-Echipamente Electrice-

INTRERUPTOARE CU VID

Student:Lazarescu ElenaGrupa : 2304

CUPRINS:

Introducere;

Constructia intreruptorului;

Principiul intreruperii arcului electric in vid;

Forme practice de electrozi;

Supratensiuni de comutatie;

Avantajele unui intreruptor cu vid;

Bibliografie.

Intreruptoare cu vid

Proprietatile dielectrice ale vidului au fost recunoscute înca din anii 1890, astfel încât de foarte mult timp au existat încercari de a — l folosi la echipamentul de comutatie, în anii 1920 au fost declansate primele studii ale arcului electric (in 1926 apare prima mentionare scrisa a unui întrerup tor de 40 kV ce foloseste stingerea arcului în mediu vidat. Strapungerea electrica în vid are la baza fenomene de la suprafata electrozilor si nu din spatiul izolant. Aceasta a facut ca în vid studiul întreruperii arcului electric sa difere fundamental fata de celelalte întreruptoare. Dezvoltarea întreruptoarelor cu vid a fost însa posibila numai odata cu progresele metalurgiei, care în anii 1960 a reusit sa ofere tehnologia pentru producerea masiva de materiale de contact fara continut de gaze, precum si odata cu perfectionarea mijloacelor de supraveghere a vidului sau de realizare de îmbinari etanse si în acelasi timp flexibile ale metalelor cu sticla sau ceramica Tensiunea arcului electric în vid este foarte redusa, ceea ce face ca uzura contactelor sa fie foarte slaba, acestea rezistând la un foarte mare numar de comutari (de ordinal a 10 intreruperi ).

In 1930 este realizată capsula vidată la o tensiune de 15kV pentru cercetări de laborator, după care în 1964 sunt fabricate capsule mai performante la aceaşi tensiune, capabile să realizeze un numar de 10 deconectări ale unui curent In 1980 este realizată camera de stingere în vid, testată la un număr de 100 de întreruperi ale unui curent de 40 kA.

La întreruptoarele cu vid nu se poate folosi nici unul din procedeele mecanice de suflaj sau de racire a arcului electric. Singurul proces fizic prin care se poate restabili rigiditatea dielectrica a spatiului dintre contacte este difuzia

arcului electric însusi. Singura interventie posibila asupra arcului electric este cea a câmpului magnetic, existând deja diverse variante de impunere a acesteia.

Tensiunile pentru care au fost construite astfel de întreruptoare au fost de 36 kV în anii 1970, apoi de 72 kV în anii 1980, pentru ca sa se ajunga astazi la unitati de stingere de 120 kV. La întreruptoarele cu vid, atât operatia de anclansare cât si cea de declansare se executa de catre o singura piesa mobila, fara a se apela la vreo supapa de suflaj sau la o compresiune a mediului. De aceea, energia necesara actionarii este mai mica decât la orice alt tip de întreruptor, folosindu-se de regula mecanisme cu resort.

Limitarile acestui tip de întreruptoare constau în tensiunea redusa pe camera de stingere si în dificultatea de realizarea a unor camere de stingere capabile sa suporte un curent de durata de valoare mare. Totusi, faptul ca întreruptorul este prevazut cu un spatiu de stingere complet etans, ofera avantajul unei întretineri comode, împreuna cu numarul mare de comutatii care se pot efectua în conditii de siguranta, acest avantaj al întretinerii comode si al costului ei redus, face ca acest tip de întreruptor sa fie foarte apreciat.

1. Constructia intreruptorului

Fiecare pol al înteruptorului cu vid (fig.1) consta din suportul mecanic al camerei de stingere, fixat la rândul lui prin izolatoare suport compozite (rasini sintetice armate cu fibra din sticla) de structura mecanica a mecanismului de actionare, asigurând astfel camerei de stingere un cadru mecanic solid, protejând-o fata de actiunea fortelor electrodinamice sau a celor ocazionate de manevrarea sa . Într-o sectiune transversala a camerei de stingere se observa (fig.2) cele doua portiuni ale anvelopeiizolante (portelan) , ce adapostesc elementele fix si mobil ale contactului principal, aflate în zona numita camera de arc electric. Elementul mobil al contacxtului (cel inferior) este actionat de un mecanism exterior prin intermediul unui element izolant. Ambele elemente ale contactului sunt înconjurate de un ecran protector rezistent la actiunea arcului electric. Discul aflat la partea superioara a camerei de stingere se fixeaza de suportul acesteia, iar partea ei inferioara se conecteaza mecanic cu mecanismul de actionare, ce deplaseaza elementul mobil prevazut cu un burduf metalic

elastic si etans.

Camera arcului electric actioneaza si ca un ecran ce protejeaza cele doua anvelope izolante de actiunea vaporilor metalici ce ptvin de pe suprafata contactelor. La aparitia arcului electric, vaporii metalici ce nu se redistribuie - prin condensare-pe suprafata electrozilor, vor condensa pe suprafata camerei de arc electric, ceea ce constituie o protectie a suprafetei interne a anvelopelor din portelan. Burduful metalic permite deplasarea contactului mobil, asigurând în acelasi timp si etansarea necesara pastrarii vidului înaintat din camera de stingere (8 - 10 MPa ).

Fig.1 - Polul unui intreruptor cu vid

l – suportii camerei de

stingere;2 - borne;3-elementul fix al contactului;

4 - elementul mobil al contactului;5 - camera de stingere; 6

- pârghie cotita;7 - tija izolanta; 8 - resort

Fig. 2 Camera de stingere a intreruptorului cu vid:l - disc de contact,

2 - Anvelopa

ceramica; 3 - Camera de arc electric;4 - piesele de contact;5-burduf metalic;6 - piesa de ghidaj;

7 – capatul elementului mobil

2 Principiul întreruperii arcului electric în vid.

Se bazează pe două considerente:- rigiditatea dielectrică ridicată la distanţe extrem de reduse între contacte;- dezvoltarea arcului electric în vapori metalici proveniţi din eroziunea fină a elementelor de contact;

Rigiditatea dielectrică ridicată se justifică cu ajutorul legii lui Paschen Ustr = f (pd) în domeniul 8 – 10 MPa x (5...20 mm),(fig.4). La presiuni reduse parcursul liber mediu al particulelor elementare este superior dimensiunii liniare a camerei de stingere şi prin urmare străpungerea devine puţin probabilă. La distanţe mici între contacte intensitatea câmpului electric devine extrem de mare(340 KV/m), valoare la care forma, dimensiunile şi gradul de prelucrare al suprafeţelor contactelor joacă un rol important.

În vid neexistând materie, la separarea pieselor de contact arcul electric se formeaza în plasma de vapori metalici produsi de pata catodica. La curent zero, plasma metalica difuzeaza rapid s i dispare, ceea ce face ca întreruptoarele de acest tip sa fie caracterizate de o mare putere de rupere, în schimb întreruperea arcului electric tinde sa se produca nu la trecerea curentului prin zero, ci putin mai devreme, producându-se "taierea" curentului (current chopping). Intensitatea curentului taiat (4...5 A) constituie un criteriu de calitate pentru aparat. Deoarece întreruperea nu dureaza mai mult de o semiperioada, energia dezvoltata de arcul electric este redusa, astfel încât efectele termice asupra contactelor, dar si a camerei în ansamblu, sunt relativ reduse. Înregistrari fotografice rapide au pus în evidenta faptul ca în vid arcul electric este compus din mai multe ramuri elementare, fiecarei pete catodice corespunzându-i un curent de circa 100 A. Fiecare arc electric elementar are forma conica, cu un unghi la vârf de circa 60° îndreptat de la catod spre anod, iar repartitia lor pe suprafata piesei de contact este uniforma. Aceasta situatie (întâlnita pâna la curenti de câtiva kA), în care între cei doi electrozi se afla în paralel coloanele de arc electric elementar, se numeste modul difuz. El este caracterizat de tensiuni de arc reduse (20 V, pentru electrozi din Cu, indiferent de distanta dintre electrozi).Pe masura ce curentii de defect cresc, mai multe coloane de arc electric elementar fuzioneaza si rezulta un arc electric cu coloana mai groasa, tensiunea de arc putând atinge valori de peste 200 V. In astfel de situatii, pe anod apar puncte luminoase, ce corespund piciorului arcului electric s i unde

are loc topirea materialului. Se spune ca arcul electric se afla în modul concentrat. Fata de modul difuz, volumul de vapori metalici este mai mare, si refacerea rigiditatii dielectrice este stânjenita, ceea ce scade proprietatile de întrerupere ale întreruptorului. Pentru cresterea puterii de rupere trebuie deci evitata aparitia arcului electric concentrat, în acest scop sunt disponibile doua solutii:

evitarea topirii materialului anodic, prin deplasarea continua a piciorului arcului electric sub actiunea unui câmp magnetic transversal;

reducerea densitatii energiei incidente cu anodul, prin împrastierea arcului electric pe întreaga suprafata a electrodului, sub actiunea unui câmp magnetic axial.

In ultimul caz se reduce sensibil si curentul ce se deplaseaza între electrod si ecranul din camera de arc electric.

Fig. 3- Legea lui Paschen

(aer).În câmp electric uniform, tensiunea de strapungere (Us) variaza functie de produsul dintre presiunea gazului (p) si distanta dintre electrozi (d) dupa legea lui Paschen.

3 Forme practice de electrozi

În functie de performantele ce trebuie asigurate întreruptorului cu vid, elementele contactului sau se pot clasifica în trei categorii:

electrozi plani; electrozi cu câmp magnetic de antrenare (transversal); electrozi cu câmp magnetic axial.

Prima varianta ce a fost folosita la întreruptoarele cu vid: contacte simple, cu electrozi plani, actionând într-un mediu vidat. De regula, pentru cresterea curentilor de rupere se impunea marirea corespunzatoare a diametrului electrozilor. Pentru curenti de defect mai mari decât 10 kA, arcul electric tinde spre o coloana unica si fixa, ceea ce conduce la temperaturi si afectari pronuntate ale suprafetei electrozilor. Curentii de defect ce pot fi întrerupti cu astfel de electrozi nudepasesc, de aceea, valoarea de 10 kA. De regula, electrozii plani sunt deci folositi pentru întreruperea curentilor ce nu depasesc 8 kA. Pentru prevenirea supraîncalzirilor si topirilor locale ale suprafetelor electrozilor se foloseste ghidarea magnetica a arcului electric cu ajutorul unui câmp magnetic cu o pronuntata componenta transversala. Una dintre variantele constructive este cea a electrodului spiralat (fig. 5, a) , care prin circulatia succesiva a curentului prin profilele spiralate asigura rotirea (deplasarea) periferica continua a arcului electric dintre electrozi. Solutia a permis sporirea curentilor de rupere pâna la 40 kA. Peste aceasta valoare, eficacitatea electrozilor spiralati nu mai este semnificativa, fiind înlocuiti cu

electrozii dintati (fig. 5, b) care prezinta un câmp magnetic transversal mai intens fata de cel al electrozilor spiralati.

Fig. 5 Electrozi cu ghidarea arcului electric cu ajutorul unui câmp magnetic transversal : a-electrozi spiralati, b-electrozi dintati

O geometrie mai eficienta a electrozilor este cea care prezinta un câmp magnetic axial îndreptat în acelasi sens cu curentul ce urmeaza a fi întrerupt.

Initial se folosea în acest scop o bobina exterioara capsulei vidate. Ulteriorînsa a fost identificata o forma a electrodului(fig.6), care prin ea însasi asigura generarea câmpului magnetic axial Cu astfel de variante curentii de rupere pot atinge valori de 200 kA existând perspective ca aceasta valoare sa fie si ea mult îmbunatatita prin per fectionarea acestui tip de electrozi.

Fig. 6.a Electrozi cu câmp magnetic axial

Fig.6.b:Electrozi cu câmp magnetic radial

Fig.6 c- Intreruptor cu câmp magnetic axial si bobina exterioara

4 Supratensiuni de comutatie

La aparitia întreruptoarelor cu vid s-a observat faptul ca din cauza marii lor capacitati de rupere acestea prezinta fenomenul de taiere a undei de curent (întreruperea curentului înainte de trecerea sa prin zero), ceea ce poate conduce la aparitia unor supratensiuni suplimentare, de frecvente foarte ridicate. Insa modemele materiale folosite azi la confectionarea electrozilor conduc la taierea curentului la valori înca acceptabile. Chiar daca întreruperea curentului se produce în apropierea trecerii sale prin zero, reaprinderea arcului electric poate apare în situatia în care imediat dupa întreruperea curentului TTR depaseste rigiditatea dielectrica a intervalului dintre contacte. Daca ulterior reaprinderii arcului electric, curentul de înalta frecventa poate fi întrerupt, se va trece direct în faza de arc electric, ce va fi stins la uzrmatoarea trecere prin zero, când fenomenul se poate repeta. Rezultatul este aparitia unei supratensiuni de reaprindere multipla , caracterizata de cresteri progresive ale amplitudinii, care solicita echipamentul electric din retea. Cresterea amplitudinii supratensiunilor repetate va fi totusi limitata: când rigiditatea dielectrica dintre contacte ve fi superioara amplitudinii TTR, reaprinderile vor înceta.Pe baza celor aratate mai sus rezulta ca întreruptoarele cu vid cu putere de rupere nu foarte mare se pot folosi neprotejate, în schimb, la folosirea întreruptoarelor cu vid pentru întreruperea unor curenti relativ mari, trebuie luate masuri de protectie contra supratensiunilor. O prima masura de protejare este - asa cum s-a aratat deja -folosirea unor electrozi confectionati din materiale care asigura taierea curentului la valori nu foarte ridicate, în continuare, protectia se poate îmbunatati - de exemplu -prin folosirea descarcatoarelor cu ZnO, care prezinta un raspuns corespunzator la actiunea undelor de supratensiune cu front foarte rapid, întrucât supratensiunile

repetate si de amplitudini crescatoare sunt rezultatul unui fenomen de rezonanta între capacitatea si inductivitatea circuitului întrerupt, un alt mijloc eficace de control al acestei rezonante îl constituie folosirea, pe partea dinspre aval, a unor limitatoare de supratensiuni de natura capacitiva sau rezistiv-capacitiva. In primul caz se poate ajunge însa la un arc electric instabil.

5. Avantajele unui intreruptor cu vid Adaptare usoara la orice interfata primara, la o gama larga de

tensiuni auxiliare de comanda, la orice interfata de semnalizare. Compatibilitate cu sisteme SCADA si consum redus de energie. Capacitate de reanclansare rapida ,durata de viata lunga , cu numar

mare de manevre si fara mentenanta. Dimensiuni compacte si masa redusa.

Diferite tipuri de întreruptoare cu vid

BIBLIOGRAFIE:

Furnica, E.-Întrerupătoare cu vid .Iaşi: Ed. Gh. Asachi,2002

T.III.48916

Catalog Siemens HG 12 – 1993.Vacuum Switches

Catalog HA 35.41.August 1995 .Vacuum Circuit

Adam,M.-Monitorizarea şi diagnosticarea întreruptoarelor de putere. Iaşi:Ed.Gh.Asachi,2001 - T.III.48282