Intreruptoare de putere (disjunctoare)

Intreruptorul de putere (disjunctorul) este capabil sa inchida (stabileasca), sa suporte si sa intrerupa curenti in conditiile normale ale circuitului precum si sa suporte un timp determinat si sa intrerupa curenti de suprasarcina si de scurtcircuit.

Constructie si functionare

Prin incorporarea sau asocierea de elemente specializate, intreruptoarele de putere sunt aparate capabile sa satisfaca simultan aproape toate functiile cerute de o instalatie electrica (comutatie, separare, protectie) precum si alte functii (semnalizare, masurare, comanda la distanta).

Desi, in principiu, se pot realiza si ca intreruptoare simple (neautomate), avand numai functiile de comutatie si, eventual, de separare, intreruptoarele de putere sunt, de regula, echipate cu diverse declansatoare care permit declansarea automata in caz de defect in circuit (suprasarcina, scurtcircuit, lipsa de tensiune sau tensiune minima) sau comanda deconectarii de la distanta, asa cum rezulta din figura.

In constructia 'clasica', declansatoarele de curent sunt elemente unipolare:

- declansatoare termice de suprasarcina ;

- declansatoare electromagnetice (de curent maxim) pentru protectia la scurtcircuit.

In constructiile moderne se folosesc declansatoare electronice.

Parghie - folosit pentru declansarea manuala si rearmarea acesteia

Mecanismul parghiei

Contacte - prin ele se realizeaza trecerea curentului electric prin disjunctor

Terminale - prin ele se realizeaza legatura cu circuitul in care se afla

Fasie Bimetalica

Surub de calibrare - permite fabricantului sa regleze curentul de declansare dupa asamblare

Electromagnet

Camera de stingere - are rolul de a stinge arcul electric

Intrerupatoare de inalta tensiune

Prin inalta tensiune de obicei intelegen tensiuni mai mari de 60 KV sau tensiuni mai mari.Intrerupatoarele de inalta tensiune sunt de obicei actionate de electromagneti,cu relee de curent alimentate de transformatoare.

Intrerupatoarele de inalta tensiune sunt clasificate dupa mediul in care are loc stingerea arcului electric

Intrerupatoare cu rezervor de ulei(cu pompa,sau fara)

Intrerupatoare cu ulei putin

Intrerupatoare cu jet de aer

Intrerupatoare cu hexaflorura de sulf(SF₆)

Intreruperea curentului intr-un intrerupator de inalta tensiune se realizeaza prin separarea a 2 contacte intr-un mediu ca si hexaflorura de sulf care are proprietati dielectrice foarte bune dar si de stingere.Dupa o separare de contacte curentul circula printr-un arc si acesta este stins cand este racit cu un jet de gaz (SF₆).

Jetul de gaze care stinge arcul trebuie sa il raceasca rapid astfel incat temperatura gazului dintre 2 contacte sa fie redusa de la la in cateva milisecunde.Hexaflorura de sulf se gaseste in intreruptoare de obicei mai mari de 50 KV.

Avantajele intrerupatoarelor cu hexaflorura de sulf:

Simplitatea cameri de conectare

Autonomia datorita tehnicii de pulverizare

Posibilitatea de a rezista la curenti mari pana la 63kA

Timp de conectare si deconectare scurt

Robustete din punct de vedere electric,care permite utilizarea de cel putin 25 ani fara reconditionare

Posibilitati de realizare la scara redusa

Operatii de conectare sincronizate prin care se reduc supratensiunile de conectare

Fiabilitate si disponibilitate

Zgomot de functionare redus

Camere cu autopulverizare s-a realizat prin introducerea unei valve intre camerele de compresie si de expansiune. La intreruperea curentilor mici,valva opereaza sub efectul de suprapresiune generate in camera de compresie. Stingerea arcului se realizeaza ca si intrerupatoarele cu pulverizator.

La curenti mari se foloseste efectul termic al arcului electric care produce compresia gazului.

Acest tip de camera are ca avantaje reducerea energiei de operare si prelungirea vietii intrerupatorului.

O reducere a energiei de operare al intrerupatorului se poate obtine prin reducerea energiei mecanice folosite la conectarea/deconectarea acestuia.O metoda folosite este dispunerea contactelor in directii opuse in asa fel incat viteza de operare este jumatate decat a unui intrerupator cu un singur contact mobil.

Marimi caracteristice specifice

Marimilor precizate in figura li se adauga o serie de marimi specifice.

Categoriile de utilizare ale intreruptoarelor sunt :

- A - intreruptoare fara o intarziere deliberata de declansare la scurtcircuit;

- B - intreruptoare prevazute cu mijloace de temporizare a declansarii in caz de scurtcircuit.

Curentul nominal (de serviciu, de utilizare) I_n este curentul de serviciu neintrerupt I_u si are aceeasi valoare cu curentul termic conventional I_th.

Capacitatea de inchidere pe scurtcircuit I_cm se exprima prin valoarea de varf a curentului de scurtcircuit prezumat, in , pe care intreruptorul il poate conecta.

In cazul ruperii in scurtcircuit, se definesc:

- Capacitatea de rupere limita la scurtcircuit (I_du sau I_cu) - cea mai mare valoare a curentului intrerupt, in cadrul incercarii la scurtcircuit;

- Capacitatea de rupere de serviciu la scurtcircuit (I_ds sau I_cs) - corespunde curentului de defect maxim intrerupt, fara ca aparatul sa fie afectat semnificativ; valoarea lui este definita ca un procent din I_cu (25, 50, 75 sau 100%).

Capacitatile de rupere se exprima in kA (valoare efectiva).

Curentul de scurta durata admisibil I_cw este valoarea eficace a curentului de scurtcircuit prezumat, suportabila un timp specificat (de preferinta
0,05 - 0,1 - 0,25 - 0,5 - 1 s). Valorile minime sunt max[12I_n , 5 kA] pentru I_n 2500 A si
30 kA pentru I_n 2500 A. Se defineste pentru intreruptoare din categoria B.

Caracteristica de limitare a curentului de scurtcircuit, specifica intreruptoarelor limitatoare, arata dependenta valorii de varf a curentului limitat in raport cu valoarea efectiva a curentului de defect prezumat.

In principiu, caracteristica timp-curent a unui intreruptor care asigura functiile de protectie la supracurenti este formata din caracteristicile timp-curent ale declansatoarelor termic si electromagnetic. Caracteristica declansatorului termic, destinat protectiei in caz de suprasarcina, este o caracteristica dependenta de curent , iar caracteristica declansatorului electromagnetic, destinat protectiei in caz de scurtcircuit, este o caracteristica practic independenta de curent.

Curentii de reglaj sunt I_r (I_rt, I_n) pentru declansatorul termic respectiv I_m pentru declansatorul electromagnetic.

Declansatorul termic este, in esenta, clasic, corespunzand acelorasi cerinte mentionate in.

Declansatorul electromagnetic este conceput astfel incat sa satisfaca cerintele impuse de sarcina circuitului. In acest sens, standardele stabilesc curbe specifice care difera prin valoarea curentului de reglaj (I_m)in raport cu valoarea de reglaj a declansatorului termic (I_n), conform tabelului . In figuri sunt prezentate grafic curbele caracteristice, cu precizarea limitelor de declansare termica (1 - la rece) si
electromagnetica (2) pentru intreruptoare din categoria A (netemporizate).

Curbe de declansare

Alegerea intreruptoarelor

Pe langa cerintele mentionate anterior pentru functia de comutatie si pentru protectia la suprasarcina, este necesar, in principiu, ca declansatoarele de curent maxim sa asigure protectia conductorului retelei la scurtcircuit si sa nu reactioneze la supracurentii functionali (de varf) din circuit (daca acestia exista).

a. Protectia conductorului este realizata atunci cand caracteristica de declansare a intreruptorului se situeaza sub caracteristica I²t a conductorului (integrala Joule a intreruptorului trebuie sa fie inferioara integralei Joule a conductorului) pentru toate valorile curentului de defect pana la capacitatea de rupere I_ds a aparatului.

In practica se foloseste frecvent pentru intreruptoarele normale relatia:

fiind intensitatea curentului maxim admisibil, in conditii de exploatare, functie de sectiunea conductorului;

b. Nefunctionarea la curentii de varf are loc daca declansatorul electromagnetic este reglat astfel incat:

Pentru situatiile concrete, este necesar sa se aiba in vedere caracteristicile de declansare specifice.

Alegerea intreruptoarelor limitatoare urmeaza aceleasi principii aplicate insa particularitatilor constructive si functionale corespunzatoare.

Marimi caracteristice generale ale aparatelor de comutatie

Caracteristicile nominale standard sunt valorile caracteristice aproximative ale marimilor, specifice ansamblului conditiilor de functionare, care servesc pentru identificarea aparatului si pe care se bazeaza incercarile acestuia.

Valorile nominale (valorile de utilizare) sunt valorile marimilor caracteristice stabilite, de regula de catre constructor, pentru un anumite conditii de functionare si care figureaza in documentatia aferenta aparatului (de exemplu, in cataloagele de produse).

Tensiunea nominala de utilizare (notatie internationala U_e, notatie uzuala U_n) este valoarea tensiunii care, alaturi de curentul nominal, determina domeniul de folosire a aparatului si la care se raporteaza incercarile corespunzatoare si categoria de utilizare.

Curentul prezumat al unui circuit reprezinta intensitatea curentului care ar circula in circuitul considerat in absenta aparatului inseriat in circuit (deci daca acesta ar prezenta o impedanta nula); poate fi apreciat ca valoare efectiva sau ca valoare de varf.

Curentul nominal standard al unui aparat este intensitatea curentului, aleasa dintr-o serie normalizata de valori , de regula asa-numita serie R10 cu modulul (de exemplu: ..6, 10, 16, 20,25, 32 ,.100, 125, 160, ..400, A).

Curentul nominal permanent (neintrerupt, notat international I_u si uzual I_n), precizat de constructor, este valoarea curentului care poate fi suportat de aparat in serviciu neintrerupt.

Curentul termic conventional (curentul nominal termic, curentul permanent maximal), in aer liber sau in carcasa, I_th este cea mai mare valoare a curentului de durata (8 ore), la 40^oC, pentru care temperatura bornelor aparatului nu depaseste 105^oC (Dq= 65^oC = 65 K).

Capacitatea de deconectare (capacitatea de rupere), notata I_d, I_r sau I_c, este curentul maxim (valoare eficace) pe care aparatul il poate intrerupe, fara consecinte nedorite (degajare de flacara, arc electric permanent, amorsare a arcului electric intre faze sau la masa, uzura exagerata a contactelor).

Integrala Joule este precizata prin integrala curentului pentru un interval de timp dat:

si este exprimata in A² s

Categoria de utilizare defineste aplicabilitatea aparatului, fiind caracterizata, de exemplu, prin multiplii curentului sau tensiunii de serviciu, factor de putere, capacitate de rupere, selectivitate etc.

Probleme de comutatie a circuitelor electrice in curent alternativ

In functie de natura sarcinii circuitului, fenomenele de comutatie in circuite au o evolutie diferita si, in consecinta, aparatele de comutatie cu acelasi curent termic vor avea o comportare diferita si performante diferite. Alegerea aparatelor de comutatie trebuie realizata deci in stransa corelatie cu natura sarcinii comutate.

Conectarea circuitelor in sarcina

Se vor reaminti particularitatile de conectare pentru cateva tipuri de sarcina reprezentative, la aceeasi valoare efectiva I a curentului in serviciu permanent.

a. Curentul de conectare a receptoarelor rezistive normale, cu rezistenta R, a caror temperatura de functionare nu depaseste cateva sute de K, poate fi considerat practic egal cu curentul de functionare in serviciu de durata (treapta de curent):

b. Conectarea sarcinilor cu caracter preponderent inductiv (R + L), caracterizate prin factorul de putere cosj, include un regim tranzitoriu, in care intensitatea curentului este data de o relatie de forma mentionata anterior pentru regimul de scurtcircuit

unde este amplitudinea curentului in serviciu permanent, a j Y Y - unghiul de conectare (evaluat fata de trecerea prin zero a tensiunii), T = L/R - constanta de timp electrica a circuitului.

Se observa ca la t = 0 rezulta curentul de conectare

iar dupa prima semiperioada se manifesta curentul de soc, a carui valoare se calculeaza cu relatia similara expresiei 3.7.4:

c. Pentru sarcinile cu caracter capacitiv (C+R), in cazul cel mai defavorabil de conectare, curentul va fi.

iar la t = 0 rezulta:

care, in cazul cand rezistenta circuitului este foarte mica, poate atinge valori de (3 10)I.

d. La conectarea lampilor cu incandescenta, filamentul aflat initial in stare rece, ajunge in stare finala la temperaturi ce depasesc 2500 K. Deoarece rezistenta variaza aproximativ cu puterea 1,2 a temperaturii absolute, valoarea initiala a acesteia este de circa
13 ori mai mica decat valoarea in serviciu permanent. Rezulta, in general, un curent la conectare de ordinul (12 15)I.

Curentul de conectare intra, de regula, in categoria supracurentilor functionali. Valorile curentului de conectare influenteaza incalzirea cailor de curent, inclusiv comportarea contactelor aparatelor de comutatie, existand riscul de sudare a contactelor. Aceleasi valori sunt resimtite de aparatele de protectie la supracurenti, care nu trebuie sa le interpreteze drept valori de defect si, prin urmare, nu trebuie sa provoace deconectarea sarcinii.

Deconectarea circuitelor

Intreruperea unui circuit este insotita de formarea unui arc electric intre contactele aparatului de comutatie. Arcul electric reprezinta, in general, un fenomen nedorit, avand un efect termic distrugator si prelungind timpul de intrerupere efectiva a circuitului. De retinut ca arcul in curent alternativ se stinge in fiecare semiperioada in momentul trecerii naturale a curentului prin zero si se poate reaprinde in semiperioada urmatoare daca deionizarea nu este suficienta, respectiv daca rigiditatea dielectrica a spatiului de descarcare este inferioara tensiunii aplicate.

Dupa trecerea prin zero a curentului si stingerea arcului electric, tensiunea intre contactele aparatului de comutatie devine tensiunea retelei, in urma unui proces tranzitoriu sub forma unei oscilatii sinusoidale amortizate, cu o frecventa mult superioara frecventei retelei, ceea ce da nastere la o supratensiune (tensiunea oscilanta de restabilire). In absenta amortizarii, valoarea de varf poate atinge sau chiar (cum este, de exemplu, cazul sarcinilor capacitive).

Reamorsarea arcului electric este rezultatul unei adevarate competitii intre tensiunea oscilanta de restabilire (determinata de retea) si restabilirea rigiditatii dielectrice a spatiului dintre contacte (determinata de constructia aparatului de comutatie), competitie care se desfasoara diferit in diferite aparate si la diferite tipuri de sarcini. Viteza de restabilire a tensiunii si amplitudinea acesteia depind, in principal, de constantele circuitului intrerupt. Restabilirea rigiditatii dielectrice este determinata, in primul rand, de actiunea dispozitivelor pentru stingerea arcului, de proprietatile mediului care stinge arcul, etc. In figura 6.3.1 sunt reprezentate evolutiile in timp pentru: tensiunea retelei (cu valoarea U₀ in momentul trecerii prin zero a curentului, curba 1), tensiunea oscilanta de restabilire (curba 2), tensiunea de arc U_a, restabilirea rigiditatii dielectrice in spatiul de descarcare (curba A - caz in care are loc strapungerea spatiului de descarcare si reamorsarea arcului electric, respectiv curba B - cand arcul nu se reaprinde).

In general, aparatele de comutatie mecanice sunt construite astfel incat, in mod repetitiv si fara a suferi deteriorari sensibile, sa accelereze stingerea arcului electric, prin deionizarea intensiva a spatiului de descarcare si prin realizarea unei anumite viteze de separare a contactelor.

Trebuie subliniat si faptul ca, in anumite situatii, coloana de arc electric de deconectare poate juca un rol pozitiv in limitarea valorii curentului intrerupt, prin inserierea rezistentei sale in circuit

Limitarea curentului intrerupt

In timpul intreruperii, in functie de parametrii aparatului de comutatie si ai retelei, curentul de defect din circuit atinge cel putin o data valoarea de varf.

Efectele termice si electrodinamice ale curentilor de scurtcircuit, ale caror valori depasesc de zeci de ori valorile curentului in serviciu normal si care pot necesita cateva semiperioade pana la intreruperea de catre aparatul de comutatie, impun ca, pe cat posibil, sa se diminueze amplitudinea si durata curentilor respectivi.

Limitarea curentului intrerupt consta in abilitatea aparatului de a impiedica atingerea valorii de varf a curentului de defect prezumat din circuit, reducand valoarea curentului intrerupt si durata acestuia prin circuit (sub o semiperioada) si diminuand astfel solicitarile termice si mecanice din elementele de retea parcurse de curent si perturbarile electromagnetice rezultate. Limitarea curentului contribuie la exploatarea optima a circuitelor electrice, a sistemelor de bare colectoare si a aparatelor de comutatie si contribuie la prelungirea semnificativa a duratei de viata a acestora. In acelasi timp, devine posibila realizarea in mod economic a selectivitatii functionarii aparatelor pe niveluri diferite ale retelei de distributie.

Procesele fizice care contribuie la limitarea curentului intrerupt sunt specifice fiecarui aparat de comutatie.

Figura exemplifica procesul de intrerupere in cazul intreruptoarelor si al sigurantelor fuzibile. Curentul intrerupt este limitat la o valoare i_l < .

Aparate de comutatie mecanice

Aparate cu functii specifice

O mare parte din aparatele de comutatie sunt destinate sa realizeze sarcini specifice in circuitele de distributie, fiecare aparat prezentand anumite particularitati de functionare.

a. Separatorul se caracterizeaza prin:

- inchidere si deschidere manuala, cu viteza dependenta de operator;

- doua pozitii de repaus (inchis, deschis);

- in pozitia deschis, evidentiabila in mod clar (fie vizibil, fie prin dispozitive de semnalizare), realizeaza o distanta de izolare corespunzatoare, care asigura protectia personalului la interventia in instalatia din aval;

- nu poate fi manevrat in sarcina, ci numai in gol (stabilirea si intreruperea curentului de sarcina se realizeaza de catre alte aparate din circuit);

- realizeaza functia de separare;

- suporta timp nelimitat curentii normali si, pentru scurt timp (precizat), curenti de suprasarcina si de scurtcircuit, pana la eliminarea acestora de catre aparate specializate din circuit.

b. Intreruptorul (separator de sarcina) este caracterizat prin:

- inchidere si deschidere manuala, in general cu viteza independenta de operator;

- doua pozitii de repaus (inchis, deschis);

- suporta si intrerupe curenti normali, inclusiv curenti de suprasarcina; poate fi manevrat in sarcina;

- suporta, un timp specificat, curenti de scurtcircuit, pana la eliminarea acestora de catre alte aparate specializate inseriate in circuit;

- realizeaza functiile de comutatie functionala (intr-un domeniu limitat de curenti) si separare.

c. Intreruptorul de putere (disjunctor) are drept particularitati:

- inchidere manuala sau prin acumulare de energie intr-un resort, cu viteza independenta de operator (de exemplu, cu ajutorul unui motor);

- doua pozitii de repaus (inchis, deschis); mentinerea in pozitia inchis se realizeaza printr-un mecanism cu zavor (clichet);

- deschidere voita (ca urmare a comenzii operatorului (manuala sau electromagnetica, locala sau de la distanta) sau automata, in caz de supracurenti (la comanda unor aparate de protectie - declansatoare - incorporate);

- prin echipare cu declansatoare, indeplineste simultan functiile de comutatie de putere si de protectie;

- poate fi conceput sa realizeze si functia de separare;

- stabileste si intrerupe curenti normali, inclusiv curenti de suprasarcina; intrerupe curenti de scurtcircuit;

- suporta, un timp specificat, curenti de scurtcircuit, pana la eliminarea acestora de catre aparatul respectiv;

- numar posibil de manevre (in gol si in sarcina normala) relativ redus, datorita constructiei mecanice.

d. contactorul (electromagnetic) se deosebeste prin:

- actionare exclusiv prin electromagnet (inchidere-deschidere, la comanda);

- o singura pozitie de repaus (de regula, deschis), mentinerea in pozitia actionat fiind asigurata de catre electromagnet;

- stabileste, suporta si intrerupe curenti normali si de suprasarcina;

- suporta, un timp specificat, curenti de scurtcircuit, pana la eliminarea acestora de catre alte aparate specializate inseriate in circuit;

- asociat cu relee adecvate, indeplineste atat functia de comutatie functionala (functia de baza), cat si functia de protectie la suprasarcina;

- poate fi folosit ca aparat auxiliar de comanda;

- frecventa de conectare foarte mare (in gol si in sarcina).