ARCUL ELECTRICARCUL ELECTRIC

CONTINUARE (2)

Arcul electric de curent continuuArcul electric de curent continuu

Caracteristica staticădescrie dependenţa ua = f (i) în regim staţionar, pentru o lungime constantă a arcului.

Relaţia Ayrton, stabilită iniţial pentru curenţi până la 10 Ai

ual

lδδδδββββ

γγγγαααα+

++=ua- căderea de tensiune pe arci - curentul prin arcℓ - lungimea arculuiα, β, γ, δα, β, γ, δα, β, γ, δα, β, γ, δ – constante ce depind de materialul electrozilor şi de mediul de stingere

Relaţia Rieder, stabilită iniţial pentru curenţi până la 80 A ( )3

ad

icbau

−

+++= lnl

2

Relaţia Rieder, stabilită iniţial pentru curenţi până la 80 A ( )ad

Caracteristicile statice ale arcului electric de curent continuu calculate cu relaţia Rieder pentru electrozi de argint şi lungimi de 10, 50 respectiv 100 mm ale arcului(liniile punctate au fost trasate pentru a arăta evoluţia caracteristicii reale pentru curenţi mai mari de 200 A, domeniu pentru care relaţia nu mai este valabilă

Valori pentru constantele empirice de material: a = 26 V; bCu = 1.3 cm; bAg = 1.1 cm; bW = 1.6 cmc = 5400 V/cm; d = 7.4 10-3 A

Condiţiile de ardere stabilă şi instabilă ale arcului electricCondiţiile de ardere stabilă şi instabilă ale arcului electric

Sunt reprezentate în figură:curba 1: caracteristica externă a sursei de tensiune continuăcurba 2: caracteristica statică a arcului electric

dt

diLUL =∆ tensiunea de reducere

auiRdt

diLU ++=

Ecuaţia de funcţionare a circuitului

3

auiRdt

LU ++=

( ) auiRUdt

diL −−=

( ) aL uiRUU −−=∆

În regim permanent de funcţionare (di/dt = 0) ecuaţia de funcţionare are forma:

auiRU =−

este satisfăcută în două puncte-P1(i1) respectiv P2(i2) rezultate din intersecţiacaracteristicii externe a sursei cu caracteristica statică a arcului

În regim dinamic

Pentru valori ale curentului în jurul curentului i1 (corespunzător punctului P1) avem următoarele relaţii între mărimile din circuit:

0dt

diLii 1 << - curentul are tendinţa să scadă până la 0

0dt

diLii 1 >> - curentul are tendinţa să crească aducând

punctul de funcţionare în poziţia P2

Pentru valori ale curentului în jurul curentului i2 (corespunzător punctului P2) avem următoarele relaţii între mărimile din circuit:

4

următoarele relaţii între mărimile din circuit:

0dt

diLii 2 >< - curentul are tendinţa să crească către valoarea stabilă i2

0dt

diLii 2 <> - curentul are tendinţa să scadă către valoarea stabilă i2

În consecinţă, în regim dinamic, se constată că - mici flucuaţii ale curentului în jurul valorii i1 pot provoca întreruperea curentului sau deplasarea punctului de funcţionare în P2 P1 instabil- pentru fluctuaţii ale curentului în jurul valorii i2 punctul de funcţionare revine în orice situaţie în poziţia P2. P2 istabil

Modalităţi de stingere a arcului electric de CCModalităţi de stingere a arcului electric de CC

prin ridicarea caracteristicii statice ua = f(i)se poate realiza-prin alungirea mecanică a arcului pe caleaîndepărtării contactelor,-prin deionizarea mediului de arc prin suflajmagnetic, suflaj cu fluide,-răcirea arcului în camere de stingere

Începând cu lungimea lcr (lungime critică - caracteristica statică a arcului este tangentă la caracteristica externă a sursei în punctul A punct instabil de funcţionare)

5

tangentă la caracteristica externă a sursei în punctul A punct instabil de funcţionare) arcul începe să ardă instabil şi prin urmare poate fi stins.

prin înclinarea caracteristicii externe a circuitului,- se poate realiza prin introducerea unor rezistenţesuplimentare în serie cu arcul electric- la creşterea rezistenţei circuitului, curentul de funcţionarestabilă scade şi începând de la valoarea rezistenţei critice(Rcr) când dreapta este tangentă la caracteristica statică, şipentru orice rezistenţă R > Rcr arcul arde instabil

Stingerea arcului prin injecţie de curentStingerea arcului prin injecţie de curent

Întreruperea curentului de arc poate fi realizată prin injecţia de curent de sens opus celui ce străbate arcul, la locul unde se doreşte realizarea comutaţiei

A doua trecere prin zero (b) poate fi folosită pentru întrerupere - curentul variază lent lent

6

Circuit foarte simplu, ce poate realiza local injecţia de curent necesarăCondensatorul C este încărcat cu o sarcină de o anumită polaritate astfel încât curentul injectat în întreruptor să fie de sens opus celui ce trebuie întrerupt în circuitul analizat. Reglarea curentului injectat se realizează cu ajutorul rezistorului din circuitul de injecţie

Arcul de curent alternativArcul de curent alternativ

-arcul se aprinde atunci când tensiunea atinge valoarea

uap, numită tensiune de aprindere

- durează până când tensiunea scade la valoarea uas,

numită tensiune de stingere

- în intervalul tp, numit pauza de curent (pauza de arc)

prin circuit circulă un curent postarc de valoare mică.

- spaţiul de arc devine din ce în ce mai izolant, princreşterea rigidităţii sale dielectrice pe măsura răcirii

7

creşterea rigidităţii sale dielectrice pe măsura răciriiarcului electric- refacerea proprietăţilor dielectrice decide fiereaprinderea în semiperioada următoare, fie stingereaarcului electric

uap depinde de distanţa dintre electrozi, temperatura şi presiunea mediului care înconjoară arcul şi temperatura şi natura materialului contacteloruas depinde de inerţia de deionizare a gazului, conductivitatea acestuia modificându-se mai lent

uap > uas

� Întreruperea unui curent alternativ într-un aparat de comutaţie se obţine prin crearea unei distanţe de separaţie între contacte

o într-un fluid cu proprietăţi izolante (aer, SF6, amestecuri de gaze)

o într-un mediu izolant cum este vidul

� După separarea contactelor curentul continuă să circule prin arcul electricformat

� Întreruperea circulaţiei de curent în circuit se produce prin stingerea arcului

8

� Întreruperea circulaţiei de curent în circuit se produce prin stingerea arcului la trecerea naturală prin zero a curentului.

� Stingerea arcului se produce dacă şi numai dacă conductanţa arcului a fost micşorată suficient prin diferite metode, care urmăresc în general lungirea canalului de arc şi răcirea acestuia.

� Curentul trece prin zero de 2 ori într-o perioadă (pentru 50 Hz la fiecare 10ms)- arcul se reaprinde însă; experienţa arată că pentru curenţi cu intensitate mai mare de 10A, un arc care arde în aer nu poate fi stins fără măsuri speciale

9

Reuşita întreruperii arcului depinde de viteza cu care mediul în care arde arcul îşi regenerează proprietăţile izolante (respectiv capacitatea de a suporta diferenţe de potenţial)

o din momentul stingerii arcului, în circuitul întrerupt începe un regim tranzitoriu pe durata căruia, tensiunea între contactele deschise variază până la stabilirea tensiunii sursei de alimentare (dacă întreruperea reuşeşte) – Tensiune Tranzitorie de Restabilire (TTR)

10

o legea de variaţie în timp a TTR depinde de schema electrică echivalentă a circuitului

o viteza cu care se regenerează proprietăţile izolante ale spaţiului de arc depinde de mediul de stingere şi de metodele de stingere folosite (de construcţia camerei de stingere)

Intreruperea curentului Intreruperea curentului întrîntr--un circuit numai cu rezistenţăun circuit numai cu rezistenţă

11

• curentul este în fază cu tensiunea sursei• după întreruperea circuitului, tensiunea Uab se restabileşte la bornele intervalului inter-contacte cu pantă mică• nu există riscul reaprinderii termice sau dielectrice

Intreruperea curentului întrIntreruperea curentului într--un circuit ideal care are numai un circuit ideal care are numai inductanţăinductanţă

12

• defazajul dintre tensiunea sursei şi curentul din circuit este de 90º electrice• trecerea prin zero a curentului coincide cu trecerea tensiunii sursei prin valoarea maximă,• există riscul reaprinderii termice

IntrerupereaIntreruperea curentului de scurtcircuitcurentului de scurtcircuitîntrîntr--o reţea monofazată (caz real de circuit cu defazaj inductiv între o reţea monofazată (caz real de circuit cu defazaj inductiv între

tensiune şi curent)tensiune şi curent)

13

Intreruperea curentului întrIntreruperea curentului într--un circuit ideal care are numai capacitateun circuit ideal care are numai capacitate

• la trecerea prin zero a curentului din arc, tensiunea la bornele capacităţii are valoarea

14

tensiunea la bornele capacităţii are valoarea maximă (datorită defazajului de 90ºelectrice)• după întreruperea curentului, ub(t), tensiunea la bornele capacităţii rămâne constantă şi egală cu Us,max în timp ce ua(t) variază cu tensiunea sursei• după ½ perioadă tensiunea uab atinge valoarea 2 Us,max

• există riscul reaprinderii dielectrice

Întreruperereuşită a arculuila trecerea prin zero a curentului

15

Reaprindere termicăReaprindere termică

Arcul nu a fost răcit suficient şi în consecinţă, sub acţiunea TTR,

circulaţia de curent se restabileşte

Reaprinderea dielectrică (reamorsarea) arculuiReaprinderea dielectrică (reamorsarea) arcului

16

Momente critice în procesul de deconectare a unui circuitMomente critice în procesul de deconectare a unui circuit

17

Pentru întreruperea completă a curentului, trebuie ca:- bilanţul de energie să fie favorabil proceselor de răcire- intervalul dintre contacte trebuie să reziste solicitărilor dielectrice

În “competiţia" dintre TTR (dependentă de reţea) şi caracteristica de regenerare a proprietăţilor izolante, pot să apară următoarele situaţii (ilustrate de figură):

18