Arcul electric. Amorsare. Proprietati.

Arcul electric. Amorsare. Proprietati.

Echipamentele de comutatie reprezinta o clasa importanta a echipamentelor electrice, avand in principal rolul de a stabili si intrerupe

conductia in circuitele instalatiilor.Comutatia circuitelor poate fi dinamica sau statica, dupa cum echipamentele de comutatie realizeaza aceasta operatie pe cale mecanica, prin inchiderea si deschiderea unor contacte electrice, respectiv prin variatia comandata a unui parametru electric de tip impedanta (in particular rezistenta), specifica echipamentelor de comutatie fara contacte. Deconectarea

dinamica, insotita de amorsarea arcului electric intre contacte, ridica dificile probleme de ordin tehnic. In acest caz apare o solicitare suplimentara, produsa ca urmare a transferului de energie din coloana arcului spre componentele constructive din imediata vecinatate, ceea ce face ca temperatura acestora sa creasca rapid, la valori ridicate. Este necesar astfel ca intreruperea unui circuit

aflat in sarcina sa se obtina prin stingerea definitiva a arcului electric de deconectare intr-un timp scurt, inainte ca acesta sa produca efecte ireversibile, atat asupra elementelor constructive cu care vine in contact, cat si asupra stabilitatii instalatiei din care face parte circuitul care se deconecteaza.

Deconectarea dinamica a circuitelor parcurse de curent este insotita de amorsarea, intre contactele echipamentului de comutatie, a unui arc electric, prin coloana caruia curentul continua sa circule. Arcul electric de deconectare reprezinta o descarcare autonoma, prin care spatiul dintre contacte, in general electroizolant, devine bun conducator de electricitate, caracterizat prin densitate de curent si conductivitate de valori mari, temperatura inalta, presiune mai mare decat cea atmosferica si gradient de potential (intensitate a campului electric) de valoare redusa.

Tensiunea us, la care se obtine trecerea de la o descarcare autonoma la una neautonoma, se numeste tensiune de strapungere si este data de legea lui Paschen. Conform acesteia, in ipoteza unui camp electric uniform, stabilit intre doi electrozi situati la distanta d intr-un mediu gazos aflat la presiunea p, tensiunea de strapungere depinde numai de produsul (pd). Dependenta us(pd) este data prin curbele lui Paschen, utile in tehnica echipamentelor de comutatie functionand cu mediu, izolant si de stingere a arcului electric, gazos.Aceste curbe, determinate experimental pentru diferite gaze, sunt date in Fig.1.3. In constructia echipamentelor destinate comutatiei, se urmareste ca, pentru o anumita distanta de izolatie, d, impusa, sa se stabileasca valori de lucru, p, ale presiunii gazului, astfel incat tensiunea de strapungere, us, sa rezulte de valori cat mai mari. In cazul intreruperii curentilor de mare intensitate (mii de amperi si mai mult), odata cu diminuarea fortei de apasare in contact, are loc scaderea numarului contactelor elementare (puncte de atingere), astfel incat densitatea de curent prin suprafata reala de contact creste foarte mult. Aceasta conduce la topirea si vaporizarea exploziva a ultimelor punti metalice dintre piesele de contact, intre care se formeaza o plasma de mare  conductivitate. Arcul electric se considera amorsat intre ramasitele puntilor de contact, imediat dupa explozia acestora si este intretinut pe seama proceselor de ionizare, produse prin emisie termoelectronica si prin ciocniri intre particule avand energii cinetice de valori mari, ca urmare a temperaturii inalte din coloana arcului. Distributia tensiunii si a gradientului de potential in lungul coloanei unui arc electric cu ardere stationara este reprezentata in Fig.1.4, de unde rezulta ca, in vecinatatea catodului, se produce o variatie brusca a tensiunii, numita cadere de tensiune catodica, uK, gradientul de potential corespunzator, EK, avand valori mari. In lungul coloanei arcului, tensiunea uC variaza aproape liniar, incat gradientul de potential poate fi considerat constant, de valoare Ea. La anod se inregistreaza de asemenea o variatie brusca a tensiunii, datorita caderii de tensiune anodice, uA. Caderea de tensiune catodica, avand valori de 10 . 20 V, poate fi considerata constanta, pentru acelasi mediu si acelasi material al electrozilor. Caderea de tensiune anodica are valori dependente de intensitatea curentuluiprin arc. Conform Fig.1.4, tensiunea ua, a arcului electric, se poate scrie sub forma:

ua uK uC uA

neglijand caderile de tensiune la electrozi si tinand seama de caracterul constant al gradientului de potential Ea, relatia (1.9) se poate aduce la forma uzuala:

ua Eal

l fiind lungi mea coloanei Stingerea arcului electric, etapa finala a procesului de deconectare, se obtine prin deionizarea coloanei acestuia, care are ca urmare refacerea rigiditatii dielectrice a spatiului dintre contactele echipamentului de comutatie..

S6.Procedee si dispozitive pentru stingerea arcului electric de curent continuu  Daca in unele aplicatii industriale (sudare electrica, cuptoare cu arc etc.) se urmareste obtinerea unei arderi stabile a arcului electric, in tehnica echipamentelor de comutatie este necesara realizarea unui regim de ardere instabila, favorabila stingerii arcului, prin care se concretizeaza de fapt intreruperea circuitului. Potrivit consideratiilor din §1.3.1, 1.3.2, rezulta ca exista doua posibilitati de principiu, aplicabile in vederea stingerii arcului electric de curent continuu: translarea caracteristicii volt-amper spre valori crescatoare ale tensiunii de arc, respectiv rotirea dreptei de sarcina, corespunzator unor valori crescatoare ale rezistentei circuitului. In conformitate cu relatia (1.10), se mentioneaza urmatoarele posibilitati uzuale de stingere: cresterea tensiunii de arc, prin alungirea coloanei si deionizarea acesteia, cresterea rezistentei circuitului deconectat si modularea curentului de arc.

Stingerea arcului electric de curent continuu se poate realiza pe cale naturala sau fortata. Stingerea naturala (Fig.1.13), proprie echipamentelor de comutatie de mica putere, se obtine prin alungirea coloanei arcului, ca urmare a deplasarii contactului mobil 1 in raport cu cel fix 2, a actiunii fortelor electrodinamice de contur F si a suflajului natural, produs prin deplasarea

gazelor cu temperatura ridicata, 3. Pentru stingerea fortata, echipamentele de  comutatie sunt prevazute cu dispozitive specializate, dintre care uzuale sunt camerele de stingere (asociate cu suflajul magnetic). Camerele de stingere sunt dispozitive care delimiteaza volumul de ardere a arcului electric. Acestea pot fi cu fanta larga (Fig.1.14), respectiv variabila (Fig.1.15a); arcul electric este reprezentat ca un conductor parcurs de curent, avand o miscare ascendenta. Peretii 1 ai camerelor de stingere se confectioneaza din materiale refractare (samot, azbociment, steatit), care se acopera cu lacuri de hidrofobizare, pentru a se limita absorbtia umezelii. La camerele de stingere cu fanta larga (Fig.1.14) distanta dintre peretii laterali 1 este mai mare decat diametrul coloanei. Pe suprafetele exterioare ale peretilor electroizolanti 1 sunt amplasate placile feromagnetice 2, constituind piesele polare ale bobinei de suflaj magnetic. Intensificarea deionizarii coloanei arcului este favorizata de contactul intim al acestuia cu peretii reci ai camerei de stingere; in acest scop, sunt uzuale variantele constructive reprezentate in

Fig.1.15.  In majoritatea cazurilor, camerele de stingere sunt asociate cu suflajul magnetic, exercitat sub actiunea fortelor electromagnetice care alungesc coloana arcului, parcursa de curent si situata in campul magnetic al bobinei de suflaj. Pentru realizarea suflajului magnetic (Fig.1.16), camera de stingere 1 este prevazuta cu o bobina realizata dintr-un numar de spire 2, dispuse pe miezul feromagnetic cilindric 3, avand piesele polare 4 fixate pe peretii exteriori. Curentul care circula prin coloana arcului traverseaza si spirele bobinei de suflaj, producand, intre piesele polare, campul magnetic de inductie B. Interactiunea acestuia cu curentul de arc produce forte electromagnetice, orientate in sensul alungirii coloanei.

Suflajul magnetic poate fi obtinut si cu ajutorul unor campuri magnetice radiale, coloana arcului electric fiind antrenata intr-o miscare de rotatie, cu viteza apropiata de cea a sunetului, pe circumferintele contactelor tubulare 1, 2 (Fig.1.17). Un alt procedeu de stingere a arcului electric de curent continuu consta in cresterea rezistentei circuitului deconectat (Fig.1.18), dispozitivul utilizat numindu-se reductor de curent. La deconectare, puntea mobila de contact C, in deplasare spre pozitia finala, introduce in circuit trepte din rezistoarele R1, R2, obtinandu-se astfel cresterea rezistentei totale a circuitului. Arcul electric amorsat intre contactele finale F si contactul mobil C este stins cu usurinta, datorita valorii mici a intensitatii curentului si arderii instabile.