotriva scurcircuitelor trebuie sa fie cat mai rapida posibil.

Supracurentii pot aparea pentru o durata foarte scurta (0,05.0,01 s) in conditii normale de serviciu la conectarea transformatoarelor de putere, a lampilor cu filament de wolfram sau a bateriilor de condensatoare, putand depasi de cateva zeci de ori curentii nominali.

La conectarea motoarelor asincrone cu rotorul in scurtcircuit, valorile supracurentilor ating 5.7 si dureaza intre 3 si 15s .

In conditii de grav defect in instalatie, supracurentii ating zeci de KA si pot dura si cateva secunde, in functie de reglajul protectiei( ex. deschiderea separatoarelor sub sarcina, ruperea unui conductor etc.). Supracurentii de lunga durata, care apar la supraincarcarea motoarelor sau la ramanerea acestora in doua faze, nu depaseste 2,2Is

2.2.Supratensiuni

In instalatiile electrice pot aparea supratensiuni. Acestea sunt:

-supratensiuni de comutatie, care apar in cazul intreruperilor rapide a curentilor mari in circuite puternic inductive;

- supratensiuni atmosferice care apar in cazul caderii traznetului pe linii de transport ale energiei electrice sau in imediata lor vecinatate;

- supratensiuni de putere la pamant, care apar in cazul puterii accidentale a liniei la pamant.

Forma diferitelor categorii de supratensiune mentionate mai sus este indicata in figura 4.

Potentialele diferitelor piese conductoare pot atinge valori atat de mari, incat apar strapungeri sau conturnari ale izolatiei.

Supratensiunile de comutatie dureaza cateva milisecunde, au amplitudini de (2,3 .3) Un si frecvente intre 0,7 si 1 kHz, spre deosebire de supratensiunile de origine atmosferica, care, desi dureaza numai cateva zeci de microsecunde, au unde de soc cu amplitudini de milioane de volti. In cazul punerii accidentale a unei linii la pamant, apar supratensiuni de (1,2.1,73) Un de frecventa industriala.

3.MASURARI SI MIJLOACE DE PROTECTIE A APARATELOR ELECTRICE IMPOTRIVA SOLICITARILOR

Protectia aparatelor electrice impotriva solicitarilor se realizeaza prin:

solutii constructive;

alegerea materialelor adecvate ;

includerea in constructie a unor elemente cu rol de protectie;

montarea impreuna cu alte aparate sau echipamente cu rol de

protectie;

- respectarea riguroasa a instructiunilor de montare, exploatare, intretinere si reparare, incercari.

Pentru a putea rezista la solicitarile electrice, materialele izolatoare se aleg avandu-se in vedere valorile optime pentru: permitivitate, rezistenta de izolatie, rezistivitatea de suprafata si de volum, rigiditatea dielectrica, tangenta unghiului de pierderi.

Pentru aparatele electrice de joasa tensiune, izolatia se recomanda prin standarde de stat sub forma unor distante minime disruptive si a unor linii de conturnare minime.

La aparatele de inalta tensiune izolatia se asigura prin proiectarea, in functie de conditiile de exploatare. Izolatia se incarca cu tensiuni mai mari ca in exploatare, astfel:

pentru Un gUt 2500.3000 V;

pentru Un 35kv gUt 2 Un +15kv;

pentru Un 60kvg Un = 2 Un + 20kv.

Tensiunile de incercare pot fi de frecventa industriala sau impulsuri. Valoarea acestor tensiuni de incercare defineste nivelul de izolatie si acesta cuprinde toate izolatiile solide, fluide, inclusiv prin distantele de separatie in aer liber.

Nivelele de izolatie corespund tensiunilor nominale, dar in cadrul aceluiasi aparat se pot distinge mai multe trepte ale nivelului de izolatie:

nivel de izolatie contra conturarii izolatiei externe;

nivel de izolatie contra strapungerii izolatiei externe;

nivel de izolatie contra conturarii interne;

nivel de izolatie contra strapungerii interne;

nivel de izolatie contra intervalului de separatie intre contactele deschise.

Prin masurari constructive, numarul treptelor poate fi redus.

Rezistenta la solicitari electrice se apreciaza prin stabilirea izolatiei, exprimata prin nivelul de tinere la impuls (amplitudinea tensiunii de impuls) si prin valoarea efectiva a tensiunii alternative de frecventa industriala, la care izolatia trebuie sa reziste timp de un minut, in conditii precizate de STAS.

Daca in constructia aparatului se includ si elemente de protectie, atunci nivelul de protectie al acestora trebuie sa fie superior primei trepte a nivelului de izolatie al aparatului.

Pentru a se asigura protectia la incalzire, prin standarde se limiteaza temperatura maxima permisa a fi atinsa de diferite organe ale aparatelor electrice, in conditii normale de serviciu sau de scurtcircuit.

Rezistenta la solicitari mecanice se asigura prin:

alegerea atenta a materialelor pentru obtinerea unor frecari minime;

alegerea materialelor corespunzatoare pentru resorturi, clicheti,

lagare;

reducerea numarului si a masei pieselor in miscare;

supunerea sistematica a aparatelor la probe de uzura;

evitarea rezonantei mecanice;

asigurarea stabilitatii electrodinamice (se exprima prin curentul

limita dinamic - cel mai mare curent de scurtcircuit exprimat in kA max., suportat de aparat fara deteriorari sau deformatii permanente).

Rezistenta mecanica a cailor de curent solicitate la fortele electrodinamice se asigura prin:

fixarea cat mai rapida a conductoarelor;

alegerea, pentru caile de curent parcurse de curenti de intensitate

mare, a unor profile de conductoare cu rezistenta mecanica mare;

- folosirea, pentru sustinerea barelor colectoare, a unor izolatoare suport cu rezistenta mecanica mare, plasate la anumite distante calculate la solicitari de scurtcircuit,

- impregnarea infasurarilor transformatoarelor de masura si a aparatelor in rasini izolante pentru rigidizare;

- asigurarea separatoarelor impotriva deschiderii sub sarcina;

- evitarea formarii buclelor pe caile de curent.

Protectia la solicitari termice. Calculul termic pentru diferite parti ale aparatelor electrice permite dimensionarea corecta a acestora. Criteriul principal pentru stabilirea temperaturilor admise pentru caile de curent nu-l constituie insa solicitarea metalului, ci solicitarea materialului izolant.

Incalzirea provocata de curentii turbionari in miezurile magnetice este limitata prin folosirea unor tole din tabla silicioasa suficient de subtiri si limitandu-se prin calcul valoarea inductiei.

In zonele din vecinatatea conductoarelor parcurse de curenti intensi (ex. peretii celulelor de distributie) se folosesc piese metalice din materiale nemagnetice.

Cea mai mare parte a aparatelor se construiesc pentru a functiona in conditii normale de mediu, definite de STAS 553/3-80:

presiunea atmosferica de 760 torr;

temperatura cuprinsa intre -15`C si + 40`C

altitudinea pana la 2 000 m;

lipsa de praf si de agenti corozivi.

Aparatele de inalta tensiune se construiesc pentru conditii normale de mediu in doua variante: pentru interior si pentru exterior, varianta in care au izolatia exterioara dimensionata mai larg, au o constructie mai robusta si nu lasa sa patrunda in interior apa, praful etc.

Aparatele de joasa tensiune se pot construi in mai multe variante de protectie.

Gradele de protectie normalizate sunt simbolizate (STAS 3999/75) prin literele IP, urmate de trei cifre caracteristice, fiecare dintre ele referindu-se la protectia la o anumita solicitare.

- prima cifra(0..6) simbolizeaza protectia impotriva patrunderii corpurilor straine solide si atingerii partilor interioare sub tensiunea sau in miscare;

- a doua cifra(0.8) simbolizeaza grade normale de protectie impotriva patrunderii apei;

- a treia cifra (0.5) simbolizeaza grade normale de protectie impotriva solicitarii mecanice.

Protectia impotriva solicitarilor provocate de conditii specifice de mediu, diferite de cele normale, se realizeaza in functie de natura solicitarilor.

- Piesele metalice ale aparatelor destinate functionarii in medii umede se inchid in carcase etanse; pentru aparatele in constructie navala se folosesc metale sau aliaje rezistente la coroziune (aluminiu, bronz).

- Pentru aparatele care lucreaza la altitudini peste 6 000 - 7 000 m se iau masuri specifice pentru stingerea arcului electric, pentru racire etc.

- Protectia aparatelor care lucreaza in medii continand pulberi sau gaze explozive urmareste sa aprinderea amestecului exploziv. Amestecul exploziv format din metan si aer poarta denumirea de gaz grizu si se intalneste in minele de carbuni.

Alte amestecuri explozive pot contine gaze si vapori de acetona,etan, metan, propan, butan, alcool etilic, benzina, petrol, eter etilic, sulfura de carbon, care se pot grupa in mai multe clase de explozie sau in mai multe grupe de aprindere.

Aparatele protejate impotriva exploziilor produse de diferite amestecuri de gaze se marcheaza cu simbolul EX (STAS 6877/1/73). Aparatele protejate numai impotriva exploziilor produse de gazul grizu poarta denumirea de aparate antigrizutoase. Solutia cea mai frecventa folosita este capsularea antideflagranta. Ea consta in inchiderea aparatului intr-o carcasa metalica rezistenta la presiunea maxima ce poate aparea in cazul unei explozii in interiorul aparatului. Carcasa este prevazuta cu interstitii foarte inguste, incat gazele din interior , care se aprind in momentul aparitiei arcului electric, sunt aruncate in afara, racite puternic. Dimensiunile interstitiilor sunt standardizate in functie de volumul carcasei si de natura mediului. Capsularea antideflagranta impiedica, deci, transmiterea exploziei in exterior.

- Imersiunea in ulei consta in cufundarea in ulei a tuturor partilor care pot aprinde amestecul exploziv.

- Protectia prin siguranta marita urmareste ca energia scanteilor produse sa fie mai mica decat energia de aprindere a mediului.

- Pentru protectia aparatelor sau a instalatiilor impotriva defectelor provocate de solicitari anormale au fost create dispozitive sau aparate specializate, al caror rol este de a face imposibila aparitia defectului sau de a limita efectele acestuia.

1.Relee termice

Pentru protectia impotriva suprasarcinilor mici (1,2 -6) In cum sunt cele provenite din supraincalzirea motorului sau din ramanerea in doua faze, se folosesc relee sau declansatoare termice.

Releele termice se realizeaza fie ca unitati distincte, bi sau tripolare (blocuri de relee), care se asociaza unor contactoare de catre constructor sau de catre beneficiar, fie ca elemente integrate constructiei unor contactoare cu relee monobloc.

In constructia intreruptoarelor automate gasim de obicei declansatoare termice.

Constructiile uzuale de relee termice merg pana la curenti nominali de maximum 100A, releele de curenti mai mari obtinandu-se prin folosirea unor sunturi sau a unor transformatoare.

Cea mai mare parte a releelor termice moderne se bazeaza pe utilizarea termobimetalelor sub forma lamelara, cu incalzire directa, indirecta sau mixta.

In figura 5 este data schema de principiu a unui releu termic, cu bimetal. Bimetalul l este parcurs de curentul i, care, prin efect termic, produce deplasarea capatului liber 3. Tija izolanta 2 este impinsa in sensul sagetii din figura si sistemul bistabil actionat de resortul 4 isi schimba pozitia: se deschide contactul 5 si se inchide contactul 6. Dupa racirea bimetalului se apasa pe butonul 7 si prin lamelele 8, 9 se readuce sistemul in pozitia initiala.

Pentru marirea sensibilitatii la sarcini asimetrice (ex. ramanerea motoarelor numai in doua faze) releele termice sunt dotate cu dispozitive de protectie aditionale, antibifazice, ca in figura 6.

Lamelele B , B , B sunt prevazute la extremitatea lor libera cu cate doua axe din material izolant. Axele actioneaza asupra piesei 3, care comanda declansarea cu ajutorul pieselor 1 si 2 .

In pozitia a, faza a 3-a este intrerupta si bimetalul B, nu este parcurs de curent. Piesa 2 se inclina si distanta x devine zero.

In pozitia b, bimetalul B nu este parcurs de curent. In consecinta ambele piese 1 si 2 se inclina si distanta x este redusa la minimum. O incalzire minimala a lamelelor B si B va determina actionarea dispozitivului.

Cele mai multe relee termice cu bimetal sunt dotate cu compensatoare de temperatura, care le asigura insensibilitatea fata de variatiile de temperatura ale mediului ambiant.

Releele termice trebuie astfel calculate, incat sa prezinte stabilitate la scurtcircuit. Incalzirea acestora pe toata durata scurtcircuitului (pana la intreruperea acestuia) nu trebuie sa depaseasca incalzirea maxima admisibila a bimetalului.

Standardele in vigoare impun urmatoarele conditii releelor termice destinate protectiei motoarelor electrice:

- sa nu declanseze in timp de doua ore la un curent egal cu 1,05 Ir (Ir fiind curentul reglat);

- sa declanseze in timp de doua ore la un curent egal cu 1,2 Ir

- sa declanseze la un curent egal cu 6 Ir , intr-un timp >2s la releele pentru porniri usoare si >5s la releele pentru porniri grele.

Caracteristica de protectie este prezentata in figura 7.

Observatie Conditia de declansare in cel mult doua minute (pornind de la cald) la un curent egal cu 1,5 Ir care apare in unele norme straine, nu mai este impusa de normele internationale si de standardele romanesti. Este totusi util ca ea sa fie respectata pentru a se pune de acord conditiile impuse motoarelor electrice.

In anumite situatii cu porniri grele, regimuri intermitente etc.,releele termice obtinute nu mai reproduc cu suficienta fidelitate incalzirea motorului, putandu-se ajunge fie la temperaturi periculoase ale infasurarilor acestuia, fie la declansari inutile. In aceste cazuri este recomandata introducerea unor termistoare - semiconductoare cu rezistenta variabila cu temperatura - direct in infasurarile motoarelor; cu ajutorul unui circuit electronic de comanda, schimbarea brusca de rezistenta a termistorului la depasirea temperaturii admise conduce la declansarea contactoarelor din circuitul principal al motorului.

2.Declansatoare electromagnetice

Pentru protectia impotriva scurtcircuitelor se folosesc declansatoare electromagnetice. Acestea sunt electromagneti de tip deschis sau clapeta, la care bobina - strabatuta de curentul principal sau de un curent proportional cu acesta - este astfel dimensionata, incat armatura mobila este atrasa numai la trecerea unui curent de cateva ori mai mare decat cel nominal. Reglajul se face prin variatia intrefierului sau a fortei antagoniste.

De regula, la intrerupatoarele automate pentru protectia liniilor, declansatorul electromagnetic este reglabil intre 3 si 6 Ir, iar la intrerupatoarele automate pentru protectia motoarelor este fie cu reglaj fix la 10 Ir, fie reglajul intre 5 si 10 Ir, astfel incat sa nu actioneze la curentii de pornire (care pot atinge 6-7 Ir

3.Declansatoare de tensiune minima

In constructia intrerupatoarelor automate pentru protectia motoarelor este obligatorie prezenta unui declansator de tensiune minima care deschide intreruptorul la disparitia tensiunii sau la caderea ei sub o anumita valoare si impiedica inchiderea intreruptorului atat timp cat tensiunea nu a atins o valoare suficienta.

Rolul acestui declansator este de a impiedica inchiderea necontrolata a intreruptorului dupa o intrerupere mai indelungata a tensiunii, care a dus la oprirea motorului si a masinii antrenate.

Reinchiderea necontrolata a circuitului poate provoca:

- pornirea directa, la tensiunea plina, a motoarelor care trebuie pornite cu comutator stea-triunghi, reostat de pornire sau autotransformator, ceea ce duce la suprasolicitarea motorului si a retelei;

- pornirea neasteptata a masinii antrenate, putand duce la distrugerea unor piese sau a unor parti de masina si la accidentarea unor persoane.

Observatie. In cazul in care motoarele sunt comandate de contactoare, acestea preiau si rolul declansatoarelor de tensiune minima, cu conditia ca butonul de pornire sa fie de tipul contact normal deschis, astfel incat la revenirea tensiunii contactorul sa nu reanclanseze de la sine.

Conditiile tehnice impuse declansatoarelor de tensiune minima de c.a. sunt aceleasi cu cele impuse contactoarelor:

sa nu depaseasca temperatura admisibila la 1,05 U;

sa nu inchida la 0,85U in stare calda;

sa se deschida intre 0,7 si 0,35U.

AC - corespunzator regimului de lucru cu socuri si inversari de sens ale motoarelor cu rotorul in scurtcircuit.

Pentru contactoarele de c.c. se definesc cinci categorii tipice de regimuri de lucru:

DC - corespunzator sarcinilor rezistive;

DC - corespunzator motoarelor cu excitatie derivatie;

DC - corespunzator porniri, mersului cu socuri si reversarii motoarelor derivatie;

DC - corespunzator motoarelor serie;

DC - corespunzator pornirii,mersului cu socuri si reversarii motoarelor serie.

Similar, pentru contactele auxiliare sunt doua categorii standardizate: AC si DC .

4. COMBINATII DE CONTACTOARE

CU RELEE

Contactorul cu relee termice. Cea mai uzuala combinatie este contactorul cu relee termice, denumit si demaror magnetic, realizat uzual atat in executie deschisa, cat si inchisa(fig. 8).

Pentru protectia impotriva curentilor de scurtcircuit, in amontele contactorului cu relee termice trebuie montat un intrerupator automat sau sigurante fuzibile adecvate.

Se folosesc, de asemenea inversoare de sens automate cu doua contactoare interblocate intre ele electric si mecanic (cand unul este inchis, celalalt nu se poate inchide) (fig. 9).

Demaroarele magnetice rezolva in cele mai bune conditii comanda si protectia motoarelor electrice in caz de supraincalzire periculoasa.

Fizic, constructia contactorului este separata de cea a releelor, acestea din urma realizandu-se ca unitati distincte, numite blocuri. Contactoarele asociate cu relee termice se folosesc numai acolo unde frecventa de conectare nu depaseste (40.60) con/ora.

Contactoarele cu relee termice nu sunt indicate pentru protectia motoarelor cu porniri grele, cu frecvente mari de conectoare sau a motoarelor cu doua turatii.

Comutatoarele automate stea-triunghi sunt formate din trei contactoare (retea, stea si triunghi), un bloc de relee termice de protectie si un releu de timp cu care se poate regla timpul de la pornire pana la trecerea de la conexiunea stea la conexiunea triunghi.