Aparate de comutatie in vid avansat
Principiile comutatiei in vid avansat Constructia aparatelor de comutatie in vid avansat a fost posibila odata cu cercetarile efectuate de catre fizicianul german Paschen care a dezvoltat studii si cercetari fundamentale in domeniul descarcarilor in gaze la presiuni si distante diferite intre electrozi. Cercetarile complexe s-au concretizat printr-o legitate care defineste tensiunea de strapungere in functie de produsul (p d), asa cum rezulta din Fig. 1., unde p este presiunea gazului, iar d este distanta intre piesele de contact. Diagramele obtinute pentru diferite gaze poarta denumirea de,,legea lui Paschen sau,,curbele lui Paschen. Din aceste curbe rezulta ca in ceea ce priveste aparatele electrice de comutatie exista doua domenii interesante si anume: domeniul produselor (p d) de valori reduse care corespunde aparatelor de comutatie in vid avansat si domeniul produselor (p d) de valori mari, care corespunde aparatelor de comutatie cu aer comprimat (IAC), intreruptoare cu ulei putin si al intreruptoarelor cu hexaflorura de sulf (SF 6 ), bazate pe principiul jetului de aer sau de gaz. U s Vid avansat p=10-7...10-10 bar d=1...22 mm Jet de aer sau de gaz IAC SF 6 U s min (pd) cr Fig. 1. Referitor la curbele lui Paschen (pd)
Zona intermediara (hasurata) nu prezinta interes deoarece reprezinta un domeniu critic in care tensiunile de strapungere au valori minimale. Oportunitatile oferite de cercetarile efectuate de Paschen in domeniul vidului avansat au fost observate de inginerii constructori de aparate electrice, cautând sa le utilizeze. Dar pentru folosirea acestor proprietati a fost necesar sa se dezvolte tehnologii complexe, avansate, dupa cum urmeaza: Producerea si mentinerea vidului un timp indelungat in incinte vidate etanse. Realizarea de anvelope izolante din sticla sau ceramica. Realizarea de sisteme de contacte adecvate comutatiei in vid. Realizarea de burdufuri elastice capabile sa asigure cursa mobila a elementului de contact. Realizarea de lipituri tari metal-sticla sau metal-ceramica. Realizarea de aparatura de control de inalta tehnicitate destinata verificarii comutatiei in vid avansat. Primele firme care au abordat tehnologiile specifice comutatiei in vid au fost, evident, cele care posedau o experienta in tehnica vidului avansat. Aceste firme au fost cele producatoare de tuburi electronice, ca AEG- TELEFUNKEN, SIEMENS, WESTINGHOUSE, s.a. care posedau deja tehnica producerii vidului avansat si a trecerilor metal-sticla. Acestea au obtinut de fapt in prima instanta cele mai mari succese in tehnica constructiei de aparate de comutatie in vid. Ulterior s-a realizat un progres semnificativ prin trecerea la lipituri metal-ceramica. Observatii de natura fizica privind comutatia in vid avansat
Principiul de stingere a arcului electric in camera de stingere cu vid avansat se fundamenteaza pe urmatoarele observatii de natura fizica: 1. Presiunea in camera de stingere In acord cu legea lui Paschen, presiunea in camera de stingere este de ordinul 10-12 10-8 bar, iar distanta intre piesele de contact sunt cuprinse intre 1 22 mm. De exemplu la o tensiune U 1000 V, distanta dintre piesele de contact este de aproximativ 1 mm iar la 24 kv de aproximativ 22 mm (vezi Fig. 2.). Rigiditatea dielectrica in aceste conditii este cu mult superioara rigiditatii dielectrice a altor medii ca aerul, uleiul sau SF 6, dupa cum rezulta din Fig. 2. Fig. 2 Tensiunea de strapungere U s a diverselor medii in functie de distanta d intre electrozi. In plus trebuie observat ca izolatia in vacuum este autoregeneratoare in sensul ca dupa numai o singura deconectare, se ajunge din nou la rigiditatea anterioara sau chiar mai buna. Prin studiile statistice efectuate de-a lungul a multor ani s-a stabilit că durata de viaţa a incintelor vidate, depozitate a depaşit 25 de ani. Chiar după un număr de 30.000 de comutaţii la curent nominal, capsulele vidate nu prezintă o compromitere a vidului din incintă.
Camerele de stingere ale întreruptoarelor moderne în vid folosesc ca material de contact sinterizate Cu-Cr. În acest caz în procesul de comutaţie apar vapori de cupru-crom care au mare afinitate pentru oxigen şi hidrogen şi astfel unele molecule libere vor fi captate. Prin aceasta presiunea internă se reduce, iar prin comutaţia curenţilor din jurul curentului nominal durata de viaţa a camerei de stingere se prelungeşte. Astfel rigiditatea dielectrică ridicată din interiorul incintei vidate se menţine practic constantă de-a lungul intregii durate de viaţă. Influenţe din afară, dacă nu apar defecte accidentale, sunt excluse. De asemenea, fenomenele de comutaţie nu au ca urmare nici o modificare negativă a presiunii interioare. La deconectarea de puteri în domeniul scurtcircuitului se menţine un echilibru în ceea ce priveşte captarea de particule, astfel încât presiunea se menţine sub 10-8 bar. Se înţelege de aici că în cazul aparatelor care se află în funcţiune nu este necesară nici o verificare a presiunii. Rămâne de verificat numai etanşeitatea capsulei vidate, pe baza unei rate de pierderi după o depozitare anume. Producătorul precizează anumite măsuri de siguranţă. Astfel, fiecare capsulă vidată va fi de două ori verificată din punct de vedere al presiunii prin metode nedistructive. La presiuni atât de reduse (10-12 10-8 ) bar, parcursul liber mediu λ al particulelor elementare este mult mai mare decât distanţa 1... 35 mm, între elementele de contact. De exemplu, pentru molecule şi atomi din acelaşi gaz : kt λ = 2 (1) 4π 2 pr cu notaţiile: k = 1.38 10-23 Ws/grd - constanta Boltzman p - presiunea în [Pa] r - raza cinetică [m] Pentru ionii de gaz de aceeaşi natură λi = 2λ (2) iar pentru electroni 4 2kT kt λ e = 4 2λ = = 2 2 4π 2 pr πpr (3) Pentru distanţele menţionate, între piesele de contact, rezultă λ de ordinul 0,05...40 m, deci probabilitate de ionizare prin şoc este extrem de redusă.
Datorită distanţelor mici între piesele de contact intensitatea câmpului electric la străpungere poate ajunge 340kV/cm, în ipoteza unui câmp electric omogen. La asemenea valori ale câmpului electric, forma, dimensiunile, gradul de prelucrare a suprafeţelor ca şi asperităţile provenite din cauza eroziunii suprafeţelor de contact, joacă un rol semnificativ. De aceea, rigiditatea dielectrică a unui aparat se consideră a fi efectivă pentru un model construit care a efectuat comutaţii sub sarcina. Din curbele prezentate comparativ în Fig. 2, rezultă că rigiditatea dielectrică prezintă o limitare (saturaţie), în funcţie de distanţă şi ca atare este oportun a se construi aparate de comutaţie în vid numai în domeniul tensiunilor joase şi medii. De asemenea, odată cu creşterea tensiunii peste 24 kv sau 35 kv, trebuiesc luate în considerare şi fenomenele datorate radiaţiilor Röntgen. 2. Arcul electric in vapori metalici In cazul comutatiei in vid avansat arcul electric se dezvolta in vapori metalici proveniti din piesele de contact. Contactul electric intre piesele de contact se realizeaza nu pe toata suprafata ci intre anumite puncte de pe aceste suprafete. Pe masura ce se separa contactele, numarul punctelor de contact scade semnificativ, densitatea de curent creste si topeste varfurile. Metalul incepe sa fiarba apoi sa se vaporizeze. Vaporii metalici difuzeaza rapid in mediul rarefiat al camerei de stingere (incinta vidata) si se condenseaza atât pe suprafetele pieselor de contact cât si pe un ecran potrivit amplasat. In acest mod dupa fiecare deconectare se reface rigiditatea dielectrica intre contacte. 3. Arcul electric difuz, arcul electric autocompresat Pâna la curenti de aproximativ 10 ka, arcul electric este difuz pe toata suprafata pieselor de contact. Solicitarea termica a contactului ca si eroziunea lui sunt relativ reduse. La valori ale curentului in arcul electric peste 10 ka, apare fenomenul de autocompresie; piciorul arcului electric, daca acesta ramâne imobil solicita puternic suprafata contactului, care va suferi o eroziune sensibila. Pentru aceasta sunt concepute solutii speciale care vor fi prezentate mai jos.
4. Curentul taiat Unul din neajunsurile (poate singurul) comutatiei in vid il reprezinta aparitia curentului taiat (chopping current), ca urmare a difuziei rapide a vaporilor metalici in mediul rarefiat al camerei de stingere (diminuarea numarului de purtatori de sarcina), arcul electric stingându-se inainte de trecerea naturala a curentului prin zero, asa cum rezulta din Fig. 6.3. Fig. 3. Referitor la curentul taiat (smuls) Acest fenomen devine nedorit in cazul deconectarii circuitelor, deoarece pot apare supratensiuni periculoase ca urmare a regasirii energiei magnetice acumulata in inductivitatea circuitului sub forma de energie electrica acumulata in câmpul electric al capacitatii parazite dintre piesele de contact. 1 2 1 L 2 Astfel daca Li0 Cu rezulta u i 2 2 = max 0. C Aceasta supratensiune nu trebuie sa depaseasca limita de tinere a izolatiei. Aceste supratensiuni apar in special in cazul comutatiei motoarelor care prin excelenta poseda o inductivitate mare. Pentru ca aceste supratensiuni sa nu ajunga la valori periculoase, valorile curentilor taiati trebuie sa fie mentinuti la valori rezonabile, mai mici de 5 A. In Fig. 3 s-a notat cu t 0 momentul la care arcul devine instabil si cu t t, momentul taierii (smulgerii) curentului. Cu i 0 s-a notat curentul taiat. Curentul taiat este o marime probabilistica, care din punct de vedere statistic se poate prezenta sub forma unei curbe de repartitie, valori medii sau frecventa de aparitie. Curentii taiati depind in primul rând de materialul contactelor si pot fi masurati intr-o anumita schema.
De exemplu, în Fig. 4, este reprezentată frecvenţa de repartiţie a curenţilor tăiaţi pentru contacte de întreruptor din CrCu50, măsuraţi pentru o impedanţă de undă Z = L = 8, 7kΩ C, la care capacitatea C = C p +C x este formată dintr-o capacitate paralelă C p = 279 pf şi o capacitate parazită (a capsulei) C x = 135 pf. Capacităţi paralele C p, respectiv impedanţe de undă Z mai mici conduc practic la parametrii identici, la valori mai ridicate ale diagramei de repartiţie a curenţilor tăiaţi. În Fig, 4 este reprezentată diagrama de repartiţie a curenţilor tăiaţi pentru sisteme de contact CrCu, realizate de firma Siemens. Diagrama de repartiţie prezentată în figură reprezintă un compromis în ceea ce priveşte curenţii tăiaţi de valori cât mai scăzute şi capacităţi de deconectare cât mai ridicate. Se urmăreşte ca valorile curenţilor tăiaţi să se afle în jurul valorilor de 3 A, astfel încât să nu se depăşească anumite limite de supratensiuni. p 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 1 2 3 4 5 i 0 [A] Fig. 4. Frecvenţa relativă de apariţie a curentului tăiat Trebuie observat că nu numai aparatele de comutaţie în vid produc curenţi tăiaţi ci şi alte tipuri de aparate cum sunt cele în SF 6, de exemplu. Încercările au arătat în orice caz că la întreruptoarele cu SF 6, curentul tăiat depinde mai puternic de capacitatea spaţiului de comutaţie, decât la cele cu comutaţie în vid. Cu creşterea capacităţii creşte de asemenea curentul tăiat. La o capacitate de 0,1 μf s-au măsurat curenţi până la 12 A. Această puternică dependenţă nu s-a observat la aparatele de comutaţie în vid.
Curentul tăiat va rămâne practic independent de capacitatea aparatului şi ajunge la o capacitate de 0,1 μf numai la valoarea de 6 A. Prin folosirea de materiale de contact moderne din CuCr, aparatele de comutaţie în vid sunt de asemenea capabile să întrerupă curenţi de scurtcircuit cauzaţi de defecte ce apar în secundarele transformatoarelor. La astfel de defecte, din cauza frecvenţei proprii de oscilaţie înalte a transformatorului, după întreruperea curentului, apar pante foarte abrupte ale tensiunii oscilante de restabilire. Aceste pante se află mult peste limitele impuse de norme, necesare asigurării capacităţii de comutaţie a întreruptorului. De exemplu, pante de tensiuni până la 7 kv/μs pot fi stăpânite pentru o tensiune nominala de 15 kv şi un curent de scurtcircuit de 36 ka. Firma Siemens a reuşit cu întreruptorul în vid să stăpânească pante mai mari de 10 kv/μs la curenţi de scurtcircuit până la 63 ka. Comutaţia de baterii de condensatoare necesită alte cerinţe asupra întreruptorului. În acest caz, refacerea rapidă a rigidităţii spaţiului de întrerupere este necesară deoarece întreruptorul, după trecerea prin zero a curentului, trebuie să ţină o tensiune înaltă. Sunt căutate în acest caz întreruptoare care să nu producă reaprinderi ale arcului electric. Dintre toate, întreruptorul în vid este indicat în acest caz din cauza materialelor speciale de contact pe care le posedă şi a rigidităţii dielectrice sporite. În acestea nu apar reaprinderi. De asemenea, la conectarea bateriilor de condesantoare, aparatele în vid se comportă fară probleme. La fiecare aparat de comutaţie există înainte de atingerea pieselor de contact o predescărcare. Astfel, curge un curent de înaltă frecvenţă între piesele de contact pe care din cauza însuşirilor pe care le posedă ca aparat de de stingere, aparatul de comutaţie poate să-l întrerupă. Deoarece distanţa dintre contacte totuşi este redusă, la stingerea acestui curent de înaltă frecvenţă nu se formează nici o supratensiune. Distanţa redusă dintre contacte, cu puţin înainte de atingerea contactelor, limitează tensiunea maximă la tensiunea nominală. O particularitate a întreruptoarelor în vid constă în aceea că acesta stăpâneşte un şoc de curent. O astfel de situaţie poate să apară dacă tipul de defect se modifică în timpul mişcării contactelor, ca de exemplu dacă un scurtcircuit monopolar la pământ se transformă intr-un scurtcircuit bipolar. În timp ce alte aparate bazate pe alte principii constructive pot rata operaţia, aparatul cu comutaţie în vid preia acest defect fără probleme,
deoarece el nu stinge activ ci aşteaptă pasiv următoarea trecere naturală prin zero. Astfel un interval de stingere în vid este pregătit de stingere şi poate să întrerupă curentul produs de o supratensiune în prima trecere prin zero, în poziţia deschis. La alte principii de stingere, arcul electric de descărcare,,surprinde întreruptorul în poziţia de repaus. El nu poate să întrerupă acest curent, fără să reacţioneze la apariţia unui nou defect în reţea. Contactele electrice Cerintele pe care trebuie sa le indeplineasca materialele utilizate in constructia contactelor electrice sunt urmatoarele: conductivitate electrica mare; eroziune minimala la arcul electric; presiune de vapori mare pentru a prelungi existenta curentului in arc catre valori cât mai apropiate de zero; Materialele care prezinta interes in acest sens sunt: Materiale rezistente la temperaturi inalte: W (Θ topire =3683 K, Θ fierbere =6200 K) Mo (Θ topire =2890 K, Θ fierbere =5830 K) Cr (Θ topire =2130 K, Θ fierbere =2755 K) Aceste metale pot realiza o presiune de vapori mare daca arcul electric este mentinut in aparat multe semiperioade, dar in acest caz se ajunge la temperatura de fierbere a elementului de contact. Aceasta temperatura ridicata faciliteaza reaprinderea deoarece se situeaza deasupra temperaturii de ionizare (~3000K) ca si tendinta de sudare a contactelor. Folosirea acestor metale singure este prohibitiva si din cauza conductivitatii electrice reduse. Metale cu presiune de vapori mare: Bi (904 K), Sb (544 K), nu pot fi folosite singure deoarece sub actiunea arcului electric se erodeaza puternic iar cantitatea de vapori nu se poate condensa in intregime. Se mentine astfel o presiune de vapori care nu permite intreruperea arcului electric.
Din punct de vedere practic, cerintele mentionate sunt indeplinite de combinatii realizate sub forma de materiale sinterizate din doua sau mai multe componente cu sau fara adausuri (dopanti) de metale cu presiune mare de vapori. Tipul constructiv de contacte depinde de tipul aparatului construit. In cazul contactoarelor in vid, care se construiesc pentru regim greu de functionare, adica un numar mare de deconectari pe ora (400 600 c/h), pentru curenti nominali I n = 400 A de exemplu, arcul electric se mentine difuz, chiar si la 10 I n. Structura rezistenta la temperaturi inalte este data de elementul W sau Mo, adica de metale cu temperaturi de topire si de fierbere (vaporizare) ridicata. De exemplu pentru o structura WCu30 s-au obtinut curenti taiati de ~ 3,7 A, iar pentru varianta WCuSb1, curenti de 2,7 A. In cazul când se urmareste sa se obtina curenti taiati si mai mici, se pot folosi contacte WCu30 cu SbBi (90/10) in nut. Astfel s-au obtinut curenti taiati ~ 0,3 A. La aceste variante, aliajele SbBi si Sb sunt introduse in nuturi de forma cilindrica sau inelara, in masa de Mo sau sinterizat WCu30. In toate cazurile suportul contactelor se realizeaza cu CuOFHC. In ceea ce priveste intreruptoarele de putere in vid acestea se construiesc pentru game de curenti nominali I n = 630 4000 A, cu capacitate de rupere I r < 50 ka si tensiuni nominale U n < 36 kv. Arcul electric de deconectare este autocomprimat (I r > 10 ka), datorita efectului Pinch, temperatura la piciorul arcului pe contact poate ajunge la temperatura de fierbere a componentului refractar. Pentru a facilita stingerea arcului electric si pentru eliminarea eroziunii contactului, in constructiile existente elementul refractar este metalul Cr cu temperatura de vaporizare mai mica decât la W sau Mo. Ca variante uzuale se construiesc contacte CuCr50. Geometria contactului determina deplasarea piciorului arcului prin efectul fortei Lorentz. Suprafetele de contact sunt realizate din piese inelare din material sinterizat CuCr iar suportul din CuOFHC. In suportul de forma unui pahar sunt practicate taieturi inclinate (de exemplu varianta Siemens), de natura sa faciliteze aparitia fortei Lorentz la separarea elementelor de contact si astfel piciorul arcului electric sa fie deplasat tangential la suprafata de contact.
Contactorul in vid In Fig. 5. sunt prezentate cateva solutii constructive pentru contactele contactoarelor in vid. Fig. 5. Contacte pentru contactoarele in vid a) WCu30; b) WCu30Sb1; c) SbBi90/10 in nut cu suport de WCu30; d) Sb in nut cu suport de WCu30
In Fig. 6. este prezentata schita de principiu a unui contactor in vid de medie tensiune, U n = 6.6/3.3 kv, I n = 300 A, 50-60 Hz, S r = 50/25 MVA, unde: 1. contact fix; 2. contact mobil; 3. ecran din sticla; 4. balon din sticla; 5. burduf; 6. resort pentru asigurarea presiunii pe contacte; 7. electromagnet de actionare; 8. resort antagonist; 9. contacte auxiliare; 10. inel metalic inferior; 11. inel metalic superior; A, B - borne de racord. Fig. 6. Schita de principiu a unui contactor in vid de medie tensiune
Intreruptorul in vid In Fig. 7. sunt prezentate piesele de contact de la un intreruptor in vid. In Fig. 8. este prezentata schita unei camere de stingere Siemens pentru un intreruptor in vid. Fig. 7. Piesele de contact de la un intreruptor in vid
Fig. 8. Schita unei camere de stingere Siemens 1 boltul piesei fixe de contact; 2 salba la piesa fixa de contact; 3, 7 izolator ceramic; 4 piesa fixa de contact; 5 invelis metalic cu rol de ecran; 6 piesa mobila de contact; 8 burduf metallic; 9 ghidaj; 10 bolt la piesa de contact; 11 racord mecanic la sistemul de actionare; 12 teava pentru evacuarea gazelor, in final sertizata