CAPITOLUL IV CONTACTE ELECTRICE 4.1 GENERALITI Contactul
electric este locul de atingere a dou sau mai multe elemente
conductoare, prin care are loc trecerea curentului electric.
Elementele de contact sunt piesele prin care se realizeaz
contactul. n tehnica aparatelor electrice se vor numi contacte
chiar piesele de contact prin a cror atingere, sub o presiune
oarecare, se stabilete continuitatea unui circuit electric. Orice
echipament electric este considerat, n esen, ca un ansamblu de
elemente funcionale i de conductoare interconectate electric.
Punctul circuitului n care curentul trece dintr-o cale de curent n
alta este denumit "punct de contact electric". n practic, prin
contact electric se nelege un ansamblu compus din dou piese
metalice, prin a cror atingere se stabilete conducia ntr-un circuit
electric. Cele dou piese se numesc elemente de contact.
Constructiv, la un contact electric, atingerea se realizeaz prin
apsarea (cu ajutorul unei fore) a unui element contra celuilalt
element. Suprafaa de atingere a pieselor de contact se numete
suprafa de contact. Contactele electrice sunt piesele cele mai
solicitate ale aparatelor electrice de comutaie, deoarece ele
trebuie s suporte nclzirea n timpul funcionrii, uzura prin ciocniri
i frecri, aciunea arcului electric ce se stabilete, ndeosebi la
deschiderea circuitului electric. Contactele electrice se pot
clasifica dup diferite criterii: 1) Dup forma geometric a suprafeei
de contact, contactele electrice se mpart n trei grupe - figura 4.1
a,b,c: a. Contacte punctiforme, la care, macroscopic, atingerea are
loc doar ntr-un singur punct, iar microscopic, pe o suprafa
circular de raz foarte mic. b. Contacte liniare, la care atingerea
are loc de-a lungul unei linii, adic, practic, pe o suprafa extrem
de ngust. c. Contacte plane, la care atingerea celor dou piese se
face pe o suprafa de contact.
Fig. 4.1.a Contact punctiform Fig. 4.1.b Contact liniar Fig.
4.1.c Contact de suprafa 2) Dup cinematica elementelor sale,
contactele se clasific n: a. Contacte fixe, realizate, n general,
prin mbinarea mecanic a celor dou elemente de contact prin uruburi,
nituri, buloane - figura 4.2. a). b. Contacte amovibile, la care
unul din cele dou elemente de contact este fix, iar cellalt este
amovibil (fr sarcin i fr tensiune) figura 4.2.b. c. Contacte mobile
pentru comutaia circuitelor electrice, la care cel puin unul din
elemente este deplasabil (la funcionarea normal a echipamentului),
determinnd astfel nchiderea sau deschiderea circuitului figura
4.2.c. 1,2-elemente de contact; 3-bulon 1-cuit; 2-lir; 3-resort
Fig. 4.2.c Contact mobil 1-element fix; 2-element mobil
Fig. 4.2.a Contact fix Fig. 4.2.b Contact amovibil
169 210 1
d. Contacte alunectoare sau glisante, la care deplasarea piesei
mobile fa de cea fix se face fr ntreruperea circuitului. 3) Din
punctul de vedere al formrii peliculei disturbatoare: a. Contacte
electrice cu atingere metalic (fr pelicul disturbatoare). Acestea
sunt realizate din metale nobile (Au, Ag, Pt) n vid sau din metale
nenobile n vid i care nu au suferit (n prealabil) aciunea vreunui
mediu agresiv (oxidant); b. Contacte electrice cu atingere
cvasimetalic. Aceste contacte sunt realizate din metale nobile, dar
sunt utilizate n atmosfer normal. Din aceast categorie fac parte
contactele din Au, Ag, Pt, care se acoper cu pelicule disturbatoare
cu grosimi de circa 20 ; c. Contacte electrice cu pelicul
disturbatoare. n aceast categorie intr contactele realizate din Cu
n atmosfer normal (caz n care pelicula disturbatoare este de oxid
de cupru Cu2O) i contactele de Ag n atmosfer de vapori sulfuroi (n
acest caz pelicula fiind de sulfur de argint Ag2S). n conducie,
pelicula este distrus. 4) Din punct de vedere al instalaiilor n
care urmeaz a fi instalate: a. Contacte pentru fixarea
conductoarelor electrice figura 4.3. Sunt realizate cu ajutorul
uruburilor care, prin strngere, blocheaz conductorul electric n
locauri corespunztoare. De cele mai multe ori, conductoarele sunt
cositorite, iar piesele de strngere sunt din alam argintat, zincat
sau nichelat.
Fig. 4.3 Contacte pentru fixarea conductoarelor b. Contacte fixe
pentru bare plane (i derivaii la bare) figura 4.4. Se realizeaz
prin mbinarea elementelor de contact (a barelor de Cu sau Al) cu
ajutorul buloanelor de oel. Barele sunt din cupru argintat,
cositorit sau din aluminiu. n figura 4.5 este prezentat contactul
electric ntre dou bare conductoare. c. Contacte fixe de tip
fi/priz. Sunt contactele folosite n construcia aparatelor de
laborator, a aparatelor electrocasnice i de uz industrial sau a
siguranelor de joas sau nalt tensiune. Cele dou piese ale unui
astfel de contact au funcii complet diferite: 1) de a asigura
presiunea pe contact (prin elasticitatea mecanic) 2) de a asigura
un bun contact electric (piesele fiind din cupru argintat). Cele
dou funcii sunt ilustrate pe larg, n construciile prezentate n
figura 4.6, Fig. 4.4 Contacte pentru fixarea Fig. 4.5 Detaliu la
contactul barelor plane ntre dou bare plane unde ntlnim ca elemente
componente: lira, cuitul i resortul. Fig. 4.6 Tipuri de contacte
fi-priz Pe acelai principiu sunt construite i contactele pentru
sigurane fuzibile de joas tensiune, la care contactul cu rezisten
electric redus este asigurat de piese din cupru argintat, iar
presiunea pe contact se realizeaz cu resorturi (din oel de arc). d.
Contactele releelor. Acestea se realizeaz ca n variantele
prezentate de figura 4.7, prin nituire, sudare electric, placare
etc. Fig. 4.7 Contacte pentru relee Materialul de contact (nitul,
pastila de sudare sau placatul) se confecioneaz din materiale cu
tendin redus de lipire i stabile n mediul nconjurtor, precum:
argintul aurit, cnd exist pericolul formrii Ag2S; aliajul Ag-Pd,
pentru a evita formarea peliculei disturbatoare; aliajul Ag-Ni,
pentru contactele circuitelor cu cureni mari la nchidere; - aliajul
Ag-CdO, pentru contactele circuitelor cu sarcini capacitive i lmpi;
- aurul i platina, pentru contactele circuitelor de cureni mici.
Drept suport pentru elementul activ de contact se folosete bronzul
sau beriliul. e. Contacte pentru microntreruptoare. Acestea sunt
destinate stabilirii i/sau ntreruperii curenilor mici (de pn la
civa amperi) i pot fi aranjate cu un singur punct de contact sau cu
mai multe puncte de contact. Forma lor este ilustrat n figura 4.8.
Tehnologic, contactele microntreruptoarelor sunt asemntoare cu
contactele pentru relee.
Fig. 4.8 Sisteme de contacte Fig. 4.9 Contacte pentru
contactoare pentru microntreruptoare f. Contactele contactoarelor
se execut n dou variante de baz - figura 4.9 (n care ntreruperea
este dubl). Unde n figura 4.9.a) piesele de contact sunt aezate pe
suport prin placare, iar n figura 4.9.b) piesele de contact sunt
realizate prin lipitur tare. Ca material, contactele contactoarelor
sunt executate, aproape fr excepie, din aliaj Ag-CdO. g. Contactele
ntreruptoarelor de joas tensiune se construiesc innd seama c aceste
echipamente sunt destinate s ntrerup curenii de scurtcircuit. Fig.
4.10 Sisteme de contacte la ntreruptorul de joas tensiune Din acest
motiv, la valori mari ale curentului nominal (IN>200 A) i ale
curentului de scurtcircuit (Isc>8 kA), ntreruperea se realizeaz
cu ajutorul unui sistem format din dou contacte A i B (conectate n
paralel), ca n figura 4.10. Atunci cnd ntreruptorul este nchis
(figura 4.10.a), prin contactul A trece (0,7-0,8)I, iar prin
contactul B (n paralel cu A) trece (0,3-0,2)I. La deschidere
(figura 4.10.b) se ntrerupe mai nti calea de curent cu contactul A,
nct tot curentul va fi condus de contactul B. Acesta va ntrerupe
ultimul, iar ntre elementele lui apare arcul electric de comutaie.
n continuare, arcul este mpins i ntins pe rampe de cupru (figura
4.10.c), urmnd ca apoi s fie introdus n camera de stingere (pentru
a fi stins, v.poz.d). ntruct elementele contactului A nu sunt
expuse aciunii arcului electric, ele se execut din aliaje Ag-Ni.
Din contr, elementele contactului B sunt supuse aciunii arcului
electric i, de aceea, ele se realizeaz din pseudoaliaje de tip Ag-W
i Cu-W. h. Contactele ntreruptoarelor de nalt tensiune. Din
multitudinea tipurilor constructive ale acestor contacte,
reprezentative sunt dou: i. contactul tij-tulip ii. contactul
alunector (cu role). Fig. 4.12 Contact alunector cu role Fig. 4.11
Contact tij-tulip i. Contactul tij-tulip este reprezentat n figura
4.11. Tulipa este format din degetele 1 aezate pe periferia unui
cerc. Fiecare deget este prevzut n zona inferioar cu o inserie de
wolfram 2 pentru preluarea arcului electric. n mod similar, tija 4
este prevzut cu un vrf de wolfram 3. n poziia nchis (punctat n
figur), contactul se realizeaz ntre piese de cupru dur (argintat).
ii. Contactul alunector cu role este reprezentat n figura 4.12.
Transferul curentului de pe tija mobil 3 ctre barele 1 i 5 se face
prin intermediul sistemului de role 2 i 4. Presiunea rolelor pe
tija central 3 i pe barele laterale 1 i 5 este controlat prin
intermediul resorturilor 6 i 7. 5) Din punct de vedere al
condiiilor de funcionare a echipamentelor electrice: a. Contacte
care stabilesc sau ntrerup un circuit electric n absena curentului
electric (comutaie fr sarcin). n aceast categorie intr contactul
fi-priz, contactele siguranelor fuzibile, contactele
separatoarelor, contactele circuitelor imprimate i contactele
utilizate n tehnica de calcul. Pentru aceast categorie de contacte
se cere o rezisten de contact ct mai mic i o cdere de tensiune pe
contacte de ordinul milivolilor. b. Contactele pentru tensiuni
reduse i cureni mici. Asemenea contacte se ntlnesc la relee
electrice, la microntreruptoare i n tehnica telecomunicaiilor.
Aceste contacte lucrnd la tensiuni mici (sub 10 12 V), n absena
arcului electric, singura problem ce trebuie rezolvat este cea a
migraiei fine de material. c. Contactele pentru puteri de rupere
medii. Aceste contacte lucreaz la joas tensiune (110 500 V) i
cureni sub 1000 A, aflndu-se sub aciunea arcului electric, fiind
folosite la construcia contactoarelor i ntreruptoarelor.
Solicitarea acestor contacte const n arderea lor i n tendina de
sudare. d. Contactele pentru puteri de rupere mari. In aceast
categorie intr aparatele de joas tensiune de cureni nominali mari
(630 2000 A) i cureni de scurtcircuit Isc = 10 60 kA, precum i
contactele ntreruptoarelor electrice de nalt tensiune. Aceste
contacte sunt intens solicitate de arcul electric ce apare ntre
contacte la deschiderea lor. De aceea, problema care se pune este a
arderii contactelor i migraia brut de material. e. Contacte
glisante. Aceste contacte nu se deschid sub sarcin, dar i modific
prin glisare locul de contact. Se ntlnesc la unele aparate de joas
tensiune, dar mai ales la cele de nalt tensiune. Materialele
utilizate n acest scop trebuie s aib un coeficient de frecare ct
mai redus i s nu se altereze n contact cu mediul ambiant. Pe durata
funcionrii lor, contactele sunt supuse la diferite solicitri.
Astfel, contactele fixe i contactele amovibile sunt supuse nclzirii
att n regimul normal, ct i n regimul de suprasarcin i, uneori, n
regimul de scurtcircuit. n toate aceste situaii, nclzirea nu
trebuie s depeasc valorile supratemperaturilor prescrise de
standarde pentru fiecare din regimurile sus-menionate. Contactele
echipamentelor de comutaie (i, n special, contactele mobile) sunt
supuse i aciunii arcului electric, care apare ntre elementele de
contact la separarea lor. Dei durata arcului electric este limitat
(5-30 ms), temperatura ridicat a arcului provoac o nclzire intens a
elementelor de contact. n plus, la echipamentele care execut un
numr mare de comutaii sub sarcin se constat i o uzur electric a
contactelor, adic o migraie de material de pe elementele de
contact, sub aciunea temperaturii arcului electric. De asemenea, la
contactele mobile poate s apar uzura mecanic, ca urmare a strivirii
i deformrii pieselor de contact, dup un numr mare de manevre. Prin
urmare, contactele electrice necesit o exploatare i o ntreinere
conform prescripiilor. Nenlturarea uzurii contactelor, chiar
nensemnat la prima vedere, poate determina apariia unor defecte
grave (nclzirea peste msur a contactelor i chiar topirea lor),
conducnd la scoaterea din funciune a echipamentelor. 4.2 PROCESE
FIZICE N CONTACTELE ELECTRICE Suprafaa de atingere prin care se
realizeaz contactul constituie suprafaa de contact. Orict de bine
ar fi prelucrate aceste suprafee, ele nu pot fi niciodat perfect
netede. Aceasta face ca atingerea celor dou elemente conductoare s
nu se realizeze pe ntreaga arie aparent de contact (Aa), ci numai n
cteva puncte, prin intermediul unor vrfuri cu suprafee extrem de
mici, care constituie puni conductoare de trecere a curenilor i n
care liniile de curent sufer o striciune (strngere). Sub aciunea
forei de apsare, pn la o anumit valoare a presiunii, deformaia este
elastic, dup care devine plastic. Pe msura creterii forei de
apsare, punctele iniiale de atingere se transform n suprafee
elementare de contact; totodat, pot aprea noi puncte de atingere,
care la rndul lor pot deveni suprafee elementare de contact. Suma
tuturor suprafeelor elementare de contact constituie suprafaa real
de contact. Dependena dintre fora de apsare -F- i aria real de
contact a fost stabilit de Holm, n condiii de deformare plastic,
sub forma: (4.1) unde: H - duritatea materialului aria suprafeei
reale de contact - coeficientul lui Prandt Dependena ntre fora de
apsare normal F i aria de contact AF, pe care se exercit aceast for
(n condiii de deformare plastic) este de forma: FFFF2 (4.2) = = ; A
= = naAFn A0 unde este rezistena admisibil la strivire a
materialului (n N/mm2), iar a este raza cercului echivalent (cu
aria A0) pentru fiecare din cele n zone de contact. Relaia (4.2)
arat c pe msur ce fora de apsare crete, deformarea vrfurilor este
mai pronunat i noi micropuncte de contact pot aprea. n cazul
contactului puctiform figura 4.13, atingerea ntre cele dou elemente
se realizeaz ntr-o singur zon de contact, iar dependena ntre aria
de contact AF = A0 i fora de apsare F rezult din (4.2), de forma:
F2AF = A0 = = a (4.3)
Fig. 4.13 Contact Fig. 4.14 Variaia ariei de contact punctiform
cu raza de curbur Conform figurii 4.14, aria de contact punctiform
AF crete n acelai sens cu raza de curbur r a contactului, la
diferite valori ale forei de apsare, n funcie de natura
materialului de contact. Coeficientul lui Prandt, , ia valori ntre
0,2 5Tc, cderea de tensiune pe arc este aproximativ constant. 5.3
ARCUL ELECTRIC N CURENT CONTINUU Din analiza modelului fizic al
unui arc de curent continuu se desprind urmtoarele aspecte: a) n
faa catodului exist o cdere de tensiune de ordinul 25 30 V, datorit
concentraiei de ioni pozitivi cu o mobilitate relativ redus.
Catodul genereaz electroni, ce contribuie cu peste 90% la formarea
curentului. Zona de trecere dintre cderea de tensiune catodic i
coloana de arc este caracterizat de o grosime de ordinul 10 mm i o
strlucire puternic, din care cauz se mai numete i pat catodic.
Temperatura n faa catodului poate atinge 2500 3000 K. b) Coloana
arcului electric are lungimi variabile n funcie de construcia
camerei de stingere a aparatului. Lungimea arcului poate ajunge la
0,5 m i chiar mai mare. Temperatura coloanei, n axul ei, poate
atinge valori de 3000 15000 K, n funcie de modul de rcire i
intensitatea curentului electric. c) Cderea de tensiune anodic se
datoreaz sarcinilor spaiale de electroni n faa anodului i este de
ordinul 26 V. n faa anodului, curentul este, practic n
exclusivitate, datorat electronilor care au o mare mobilitate n
raport cu ionii pozitivi. Densitatea de curent n faa anodului este
cu un ordin de mrime mai mic dect cea de la catod. d) n acord cu
conceptul modelului de canal (cilindric) de arc electric, spre
periferia coloanei de gaz ionizat nu mai exist conducie electric,
ci numai conducie termic. n aceast zon are loc procesul de difuzie
al electronilor i ionilor i de recombinare a acestora, obinndu-se
astfel atomi neutri. Vom nelege prin caracteristica arcului
electric dependena dintre cderea de tensiune pe arc n funcie de
intensitatea curentului prin arc, ntlnit sub denumirea de
caracteristic tensiune - curent. Caracteristica static determin
dependena ua = f(i) n regim staionar, la o lungime constant a
arcului. Caracteristicile statice corespunztoare diferitelor
lungimi de arc se pot determina din rezolvarea ecuaiilor
(5.5)(5.13) sau se determin experimental. Valorile obinute prin
calcul se corecteaz cu ajutorul unor coeficieni experimentali. n
figura 5.17 se prezint aliura unei caracteristici ua = f (i) pentru
diferite lungimi constante ale arcului electric. Conform ecuaiilor
modelului de canal, aceast dependen este cztoare i conform ipotezei
Mayr este o hiperbol echilateral. Analiza caracteristicilor statice
din figura 5.17 arat c la o lungime constant cderea de tensiune ua
scade cu creterea curentului i, atingnd un minim i apoi crete din
nou conform liniei punctate. u
Vl=100mml=50mml=10mm010020030040050100150200250iA
Fig. 5.17 Caracteristicile statice ale arcului n curent continuu
Scderea cderii de tensiune, la cureni mici, se poate explica prin
scderea rezistenei electrice a coloanei arcului determinat de
intensificarea ionizrii, creterea seciunii coloanei arcului, deci
creterea conductivitii electrice odat cu creterea curentului prin
arc. La curenii foarte mari se poate considera c ntregul spaiu
dintre cei doi electrozi este complet ionizat, rezistena electric a
arcului rmne constant i, deci, cu creterea curentului cderea de
tensiune pe arc prezint din nou o alur cresctoare. Pentru
caracteristicile cztoare se folosesc diferite relaii prin care se
aproximeaz curbele ridicate experimental. Relaia cea mai folosit
este a lui Ayrton. n literatur exist i alte relaii de calcul ce
caut s modeleze caracteristica experimental a arcului electric.
Astfel, relaia lui Rieder, stabilit pentru cureni pn la 80 A este:
ua (5.57) 3lndiclba
unde constantele ce intervin pentru Ag, Cu i W au valorile: a =
26 V; bCu = 1,3 cm; bAg = 1,1 cm; bw=1,6 cm; c = 5400 V/cm; d = 7,4
10-3 A. n aceast relaie, lungimea arcului se introduce n cm i
intensitatea curentului n A. La o modificare rapid a curentului,
cderea de tensiune pe arc nu mai urmrete caracteristica static.
Este de menionat c temperatura, ca i diametrul coloanei arcului i
prin aceasta conductivitatea sa nu se pot modifica rapid. Arcul are
o inerie termic, care are ca urmare o cretere mai mare a cderii de
tensiune la creterea curentului i o comportare invers la scderea
tensiunii. n acelai timp, se produc i rapide modificri ale formei
geometrice a arcului electric. Astfel, de exemplu, dac se modific
curentul la un arc de curent continuu prin salt de la valoarea Ia1,
la valoarea Ia2, -figura 5.18, atunci se modific cderea de tensiune
pe arc de la valoarea Ua1 din regim staionar la o valoare mai mare
i apoi scade n timp la noua valoare staionar Ua2. ta1U1Ia2Iaa2Ut
Fig. 5.18 Diagramele curentului i tensiunii
Saltul peste valoarea Ua1 se explic prin aceea c rezistena
coloanei arcului n momentul variaiei curentului rmne constant. Dup
creterea ionizrii, scade cderea de tensiune pe arc datorit micorrii
rezistenei arcului la noua valoare staionar. Modul n care variaiile
de curent influeneaz caracteristicile arcului rezult din figura
5.19. Pentru diferite puncte de variaie a curentului n raport cu
timpul (di/dt), ntre limitele (0 i ) se obin diferite
caracteristici dinamice. Pentru di/dt = 0 se obine caracteristica
static i pentru di/dt = , ua = f(i) are o variaie liniar, datorit
faptului c rezistena (conductivitatea) arcului rmne constant la
modificarea curentului. ntre cele dou extreme se gsesc
caracteristicile dinamice ale arcului de curent continuu.
di0dtdidtdidtiidi0dttau
Fig. 5.19 Caracteristicile dinamice ale arcului de curent n
diferitele domenii ale electrotehnicii este necesar ca arcul s aib
o ardere stabil. n aparatele de comutaie i la sigurane fuzibile se
impune ca arcul s se sting ct mai repede cu putin, cu alte cuvinte
s fie instabil. Pentru determinarea condiiilor de ardere stabil i
nestabil a arcului considerm cazul simplificat, cnd contactele dup
ntrerupere s-au ndeprtat rapid ajungnd pn la poziia final. Astfel,
pe toat durata arcului avem l = ct. i, n acest caz, putem considera
caracteristica static a arcului determinat experimental.
RLUau0iRiUURiLUaU0RiapUi()aUi
Fig. 5.20 Circuitul RL i caracteristica arcului electric unde:
Ua este tensiunea de amorsare a arcului electric (tensiunea necesar
meninerii arcului electric n funcionare stabil) este caracteristica
extern a sursei U-R iUap este tensiunea de aprindere di este
variaia tensiunii pe bobin U =LL dt Considerm un circuit serie
figura 5.20, alimentat n curent continuu la tensiunea U, coninnd
rezistena R, inductivitatea L i arcul electric pe care apare cderea
de tensiune ua. n regim dinamic, ecuaia diferenial a circuitului
este: diUR iLua (5.58) dt i notnd cu: diUlL (5.59) dt tensiunea de
reducere (Uf), definit astfel pentru c inductivitatea L definete
viteza de reducere a curentului, devine: UlUR iua (5.60) n fig.
5.20.b, se reprezint caracteristica static a arcului Ua = f (i),
caracteristica extern a sursei, dreapta (U - Ri), iar U< 0
reprezint diferena celor dou caracteristici. n regim staionar,
ecuaia curentului este: UR iua (5.61) adic: UR iua (5.62) condiie
ndeplinit n punctele i la intersecia caracteristicii externe a
circuitului cu caracteristica arcului. Se observ c stingerea
arcului este posibil dac exist tendina de scdere a curentului, adic
Ul < 0 . Aceast condiie este ndeplinit pentru i < i i i >
i. Pentru i > i , Ul 0 i curentul crete spre valoarea i. Rezult
c este un punct de ardere stabil a arcului, deoarece creterea sau
descreterea curentului este nsoit de apariia cderii de tensiune
negative, respectiv pozitiv, care reduc curentul la valoarea i.
Punctul a este un punct de ardere nestabil a arcului electric,
deoarece creterea curentului este nsoit de apariia unei cderi de
tensiune U pozitiv care va mri n continuare curentul pn la valoarea
i, iar scderea curentului sub valoarea i este urmat de apariia unui
Ul negativ, care accentueaz scderea curentului pn la valoarea zero.
Am presupus c rezistena unui circuit poate varia instantaneu. n
particular, am considerat c n momentul nchiderii unui circuit,
rezistena ntreruptorului variaz prin salt de la infinit la zero,
iar n momentul deschiderii, prin salt de la zero la infinit. Aceast
ipotez nu corespunde realitii. Pentru o asemenea variaie
considerabil a rezistenei este necesar un interval de timp finit.
La conectarea unui circuit n care curentul este nul, caracterul
treptat al variaiei rezistenei nu are importan deosebit sub
influena inductanei. Curentul crete lent i n timpul scurt, ct
dureaz nchiderea contactelor, nu poate determina apariia unei
tensiuni mari ntre ele. Dimpotriv, la deconectare, curentul are la
nceput valoarea total i, din aceast cauz, ntre contacte apare o
tensiune mare a crei variaie are o influen hotrtoare asupra
procesului de deconectare. a) ntreruperea cu variaia treptat a
rezistenei de contact. Deschiderea contactelor unui ntreruptor duce
la micorarea treptat, pn la zero (la sfritul perioadei de
deconectare), fie a presiunii de contact, fie a suprafeei de
contact figura 5.21. Dac n decursul ntregii perioade de
deconectare, contactele se deplaseaz uniform, aria iniial A a
contactului se micoreaz dup legea: a=A(1-t/) (5.63) timpul t fiind
considerat fa de originea micrii. Rezistena de contact, egal cu r
pentru suprafaa total, variaz invers proporional cu suprafaa de
contact: (5.64) 1rrtt
rELRieSa
Fig. 5.21 Aceast rezisten variabil se adaug rezistenei constante
de sarcin R. Prin urmare, pentru procesul de deconectare unui
circuit de curent continuu, se poate scrie ecuaia diferenial:
LdirRiiEdtt
(5.65) liniar n raport cu i, dar care n termenul al treilea
cuprinde un coeficient care depinde de timp. Pentru ecuaia (5.65)
se poate obine o soluie general exact care expim variaia curentului
n cursul ntregii perioade de deconectare. Ne intereseaz valoarea
densitii curentului i a tensiunii n ntreruptor, n momentul
deschiderii reale a contactelor. La nceputul micrii, cnd suprafaa
de contact este nc mare, tensiunea es n ntreruptor este mic. Odat
cu micorarea suprafeei de contact i cu mrirea suprafeei de contact,
aceasta tensiune crete conform expresiei (5.64), dup legea: es
(5.66) rit
ieSi
I Ir 0tt Fig. 5.22 Curentul, i, se micoreaz treptat n timpul
procesului de deconectare a circuitului, aa cum se arat n figura
5.22. La sfritul acestui proces i anume pentru t=, curentul trebuie
s fie egal cu zero; n consecin, pentru momente apropiate de sfritul
procesului de deconectare, se poate scrie relaia: (5.67) diidtt
nlocuind aceast expresie n ecuaia diferenial (5.65), obinem la
sfritul procesului de deconectare ecuaia: (5.68) ssLireittE
n ultimul moment, curentul devine att de mic, nct al doilea
termen al ecuaiei (5.68) poate fi neglijat. Rezistena R a
circuitului exterior nu influeneaz asupra sfrsitului procesului de
deconectare, i menine o valoare finit, numai raportul i/(t),
nlocuind acest raport. Conform relaiei (5.66), obinem: (5.69)
ssLeeEr
Prin urmare, n momentul deconectrii definitive a circuitului,
tensiunea ntre contacte are valoarea: E (5.70) 1ELr
Aceast expresie determin tensiunea maxim la deconectare. Observm
c dac inductana L este mare, iar durata deschiderii circuitului
este mic, tensiunea la deconectare va fi considerabil mai mare dect
tensiunea de regim E. Dimpotriv, o rezisten de contact r mare
contribuie la micorarea acestei tensiuni. Pentru anumite valori ale
mrimilor L, r i , tensiunea la deconectare poate s devin chiar
infinit de mare. Pentru ca tensiunea la deconectare eS s rmn finit,
durata de deconectare trebuie s satisfac inegalitatea: L >
(5.71) r adic ea trebuie s fie mai mare dect constanta de timp a
contactelor care se deschid, determinat de rezistena iniial de
contact r i de inductana L a circuitului exterior. Condiia obinut
este satisfcut n cazul cnd durata de deconectare este suficient de
mare i contactele sunt confecionate dintr-un material care are o
rezisten de contact mare. Dac n circuit nu exist inductan, din
ecuaia (5.65) se poate determina variaia curentului n cursul
ntregii durate de deconectare. Pentru L=0, aceast ecuaie capt forma
simpl: RiriEt
(5.72) care admite soluia algebric: i (5.73) 1ErRt
Rezistena de contact ncepe s se manifeste numai dup ce ea atinge
o valoare de acelai ordin ca i rezistena exterioar a circuitului.
De cele mai multe ori, aceasta se ntmpl cu puin nainte de sfritul
procesului de deconectare. n figura 5.22, sunt reprezentate prin
linii continue, curbele care exprim variaia n timp a curentului i a
tensiunii n cursul ntregului proces de deconectare a unui circuit
inductiv oarecare. Pentru a nelege esena fizic a procesului de
deconectare, trebuie s ne imaginm ce s-ar ntmpl n circuit dac n el
nu ar exista o inductan care s aib tendina de a mpiedica variaia
curentului i de a menine constant valoarea acestuia. Datorit
creterii rezistentei contactului, a crui suprafa se micoreaz,
curentul ar varia dup curba ntrerupt figura 5.22 care reprezint
relaia (5.73). n realitate, la nceputul procesului variaia
curentului se dovedete a fi mult mai lent, iar la sfritul
procesului cnd n circuit predomin rezistena de contact, variaia
curentului este mult mai rapid. Din cauza variaiei rapide a
curentului la sfritul procesului, n circuit apare o for
electromotoare mare. Inegalitatea (5.71) determin condiia de
deconectare corect a oricror contacte alunectoare sau cu presiune.
Ea se extinde la controlere, reostate de pornire, relee i alte
aparate de comutare, cum i asupra proceselor de comutare n mainile
de curent continuu i alternativ, cu colector. Lamelele colectorului
alunec sub periile fixe, cu o vitez considerabil; cu toate acestea,
n ciuda inductanei de valoare mare a seciilor bobinajului
indusului, la merginea frontal a periei nu trebuie s se obin o
tensiune nalt. Contactele ntreruptorului trebuie s satisfac nc o
condiie. Ele trebuie s aib o capacitate caloric suficient de mare,
pentru ca temperatura lor s nu creasc excesiv de mult datorit
absorbiei cldurii care se degaj la deconectarea circuitului.
Energia electric disipat la contacte, n cursul ntregii perioade de
deconectare, are valoarea: W (5.74) Seidt,
0nlocuind aici expresia tensiunii es ntre contacte, care este
determinat, conform relaiei (5.66), de cel de al treilea termen al
ecuaiei (5.65), obinem: W (5.75) 000iiiIdiERLidtERidtLdidt
n ultimul termen, diferenial n raport cu timpul se reduce i, n
consecin, integrarea se efectueaz n raport cu variaia curentului
ntre limitele corespunztoare valorilor acestuia la momentele t=0 i
t=. Aceast ultim integral poate fi calculat, considernd constant
inductanta L. Deoarece valoarea iniial a curentului este determinat
n special de rezistena R, n prima integral facem nlocuirea E RI. i
vom obine urmtoarea expresie a energiei: W (5.76) 22LIRIiidt
0 n expresia (5.76) primul termen reprezint energia nmagazinat n
inductana circuitului. Observm c, n cursul perioadei de
deconectare, aceast energie este absorbit n ntregime n ntreruptor,
ea nu se ntoarce nici parial la surs. I-1i2i1ii
I t 0Fig. 5.23 Al doilea termen care depinde de variaia n timp a
curentului descresctor i. Energia corespunztoare acestui termen
ajunge la ntreruptor direct de la surs. S determinm aceast energie
suplimentar pentru cele dou cazuri extreme ilustrate n figura 5.23.
Curba real de variaie a curentului n timpul deconectrii este situat
ntre dreapta i1 corespunztoare descreterii liniare a curentului
ntr-un circuit cu inductana neglijabil i rezistena R mic i curba i2
a curentului care i menine invariabil valoarea iniial (datorit
faptului c n circuit exist o inductan mare i o rezisten R
considerabil), aproape pn la sfritul deconectrii. n primul caz
limit, rezult: i1 , (5.77) 1ttIII
ceea ce ne d, pentru integrala care intervine n expresia (5.76),
valoarea: (5.78) 220016tIiidtIdtI
exprimnd rezistena n funcie de constanta de timp. Aceasta este
valoarea maxim posibil a integralei. Valoarea maxim corespunztoare
a pierderilor de energie n ntreruptor, n timpul deconectrii este:
Wmax 22LIRI
26 (5.79) Exprimnd rezistena n funcie de constanta de timp: LTR
(5.80) expresia pierderilor de energie din ntreruptor capt forma:
Wmax(5.81) 21123LIT
Observm c aceste pierderi depind n mare msur de raportul dintre
timpul de deconectare, i constanta de timp T a circuitului. n al
doilea caz limit, curentul i2 este egal cu curentul iniial I, pn n
ultimul moment. n acest caz, pierderile din ntreruptor au valoarea
minim posibil: 2LI
Wmin (5.82) 2 egal cu energia nmagazinat n inductana circuitului
nainte de deconectarea acestuia. Aadar, contactele funcioneaz n
condiii mai dificile, dei pierderile la deconectare se micoreaz;
aceasta se datorete faptului c energia este degajat nu un timp
ndelungat, ci numai n ultimul moment, localizndu-se la marginile
contactelor. Contactele unui ntreruptor trebuie calculate n aa fel
nct energia care se degaj n timpul deconectrii s nu provoace
topirea sau deteriorarea lor. Aceasta se obine prin alegerea unei
capaciti calorice corespunztoare i a unei conductibilitti termice
adecvate a contactelor. Din acest punct de vedere, cele mai
convenabile materiale sunt argintul i cuprul; argintul se utilizeaz
mai ales la cureni mici, iar cuprul - n special la curenii mari.
Aceste materiale, mai ales argintul, se caracterizeaz prin aceei
rezisten de contact mic, ceea ce asigur o cretere nensemnat a
temperaturii lor n ` 1qqqqqqqqqqqqqqqqcazul unei funcionri normale.
Practic, asupra pierderilor i a tensiunii la deconectare are o
influen important caracterul sarcinii circuitului; lmpile cu
incandescen i alte rezistene asemntoare nu au aproape deloc
inductan i, datorit acestui fapt, pot fi deconectate uor. n
bateriile de acumulatoare i n motoarele cu excitaie acioneaz o for
contraelectromotoare care nu depinde de curent; la deschiderea
ntreruptorului, se produce deconectarea unui circuit n care
acioneaz numai o tensiune mic. De aceea, nu apare o supratensiune
considerabil sau o degajare important de cldur. Bobinajele de
excitaie ale motoarelor cu excitaie derivaie, care au o inductan
mare, rmn, de obicei, conectate la bobinajul indusului, care joac
rolul de unt; n virtutea acestui fapt, energia nmagazinat n ele nu
se degaj n ntreruptor sub form de cldur. La motoarele cu excitaie
serie, fora contraelectromotoare i energia bobinajelor de excitaie
sunt nule, dup deconectare i de aceea, ntreruptorul acioneaz aici n
condiii mult mai grele dect n cazurile amintite mai sus. b) untarea
arcului printr-o rezisten. Dac tensiunea de stingere a arcului n
ntreruptor depete valoarea admisibil pentru instalaia considerat, n
paralel cu arcul sau cu circuitul exterior se poate conecta o
rezisten; aceast rezisten limiteaz tensiunea n cazul deconectrii
instantanee. Variaia curentului i din circuitul cu arc reprezentat
de schema din figura 5.24 este determinat de ecuaia diferenial
cunoscut: diLRieBEdt (5.83) Curentul total i care trece prin
circuitul sarcinii, se compune din curentul iB al curentului i al
arcului i curentului ir din rezistena de untare: i (5.84) Brii
ebrriLERi Fig. 5.24
Pe caracteristica ntreruptorului cu o rezisten conectat n
paralel, fiecrei valori a tensiunii arcului trebuie s-i corespund o
anumit valoare a sumei acestor doi cureni. ntruct curentul din unt
este proporional cu tensiunea arcului, curentul total este: i
(5.85) BBei
r n consecin, caracteristica unui arc untat se obine prin
adunarea pe cale grafic a curentului n arc, corespunztor unei
anumite tensiuni, cu curentul n rezisten, proporional cu aceeai
tensiune figura 5.25. Datorit conectrii unei rezistene n paralel,
caracteristica cobortoare a arcului este retezat, aceast retezare
fiind cu att mai important, cu ct rezistena de untare este mai mic.
Prin urmare, caracteristica rezultant a unui ntreruptor untat se
compune din dou pri: o parte liniar, determinat exclusiv de
rezistent i corespunztoare arcului care s-a stins, i o parte
curbilinie, determinat mai ales de arcul care arde. Ambele ramuri
ale caracteristicii sunt reprezentate prin linii groase n figura
5.25. Caracteristica rezultant din figura 5.25 i ecuaia diferenial
(5.83) determin variaia n timp a curenilor i a tensiunilor n
proceul de deconectare. Construcia grafic trebuie s fie efectuat
acum pentru aceast caracteristic rezultant. La cureni mari
tensiunea e este mai mare, iar la cureni mijlocii ea poate deveni
suficient chiar pentru stingerea arcului; n lipsa rezistenei de
untare a arcului, la cureni mijlocii, arcul ar continua s ard
nentrerupt. Dup ce curentul scade pn la o valoare oarecare il,
arcul se stinge, iar curentul - care continu s se micoreze - trece
numai prin rezistena de untare, la bornele creia apare n acest caz
o tensiune nalt, aa cum rezult din figura 5.25.
BiBiriEleleBeeiliIie Fig. 5.25
Tensiunea la bornele ntreruptorului scade acum odat cu micorarea
curentului, dup o lege liniar, pn la valoarea corespunztoare
curentului staionar i. Curentul nu poate scdea sub aceast valoare,
determinat de punctul de intersecie a caracteristicii circuitului
exterior cu caracteristica rezistenei care unteaz ntreruptorul i
care corespunde conectrii n serie a rezistenelor R i r. Conform
celor expuse mai sus, tensiunea maxim nu corespunde sfritului
deconectrii, ci procesului de stingere a arcului. n figura 5.25,
tensiunea maxim are aceeai valoare ca i n cazul cnd nu ar fi
conectat n paralel la o rezisten. Dac este conectat un unt, de
rezisten mult mai mic, - dup cum rezult din figura 5.26 -
caracteristica arcului va fi att de deformat n cazul unor cureni
mari, nct, ntr-un anumit punct, tangenta ei ajunge n poziia
vertical. n cazul scderii curentului, tensiunea arcului nu poate
depi tensiunea din acest punct, deoarece - n caz contrar - curentul
ar ncepe s creasc din nou. eiilileEreBeIe11,525,23rR0 Fig. 5.26
Prin urmare, arcul se stinge instantaneu n acest punct al
caracteristicii. ntregul curent il este deviat prin rezistena de
untare, la bornele creia tensiunea crete pn la valoarea el; aceast
valoare este ns considerabil mai mic dect tensiunea de stingere a
arcului neuntat. Prin urmare, prin alegerea corespunztoare a
valorii rezistenei conectate n paralel cu arcul, se reuete s se
micoreze foarte mult tensiunea de stingere i, n consecin, s se
micoreze supratensiunea din circuit pn la o valoare nepericuloas.
Dup stingerea arcului, tensiunea-diferen e scade liniar cu curentul
i, n consecin, aa cum rezult din ecuaia (26), timpul crete dup o
lege logaritmic. Aadar, ncepnd din acest moment, curentul scade n
timp dup o lege exponenial, tinznd spre valoarea final i. Dac
rezistena untului este egal cu rezistena circuitului exterior,
panta caracteristicii rezistenei de untare, reprezentat n figura
5.26, este egal ca valoare cu panta caracteristicii circuitului
exterior, dar difer de aceasta ca semn. Prin urmare, pe scara r/R,
din partea dreapt a figurii 5.26, poate fi determinat valoarea
rezistenei cu care este necesar s fie untat arcul pentru obinerea
efectului favorabil menionat mai sus. Dac ntreruperea curentului I
s-ar face nu prin arc, ci prin desfacerea instantanee a contactelor
untate de rezistena r, tensiunea la deconectare ar crete pn la o
valoare determinat de intersecia curbei e1 cu perpendiculara care
trece prin punctul de abscis I, n acest caz, ar rezulta o
supratensiune nsemnat. De aici, reiese c folosirea unei rezistene
de untare poate da caracteristicii de deconectare o form foarte
favorabil. Prin acest procedeu se poate mri simitor puterea
ntreruptorului i, n acelai timp, se poate micora considerabil
supratensiunea care apare la deconectare. n locul rezistenei de
protecie conectate n paralel cu ntreruptorul, aceasta poate fi
conectat n paralel cu circuitul exterior, ca n schema din figura
5.27. n acest caz, pentru circuitul de sarcin, care conine arcul i
sursa de alimentare, este valabil ecuaia diferenial (5.83).
Curentul arcului este ns egal n acest caz cu suma curentului de
sarcin i i a curentului ir din ramura paralel: iB (5.86) rii
Curentul din rezistena de protecie ir depinde diferena dintre
tensiunea sursei i tensiunea reelei: ir r (5.87)BEe
ebrriLERFig. 5.27
n consecin, curentul de ncrcare va depinde de tensiunea arcului
n modul urmtor: EBBei
i rr (5.88) Aceast expresie difer de expresia (5.85) numai prin
ultimul termen constant. Caracteristica rezultant a deconectrii
este reprezentat n figura 5.28. Caracteristica tensiune-curent a
ramurii conectate n paralel cu sarcina are aceeai pant ca i n cazul
precedent, ns intersecteaz partea negativ a axei i, n punctul de
abscis - E/r. eilileEreBeIe15,1252,rR00,50Er Fig. 5.28
iB0 Aceast valoare se determin direct din expresia (5.88), dac
se consider i bb= 0. n consecin, conectarea unei rezistene de
protecie n paralel cu sarcina are aceeai influen favorabil asupra
tensiunii de stingere a arcului, ca i untarea arcului nsui. Dup
stingerea arcului, curentul scade din nou dup o curb exponenial,
ns, n acest caz, pn la zero. La cureni mari, tensiunea-diferent e
este ceva mai mic dect n cazul precedent. Astfel, pentru
deconectarea curentului normal de sarcin, este raional ca rezistena
de protecie s fie conectat n paralel cu circuitul principal. Pentru
deconectarea curenilor de scurtcircuit este ns mai bine ca
rezistena s fie conectat n paralel cu ntreruptorul, deoarece numai
o asemenea poziie a rezistenei de protecie n circuit asigur
eficacitatea funoionrii ei, independent de locul n care s-a produs
scurtcircuitul. Deconectarea ulterioar a curentului mic care circul
prin rezistena de untare nu prezint nici un fel de dificulti. 5.4
ARCUL ELECTRIC N CURENT ALTERNATIV Arcul electric de curent
alternativ este un proces n regim variabil i se caracterizeaz prin
stingeri i aprinderi periodice, la fiecare trecere a curentului
prin zero. La o modificare rapid a curentului, temperatura ca i
diametrul coloanei i prin aceasta i conductivitatea sa nu se pot
modifica rapid. Arcul are o inerie termic, care are ca urmare o
cretere mai mare a cderii de tensiune la creterea curentului i o
comportare invers la micorarea curentului. n acelai timp, au loc i
rapide modificri ale formei geometrice a arcului. Arcul de curent
alternativ se caracterizeaz printr-un proces dinamic.
Caracteristica tensiune - curent, precum i variaiile n timp ale
curentului i cderii de tensiune pe arc sunt cele din figura 5.29.
Arcul se aprinde atunci cnd tensiunea atinge valoarea Uap, numit
tensiune de aprindere i dureaz pn cnd tensiunea scade la valoarea
Uas, numit tensiune de stingere. n intervalul tp, numit pauza de
current/pauza de arc prin circuit circul un curent postardere de
valoare mic. n acest timp, spaiul de arc devine din ce n ce mai
izolant, prin creterea rigiditii sale dielectrice pe msura rcirii
arcului electric. Refacerea proprietilor dielectrice duce fie la
reaprinderea n semiperioada urmtoare, fie la stingerea arcului
electric. Tensiunea de aprindere Uap este strns legat de procesele
ce au loc n timpul pauzei de curent, ea depinznd de distana dintre
electrozi, temperatura i presiunea mediului care nconjoar arcul ct
i de temperatura i natura materialului contactelor. Tensiunea de
stingere depinde de ineria de deionizare a gazului, conductivitatea
acestuia modificndu-se mai lent. Se constat c ntotdeauna Uap >
Uas. 0iapuauptasut0iapuasu a) b)
Fig. 5.29 Caracteristicile dinamice ale acului electric Curentul
i cderea de tensiune pe arc sunt n faz, datorit caracterului
rezistiv al arcului, dar nu pstreaz forma sinusoidal, arcul fiind
un element neliniar. Prin eliminarea timpului ntre caracteristicile
Ua = f(t) i i = f(t)- figura 5.29.a, rezult caracteristica tensiune
- curent a arcului de curent alternativ ua = f(t) sub forma unei
bucle de histerezis, figura 5.29.b. Aria acestei bucle este
proporional cu energia nmagazinat n arc. Gradul i caracterul de
deformare al curbelor tensiunii i curentului depind de frecvena
circuitului. Cu creterea frecvenei, bucla de histerezis scade,
astfel c la frecvene foarte mari se obine o variaie aproape liniar.
Pentru o stingere definitiv a arcului trebuie luate msuri care s
evite reaprinderea. Spaiul de arc nu se deionizeaz instantaneu i
pstreaz dup stingerea arcului un anumit grad de conductivitate,
ceea ce permite trecerea unui curent postardere. Acesta conduce la
o nclzire a spaiului arc, mpiedicnd deionizarea i favoriznd
reaprinderea arcului. n cazul circuitelor pur rezistive, figura
5.30, curentul, n faz cu tensiunea, trece prin zero odat cu
aceasta. Arcul se reaprinde cnd tensiunea atinge valoarea uap i se
stinge cnd tensiunea atinge valoarea uas. ntre momentul stingerii
arcului i al reaprinderii urmtoare, curentul este practic nul i
apare pauza de curent. n acest interval de timp (tp), spaiul de arc
din starea precedent cu atribute de conductor devine progresiv un
mediu izolant al crui grad de regenerare dielectric decide
stingerea definitiv sau reaprinderea arcului. Pentru circuitele pur
inductive, figura 5.31, pauza de curent este mult mai mic i, n
consecin, stingerea arcului este mult mai dificil. Explicaia
intervalului mult mai mic al pauzei de curent tp const n faptul c n
momentul trecerii curentului prin zero, arcul se stinge, dar se
reaprinde imediat, deoarece tensiunea sursei este mai mare dect
tensiunea de aprindere. n practic, circuitele nu sunt nici pur
rezistive i nici pur inductive, aa c la un circuit R, L pauza de
curent este cuprins ntre cele dou limite extreme.
0ptauasuutiujapu0ujuapuiauasutpt
Fig. 5.30 Explicativa la un circuit Fig. 5.31 Explicativa la un
circuit Pur rezistiv inductiv n principiu, curentul alternativ se
ntrerupe mult mai uor dect cel continuu deoarece el trece simetric
prin valoarea zero, dup fiecare semiperioad. Dac s-ar putea da unui
ntreruptor o comand att de exact nct el s ntrerup circuitul n
momentul trecerii naturale a curentului prin valoarea zero, ncepnd
din acel moment, curentul ar rmne nul i contactele nu ar ar suferi
nici un fel de aciuni duntoare. Ineria contactelor i a sistemului
de acionare a ntreruptorului nu permit s se obin nici o reglare
precis, nici vitezele mari necesare pentru o ntrerupere att de
exact. La ntreruptoarele moderne de construcie obinuit, timpul de
deconectare este ns mult mai lung i este cuprins ntre o parte
dintr-o perioad i cteva perioade. La ntreruperea curentului
alternativ printr-un ntreruptor la care rezistena de contact se
mrete treptat, apar fenomene foarte asemntoare fenomenelor care se
produc la ntreruperea curentului continuu. n circuitele de curent
alternativ, ntre contactele care se distaneaz apare aproape
ntotdeauna un arc. Aici se vor observa fenomene esenial deosebite
de acelea care au loc n ntreruptoarele de curent continuu:
tensiunea sursei de curent alternativ schimbndu-i repede semnul,
pot aprea multiple stingeri i aprinderi ale arcului. ReBCezezeI
Fig. 5.32 Fig. 5.33 Variaia n timp a tensiunii i a curentului.
Procesul de ntrerupere prin arc, notat n figura 5.32 cu B, se
desfoar n modul cel mai simplu cnd circuitul conine numai o
rezisten R i o inductan nensemnat L. S studiem, de exemplu,
deconectarea unor lmpi cu incandescen de la o reea de curent
alternativ cu tensiunea de amplitudine constant E. Curentul i i
tensiunea e se anuleaz simultan i, n acest caz, arcul dintre
contactele ntreruptorului se stinge de fiecare dat. Imediat dup
stingerea arcului temperatura contactelor se micoreaz, fapt datorit
cruia tensiunea de aprinderea ez se mrete rapid, aa cum ilustreaz
curba ntrerupt din figura 5.33. Dac distana dintre contacte este
foarte mic, tensiunea sursei, care crete i ea, devine repede egal
cu tensiunea de aprindere. n acest moment, arcul se aprinde din nou
i curentul atinge, printr-un salt, valoarea lui staionar. Dac la
urmtoarea trecere a curentului i a tensiunii prin valoarea zero
distana dintre contacte este att de mare nct tensiunea de aprindere
rmne mai mare dect tensiunea sursei, arcul nu se mai aprinde din
nou. Curentul, trecnd ultima dat prin valoarea zero, rmne si
ulterior egal cu zero. Arcul dintre contactele metalice cu
conductibilitate termic mare, n special dintre cele de cupru, se
stinge foarte repede, astfel nct aici este necesar o distanare
relativ mic a contactelor. La tensiuni mai nalte, strpungerea
intervalului dintre contacte se face mai uor. n consecin, este
necesar s se ia msuri suplimentare pentru a se uura stingerea
arcului i anume s se asigure o disipare mai intens a cldurii care
se degaj n coloana arcului. Astfel, pentru ntreruperea unui curent
alternativ, este necesar numai s se mpiedice aprinderea repetat a
arcului dup trecerea curentului prin valoarea zero. Aceasta permite
s se utilizeze ntreruptoare mici pentru ntreruperea unor cureni
considerabili, n cazul unor sarcini pur active. Foarte uor pot fi
deconectate i mainile cu for contraelectromotoare independent-de
exemplu: motoarele sincrone sau convertizoarele cu un singur indus.
n realitate, ns, este necesar s se in seama de influena inductanei
de scpri a mainilor. Condiiile sunt mai puin favorabile la
deconectarea circuitelor de curent alternativ inductive, la
deconectarea transformatoarelor, a motoarelor asincrone i a altor
dispozitive analoge. Condiii deosebit de grele se creeaz la
deconectarea curenilor de scurtcircuit n reele. n cazurile
enumerate, rezistena R a circuitului este mic n comparaie cu
reactana inductiv a acestuia i, n consecin, curentul este defazat
mult n raport cu tensiunea. Valoarea curentului nu este nul pentru
o valoare instantanee mic a tensiunii ci, n momentul primei
stingeri a arcului, tensiunea este mare nct poate urma imediat o
aprindere repetat, concomitent cu apariia unui curent de sens
contrar. n circuitul inductiv variaia n timp a curentului este
determinat de ecuaia: diLRieBe (5.89) dt n care termenul cel mai
important este tensiunea eB a arcului. iBeBeBe Fig. 5.34
Pentru a studia procesele care se desfaoar ntr-un circuit de
curent alternativ n timpul arderii arcului, vom face cteva ipoteze
simplificatoare. Vom considera c lungimea arcului este constant,
iar caracteristica tensiune-curent are o form dreptunghiular,
figura 5.34. Tensiunea arcului este: eB (5.90) be
semnul pozitiv corespunznd unei valori pozitive a curentului,
iar semnul negativ - unei valori negative. Valorile mai mici
corespunznd unor cureni mai mari, iar valorile mai mari unor cureni
mai mici. Vom neglija influena tensiunii de aprindere i a tensiunii
de stingere a arcului, care au importan numai n cazul unor cureni
foarte mici, i de asemenea, nu vom ine seama de cderea de tensiune
n rezisten, care este foarte mic n circuitele de curent alternativ.
n consecin, n ecuaia (5.89) se poate neglija termenul Ri i ecuaia
poate fi integrat direct. Tensiunea alternativ a reelei este
determinat de frmula: eEsin( t) (5.91) n care este unghiul de faz
al tensiunii n momentul t=0, corespunztor trecerii curentului prin
valoarea zero. Din ecuaia (5.89) determinm, pentru alternana
pozitiv a curentului, valoarea: 111i (5.92)
1sinBBeEeedttdtdtLLL
000 Efectund integrala, obinem: coscosbeEEittLLL Dup trecerea
unei semiperioade: t
(5.93) (5.94) curentul de regim staionar trebuie s capete din
nou valoarea zero. Pe baza relaiei (5.93) avem: cos (5.95) be
2 E ntr-un circuit pur inductiv, n care arde un arc, defazajul
nu este egal cu 900, ci este determinat de raportul dintre
tensiunea arcului i valoarea medie a tensiunii reelei. Dac
tensiunea arcului crete, adic distana dintre contacte se mrete,
defazajul se apropie de zero. Dac se nlocuiete expresia (5.95) a
lui cos n relaia (5.93), se obine urmtoarea expresie a variaiei
curentului n funcie de timp: i (5.96) cos2beEttLL
Curentul este format din dou componente. Prima dintre acestea
reprezint curentul inductiv care se stabilete atunci cnd
ntreruptorul este complet nchis. Acest curent este defazat cu 90 n
urma tensiunii determinate de expresia (5.91). A doua component
corespunde unui curent care variaz n timp dup o lege liniar; pe
msur ce tensiunea arcului se mrete, aceast component joac un rol
din ce n ce mai mare. eeeiiEBeeBettcos()t2t)a)b Fig. 5.35
Ambele componente sunt trasate, prin linii ntrerupte, n figura
5.35.a, pentru o tensiune eB a arcului mic n comparaie cu tensiunea
aplicat E, iar n figura 5.36.a - pentru o tensiune mare a arcului.
Cu linii groase sunt reprezentate curbele curentului, egal n ambele
semiperioade cu suma unei consinusoide i a unei drepte, ultima
fiind o parte dintr-o curb triunghiular periodic. Cu ct tensiunea
arcului este mai mare, cu att curba curentului este mai deformat n
comparaie cu o curb sinusoidal obinuit. n figura 5.35.b i 5.36,b
sunt reprezentate curbele variaiei tensiunii eB a arcului i a
tensiunii e-eB din circuitul exterior, corespunztoare curbelor date
de variaie a curentului. Pe msur ce arcul se alungete, curba e-eB
se deformeaz din ce n ce mai mult i apar salturi abrupte ale
tensiuii. Din expresia (5.95) rezult c, pentru o tensiune a arcului
care constituie o anumit parte 2/ 0,637 din tensiunea reelei,
unghiul de faz se anuleaz i curba deformat a curentului trece prin
valoarea zero simultan cu tensiunea. n realitate, ns, acest caz
limit nu poate fi realizat. nainte ca tensiunea arcului s ating
valoarea indicat mai sus, valoarea ei, pentru un curent nul, devine
egal cu valoarea instantanee a tensiunii reelei sau o depete;
datorit acestui fapt, arcul nu se mai reaprinde imediat dup
stingerea lui. Apare o pauz a curentului care continu pn cnd
tensiunea e a reelei atinge din nou valoarea tensiunii eB a
arcului. n cursul acestei pauze, tensiunea din circuitul exterior
rmne i ea nul, astfel nct curba e-eB este mult deformat.
eeeiiEBeeBettcos()t2t)a)b Fig. 5.36
Concluziile referitoare la forma curbelor tensiunilor i
curentului, obinute pe baza ultimelor relaii i grafice, nu se refer
numai la procesele din cazul deconectrii. Curbele asemntoare se
obin pentru orice circuit inductiv care conine un arc aprins.
Observm c procesul de ntrerupere a unui curent alternativ se
deosebete considerabil de procesul de ntrerupere a unui curent
continuu. ntr-un circuit de curent continuu, chiar la o distan fix
ntre contacte, procesul de stingere a arcului cuprinde o singur
etap. ntr-un circuit de curent alternativ, n timpul distanrii
contactelor, condiie necesar pentru stingerea arcului, acesta se
aprinde de repetate ori la fiecare variaie a sensului curentului;
pe msur ce lungimea arcului crete, se mresc valorile tensiunilor de
aprindere i de stingere, pn cnd tensiunea de aprindere atinge
valorile de vrf a tensiunilor aplicate E. ncepnd din acest moment,
aprinderea repetat devine imposibil i procesul de ntrerupere se
sfreste. Pentru a determina pierderile n arc, mai nti trebuie s
determinm energia care se degaj n arc n cursul unei semiperioade a
curentului i care se transform n cldur n interiorul ntreruptorului.
Aceast energie are valoarea: W /eidt
0 (5.97) nlocuind pe eB din ecuaia (5.97), gsim: W
/0//2eRiidtLidieidtRidt
0000 (5.98) Deoarece curentul i n raport cu care se efectueaz
integrala capt valori nule att la nceputul, ct i la sfritul
semiperioadei considerate, cea de-a doua integral este egal cu
zero. La deconectarea unui curent alternativ, energia magnetic din
circuit - care la ntreruperea unui curent continuu reprezent cea
mai mare parte din energia care se degaj n arc - nu se degaj n arc
nici mcar parial. Aceasta nseamn c energia nmagazinat n inductan
revine n ntregime la surs, i nu este disipat n ntreruptor sub form
de cldur. Energia transformat n cldur de arcul ntreruptorului este
egal cu diferena dintre energia furnizat de surs i energia absorbit
n rezistena circuitului. De aceea, deconectarea unui circuit de
curent alternativ se efectueaz mult mai uor dect cea a unui circuit
de curent continuu de aceeai putere. Pierderile la deconectare pot
fi calculate efectundu-se direct integrala (5.78). n acest caz, vom
neglija influena vrfurilor tensiunilor de aprindere i de stingere.
Aceste vrfuri de tensiune mresc tensiunea eB a arcului numai n
cursul perioadei scurte de aprindere i stingere cnd curentul i este
foarte mic. De aceea, produsul dintre aceste tensiuni i curent,
care intervine n relaia (5.78) modific puin valoarea integralei.
Putem nlocui n expresia (5.78) tensiunea constant a arcului,
determinat de relaia (5.64) i valoarea corespunztoare a curentului,
conform relaiei (5.71), obinndu-se: (5.99) (5.100) Energia care se
degaj n arc n decursul unei semiperioade este: W (5.101)
222sinsinbbEeIeL
unde I reprezint raportul dintre amplitudinea tensiunii aplicate
i valoarea reactanei inductive egal cu amplitudinea curentului
alternativ care trece prin circuit nainte de deconectarea acestuia,
ceea ce corespunde primului termen al relaiei (5.96). Unghiul de
faz este ntotdeauna apropiat de 900. n decursul timpului de
deconectare , distana dintre contacte se mrete i tensiunea eB a
arcului crete aproximativ proporional cu lungimea acestuia. n
vederea obinerii expresiei pierderilor de energie n circuit n
timpul deconectrii, vom considera c n cursul fiecrei semiperioade,
tensiunea eB de ardere a arcului este proporional cu tensiunea de
aprindere ez i c, n decursul ntregii perioade de deconectare,
tensiunea crete liniar pn la valoarea limit E.n acest caz,
tensiunea variabil a arcului este: eb (5.102) bzetEe n consecin,
cos
, determinat de expresia (5.95), este foarte mic, iar sin din
expresia (5.101) este ntotdeauna apropiat de unitate. Conform
relaiei (5.94), durata unei semiperioade este egal cu . nlocuind n
expresia (5.101) valoarea medie a tensiunii arcului, care se obine
din relaia (5.102) dac n aceasta se consider t/ = 1/2, rezult
energia total absorbit la deconectare ntr-un timp : /
W (5.103) 212bzeIEEIe
Energia de deconectare disipat n arc este determinat de o putere
fictiv egal cu produsul dintre amplitudinea I a curentului nainte
de deconectare, amplitudinea E a tensiunii dup deconectare, de
durata de deconectare i de raportul dintre tensiunea arcului (de
ardere) eb la curentul total i tensiunea de aprindere ez atunci cnd
se schimb sensul curentului. Pierderile din arc vor fi mici la
ntreruptoarele a cror construcie asigur un timp de deconectare
minim, pentru o valoare maxim, a tensiunii de aprindere ez. Rezult
condiiile pe care trebuie s le satisfac ntreruptoarele de mare
putere. Contactele acestora trebuie confecionate dintr-un material
cu capacitate caloric i conductibilitate, termic mare, astfel nct
creterea temperaturii contactelor s fie minim i, prin aceasta, s
fie evitat emisia intens a unor noi electroni. Gazul n care arde
arcul trebui s se deionizeze rapid n timpul trecerii curentului
prin valoarea zero. Trebuie s fie asigurat cretere rapid a lungimii
arcului, pn la o valoare considerabil. Rezistena conectat n paralel
cu arcul sau cu inductana are o influen favorabil asupra funcionrii
ntreruptoarelor i n cazul curentului alternativ. Aceast rezisten
modific forma caracteristicii rezultante a arcului aprins. Ca
rezultat, tensiunea arcului nu scade prin salt pn la valoarea zero
n momentul schimbrii sensului curentului, ci variaz n timp dup o
lege liniar. Saltul tensiunii de la vrful de stingere pn la vrful
de aprindere este eliminat i nlocuit cu o trecere treptat. Dup ce
tensiunea arcului a atins valoarea tensiunii de aprindere ez, ea
scade brusc pn la o valoare egal cu tensiunea arcului (de ardere)
eb . Acest salt este ns considerabil mai mic dect acela care s-ar
produce fr o rezisten conectat n paralel. n acelai moment, curentul
trece, din rezistenta de untare n arc. La stingerea arcului are loc
o trecere rapid a curentului din arc n unt, ceea ce provoac o
cretere abrupt, a tensiunii. Rezistena de untare acioneaz favorabil
deoarece ea mrete intervalul de timp dintre stingerea i aprinderea
arcului. Acest interval este suficient pentru rcirea contactelor i
a coloanei arcului; ca urmare, valoarea tensiunii de aprindere
crete considerabil. Deci, rezistenele de untare nu numai c
accelereaz stingerea arcului atunci cnd se schimb sensul
curentului, dar i absorb o parte din energia care se degaj la
deconectare, micornd n felul acesta sarcina coloanei arcului i a
contactelor. Supratensiuni se pot obine la stingerea arcului i n
ntreruptoarele la care timpul de declanare este de cteva
semiperioade, dar viteza de deplasare a contactelor este la nceput
mic, iar n ultima semiperioad crete nct tensiunea de stingere
devine mai mare dect tensiunea de aprindere precedent. Este
preferabil ca viteza de distanare a contactelor s fie reglat n aa
fel nct ntreruperea definitiv a circuitului s se produc datorit
imposibilitaii unor aprinderi repetate ale curentului i nu ca
urmare a stingerii forate a acestuia. La ntreruptoare de mare
putere, ntreruperea definitiv a oricrui arc de curent alternativ
are loc atunci cnd dup trecerea curentului prin valoarea zero,
tensiunea reelei nu poate provoca o reaprindere. n principiu,
aprinderea repetat poate fi deviat prin diferite mijloace:
ntrzierea cu un timp scurt a trecerii tensiunii la contactele
ntreruptorului astfel nct n acest timp arcul se rcete i, n
consecin, tensiunea de aprindere crete. crearea de condiii ca un
timp oarecare nainte i dup trecerea prin valoarea zero, curentul s
aib o valoare mic astfel nct n momentul critic din punct de vedere
al aprinderii repetate nu se va degaja caldur. se poate mri
artificial tensiunea de strpungere a intervalului disruptiv,
acionndu-se asupra arcului, mai ales prin rcirea contactelor i a
coloanei acestuia, sau prin deionizarea arcului. Tensiunea de
ardere i cea de stingere depind n mare msur de compoziia gazului n
care arde arcul. 5.5 PRINCIPII DE STINGERE A ARCULUI ELECTRIC
Stingerea arcului la orice valoare a curentului i este posibil dac
este ndeplinit condiia de a nu avea intersecie ntre caracteristica
arcului ua = f (i) i caracteristica extern a sursei, dreapta (U - R
i) = f (i), caz n care Ul este negativ pentru orice valoare a
curentului -figura 5.20. Prin urmare, caracteristica arcului
aparatului de comutaie trebuie s se afle n ntregime deasupra
caracteristicii externe a sursei. De aici, rezult c un circuit se
poate ntrerupe numai cu un anumit ntreruptor, dat fiind c ua = f
(i) este o caracteristic bine determinat pentru fiecare ntreruptor.
Aceast condiie se poate obine pe dou ci: fie prin ridicarea
caracteristicii ua =f(i), fie prin nclinarea dreptei (U-Ri).
Ridicarea caracteristicii arcului se poate realiza prin alungirea
mecanic a arcului pe calea ndeprtrii contactelor, prin deionizarea
mediului de arc prin suflaj magnetic, suflaj cu fluide, rcirea
arcului n camere de stingere. n figura 5.37.a, se prezint
posibilitatea stingerii arcului prin lungirea sa. Pentru lungimea
l1, arcul arde stabil i pentru o lungime l3, arcul arde nestabil.
Situaia limit de la care arcul ncepe s ard nestabil este cazul n
care curba este tangent la dreapt n punctul A. ncepnd de la aceast
lungime, numit lungime critic, lcr, arcul ncepe s ard instabil.
0UUcriiAURi1IcrI3Iaui2IUUURiiAcricrURi
a) b) Fig. 5.37 Referitor la stingerea arcului de curent
continuu A doua metod const n nclinarea caracteristicii externe a
circuitului, prin introducerea unor rezistene suplimentare n serie
cu arcul electric. Din figura 5.37.b se constat c cu ct crete
rezistena circuitului, curentul de funcionare stabil scade i ncepnd
de la valoarea rezistenei critice (Rcr), cnd dreapta este tangent
la curb, arcul arde nestabil, fapt valabil pentru orice alt
rezisten R > Rcr. Din relaia (5.60), condiia necesar i suficient
ca arcul electric s fie ntrerupt este ca Ul s fie negativ. Pentru a
determina durata procesului de stingere a arcului electric, ca i
tensiunea la contacte n momentul anulrii arcului - numit tensiune
de stingere Uas - se procedeaz la o rezolvare grafo-analitic.
Astfel, din relaia (5.59), rezult: dt (5.104) lUdiL
i prin integrare: ta0 (5.105) 0llUdiLdt
Pentru determinarea duratei de stingere ta se procedeaz la o
rezolvare grafic a relaiei (5.105) scris sub forma: 0ta (5.106)
llUdiL
n figura 5.38.a se reprezint n sistemul de coordonate u, i,
caracteristica ua = f(i) i dreapta (U-Ri), care determin un Ul
mereu negativ. Deoarece Ul < 0, curentul descrete n timp pn la
stingerea arcului. Din valorile determinate pentru Ul ca funcie de
current, se reprezint grafic curba i = f (1 / Ul) n figura 5.38.b.
Integrnd aceast curb dup valoarea lui i, pornind de la valoarea
iniial l, pn la valoarea final 0 i innd seama de relaia (5.106) se
obine curba l = f(t), adic legea de variaie a curentului n funcie
de timp figura 5.38.c. Pentru i = 0 se obine durata de stingere ta.
Din curbele ua = f(i) i i = 0 se poate trasa grafic curba ua=f(t)
figura 5.38.c, care determin la i=f(t) tensiunea de stingere uas.
Se constat c tensiunea de stingere este mai mare dect tensiunea la
bornele circuitului, ceea ce denot apariia unor supratensiuni
periculoase. Din relaia (5.58) se poate scrie tensiunea pe
circuitul exterior sub forma: diULRR iLUua (5.107) dt astfel c n
figura 5.28.c, din curba ua = f(t) i dreapta U = ct. se poate trasa
grafic variaia uLR = f(t), evideniind vrful de tensiune ce
pericliteaz consumatorul n momentul stingerii arcului electric. Din
figura 5.38 se vede c alungirea arcului, dei contribuie la
scurtarea duratei de stingere (ta), conduce la creterea
supratensiunii ce apare la stingerea arcului (uas). Folosirea
uleiului ca mediu de stingere a arcului electric de curent continuu
ar duce la o cretere exagerat a tensiunii de stingere uas, fapt
care face s nu fie posibil utilizarea ntreruptoarelor n ulei la
curent continuu.
Arcasu000RLULAuURiauUUUasuuuiiiIILU1LU1LUauUtLRut()aut()itttat3()uU)a)b)c
Fig. 5.38 Referitor la determinarea duratei arcului Determinarea
duratei arcului electric n camera de stingere a ntreruptoarelor de
curent continuu se poate face i analitic. n figura 5.39.a s-a
reprezentat circuitul echivalent n care R i L reprezint rezistena i
inductivitatea cumulat n linia de alimentare i receptor, iar n
figura 5.39.b s-au reprezentat diagramele curentului i ale
tensiunii la bornele ntreruptorului n cazul ntreruperii curentului
nominal din circuit. Cu ta s-a notat durata de stingere a arcului.
Dup ce contactul se deschide, se formeaz arcul electric, a crui
tensiune Ua se admite constant pe toat durata de ardere a arcului
electric. n absena arcului, cu ntreruptorul nchis este valabil
ecuaia: di1 (5.108) UnR i1Ldt La deschiderea ntreruptorului, ecuaia
circuitului este: nUaULRat1I2InIaUfiUi)a)b
Fig. 5.39 ntreruperea curentului nominal a) schema electrica.b)
diagramele curentului si tensiunii di2Ua (5.109) UnR i2Ldt Prin
scderea celor dou relaii (5.108) i (5.109) se obine:
d2121iiLiiR
Ua (5.110) dt i notnd cu: ifi2 (5.111) 1i
unde if este un curent fictiv, a crui introducere se justific
pentru simplificarea calculelor, se obine: difUaR ifL(5.112) dt cu
soluia: i f (5.113) TtaeRU1
unde T = L/ R este constanta de timp a circuitului. Din relaia
(5.111), avem: i2 (5.114) TtfnfeIIii11
unde s-a notat cu: i1- curentul nominal n regim permanent; i f
-curentul fictiv produs de o tensiune egal cu tensiunea arcului
electric RUInnUa
Rn regim permanent. Durata arcului ta se obine din relaia
(5.114) fcnd pe i2 = 0, sub forma: IannffUUTIIT/11lnln
ta(5.115) Relaia (5.115) ne mai arat c pentru un circuit cu
constant de timp dat T, dac se impune durata ta a arcului electric,
tensiunea arcului trebuie s aib o valoare bine determinat: Ua
(5.116) TtnaeU/1
Pentru cazul ntreruperii curentului de scurtcircuit, n figura
5.40.a se prezint schema circuitului electric, n care
inductivitatea L1 i rezistena R1 aparin liniei, iar inductivitatea
L2 i rezistena R2 aparin consumatorului, iar n figura 5.40.b se
prezint diagramele curentului i ale tensiunii la bornele
ntreruptorului. La apariia scurtcircuitului ntre punctele m i n,
curentul trece de la valoarea In valoarea i1 n absena arcului
electric i la valoarea i2 n prezena arcului electric ce apare dup
timpul t1 de la producerea scurtcircuitului. n regim de
scurtcircuit, n absena arcului electric, ecuaia circuitului este:
di1 (5.117) UnR1 i1L1dt nULRau1L1Rat2InIaUfiUit1i2inU1t0
Fig. 5.40 ntreruperea curentului de scurtcircuit Aceast ecuaie
are soluia: i1 (5.118) TtscTtneIeI1
unde Isc =Un /R1 este curentul de scurtcircuit i T = L1/R1 este
constanta de timp a circuitului. n regim de scurtcircuit i n
prezena arcului electric, ecuaia circuitului este: di2Ua (5.119)
UnR1 i2L1dt Prin scderea relaiei (5.117) din (5.119) i cu
considerarea notaiei curentului fictiv conform (5.111), avem:
difUaR1 ifL1 (5.120) dt a crui soluie este de forma: i f (5.121)
TtfTtaeIeRU111
Relaia (5.121) este valabil pentru t>0, cu originea timpului
n O2 - figura 5.40.b. Scriind i soluia (5.118) cu originea n O2 sub
forma: i1 (5.122) TttscTttneIeI111
se obine durata arcului din relaia (5.111), n care pentru t = ta
se face i2 = 0, deci i1 = if. Prin egalarea relaiilor (5.121) i
(5.122) avem: I f (5.123) TttscTttnTtaaaeIeIe1111
care, rezolvat ne conduce la soluia: ta (5.124)
11ln1fscTtfnscIIeIIIT
sau cu notaiile: lsc /lf= a i ln / If = b : ta11ln1aebaTTt
(5.125) Tot din relaia (5.123) se poate extrage valoarea
tensiunii arcului electric pentru valori cunoscute ale duratei pe
arc t1, duratei arcului ta, curentului nominal In i curentului de
scurtcircuit Isc. Rezult: ISCTtTttTttaaaeee1ln111
UaR1 (5.126) Echipamentele electrice de comutaie, destinate a
efectua comutaii sub sarcin sunt echipate cu incinte, numite camere
de stingere. n camera de stingere "se dezvolt" i "se stinge" arcul
electric. Funcional, camerele de stingere au rolul de a rci
intensiv arcul electric i de a crea instabilitate n arderea lui.
Aceste obiective pot fi realizate prin folosirea anumitor principii
de stingere a arcului electric, principii care determin forma
constructiv a camerei de stingere. Utilizarea unuia sau altuia
dintre principiile de stingere a arcului electric se stabilete n
funcie de o serie de caracteristici, precum: felul curentului
(continuu sau alternativ), de parametrii sarcinii (tensiunea
nominal, intensitatea curentului de ntrerupt), de natura sarcinii
(rezistiv, inductiv, capacitiv), de regimul de lucru (durata
relativ de conectare, frecvena de conectare) etc. Un arc electric
este caracterizat prin parametrii electrici: tensiunea de ardere,
intensitatea curentului, cderile de tensiune Uc, Ua, Ul i prin
parametrii geometrici: lungimea arcului i diametrul coloanei. ntre
parametrii electrici i cei geometrici se pot stabili anumite
legturi. Una dintre aceste legturi este relaia lui Ayrton, care
stabilete o dependen ntre tensiunea u, intensitatea i i lungimea l
(a arcului electric), de tipul: b u = a + ia = + l (5.127) b = + l
unde , , , sunt constante de material. Pentru cupru =30, =10, =10,
=30
Cnd intensitatea curentului i este mare, n relaia lui Ayrton
termenul care conine pe i la numitor se poate neglija i expresia
(5.127) se reduce la: u = a = + l (5.128) Efectul de electrod const
n divizarea arcului n n segmente (cu ajutorul unor plcue metalice),
n scopul creterii de n ori a cderilor de tensiune la electrozi.
Astfel, n cazul mpririi arcului n n segmente, condiia stingerii
arcului este: n + l > u (5.129) unde u este tensiunea de ardere
a arcului electric. Efectul de electrod nu este aplicat la
stingerea arcului electric de curent continuu deoarece eficiena
unei camere de stingere construit dup acest principiu este foarte
redus. Stingerea arcului de curent continuu are loc prin lungirea
arcului, ct i prin contactul lui cu pereii reci ai camerei de
stingere. Efectul de electrod este frecvent utilizat la stingerea
arcului electric de curent alternativ. n acest caz, stingerea
arcului electric este urmat de trecerea natural prin zero a
curentului, astfel nct tensiunea pe interval ntre dou plcue,
necesar stingerii arcului este de circa 100-200 V. Numrul
intervalelor de stingere se calculeaz innd seama de valoarea
tensiunii de restabilire. Dispoziia plcilor metalice ntr-o camer de
stingere cu efect de electrod este cea din figura 5.41. Plcuele
sunt din oel zincat (pasivizat) i au forma literei V, pentru c, sub
aciunea niei astfel formate, arcul s fie mpins n camera de
stingere, spre a fi divizat. n consecin, prin crearea efectului de
ni, eficiena camerei de stingere este mrit. Principiul efectului de
electrod este aplicat n construcia camerelor de stingere de la
contactoarele electromagnetice i de la ntreruptoarele de c.a. de
joas tensiune. 12344321
Fig. 5.42 Stingerea arcului electric cu ajutorul suflajului
magnetic 1-bobina de suflaj; 2-plcue metalice; 3-arcul electric; 4-
elementele de contact mpingerea arcului electric n camera de
stingere se poate face cu ajutorul suflajului magnetic, adic cu
ajutorul unui cmp magnetic exterior B perpendicular pe direcia
arcului creat de o bobin, parcurs chiar de curentul care trebuie
ntrerupt - figura 5.42. n aceste condiii, arcul electric va fi
supus aciunii forei electromagnetice care, lungindu-l, tinde s-l
introduc n camera de stingere. Principiul suflajului magnetic este
aplicat n construcia contactoarelor de curent continuu, de joas
tensiune. Un arc electric care arde ntr-un gaz nu i menine coloana
sub form cilindric deoarece piciorul arcului se gsete pe un
material conductor, unde densitatea de curent este mare, iar
coloana arcului se dezvolt ntr-un gaz, care este un mediu mai puin
conductor. Ca urmare, diametrul coloanei n gaz va depi diametrul
din dreptul electrozilor, iar arcul electric va prezenta o umflare
n zona central. EjecieEjecieJBgraddvgraddtJBJBdvdtctgrad Fig. 5.43
Efectul Pinch - diametrul variabil
Aceast modificare de diametre, pe msur ce se trece la alt
seciune transversal n coloana arcului electric, cauzeaz o asimetrie
de cmp magnetic i de densitate de curent i, deci, o modificare a
forei Lorentz fa de cazul modelului cilindric. n figura 5.43 s-a
reprezentat schematic coloana de diametru variabil a plasmei care
se afl n echilibru hidrodinamic. Pentru un punct oarecare situat la
o anume distan fa de piciorul arcului, echilibrul electrodinamic
este definit de relaia: dvJBgradpp (5.130) dt unde ( J B )
reprezint fora Lorentz, v- vectorul vitez, de care este antrenat
plasma i d- densitatea. n axa coloanei B = 0. Deci fora Lorentz
este nul, astfel c rmne: dvgradpd (5.131) dt ceea ce arat c
presiunea scade de la electrod spre coloan, adic se obine o cdere
de presiune n direcia axial, care este cauza fluxului de plasm de
la electrod. Pe poriunea cilindric, n apropierea electrodului se
poate considera coloana cilindric i masa plasmei imobil, adic este
valabil relaia (5.25). Formarea curenilor de plasm are drept
consecin eliminarea unei mase de plasm i, deci, deionizarea arcului
electric. Sub acest aspect, n tehnica ntreruperii arcului electric
se urmrete formarea de zone trangulate de arc electric. Aceast
modificare de diametre, pe msur ce se trece la alt seciune
transversal n coloana arcului, determin o asimetrie de cmp magnetic
i de densitate de curent, adic o modificare a forelor Lorentz fa de
cazul modelului cilindric. Efectul acestei asimetrii const n
formarea de cureni de plasm ctre axa de simetrie transversal a
arcului electric. n zona acestei axe, curenii de plasm provenind de
la cei doi electrozi se izbesc i dau natere unei expulzri de plasm
n planul de simetrie transversal.
Formarea curenilor de plasm are drept consecin eliminarea unei
mase de plasm i, deci, deionizarea arcului. Sub acest aspect, n
tehnica ntreruperii se urmrete formarea de zone strangulate de arc
electric, figura 5.44.a, unde arcul 3 este strangulat de plcile
izolante 1 i 2. Disimetria astfel format determin cureni de plasm
dup direciile marcate cu sgeat. n figura 5.44.b arcul electric
aprut ntre elementele de contact 1 i 2 este obligat s parcurg
orificii practicate n perei ceramici izolani 3. Expulzarea de
plasm, care are loc dup direcia sgeilor este nsoit de rcirea
plasmei eliminate, n contact cu pereii ceramici reci. Echipamentele
de comutaie la care se aplic principiul rcirii arcului electric n
contact cu pereii reci sunt contactoarele i ntreruptoarele de
curent continuu de joas i de medie tensiune. n realitate,
temperatura scade, avnd valoarea maxim n axa coloanei. Odat cu ea
se modific conductivitatea electric i conductivitatea termic. Se
tie c n gaze conductivitatea depinde puternic de temperatur i
determin starea coloanei arcului. De aceea, distribuia densitii de
curent i a temperaturii arcului sunt foarte neuniforme - figura
5.45. n figura 5.45.a se indic repartiia temperaturii (T) i a
densitii de curent (j) ntr-un plan transversal pe arc, iar n figura
5.45.b distribuia temperaturii ntr-un plan median pe arc. Coloana
central fierbinte a arcului are o temperatur maxim care descrete
rapid spre periferie, grania de existen a arcului electric
corespunznd temperaturii de disociere a gazelor. n aparatele de
comutaie se folosesc frecvent lichide de stingere, n special uleiul
izolant. La deschiderea contactelor ntr-un mediu fluid, are loc,
sub influena temperaturilor nalte din arcul electric, o rapid
vaporizare i supranclzire a lichidului nconjurtor. 0
15000K4000KTjd3000K6000K9000K10000K11000K12000K
Fig 5.45 Repartitia temperaturii si a densitatii de curent Se
obine o bul de gaz sub presiune figura 5.46, n care se poate
deosebi o repartiie a temperaturilor n zone mai mult sau mai puin
conturate. Capacitatea mai bun de rcire a arcului n lichide fa de
aer se datorete conductivitii termice i cldurii specifice c, mult
mai mari n ulei fa de aer. Aceasta justific utilizarea uleiului ca
mediu de stingere la ntreruptoarele de nalt tensiune. Coloana
arcului Temp. 10000-15000Knveli gazosCderea de temp. 500K
nveli cu gaz sub presiuneTemp. scade spre exteriorStrat de fluid
la temp. de fierbereLichid cu temperatura mediului ambiant Fig 5.46
Repartitia temperaturilor la arcul electric dezvoltat n ulei n
sfrit, n vid naintat, mediu care datorit rigiditii dielectrice mari
este un mediu de stingere ideal, posibilitatea de ionizare este att
de redus nct plasma, respectiv coloana arcului, n sens clasic, nu
pot exista. Ca o observaie general se menioneaz c la trecerea prin
coloana arcului ,curentul electric este format 9999,9% din
electroni. Aceasta rezult i din ecuaiile densitii de curent n plasm
(relaiile 5.7 i 5.8), care prin neglijarea densitii de curent de
difuzie, devin: jjejie Ne veEN1 vi E (5.132) cunoscut fiind c la
numr egal de sarcini Ne = Ni, viteza de deplasare a electronilor
este mult mai mare dect cea a ionilor (ve vi). Principiul expandrii
asociat cu jetul de lichid este folosit la stingerea arcului
electric cu ajutorul unui mediu lichid, cum este uleiul mineral
care are i bune proprieti electroizolante. Energia arcului este
folosit parial la vaporizarea uleiului i, deci, la formarea unei
presiuni de 30-100 bari n camera de stingere. Prin aceasta se
realizeaz o conductivitate termic sporit, care permite transferul
cldurii din coloana arcului electric ctre pereii camerei de
stingere. n cazul curentului alternativ, intensitii maxime a
curentului i corespunde o presiune local maxim, dup care, odat cu
scderea curentului i presiunii, are loc o vaporizare. Acest proces
de vaporizare este reluat de 2-3 ori, pn cnd presiunea n camera de
stingere a crescut suficient pentru a determina stingerea arcului
electric la trecerea prin zero a curentului. La intensiti mici ale
curentului, cantitatea de gaze este insuficient pentru rcirea
arcului electric i, de aceea, se creeaz un jet de lichid dirijat
asupra arcului electric. Conductivitatea termic relativ redus a
aerului atmosferic (din cauza coninutului mare de azot), ca i
rigiditatea dielectric redus (20-30 kV/cm, n cmp omogen) sunt
caracteristici care nu ofer posibilitatea obinerii de performane
ridicate n cazul comutaiei curenilor inteni (la tensiuni nalte) n
aerul atmosferic. Principiul vidului avansat n camerele de stingere
mbin dou idei de baz: 1) rigiditate dielectric sporit la distane
extrem de reduse ntre contacte i 2) dezvoltarea arcului electric n
vapori metalici provenii din eroziunea fin a elementelor de
contact. Arcul electric format la separarea elementelor de contact
este o plasm de vapori metalici, care se dezvolt n vidul avansat.
Procesele fizice n faa catodului rmn aceleai ca la orice arc
electric. Caracteristic arcului electric n vid avansat este,
difuzia extrem de rapid a vaporilor metalici i, deci, a plasmei
care, n contact cu pereii reci ai unui ecran, se condenseaz i vidul
este refcut. Toate echipamentele de comutaie n vid au tendina de a
tia curentul din arcul electric care, astfel, nu se mai stinge la
trecerea natural prin zero, ci mai devreme. Refacerea rigiditii
dielectrice, dup o ntrerupere, se efectueaz extrem de rapid,
datorit difuziei i condensrii vaporilor metalici. Realizarea
echipamentelor de comutaie cu stingerea arcului electric n vid
avansat a fost posibil prin progrese tehnologice n direcia
realizrii de lipituri metalsticl, metal-ceramic i n direcia
obinerii de noi materiale pentru contacte. La echipamentele cu
comutaie n vid, pe lng condiiile normale pe care trebuie s le
ndeplineasc un contact, se mai cere ca din el s se poat dezvolta, n
prezena arcului electric, o cantitate suficient de vapori metalici,
pentru a nu se produce taierea timpurie a curentului. Principiul
vidului avansat se aplic n construcia ntreruptoarelor de medie
tensiune. Stingerea arcului electric n contact cu granule din
material refractar este un principiu utilizat n construcia
siguranelor fuzibile. n aceste echipamente arcul electric apare dup
topirea, provocat de trecerea curentului de scurtcircuit, a
benzilor sau firelor aezate n mediu granulos (nisip de cuar).
Transferul de cldur de la plasm la granulele de nisip se realizeaz
prin conducie termic, arcul se rcete, sfrind prin a se stinge.
Principalele cerine ce se impun pentru o stingere eficient a
arcului electric sunt: energia degajat de arc s fie minim;
ntreruperea s se realizeze ntr-un timp ct mai scurt i ntr-un volum
ct mai redus; supratensiunile ce apar la ntrerupere s fie ct mai
mici. ntruct stingerea natural, produs prin simpla alungire a
arcului la deschiderea contactelor, nu satisface aceste cerine dect
la tensiuni i cureni mici, aparatele electrice destinate a efectua
comutaii sub sarcin sunt echipate cu dispozitive numite camere de
stingere, n care se dezvolt i se stinge arcul electric. Camerele de
stingere au rolul funcional de a rci intensiv arcul electric i de a
crea instabilitate n arderea lui. Acest proces poate fi realizat
prin folosirea unor principii de stingere a arcului electric, care
imprim forma constructiv a camerei de stingere i uneori a
aparatului de comutaie n ntregime. Utilizarea unui anumit principiu
de stingere se stabilete n funcie de parametrii sarcinii, natura
sarcinii ca i de regimul de lucru. n cele ce urmeaz, se vor
prezenta principiile utilizate la stingerea arcului electric i
principalele lor aplicaii, sub forma unor construcii de camere de
stingere. Principiul de ion const n extragerea de cldur din coloana
arcului, la contactul acestuia cu pereii reci. n prealabil, arcul
electric este introdus n camera de stingere, pentru a lua contact
cu pereii reci, cu ajutorul suflajului magnetic creat de o bobin
parcurs de curentul din circuit. Prin separarea contactului mobil
de cel fix, apare arcul electric care se dezvolt ntr-o zon de
inducie magnetic B. Cmpul magnetic este produs de curentul i, care
parcurge bobina de suflaj, avnd miezul de fier. Acest miez se
prelungete cu piesele polare, n zona de apariie a arcului electric.
Sub influena forei Lorenz, F = j x B , arcul electric este mpins n
camera de stingere, se alungete ntre rampe (coarnele) i este
obligat s intre ntre pereii reci ai plcii refractare, n contact cu
care se deionizeaz. Stingerea arcului se mai poate realiza n camere
cu fante nguste cu perei rezisteni la arc. n aceste camere arcul
este atras prin suflaj magnetic n fanta ngust. Pe msur ce arcul
intr n fant se micoreaz diametrul arcului i curentul scade. Pentru
a asigura pe toat durata stingerii arcului atingerea lui cu pereii
camerei, deschiderea fantei se va ngusta progresiv. Pereii camerei
sunt executai din amot, steatit, azbociment etc. Aparatele de
comutaie care funcioneaz dup principiul de ion asociat cu suflaj
magnetic sunt n mod deosebit contactoarele i ntreruptoarele de
curent continuu. Aplicaia acestui principiu poate fi urmrit la
ntreruptoarele de tip Solenarc - figura 5.47. Stingerea arcului n
acest aparat are loc prin alungirea lui n form de solenoid i rcirea
lui n atingerea cu pereii reci. n figura 5.47 se prezint un
ntreruptor de fabricaie Merlin - Gerin. La deschiderea
ntreruptorului, arcul se formeaz ntre piesele de contact 1. n cazul
deconectrii unui curent de scurtcircuit, efectul de bucl creeaz
fore electrodinamice capabile s mping arcul ntre coarnele de arc 2.
n cazul deconectrii unui curent nominal, arcul electric se
stabilete ntre coarnele 2 sub influena aerului suflat de
dispozitivul cu burduf 7. Trecerea arcului electric de pe coarnele
2 n ntrefierul 4 de la baza camerei de stingere se realizeaz cu
ajutorul suflajului magnetic produs de bobinele 3. La partea
inferioar a camerei de stingere, arcul electric ntlnete o serie de
clrei 5, din plci de cupru, care ncalec fiecare plac refractar 8 a
camerei de stingere. Picioarele fiecrui arc elementar se stabilesc
pe aceti clrei, iar arcul este constrns s ia forma unei bucle
(solenoid) n spaiul dintre dou plci refractare. n continuare, arcul
constituit sub form de bucl este ntins sub aciunea cmpului magnetic
propriu pn la stingerea lui n contact cu plcile refractare. Braul
mobil continu s se roteasc spre dreapta, antreneaz cuitele
auxiliare 6, care ies din contactele lor i separ vizibil
contactele.
Fig. 5.47 Intreruptor Solenarc (Merlin-Gerin) Efectul de
electrod const n divizarea arcului, prin intermediul unor plcue
metalice, ntr-un numr de arce scurte independente i nseriate,
fiecare caracterizate printr-o cdere de tensiune anodic, catodic i
n coloana arcului. Pentru n segmente de arc, cderile de tensiune la
electrozi cresc de n ori i, asociat cu alungirea i rcirea coloanei
arcului, rezult o cdere de tensiune total ce nu poate fi asigurat
de surs. Plcuele metalice utilizate la divizarea arcului pot fi din
cupru sau oel zincat, situaie n care apare i efectul de ni, ce
const din exercitarea unor fore suplimentare ce au tendina de a
poziiona arcul spre interiorul niei, dnd natere unui traseu alungit
i aducnd arcul n contact cu pereii reci. Efectul de electrod este
frecvent utilizat la stingerea arcului electric de curent
alternativ n ntreruptoare i contactoare de joas tensiune, deoarece
dat fiind trecerea natural a curentului prin zero, tensiunea
necesar reaprinderii poate lua valori mari. Numrul de intervale de
stingere ntre plcuele metalice se calculeaz innd seama de valoarea
tensiunii de restabilire. Dispunerea plcuelor metalice ntr-o camer
de stingere cu efect de electrod este artat n figura 5.48.
Fig. 5.48 Realizarea principiului efectului de electrod n
varianta a) plcile 3 sunt din oel zincat pasivizat i au form de V,
pentru ca, sub aciunea efectului de ni, arcul s fie alungit,
divizat i deionizat. Arcul electric iniial se stabilete ntre
elementele de contact 1 i 2 i, n final, este divizat ntre plcuele
metalice 3. n varianta b) nia camerei de stingere este multipl,
obinndu-se o eficien sporit. n fig. 5.49 este prezentat o camer de
stingere cu bare metalice. Arcul electric, extins ntre rampele 2 i
3, este divizat de barele 1. Introducerea arcului n camera de
stingere se face cu ajutorul unui cmp magnetic auxiliar, care se
stabilete ntre plcuele feromagnetice 4 i 5, pe baza efectului de
ni. Un rol important n procesul de stingere al arcului electric l
joac i masa relativ mare a plcilor sau barelor metalice care extrag
cldura din arc (prin efect de ion).
Fig. 5.49 Camera de stingere cu bare metalice Acest principiu
este folosit la stingerea arcului electric n mediu lichid, obinuit
n ulei mineral, care nu conine oxigen i din aceast cauz arcul nu l
poate aprinde. Coninutul n ap al uleiului este limitat la valori
foarte sczute, pentru a-i asigura proprieti izolante
corespunztoare. a) Stingerea arcului n ulei este mult mai eficient
dect n aer, datorit rcirii mult mai intense i a rigiditii
dielectrice mai ridicate. Energia arcului electric este folosit
parial la evaporarea uleiului i, deci, la formarea unei presiuni de
30100 bari n camera de stingere. Prin aceasta se realizeaz o
transmisivitate termic sporit i se poate extrage cldura din coloana
arcului electric. n cazul curentului alternativ, intensitii maxime
a curentului i corespunde o presiune local maxim, dup care, odat cu
scderea curentului i a presiunii are loc o vaporizare (expandare) a
unei noi cantiti de lichid. Principiul expandrii este folosit la
ntreruptoarele cu ulei mult. La cele cu ulei puin, aplicarea doar a
principiului expandrii nu este suficient pentru stingerea arcului i
atunci camerele de stingere se construiesc astfel nct s dirijeze un
jet de ulei asupra arcului. De regul acest jet de ulei este creat n
procesul ntreruperii, fr o surs exterioar, aprnd sub forma unui
autosuflaj transversal sau longitudinal, astfel nct energia necesar
jetului este luat chiar de la arcul electric. O camer de stingere
ce utilizeaz expandarea i suflajul longitudinal de ulei este
prezentat n figura 5.50- n camera de stingere 4 se afl contactul
fix principal 2 i contactul de arc 3, precum i tija mobil 5. La
ndeprtarea contactului mobil i apariia arcului electric are loc
descompunerea uleiului, gazele rezultante adunndu-se sub presiune n
compartimentele (buzunarele) camerei de stingere, crend n timpul
pauzei de arc un jet ce se mic n lungul traseului arcului.
Fig. 5.50 Principiul expandarii i al suflajului longitudinal La
soluia constructiv din figura 5.50, gazele se deplaseaz prin eava 1
cu viteza vg, n sens contrar deplasrii tijei mobile, ce se face cu
viteza Vt. Pentru a ntrerupe i cureni mici, la care energia arcului
nu este suficient furnizrii unui jet puternic, ntreruptoarele se
construiesc fie cu suflaj transversal, completat cu suflaj
longitudinal (IO-15), fie cu suflaj longitudinal combinat cu
suflaje realizate mecanic, cum ar fi soluiile cu piston diferenial
(IUP-35) sau cu dispozitiv anticavitaional (IO-110). Din
numeroasele f