6. APARATE DE COMUTAŢIE ŞI DE PROTECŢIE 6.1. Aparataj de instalaţii Aparatajul de instalaţii este un ansamblu de produse destinate să asigure cerinţele impuse instalaţiei electrice, să protejeze instalaţia şi personalul de exploatare contra efectelor curentului electric, în cazul defectelor accidentale, şi să garanteze funcţionarea corectă a receptoarelor alimentate din reţea. Având în vedere că terminologia în domeniul aparatajului nu este prezentată încă pe plan internaţional sub o formă unitară acceptabilă, se poate considera că, din punct de vedere al rolului fundamental, cel de comutaţie în circuitele electrice, se disting: - aparate de comutaţie de putere, destinate în special pentru conectarea şi deconectarea circuitelor de distribuţie şi de alimentare a receptoarelor; - aparate de automatizare, care operează în circuitele de putere mică, în care circulă semnalele de comandă. Din punct de vedere al rolului specific în reţeaua de energie, se deosebesc, pe de o parte, aparate de distribuţie şi, pe de altă parte, aparate de comandă şi auxiliare. Aparatele de distribuţie asigură: funcţionarea corectă a reţelei, prin conectarea sau deconectarea diverselor ramuri; protecţia circuitelor, prin întrerupere automată în caz de defect accidental; separarea electrică a circuitelor. Aparatele de comandă au drept scop: - asigurarea funcţionării aparatelor de distribuţie conform scopului instalaţiei, permiţând: - un control al puterii transmise, inclusiv conectarea şi deconectarea sarcinii, atât intenţionat (manual sau automat), cât şi în caz de avarie; - o anumită succesiune a manevrelor din reţea; - realizarea unor funcţii de automatizare: - achiziţii de date (detecţie) constând în culegerea de informaţii, prin intermediul unor captori, privind starea mărimilor caracteristice de proces, în vederea transmiterii lor sistemului de prelucrare a informaţiei; - prelucrarea datelor, având ca rezultat: - emiterea de ordine spre aparatele de comutaţie; - informaţii necesare operatorilor pentru monitorizare funcţionării (de exemplu, semnalizări). Prin comanda unui aparat se înţelege ordinul transmis aparatului de a efectua o anumită operaţie (de exemplu, manevra de închidere sau de deschidere, reglajul). Se disting diverse moduri de comandă asupra aparatelor de comutaţie: - manuală, realizată prin intervenţia umană; - automată, realizată fără intervenţia umană, în condiţii predeterminate; - directă, dintr-un punct situat pe aparat sau în imediata vecinătate a acestuia; - la distanţă (telecomandă), dintr-un punct îndepărtat faţă de aparatul comandat. Aparatele auxiliare sunt folosite în circuite speciale ca, de exemplu, circuitele de semnalizare.
6.2. Aparate de distribuţie 6.2.1. Tipuri de aparate Aparatele de distribuţie pot fi clasificate în : 6.1
- aparate de comutaţie mecanice, care realizează modificarea continuităţii circuitului (închidere-deschidere respectiv stabilire-rupere) prin intermediul unor contacte separabile; - aparate electronice; - siguranţe fuzibile care realizează numai întreruperea (ruperea) în condiţii anormale (supracurenţi). 6.2.2. Funcţiile aparatelor electrice în circuitele de putere Un aparat poate îndeplini una sau mai multe din următoarele funcţii: comutaţia de putere, separarea, protecţia electrică. Noţiunea de comutaţie poate fi privită sub diferite aspecte, în funcţie de context: - modificarea configuraţiei circuitului; - modificarea continuităţii circuitului: - mecanic: închiderea-deschiderea - electric: stabilirea-întreruperea (ruperea) curentului. Modificarea configuraţiei sarcinii în circuitele de putere poate avea loc sub acţiunea unei comenzi manuale sau electrice. Se disting: - comutaţia funcţională, în condiţii normale, eventual într-o secvenţă prestabilită: conectarea/deconectarea de la sursa de energie; modificarea circuitului; - deconectarea (oprirea) de urgenţă (întreruperea alimentării), în caz de pericol; - deconectarea în vederea lucrărilor de întreţinere curentă (mentenabilitate). Asigurarea unei anumite secvenţe de funcţionare a instalaţiei se realizează prin comanda asupra aparatelor de comutaţie din circuitele de putere (funcţia de auxiliar de comandă); Separarea constă în izolarea unui circuit/receptor faţă de sursa de energie, astfel încât să fie posibilă efectuarea în siguranţă a unor intervenţii la partea separată. Protecţia electrică are în vedere evitarea şi limitarea efectelor curenţilor din instalaţie: - protecţia elementelor de circuit şi/sau a receptoarelor în caz de: - supracurenţi (suprasarcini, scurtcircuite); - supratensiuni; - scădere sau lipsă de tensiune; - protecţia persoanelor împotriva electrocutării în cazul atingerilor accidentale (cauzate, în principal, de defecte de izolaţie). Protecţia poate fi realizată direct de către aparat (special conceput în acest scop) sau la comanda altor aparate sau dispozitive de supraveghere încorporate sau asociate aparatului. 6.2.3. Mărimi caracteristice generale ale aparatelor de comutaţie Caracteristicile nominale standard sunt valorile caracteristice aproximative ale mărimilor, specifice ansamblului condiţiilor de funcţionare, care servesc pentru identificarea aparatului şi pe care se bazează încercările acestuia. Valorile nominale (valorile de utilizare) sunt valorile mărimilor caracteristice stabilite, de regulă de către constructor, pentru un anumite condiţii de funcţionare şi care figurează în documentaţia aferentă aparatului (de exemplu, în cataloagele de produse). Tensiunea nominală de utilizare (notaţie internaţională Ue, notaţie uzuală Un) este valoarea tensiunii care, alături de curentul nominal, determină domeniul de folosire a aparatului şi la care se raportează încercările corespunzătoare şi categoria de utilizare. Curentul prezumat al unui circuit reprezintă intensitatea curentului care ar circula în circuitul considerat în absenţa aparatului înseriat în circuit (deci dacă acesta ar prezenta o impedanţă nulă); poate fi apreciat ca valoare efectivă sau ca valoare de vârf.
6.2
Curentul nominal standard al unui aparat este intensitatea curentului, aleasă dintr-o serie normalizată de valori , de regulă aşa-numita serie R10 cu modulul 10 10 ≈1,26 (de exemplu: .....6, 10, 16, 20,25, 32 ,.......100, 125, 160, ..400, ... A). Curentul nominal permanent (neîntrerupt, notat internaţional Iu şi uzual In), precizat de constructor, este valoarea curentului care poate fi suportat de aparat în serviciu neîntrerupt. Curentul termic convenţional (curentul nominal termic, curentul permanent maximal), în aer liber sau în carcasă, Ith este cea mai mare valoare a curentului de durată (8 ore), la 40oC, pentru care temperatura bornelor aparatului nu depăşeşte 105oC (∆θ= 65oC = 65 K). Capacitatea de deconectare (capacitatea de rupere), notată Id, Ir sau Ic, este curentul maxim (valoare eficace) pe care aparatul îl poate întrerupe, fără consecinţe nedorite (degajare de flacără, arc electric permanent, amorsare a arcului electric între faze sau la masă, uzură exagerată a contactelor). Integrala Joule este precizată prin integrala curentului pentru un interval de timp dat: t
I 2 t = ∫t 1 i 2 dt 0
şi este exprimată în A2⋅s Categoria de utilizare defineşte aplicabilitatea aparatului, fiind caracterizată, de exemplu, prin multiplii curentului sau tensiunii de serviciu, factor de putere, capacitate de rupere, selectivitate etc.
6.3. Probleme de comutaţie a circuitelor electrice în curent alternativ În funcţie de natura sarcinii circuitului, fenomenele de comutaţie în circuite au o evoluţie diferită şi, în consecinţă, aparatele de comutaţie cu acelaşi curent termic vor avea o comportare diferită şi performanţe diferite. Alegerea aparatelor de comutaţie trebuie realizată deci în strânsă corelaţie cu natura sarcinii comutate. 6.3.1. Conectarea circuitelor în sarcină Se vor reaminti particularităţile de conectare pentru câteva tipuri de sarcină reprezentative, la aceeaşi valoare efectivă I a curentului în serviciu permanent. a. Curentul de conectare a receptoarelor rezistive normale, cu rezistenţa R, a căror temperatură de funcţionare nu depăşeşte câteva sute de K, poate fi considerat practic egal cu curentul de funcţionare în serviciu de durată (treaptă de curent): I =
U R
.
(6.3.1)
b. Conectarea sarcinilor cu caracter preponderent inductiv (R + L), caracterizate prin factorul de putere cosϕ, include un regim tranzitoriu, în care intensitatea curentului este dată de o relaţie de forma menţionată anterior pentru regimul de scurtcircuit (§ 3.7): t − i = Iˆ sin α e T +sin ( ωt −α)
,
(6.3.2)
unde Iˆ = 2 I este amplitudinea curentului în serviciu permanent, α = ϕ - Ψ, Ψ - unghiul de conectare (evaluat faţă de trecerea prin zero a tensiunii), T = L/R - constanta de timp electrică a circuitului. Se observă că la t = 0 rezultă curentul de conectare i0 = Iˆ sin α ,
(6.3.3)
iar după prima semiperioadă se manifestă curentul de şoc, a cărui valoare se calculează cu relaţia similară expresiei 3.7.4: Iˆsoc ≈ 2,5 ⋅ I
6.3
.
(6.3.4)
c. Pentru sarcinile cu caracter capacitiv (C+R), în cazul cel mai defavorabil de conectare, curentul va fi. t − i = Iˆ tgϕe T −sin ω t
,
(6.3.5)
iar la t = 0 rezultă: io =
Iˆ ωRC
,
(6.3.6)
care, în cazul când rezistenţa circuitului este foarte mică, poate atinge valori de (3 … 10)I. d. La conectarea lămpilor cu incandescenţă, filamentul aflat iniţial în stare rece, ajunge în stare finală la temperaturi ce depăşesc 2500 K. Deoarece rezistenţa variază aproximativ cu puterea 1,2 a temperaturii absolute, valoarea iniţială a acesteia este de circa 13 ori mai mică decât valoarea în serviciu permanent. Rezultă, în general, un curent la conectare de ordinul (12 … 15)I. Curentul de conectare intră, de regulă, în categoria supracurenţilor funcţionali. Valorile curentului de conectare influenţează încălzirea căilor de curent, inclusiv comportarea contactelor aparatelor de comutaţie, existând riscul de sudare a contactelor. Aceleaşi valori sunt resimţite de aparatele de protecţie la supracurenţi, care nu trebuie să le interpreteze drept valori de defect şi, prin urmare, nu trebuie să provoace deconectarea sarcinii. 6.3.2. Deconectarea circuitelor Întreruperea unui circuit este însoţită de formarea unui arc electric între contactele aparatului de comutaţie. Arcul electric reprezintă, în general, un fenomen nedorit, având un efect termic distrugător şi prelungind timpul de întrerupere efectivă a circuitului. De reţinut că arcul în curent alternativ se stinge în fiecare semiperioadă în momentul trecerii naturale a curentului prin zero şi se poate reaprinde în semiperioada următoare dacă deionizarea nu este suficientă, respectiv dacă rigiditatea dielectrică a spaţiului de descărcare este inferioară tensiunii aplicate. După trecerea prin zero a curentului şi stingerea arcului electric, tensiunea între contactele aparatului de comutaţie devine tensiunea reţelei, în urma unui proces tranzitoriu sub forma unei oscilaţii sinusoidale amortizate, cu o frecvenţă mult superioară frecvenţei
Fig. 6.3.1
reţelei, ceea ce dă naştere la o supratensiune (tensiunea oscilantă de restabilire). În absenţa amortizării, valoarea de vârf poate atinge 2 Uˆ sau chiar 2 Uˆ (cum este, de exemplu, cazul sarcinilor capacitive). Reamorsarea arcului electric este rezultatul unei adevărate competiţii între tensiunea oscilantă de restabilire (determinată de reţea) şi restabilirea rigidităţii dielectrice a spaţiului dintre contacte (determinată de construcţia aparatului de comutaţie), competiţie care se 6.4
desfăşoară diferit în diferite aparate şi la diferite tipuri de sarcini. Viteza de restabilire a tensiunii şi amplitudinea acesteia depind, în principal, de constantele circuitului întrerupt. Restabilirea rigidităţii dielectrice este determinată, în primul rând, de acţiunea dispozitivelor pentru stingerea arcului, de proprietăţile mediului care stinge arcul, etc. În figura 6.3.1 sunt reprezentate evoluţiile în timp pentru: tensiunea reţelei (cu valoarea U0 în momentul trecerii prin zero a curentului, curba 1), tensiunea oscilantă de restabilire (curba 2), tensiunea de arc Ua, restabilirea rigidităţii dielectrice în spaţiul de descărcare (curba A - caz în care are loc străpungerea spaţiului de descărcare şi reamorsarea arcului electric, respectiv curba B - când arcul nu se reaprinde). În general, aparatele de comutaţie mecanice sunt construite astfel încât, în mod repetitiv şi fără a suferi deteriorări sensibile, să accelereze stingerea arcului electric, prin deionizarea intensivă a spaţiului de descărcare şi prin realizarea unei anumite viteze de separare a contactelor. Trebuie subliniat şi faptul că, în anumite situaţii, coloana de arc electric de deconectare poate juca un rol pozitiv în limitarea valorii curentului întrerupt, prin înserierea rezistenţei sale în circuit (§ 6.3.3). 6.3.3. Limitarea curentului întrerupt În timpul întreruperii, în funcţie de parametrii aparatului de comutaţie şi ai reţelei, curentul de defect din circuit atinge cel puţin o dată valoarea de vârf. Efectele termice şi electrodinamice ale curenţilor de scurtcircuit, ale căror valori depăşesc de zeci de ori valorile curentului în serviciu normal şi care pot necesita câteva semiperioade până la întreruperea de către aparatul de comutaţie, impun ca, pe cât posibil, să se diminueze amplitudinea şi durata curenţilor respectivi. Limitarea curentului întrerupt constă în abilitatea aparatului de a împiedica atingerea valorii de vârf a curentului de defect prezumat din circuit, reducând valoarea curentului întrerupt şi durata acestuia prin circuit (sub o semiperioadă) şi diminuând astfel solicitările termice şi mecanice din elementele de reţea parcurse de curent şi perturbările electromagnetice rezultate. Limitarea curentului contribuie la exploatarea optimă a circuitelor electrice, a sistemelor de bare colectoare şi a aparatelor de comutaţie şi contribuie la prelungirea semnificativă a duratei de viaţă a acestora. În acelaşi timp, devine posibilă
Iˆ il
Întreruptor normal Fusibil Întreruptor limitator
Fig. 6.3.2
realizarea în mod economic a selectivităţii funcţionării aparatelor pe niveluri diferite ale reţelei de distribuţie. Procesele fizice care contribuie la limitarea curentului întrerupt sunt specifice fiecărui aparat de comutaţie. 6.5
Figura 6.3.2 exemplifică procesul de întrerupere în cazul întreruptoarelor şi al siguranţelor fuzibile. Curentul întrerupt este limitat la o valoare il < Iˆ .
6.4. Aparate de comutaţie mecanice 6.4.1. Aparate cu funcţii specifice O mare parte din aparatele de comutaţie sunt destinate să realizeze sarcini specifice în circuitele de distribuţie, fiecare aparat prezentând anumite particularităţi de funcţionare. a. Separatorul se caracterizează prin: - închidere şi deschidere manuală, cu viteză dependentă de operator; - două poziţii de repaus (închis, deschis); - în poziţia deschis, evidenţiabilă în mod clar (fie vizibil, fie prin dispozitive de semnalizare), realizează o distanţă de izolare corespunzătoare, care asigură protecţia personalului la intervenţia în instalaţia din aval; - nu poate fi manevrat în sarcină, ci numai în gol (stabilirea şi întreruperea curentului de sarcină se realizează de către alte aparate din circuit); - realizează funcţia de separare; - suportă timp nelimitat curenţii normali şi, pentru scurt timp (precizat), curenţi de suprasarcină şi de scurtcircuit, până la eliminarea acestora de către aparate specializate din circuit. b. Întreruptorul (separator de sarcină) este caracterizat prin: - închidere şi deschidere manuală, în general cu viteză independentă de operator; - două poziţii de repaus (închis, deschis); - suportă şi întrerupe curenţi normali, inclusiv curenţi de suprasarcină; poate fi manevrat în sarcină; - suportă, un timp specificat, curenţi de scurtcircuit, până la eliminarea acestora de către alte aparate specializate înseriate în circuit; - realizează funcţiile de comutaţie funcţională (într-un domeniu limitat de curenţi) şi separare. c. Întreruptorul de putere (disjunctor) are drept particularităţi: - închidere manuală sau prin acumulare de energie într-un resort, cu viteză independentă de operator (de exemplu, cu ajutorul unui motor); - două poziţii de repaus (închis, deschis); menţinerea în poziţia închis se realizează printr-un mecanism cu zăvor (clichet); - deschidere voită (ca urmare a comenzii operatorului (manuală sau electromagnetică, locală sau de la distanţă) sau automată, în caz de supracurenţi (la comanda unor aparate de protecţie – declanşatoare – încorporate); - prin echipare cu declanşatoare, îndeplineşte simultan funcţiile de comutaţie de putere şi de protecţie; - poate fi conceput să realizeze şi funcţia de separare; - stabileşte şi întrerupe curenţi normali, inclusiv curenţi de suprasarcină; întrerupe curenţi de scurtcircuit; - suportă, un timp specificat, curenţi de scurtcircuit, până la eliminarea acestora de către aparatul respectiv; - număr posibil de manevre (în gol şi în sarcină normală) relativ redus, datorită construcţiei mecanice. d. Contactorul (electromagnetic) se deosebeşte prin: 6.6
- acţionare exclusiv prin electromagnet (închidere-deschidere, la comandă); - o singură poziţie de repaus (de regulă, deschis), menţinerea în poziţia acţionat fiind asigurată de către electromagnet; - stabileşte, suportă şi întrerupe curenţi normali şi de suprasarcină; - suportă, un timp specificat, curenţi de scurtcircuit, până la eliminarea acestora de către alte aparate specializate înseriate în circuit; - asociat cu relee adecvate, îndeplineşte atât funcţia de comutaţie funcţională (funcţia de bază), cât şi funcţia de protecţie la suprasarcină; - poate fi folosit ca aparat auxiliar de comandă; - frecvenţă de conectare foarte mare (în gol şi în sarcină). 6.4.2. Asociaţii de aparate Pentru a face faţă cerinţelor de comutaţie şi de protecţie în circuite, se asociază diverse aparate cu funcţii specifice, care se completează funcţional reciproc. Ca exemple uzuale de combinaţii, se pot menţiona: - contactor + relee de protecţie (care realizează comutaţia funcţională şi protecţia la suprasarcină); - contactor (singur sau asociat cu relee de protecţie) + siguranţe fuzibile (care realizează comutaţia funcţională, protecţia la scurtcircuit şi, eventual, protecţia la suprasarcină); - întreruptor + siguranţe fuzibile (asigurând comutaţia în sarcină normală şi protecţia în caz de scurtcircuit); - întreruptor de putere + siguranţe fuzibile (atunci când curentul de defect depăşeşte capacitatea de rupere a întreruptorului). 6.4.3. Aparate integrate, cu funcţii multiple Soluţiile practice sunt: a. separator + siguranţe încorporate (siguranţe fuzibile pe fiecare pol); b. întreruptor - separator; c. întreruptor + siguranţe încorporate; d. întreruptor de putere (disjunctor) - contactor; e. întreruptor de putere (disjunctor) - contactor - separator; f. demaror (starter) – ansamblu de aparate care asigură pornirea şi oprirea unui motor, precum şi protecţia acestuia în caz de suprasarcină. 6.4.4. Mărimi caracteristice comune Pe lângă mărimile menţionate în § 6.2.3, sunt definite şi alte mărimi caracteristice ale aparatelor, dintre care o parte vor fi menţionate în continuare. Capacitatea de conectare (de închidere) Icon reprezintă curentul maxim (valoare efectivă) pe care aparatul îl poate stabili, fără o uzură exagerată sau sudura contactelor. Curentul admisibil de scurtă durată, cu notaţia Isd sau Icw, este curentul (valoare efectivă) pe care aparatul îl poate suporta, în poziţia închis, într-un timp şi în condiţii specificate. Curentul nominal de utilizare (notaţie internaţională Ie), precizat de constructor, ţine seama de tensiunea şi frecvenţa nominală, de serviciul atribuit, de categoria de utilizare şi, dpă caz, de tipul carcasei de protecţie. Serviciile în care contactele principale ale aparatului rămân închise, parcurse de un curent constant, pot fi, de exemplu: - serviciu de scurtă durată (temporar), în cadrul căruia nu se atinge echilibrul termic; 6.7
- serviciu continuu (8 ore); - serviciu permanent (neîntrerupt) cu durata mai mare de 8 ore; - serviciu intermitent periodic sau serviciu intermitent, definit prin: duratele cu şi fără sarcină, care nu permit atingerea echilibrului termic; factorul de încărcare (raportul între durata de funcţionare în sarcină şi durata totală a ciclului - cunoscut şi sub denumirile de durată relativă de conectare sau durată de acţionare - şi exprimat, de regulă, în procente : 15 – 25 – 40 – 60%); frecvenţa de conectare (numărul de manevre pe oră). Anduranţa mecanică este caracterizată prin numărul de cicluri de manevră (închideredeschidere) în gol (fără sarcină electrică) pe care îl poate efectua un aparat fără revizia sau înlocuirea pieselor mecanice, cu posibilitatea întreţinerii normale conform indicaţiilor Anduranţa electrică este caracterizată prin numărul de cicluri de manevră (închideredeschidere) în sarcină pe care îl poate efectua un aparat fără repararea sau înlocuirea pieselor mecanice. 6.4.5. Circuitele aparatelor de comutaţie Circuitele aparatelor electrice sunt: - circuite principale (de putere, de curenţi intenşi), având funcţia de comutaţie (închidere-deschidere) în circuitul electric aferent; - circuite de comandă, folosite pentru a comanda manevrele aparatului (închidere, deschidere sau închidere-deschidere); - circuite auxiliare, destinate a fi înserate în circuitele altor aparate, îndeplinind funcţii de semnalizare, blocare etc. În mod corespunzător, se deosebesc, pe de o parte, contacte principale şi, pe de altă parte, contacte de comandă şi contacte auxiliare, manevrate mecanic de aparatul respectiv. 6.4.6. Condiţii generale pentru realizarea funcţiei de comutaţie Alegerea aparatelor se realizează pornind de la: curentul de calcul (de durată Ic şi de vârf Iv) din circuitul respectiv, curentul de scurtcircuit al reţelei Isc (§ 4.5 …4.7) şi de la categoria de utilizare. Se folosesc datele de catalog ale furnizorului de aparataj. În principiu, aparatele trebuie să satisfacă următoarele cerinţe: - în funcţionare de durată, să suporte timp nelimitat curentul de calcul: Is ≥ Ic, în funcţie de specificul receptorului; - să prezinte stabilitate termică şi dinamică în cazul unui scurtcircuit în aval de punctul de montare a aparatului, pentru o durată precizată; - să asigure conectarea şi deconectarea sarcinii fără consecinţe dăunătoare asupra instalaţiei (supratensiuni, uzură a aparatelor, reamorsarea arcului electric), ţinând seama de supracurenţii funcţionali de scurtă durată; - să poată întrerupe curenţii de defect din instalaţie, înainte ca aceştia să exercite efecte dăunătoare asupra instalaţiei; - să ofere posibilitatea de racordare la borne a conductoarelor reţelei (secţiuni minime şi maxime posibile).
6.5. Protecţia circuitelor electrice 6.5.1. Funcţiile protecţiei Protecţia electrică a elementelor de circuit este asigurată prin două funcţii:
6.8
- detectarea situaţiei anormale din circuit, realizată de elemente specifice (cum sunt releele sau declanşatoarele) sau de către siguranţe fuzibile (care realizează şi deconectarea circuitului); - întreruperea circuitului, efectuată ca urmare a unei detecţii, fie prin aparatul care realizează detecţia (cazul siguranţelor fuzibile), fie prin aparate de comutaţie mecanică (contactoare, întreruptoare de putere) comandate de către dispozitivul de protecţie. 6.5.2. Aparate de protecţie la suprasarcină Protecţia la suprasarcină se realizează practic prin: - relee sau declanşatoare termice convenţionale sau dispozitive electronice, asociate cu sau încorporate în aparate de comutaţie (§ 6.8); - prin siguranţe fuzibile alese în mod convenabil, în anumite circuite (§ 6.10.3). 6.5.3. Aparate de protecţie împotriva scurtcircuitelor Protecţia împotriva scurtcircuitelor se obţine cu ajutorul siguranţelor fuzibile sau al disjunctoarelor. În cazul disjunctoarelor, detectarea scurtcircuitului şi comanda de deschidere a aparatului sunt asigurate de către declanşatoarele electromagnetice încorporate. Analiza comparativă a celor două aparate scoate în evidenţă că fiecare prezintă atât avantaje, cât şi dezavantaje, pe baza cărora se pot stabili situaţiile în care folosirea lor se recomandă cu precădere. Siguranţele fuzibile (§ 6.10) prezintă următoarele avantaje: - au o construcţie simplă şi un cost scăzut; - au efect limitator, întrerupând curentul de scurtcircuit înainte ca acesta să atingă valoarea maximă (curentul prezumat ip) în prima semiperioadă (fig. 6.3.2); din acest motiv, instalaţiile protejate cu siguranţe fuzibile nu se verifică la stabilitatea termică, iar verificarea la stabilitatea dinamică se face la cea mai mare valoare instantanee a curentului care parcurge siguranţa – curentul limitat tăiat ilt (curent de trecere); - îndeplinesc şi un rol de separator, patronul cu elementul fuzibil fiind amovibil. Ca dezavantaje ale siguranţelor fuzibile se menţionează: - necesitatea înlocuirii patronului cu element fuzibil la fiecare defect, ceea ce, pe de o parte, diminuează avantajul costului scăzut şi, pe de altă parte, conduce la timpi mari de repunere în funcţiune a instalaţiei după eliminarea defectului; - „îmbătrânirea” termică a elementului fuzibil, ca urmare a suprasarcinilor din reţea sau a unor scurtcircuite care au fost eliminate prin topirea altor siguranţe consecutive de curenţi nominali mai mici; - posibilitatea întreruperii unei singure faze, producând funcţionarea motoarelor în două faze şi, deci, suprasarcini ale acestora; - imposibilitatea unui reglaj al curentului de acţionare, realizându-se o protecţie „brută”; - curenţi nominali limitaţi în mod frecvent la 630 A. Avându-se în vedere avantajele prezentate, precum şi faptul că o protecţie „brută” este suficientă în reţele, siguranţele sunt folosite în majoritatea instalţiilor existente, în porţiunile de reţea cu curenţi de sarcină până la 630 A, în special dacă curenţii de scurtcircuit sunt mari, iar suprasarcinile sunt rare. Întreruptoarele (automate) de putere (§ 6.9) au o serie de avantaje: - echipate cu declanşatoare de supracurent, îndeplinesc simultan funcţia de aparat de protecţie (atât la suprasarcină cât şi la scurtcircuit) şi funcţia de aparat de comutaţie; - permit repunerea rapidă în funcţiune a instalaţiilor după defect;
6.9
- există posibilitatea reglării curentului de acţionare (la unele întreruptoare), rezultând o protecţie mai exactă, mai adaptată împotriva suprasarcinilor şi scurtcircuitelor; - asigură întreruperea simultană a celor trei faze; - permit comenzi spre şi de la alte aparate (inclusiv interblocaje, comanda de la distanţă). Ca dezavantaje, se remarcă: - construcţia complicată şi mai scumpă; - lipsa efectului de limitare a curentului de scurtcircuit de către întreruptoarele "clasice", cu întreruperea curentului la trecerea naturală prin zero, spre sfârşitul celei de a doua semiperioade, cu toate consecinţele care decurg din aceasta (solicitări termice şi electrodinamice importante în elementele reţelei). Acest dezavantaj este eliminat la întreruptoarele limitatoare, cu o construcţie mai complicată, la care are loc limitarea curentului chiar în prima semiperioadă , similar siguranţelor fuzibile (fig.6.3.2). Întreruptoarele automate se recomandă în următoarele situaţii: - pentru curenţi de sarcină peste 630 A; - când este necesar ca instalaţia să fie repusă rapid în funcţiune după defect, să se execute comenzi da la distanţă sau să se prevadă comenzi de la alte aparate sau interblocaje; - când instalaţiile funcţionează frecvent în regim de suprasarcină; - când se impune deconectarea pe toate fazele; - în circuitele motoarelor de putere mare. Dată fiind perfecţionarea constructivă a întreruptoarelor şi dezvoltarea întreruptoarelor limitatoare, o distribuţie fără siguranţe fuzibile în joasă tensiune, avantajoasă din multe puncte de vedere, devine o soluţie cu o utilizare din ce în ce mai largă. 6.5.4. Protecţia la scăderea tensiunii de alimentare Deconectarea echipamentelor alimentate, în cazul dispariţiei sau scăderii sub o anumită limită a tensiunii de alimentare, se realizează prin: - sensibilitatea contactoarelor electromagnetice la valoarea tensiunii de alimentare a bobinei; - relee sau declanşatoare specializate.
6.6. Contactoare Contactorul este un aparat cu o singură poziţie de repaus, acţionat altfel decât manual, care poate să închidă, să suporte şi să întrerupă curenţi în condiţiile normale ale circuitului (inclusiv cele de suprasarcină). 6.6.1. Contactorul electromagnetic Contactorul electromagnetic este constituit dintr-un electromagnet de acţionare şi un ansamblu de contacte principale şi contacte auxiliare (fig. 6.6.1). 6.6.2. Mărimi caracteristice specifice Mărimile definite în § 6.2.3 şi 6.4.4 sunt aplicabile, în general, şi contactoarelor, adăugându-li-se o serie de particularităţi.
6.10
Fig. 6.6.1
Curentul nominal de utilizare Ie ţine seama şi de curentul nominal al releului de suprasarcină. În cazul utilizării pentru comanda unui singur motor sau a unui receptor capacitiv, poate fi înlocuit prin indicarea puterii maxime care poate fi comandată. Curentul temporar admisibil este definit pentru durate de: 1 s, 5 s, 10 s, 30 s, 1 min, 3 min sau 10 min, pornind din stare rece (curent nul timp de cel puţin 15 min), la o temperatură a mediului ambiant de cel mult 40 oC. Este inferior capacităţii de conectare. Prezintă interes, de exemplu, în cazul motoarelor cu demaraj lung, datorat inerţiei mecanismului antrenat. Categoria de utilizare în curent alternativ (AC) şi în curent continuu (DC) defineşte condiţiile de stabilire şi rupere a curentului în raport cu curentul de utilizare Ie (Is). Pentru contactoare, categoria de utilizare depinde de: - natura receptorului comandat (rezistor, motor etc.) - condiţiile în care se efectuează închiderea şi deschiderea circuitului receptorului. Câteva exemple sunt ilustrate în figura 6.6.2:
I
I
I
6⋅In
6⋅In
rupere
rupere
rupere
In
In
t
In tp
t
tp
t
Fig. 6.6.2. Categorii de utilizare în curent alternativ
AC-1 – toate receptoarele alimentate în curent alternativ, având cosϕ ≥ 0,95 (sarcini rezistive); AC-3 – pornirea motoarelor asincrone cu rotorul în scurtcircuit, deconectare în sarcină; AC-4 – pornire, frânare contracurent şi funcţionare în impulsuri pentru motoare asincrone cu rotorul în colivie. 6.6.3. Alegerea contactoarelor Principalele mărimi caracteristice sunt precizate în datele de catalog ale furnizorului de aparataj (de exemplu, tab. 6.6.1, pentru contactoare Télémécanique). 6.11
Tabelul 6.6.1. Caracteristici ale unor contactoare (Télémécanique).
D25 40
LC1 D32 D40 50 60
D50 80
D65 80
D80 125
D95 125
40 25
50 32
60 40
80 50
80 65
125 80
125 95
11
15
18,5
22
30
37
45
20
25
30
40
40
60
60
12,5
15
24
27
31
34
34
450
550
800
900
1000
1100
1100
380 290 240
430 340 260
720 420 320
810 520 400
900 660 520
990 800 640
990 800 640
6
10
16
25
25
50
50
Tip de contactor
D09 D12 D18 Curent termic Ith, A 25 25 32 Curent de serviciu (utilizare) Is, A (θa = 40°C) AC-1 25 25 32 AC-3 9 12 18 Putere activă nominală de utilizare (puterea 4 5,5 7,5 normalizată a motorului, trifazat 400 V, AC-3), kW Putere reactivă (capacitivă) de utilizare (trifazat, 400 11 11 15 V), kvar Puterea maximă a transformatorului JT/JT 7 7 8 comandat (trifazat, 400 V), kVA Capacitate de 250 250 300 închidere/rupere, Icon/Ir A Curent admisibil de scurtă durată , Isd A Pentru 1s 210 210 240 Pentru 5 s 130 130 185 Pentru 10 s 105 105 145 Secţiune conductor de 4 4 6 racord, mm2
a. Pentru un circuit de iluminat cu lămpi cu incandescenţă: Curentul la conectare, filamentul lămpilor fiind, iniţial, în stare rece este: I v = (15....20) I c
Condiţiile de alegere sunt:
.
(6.6.1)
Is ≥ Ic Iv 2
≤ I con
(6.6.2)
.
b. Pentru lămpile cu descărcare electrică (AC-1, 40 oC): Is ≥ Is ≥
Ic 0,6
Ic 0,8
- lămpi fluorescente tubulare
(6.6.3)
- lămpi cu mercur sau sodiu la înaltă presiune
(6.6.4)
(este necesar să se verifice şi conectarea sarcinii capacitive reprezentate de condensatorul de compensare montat în paralel cu fiecare lampă). c. În cazul unui circuit de încălzire rezistiv (AC-1, cosϕ ≈ 1, I = const) Is ≥ Ic
.
(6.6.5)
d. Pentru circuitul de alimentare a unui transformator JT/JT (AC-1) I v = ( 25 40) I c Is ≥ Ic I con ≥
(6.6.6)
Iv
.
2
e. Circuitul capacitiv (AC-1) solicită, de regulă: I s ≥ 1,43 ⋅ I c
6.12
.
(6.6.7)
Puterea reactivă maximă comandabilă este indicată în catalogul constructorului (de exemplu, tab. 6.6.1). f. Circuitul unui motor asincron în colivie (AC-3) – necesită un contactor specific puterii motorului comandat, conform tabelului cu caracteristici ale contactoarelor furnizate de constructor (de exemplu, tab. 6.6.1). Asociat cu un releu de protecţie (de exemplu, un releu termic), contactorul asigură comutaţia şi protecţia la suprasarcină în circuitul unui motor. Un exemplu de schemă este dat în Anexa 2.
6.7. Relee şi declanşatoare 6.7.1. Principiul de funcţionare Releele şi declanşatoarele pot fi încadrate în categoria aparatelor de comandă, care, controlând o anumită mărime din circuitele electrice în care sunt inserate, pot îndeplini atât funcţii de protecţie cât şi funcţii de automatizare. Un releu/declanşator constă în principiu din două componente. Organul de detecţie este sensibilizat de mărimea electrică din circuitul supravegheat şi, în condiţii prestabilite pentru mărimea urmărită, face să intre în acţiune organul de execuţie. Asemenea aparate pot fi concepute ca dispozitive de măsură, care funcţionează atunci când mărimea controlată iese din anumite limite prestabilite, sau ca dispozitive "tot sau nimic", acţionate de o mărime care fie se menţine în limite admisibile, fie că are valoarea zero. Releul electric este un aparat destinat să producă modificări predeterminate în unul sau mai multe circuite "de ieşire", ca urmare a realizării anumitor condiţii în circuitul "de intrare" căruia îi este afectat. Releul realizează închiderea sau deschiderea anumitor circuite prin intermediul contactelor lui, care sunt înseriate în aceste circuite (de exemplu, circuitul de comandă al unui aparat de comutaţie). Asemenea dispozitive sunt realizate ca aparate independente. Releele de protecţie pot fi asociate cu aparate de comutaţie mecanică în circuitele de putere (uzual, cu contactoare). În schemele de comandă, releele realizează comutaţia "tot sau nimic" în circuitele altor aparate. Declanşatorul, asociat totdeauna cu un aparat mecanic de comutaţie, este un dispozitiv legat mecanic cu aparatul respectiv, realizând eliberarea organelor mecanice de reţinere (zăvorâre) şi permiţând efectuarea manevrei de închidere. Uzual, declanşatoarele sunt încorporate în întreruptoarele de putere (disjunctoare). Releele/declanşatoarele se pot grupa în : - relee/declanşatoare de protecţie, mărimea supravegheată putând fi curentul sau tensiunea din circuite ; - relee de automatizare. Marea majoritate a releelor/declanşatoarelor sunt aparate de amplitudine, care acţionează la atingerea unui anumit prag fie prin valori crescătoare (aparate de maximum), fie prin valori descrescătoare (aparate de minimum). Conform ăprincipiului de funcţionare, releele şi declanşatoarele pot fi construite ca aparate termice, electromagnetice sau electronice 6.7.2. Mărimi caracteristice pentru releele şi declanşatoarele de curent Releele/declanşatoarele de curent, care supraveghează intensitatea curentului dintr-un anumit circuit, au ca elemente caracteristice curentul nominal, curentul de reglaj şi caracteristica timp-curent.
6.13
Curentul nominal (sau curentul de serviciu) In corespunde intensităţii maxime a curentului de referinţă din circuit. Curentul de reglaj Ir este valoarea intensităţii curentului din circuitul în care releul/declanşatorul este înserat, la care se raportează caracteristicile de funcţionare ale aparatului şi pentru care aparatul respectiv este reglat. Caracteristica timp-curent a unui releu/declanşator indică durata de acţionare (timpul de declanşare propriu sau al aparatului asociat) în funcţie de curentul prezumat din circuit, exprimată uzual în multipli ai curentului de reglaj. În raport cu timpul de funcţionare (intervalul de timp între detecţie şi execuţie), releele/declanşatoarele de protecţie pot fi: - cu timp de acţionare normal, denumite şi instantanee (fără întârziere intenţionată a funcţionării); - cu timp de acţionare precizat, eventual reglabil, denumite şi temporizate a căror acţiune este întârziată intenţionat, prin folosirea unor organe de temporizare. Releele/declanşatoarele pot avea o caracteristică independentă sau dependentă de valoarea mărimii supravegheate (de intrare).
6.8. Relee şi declanşatoare termice 6.8.1. Construcţie şi caracteristici Releele şi declanşatoarele termice sunt construite pe baza unor lamele bimetalice (două lamele metalice, cu coeficienţi de dilatare termică diferiţi, laminate împreună) încălzite de curentul din circuitul protejat: - fie direct, prin înserierea în circuit, - fie indirect, printr-o înfăşurare de încălzire dispusă în jurul lamelei, - fie mixt (direct şi indirect). În cazul curenţilor mari, se foloseşte un transformator de curent. Releele termice de protecţie care funcţionează în curent alternativ sunt în general tripolare; trei lamele bimetalice sunt conţinute într-o carcasă comună. Releele sunt de regulă compensate (fiind insensibile la variaţia temperaturii ambiante) şi prevăzute cu un dispozitiv sensibil la întreruperea unei faze (funcţionarea în monofazat). Revenirea în starea iniţială după funcţionare (rearmarea) se poate face manual sau automat. Releele termice sunt asociate cu contactoare, având un contact de deschidere (normal închis) înseriat în circuitul bobinei de acţionare a contactorului. Declanşatoarele termice sunt în execuţie unipolară, fiind înglobate în întreruptoare, putând provoca deschidere aparatului prin dezăvorârea mecanismului de menţinere în poziţia închis. Curentul nominal (de serviciu) In este curentul nominal al lamelei bimetalice. Gama de curenţi nominali cuprinde un număr de valori discrete (tab. 6.8.1). Curentul nominal al unui bloc de relee termice (realizat ca element independent) se constituie într-o scară de valori discrete, cu mai puţine trepte decât In, într-un bloc putând fi montate lamele având curenţi de serviciu într-o anumită gamă (de exemplu, tab. 6.8.1). Tabelul 6.8.1 Trepte de curent pentru relee termice (exemple) Lamela In, A
Bloc
0,4 0,55 0,75 1,0 1,3 1,8 3,3 4,5 6 8 10 32 --
11
16
20
25
32 --
40 63 -63
Pentru a putea acoperi toate valorile curentului din circuitul supravegheat, releul/declanşatorul poate fi reglat, într-o plajă stabilită, modificând, cu ajutorul unui şurub, 6.14
cursa unghiulară pe care trebuie s-o efectueze extremitatea lamelei pentru a elibera dispozitivul care menţine releul/declanşatorul armat. Plajele de reglaj corespunzătoare diverselor valori ale curentului de serviciu sunt alese astfel încât să se suprapună parţial, dând posibilitatea alegerii unui dispozitiv de protecţie pentru orice valoare a curentului din circuitul protejat. Curentul de reglaj Ir poate fi situat în una din plajele (indicate de către constructor):
I r = ( 0,7 1) I n I r = ( 0,8 1) I n I r = ( 0,5 1) I n .
(6.8.1)
Caracteristica (de declanşare) timp-curent este o caracteristică descendentă, invers dependentă de curent (fig. 6.8.1, 6.8.2), indicată frecvent pentru funcţionarea pornind din stare rece (fără trecerea prealabilă a unui curent); declanşarea se produce după un timp cu atât mai scurt cu cât suprasarcina este mai mare. În cazul când suprasarcina intervine după o încălzire prealabilă la curentul nominal, constructorul trebuie să furnizeze o curbă corespunzătoare sau să precizeze precentul de reducere a timpiilor de declanşare (25 … 50%).Declanşarea are loc după depăşirea unui prag cuprins între 105 şi 120% din valoarea curentului de reglaj. Protecţia la suprasarcină în circuitele motoarelor trebuie realizată ţinând seama şi de particularităţile pornirii. Supracurentul de pornire nu trebuie interpretat drept curent de defect. De asemenea, aparatele de protecţie trebuie nu trebuie să acţioneze pe durata pornirii în diferite condiţii (de exemplu, pornire în gol, porniri în sarcină la antrenarea unor maşini cu inerţie mare). Pentru a putea fi adaptate le caracteristicile motoarelor, au fost stabilite clase de declanşare (fig. 6.8.1, tab. 6.8.2). t
Clasa 30 Clasa 20 Clasa 10
x Ir
Fig. 6.8.1
Protecţia termică de clasa 10 (fig. 6.8.2) convine majorităţii situaţiilor practice (timp de pornire sub 10 s). Tabelul 6.8.2. Clase de declanşare Clasa 10A 10 20 30
Timp de declanşare, pornind din stare rece (fără sarcină iniţială) 1,05⋅Ir 1,2⋅Ir 1,5⋅Ir 7,2⋅Ir < 2 min 2 … 10 s , 4 min 4 … 10 s >2h <2h < 8 min 2 … 20 s < 12 min 2 … 30 s
6.15
Curentul de autoprotecţie este valoarea curentului (circa 10⋅Is) care provoacă declanşarea aparatului comandat de releu/declanşator înainte ca lamela bimetalică să depăşească temperatura limită la care se menţin caracteristicile de material. Clasa 10
t
x Ir 1 – funcţionare echilibrată trifazată, pornind din stare rece 2 – funcţionare în două faze, pornind din stare rece 3 - funcţionare echilibrată trifazată, pornind din stare caldă
Fig. 6.8.2
6.8.2. Alegerea releelor/declanşatoarelor termice a. Alegerea curentului nominal al lamelei (curentul de serviciu) se face în funcţie de curentul maxim admisibil al receptorului şi conductorului circuitului. Pentru motoare, se alege acea valoare a curentului de serviciu în a cărui plajă de reglaj se situează (recomandabil, cât mai aproape de limita superioară) curentul nominal al motorului: I rt ≈ I nmot
.
(6.8.2)
b. Alegerea curentului nominal al blocului de relee termice se face conform tabelului de corespondenţă între curenţii nominali ai lamelei şi blocului (de exemplu, tab. 7.8.1).
6.9. Întreruptoare de putere (disjunctoare) Întreruptorul de putere (disjunctorul) este capabil să închidă (stabilească), să suporte şi să întrerupă curenţi în condiţiile normale ale circuitului precum şi să suporte un timp determinat şi să întrerupă curenţi de suprasarcină şi de scurtcircuit.
6.16
6.9.1. Construcţie şi funcţionare Prin încorporarea sau asocierea de elemente specializate, întreruptoarele de putere sunt aparate capabile să satisfacă simultan aproape toate funcţiile cerute de o instalaţie electrică (comutaţie, separare, protecţie) precum şi alte funcţii (semnalizare, măsurare, comandă la distanţă). Deşi, în principiu, se pot realiza şi ca întreruptoare simple (neautomate), având numai funcţiile de comutaţie şi, eventual, de separare, întreruptoarele de putere sunt, de regulă, echipate cu diverse declanşatoare care permit declanşarea automată în caz de defect în circuit (suprasarcină, scurtcircuit, lipsă de tensiune sau tensiune minimă) sau comanda deconectării de la distanţă, aşa cum rezultă din figura 6.9.1.
5
3
1
14
13
Mecanism de zavorare
M 1~
113
Ax de declansare
114
6
2
A2
4
124
A1
I>
I>
123
I>
Declansator de telecomanda sau de minimum/lipsa de tensiune
Fig. 6.9.1
În construcţia "clasică", declanşatoarele de curent sunt elemente unipolare: - declanşatoare termice de suprasarcină ; - declanşatoare electromagnetice (de curent maxim) pentru protecţia la scurtcircuit. În construcţiile moderne se folosesc declanşatoare electronice. 6.9.2. Mărimi caracteristice specifice Mărimilor precizate în § 6.3.3 li se adaugă o serie de mărimi specifice. Categoriile de utilizare ale întreruptoarelor sunt : - A – întreruptoare fără o întârziere deliberată de declanşare la scurtcircuit; - B – întreruptoare prevăzute cu mijloace de temporizare a declanşării în caz de scurtcircuit. Curentul nominal (de serviciu, de utilizare) In este curentul de serviciu neîntrerupt Iu şi are aceeaşi valoare cu curentul termic convenţional Ith. Capacitatea de închidere pe scurtcircuit Icm se exprimă prin valoarea de vârf a ˆ , pe care întreruptorul îl poate conecta. curentului de scurtcircuit prezumat, în kA În cazul ruperii în scurtcircuit, se definesc: - Capacitatea de rupere limită la scurtcircuit (Idu sau Icu) - cea mai mare valoare a curentului întrerupt, în cadrul încercării la scurtcircuit;
6.17
- Capacitatea de rupere de serviciu la scurtcircuit (Ids sau Ics) – corespunde curentului de defect maxim întrerupt, fără ca aparatul să fie afectat semnificativ; valoarea lui este definită ca un procent din Icu (25, 50, 75 sau 100%). Capacităţile de rupere se exprimă în kA (valoare efectivă). Curentul de scurtă durată admisibil Icw este valoarea eficace a curentului de scurtcircuit prezumat, suportabilă un timp specificat (de preferinţă 0,05 – 0,1 – 0,25 – 0,5 – 1 s). Valorile minime sunt max[12In , 5 kA] pentru In ≤ 2500 A şi 30 kA pentru In ≥ 2500 A. Se defineşte pentru întreruptoare din categoria B. Caracteristica de limitare a curentului de scurtcircuit, specifică întreruptoarelor limitatoare, arată dependenţa valorii de vârf a curentului limitat în raport cu valoarea efectivă a curentului de defect prezumat (fig. 6.9.2). În principiu, caracteristica timp-curent a unui întreruptor care asigură funcţiile de
Fig. 6.9.2
protecţie la supracurenţi este formată din caracteristicile timp-curent ale declanşatoarelor termic şi electromagnetic. Caracteristica declanşatorului termic, destinat protecţiei în caz de suprasarcină, este o caracteristică dependentă de curent (§ 6.8), iar caracteristicadeclanşatorului electromagnetic, destinat protecţiei în caz de scurtcircuit, este o caracteristică practic independentă de curent (fig. 6.9.3). Curenţii de reglaj sunt Ir (Irt, In) pentru declanşatorul termic respectiv Im pentru declanşatorul electromagnetic. Declanşatorul termic este, în esenţă, clasic, corespunzând aceloraşi cerinţe menţionate în § 6.8. Declanşatorul electromagnetic este conceput astfel încât să satisfacă cerinţele impuse de sarcina circuitului. În acest sens, standardele stabilesc curbe specifice care diferă prin valoarea curentului de reglaj (Im)în raport cu valoarea de reglaj a declanşatorului termic (In), conform tabelului 6.9.1. În figurile 6.9.4, 6.9.5, 6.9.6 sunt prezentate grafic curbele caracteristice, cu precizarea limitelor de declanşare termică (1 – la rece) şi electromagnetică (2) pentru întreruptoare din categoria A (netemporizate).
6.18
t
Fig. 6.9.3
Fig. 6.9.4
Fig. 6.9.5
6.19
Fig. 6.9.6 Tabelul 6.9.1. Curbe de declanşare Curba
Im/In
Figura
B
3,2…4,8 fix
6.9.4
C
7…10 fix
6.9.4
D
10…14 fix
6.9.4
MA
12 fix
6.9.5
K
10…14 fix
6.9.5
Z
2,4…3,6
6.9.5
U
5,5…8,8
6.9.6
L
2,6…3,85
6.9.6
Aplicaţii Protecţia generatoarelor, a personalului şi a lungimilor mari de cablu (în sistemele TN şi TT) Protecţia cablurilor care alimentează receptoare clasice Protecţia cablurilor de alimentare a receptoarelor cu curenţi de vârf Protecţia demaroarelor pentru motoare Protecţia cablurilor de alimentare a receptoarelor cu curenţi de vârf Protecţia circuitelor electronice Protecţia circuitelor de distribuţie terminale în sectoarele terţiare, agricole sau industriale Protecţia circuitelor şi a personalului în circuitele terminale, pentru lungimi ale cablurilor mai mari decât în cazul curbei U (sistem TNS)
6.9.3. Alegerea întreruptoarelor Pe lângă cerinţele menţionate anterior pentru funcţia de comutaţie şi pentru protecţia la suprasarcină, este necesar, în principiu, ca declanşatoarele de curent maxim să asigure protecţia conductorului reţelei la scurtcircuit şi să nu reacţioneze la supracurenţii funcţionali (de vârf) din circuit (dacă aceştia există). a. Protecţia conductorului este realizată atunci când caracteristica de declanşare a întreruptorului se situează sub caracteristica I2t a conductorului (integrala Joule a întreruptorului trebuie să fie inferioară integralei Joule a conductorului) pentru toate valorile curentului de defect până la capacitatea de rupere Ids a aparatului (fig. 6.9.7). În practică se foloseşte frecvent pentru întreruptoarele normale relaţia: ' I m ≤ 4,5 I ma
6.20
,
(6.9.1)
' I ma
fiind intensitatea curentului maxim admisibil, în condiţii de exploatare, funcţie de secţiunea conductorului (cap. 5);
Fig. 6.9.7
b. Nefuncţionarea la curenţii de vârf are loc dacă declanşatorul electromagnetic este reglat astfel încât: I m > 1,2 I v
.
(6.9.2)
Pentru situaţiile concrete, este necesar să se aibă în vedere caracteristicile de declanşare specifice. Alegerea întreruptoarelor limitatoare urmează aceleaşi principii aplicate însă particularităţilor constructive şi funcţionale corespunzătoare.
6.10. Siguranţe fuzibile Siguranţa este un aparat destinat ca, prin topirea unuia sau mai multor elemente dimensionate în acest scop, să deschidă circuitul in care este intercalată, întrerupând curentul atunci când acesta depăşeşte o anumită valoare într-un timp suficient. 6.10.1. Construcţie şi funcţionare O siguranţă fuzibilă are, în general, două componente de bază : - elementul înlocuibil (de înlocuire) - partea mobilă care conţine elementul fuzibil ce urmează a se topi în caz de defect şi care va fi înlocuită după funcţionare - prevăzut cu contacte în vederea montării în soclu ; - soclul – partea fixă, în care se montează elementul de înlocuire, prevăzut cu contacte fixe racordate direct la circuitul protejat. În funcţie de realizarea constructivă, privind asamblarea elementului de înlocuire cu soclul, se deosebesc : - siguranţe cu filet ; - siguranţe tubulare ; - siguranţe cu "cuţite". Siguranţele funcţionează (prin topirea elementului fuzibil) în principal ca aparate de protecţie în caz de scurtcircuit. În anumite circuite, siguranţele pot fi folosite şi ca aparate de protecţie la suprasarcină.
6.21
6.10.2. Caracteristici principale Curentul nominal al elementului de înlocuire In este curentul la care elementul de înlocuire (fuzibil) rezistă timp nelimitat. Valorile curenţilor nominali sunt (conform CEI): 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250 A. Curentul nominal al soclului Isoclu caracterizează funcţionarea normală a soclului în care se montează elementele de înlocuire. Valorile celor doi curenţi variază în trepte corelate, conform tabelului 6.10.1 şi se indică în scheme sub forma unei fracţii Isoclu/In. Tabelul 6.10.1. Trepte de curent pentru siguranţe fuzibile Fuzibil Siguranţe cu filet
In, A
Soclu
Siguranţe tip "cuţit" sau tubulare
6 10 16 20 25 32 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 25 63 100 160
-
-
250 -
400
-
-
630
Identificarea siguranţelor fuzibile se face printr-un grup de două litere: - prima literă indică domeniul curenţilor de rupere (de către elementul de înlocuire): - g – toţi curenţii; - a – numai o parte din curenţi; - a doua literă precizează categoria de utilizare, definind caracteristica timp-curent, timpii şi curenţii convenţionali: - gG – siguranţe de uz general, care pot rupe orice curent; - aM – siguranţe pentru protecţia circuitelor motoarelor, care pot rupe numai o parte din curenţi. În practica de proiectare se mai întâlneşte notaţia gL – siguranţe pentru protecţia liniilor (conductoare şi cabluri).
t
I Fig. 6.10.1
Fig. 6.10.2 6.22
În mod frecvent, siguranţele gG sunt folosite şi pentru protecţia circuitelor motoarelor, în măsura în care caracteristicile lor ţin seama de curentul de pornire al motorului. Este evident că, la acelaşi curent de calcul al circuitului, siguranţele din circuitul unui motor vor avea curenţi nominali mai mari decât în cazul unui receptor fără curent de vârf. Curentul (convenţional) de nefuziune Inf este valoarea curentului pe care elementul de înlocuire îl poate suporta un timp precizat (1, 2, 3, 4 ore, în funcţie de curentul nominal) fără a se topi. Pentru fuzibilele cu In > 25 A, Inf = (1,3 …1,2)⋅In. Curentul (convenţional) de fuziune If este valoarea curentului care provoacă funcţionarea elementului de înlocuire înainte de expirarea timpului specificat. Pentru fuzibilele cu In > 25 A, If = 1,6⋅In. Corespunzător principiului de funcţionare a siguranţelor caracteristica timp – curent (caracteristica de protecţie) este o curbă care indică, în funcţie de curentul prezumat întrerupt, fie durata de prearc, numită şi durată de topire, (timpul scurs între apariţia curentului de defect şi momentul formării arcului electric), fie durata de funcţionare (suma duratelor de prearc şi de arc). Caracteristicile de protecţie se reprezintă în coordonate dublu logaritmice. Caracteristica de topire(curba a, fig. 6.10.1) are drept asimptote dreapta curentului de topire If şi dreapta (c) corespunzătoare integralei Joule de topire (curba b reprezentând caracteristica de funcţionare). Practic, curbele de prearc şi de funcţionare sunt identice până la valori ale curentului în jur de 20 In. De reţinut că, în cataloagele producătorilor de siguranţe, sunt indicate, de regulă, caracteristicile de prearc corespunzătoare fuzibilelor în stare rece; pentru siguranţele preîncălzite, prin trecerea curentului de serviciu, duratele se reduc proporţional cu sarcina preliminară, ajungând la circa 65% după funcţionarea la curentul nominal. Având în vedere dispersia timpilor de topire şi de funcţionare, la aceeaşi valoare a curentului, fiecărei siguranţe îi corespund, în general, două curbe delimitând o zonă de protecţie în care poate avea loc întreruperea. Dispersia caracteristicilor de protecţie se ia în considerare în proiectarea reţelelor pentru receptoare foarte importante; în rest se recurge la caracteristica de protecţie sub forma unei singure curbe reprezentând, de regulă, durata de prearc în funcţie de intensitatea curentului. Diferenţa între caracteristicile celor două clase de siguranţe gG şi aM este evidenţiată în figura 6.10.2. În timp ce siguranţele de uz general întrerup curenţii cu valori cuprinse între curentul convenţional de fuziune (circa 1,6In) şi capacitatea lor de rupere Ir, siguranţele de însoţire funcţionează ca protecţie începând cu valori de circa 4In. t
In
I Fig. 6.10.4
Fig. 6.10.3
6.23
Caracteristicile siguranţelor gG cu diferiţi curenţi nominali In alcătuiesc o familie de caracteristici (fig. 6.10.3) din care se observă că, la aceeaşi valoare a curentului de scurtcircuit care parcurge succesiv mai multe siguranţe, funcţionează mai întâi, de regulă, fuzibilul cu curentul nominal cel mai mic. Aşa cum s-a menţionat, timpii de funcţionare indicaţi în caracteristici pentru starea rece a siguranţelor se reduc cu circa 35% în cazul unei sarcini preliminare egale cu curentul nominal. Integrala Joule de funcţionare are valorile maxime prezentate selectiv in tabelul 6.10.3. Tabelul 6.10.2 In, A I t, A ⋅s 2
2
10
25
50
80
100
160
250
315
400
640
4000
13700
21200
36000
104000
302000
557000
900000
Caracteristica de limitare (fig. 6.10.4) indică, la o anumită valoare a curentului nominal In, valoarea curentului limitat tăiat (numit şi curent de trecere) iD (valoarea instantanee maximă a curentului limitat il) funcţie de valoarea efectivă a curentului de scurtcircuit prezumat Ip (în exemplul din figură, la un scurtcircuit simetric cu Ip = 10 kA, curentul din circuit este limitat, în cursul întreruperii la 7 kA pentru o siguranţă cu In = 100 A, în timp ce o siguranţă cu In = 10 A limitează valoarea curentului la 1,4 kA). Fenomenul de limitare a curentului este ilustrat în figura (6.3.2). 6.10.3. Alegerea siguranţelor fuzibile Alegerea siguranţelor constă în stabilirea curentului nominal al elementului de înlocuire In, urmată de alegerea soclului corespunzător (de exemplu, conform tab.6.10.1). În acest scop, în practică se folosesc relaţii simple între curentul nominal al siguranţei şi parametrii circuitului în care sunt înserate (curentul de calcul Ic, curentul de vârf Iv, curentul ' maxim admisibil al conductorului sau cablului I ma ), specifice condiţiilor de exploatare. I. Siguranţele de uz general folosite în circuitele de putere trebuie să satisfacă simultan două sau trei condiţii în absenţa respectiv în prezenţa curentului de vârf în circuitul respectiv. 1. Siguranţa trebuie să suporte timp nelimitat curentul de calcul al circuitului, ceea ce se realizează atunci când curentul nominal al siguranţei este superior curentului de calcul: In ≥ Ic
;
(6.10.1)
(din acest punct de vedere, siguranţa ar trebui să fie de un curent cât mai mare). 2. Trebuie să se asigure protecţia conductorului reţelei la supracurenţi anormali, deconectând circuitul înainte ca temperatura acestuia să depăşească limitele admise, în corelaţie cu valoarea curentului maxim admisibil corespunzător materialului şi secţiunii conductorului metalic, execuţia circuitului (conductor, cablu, bare) şi condiţiilor de montaj şi exploatare: a. protecţia numai la scurtcircuit (dacă este cazul, în circuit trebuie să existe un dispozitiv special de protecţie la suprasarcină): ' I n ≤ 3I ma
;
(6.10.2)
b. protecţia la suprasarcină şi scurtcircuit (dacă în circuit nu sunt prevăzute aparate specifice de protecţie la suprasarcină): ' I n ≤ I ma
;
(6.10.3)
Din acest punct de vedere, siguranţa ar trebui să aibă curent nominal cît mai mic.
6.24
Mai precis, protecţia conductorului rezultă din corelarea integralei Joule a acestuia cu integrala Joule de funcţionare a siguranţei (fig. 6.10.5).
Fig. 6.10.5
3. Siguranţa nu trebuie să funcţioneze la curenţii de vârf (supracurenţi funcţionali, care nu trebuie interpretaţi drept curenţi de defect). Curentul nominal al siguranţei trebuie corelat cu intensitatea curentului de vârf Iv şi cu durata acestuia tv. În cazul cel mai des întâlnit al motoarelor electrice, intervin curentul de pornire Ip: I v = I p = K p I nmot
şi durata pornirii
(cf. §. 4.6)
t v =t p
(6.10.4)
(6.10.5)
care depinde de dificultatea pornirii, în funcţie de sarcina în momentul pornirii. Se pot considera aproximativ valorile din tabelul 6.10.3: Tabelul 6.10.3 Felul pornirii uşoară normală grea
Timp de pornire tp, s 2…5 5 … 8 (10) > 8 (10)
Există mai multe modalităţi de aplicare a acestei condiţii. a. folosirea caracteristicilor individuale timp-curent t = f(In) ale siguranţelor (fig. 6.10.6); se poate alege orice siguranţă a cărei caracteristică se găseşte deasupra punctului critic, de coordonate (tp, Ip); b. folosirea unei caracteristici comune pentru o familie de siguranţe t = f(I/In), care, de regulă este reprezentată printr-o zonă în planul caracteristicilor (fig. 6.10.7); condiţia de alegere este In ≥
Ip Cp
6.25
(6.10.6)
în care Cp depinde atât de felul motorului şi schema de pornire (Kp), cât şi de dificultatea pornirii (tp). În practica de proiectare actuală, se consideră valorile din tabelul 6.10.4 (care conduc, se pare, la o supradimensionare acceptabilă). tf In >I I n4 > I
t
n2 n3
I n3 > I
n2
I n2 > I
n1
I n1
tp
tp
C p =I
I
Ip
p
I/I
/I n
n
Fig. 6.10.7
Fig. 6.10.6
Tabelul 6.10.4 Felul motorului
Felul pornirii directă, uşoară directă, grea stea-triunghi cu frecvenţă mare, la intervale mici
asincron, cu rotorul în scurtcircuit (în colivie) asincron, cu rotorul bobinat (cu inele) de curent continuu
Cp 2,5 2 2 1,6 … 2 2 1,7
c. utilizarea indicaţiilor din cataloagele de produs, specifice tipului de siguranţă, care se pot prezenta sub cel puţin două forme: • tabele indicând direct curentul nominal al siguranţei în funcţie de puterea motorului; • relaţia între curentul nominal al siguranţei şi curentul nominal al motorului I n = CI nmot
.
(6.10.7)
De exemplu, pentru unele siguranţe produse de AEG se indică pentru factorul C valorile 1,2 … 1,5 pentru pornire normală şi peste 1,5 pentru pornire grea. Pentru a permite conectarea receptoarelor cu sarcini de vârf, siguranţele din circuitele respective (cu curentul nominal superior valorii Iv/Cv) ar trebui să fie de gabarit cât mai mare. Limita superioară este determinată de asigurarea protecţiei conductorului reţelei. II. Siguranţele de uz general folosite în circuitele de lumină şi prize (care asigură şi protecţia la suprasarcina rezultată prin supraîncărcare) trebuie să satisfacă relaţia: a. dacă posibilitatea de apariţie a suprasarcinilor este minimă (de exemplu, în cazul lămpilor fluorescente tubulare) ' I n ≤ I ma
(6.10.8)
b. în restul cazurilor: ' ' 0,6 I ma ≤ I n ≤ 0,8 I ma
.
(6.10.9)
III. Siguranţele de însoţire se aleg conform indicaţiilor din cataloagele referitoare la receptorul alimentat. 6.26
6. Aparate de comutaţie şi de protecţie 6.1. Aparataj de instalaţii...........................................................................................................1 6.2. Aparate de distribuţie..........................................................................................................1 6.2.1. Tipuri de aparate..........................................................................................................1 6.2.2. Funcţiile aparatelor electrice în circuitele de putere....................................................2 6.2.3. Mărimi caracteristice generale ale aparatelor de comutaţie.........................................2 6.3. Probleme de comutaţie a circuitelor electrice în curent alternativ......................................3 6.3.1. Conectarea circuitelor în sarcină..................................................................................3 6.3.2. Deconectarea circuitelor..............................................................................................4 6.3.3. Limitarea curentului întrerupt......................................................................................5 6.4. Aparate de comutaţie mecanice..........................................................................................6 6.4.1. Aparate cu funcţii specifice..........................................................................................6 6.4.2. Asociaţii de aparate......................................................................................................7 6.4.3. Aparate integrate, cu funcţii multiple..........................................................................7 6.4.4. Mărimi caracteristice comune......................................................................................7 6.4.5. Circuitele aparatelor de comutaţie...............................................................................8 6.4.6. Condiţii generale pentru realizarea funcţiei de comutaţie...........................................8 6.5. Protecţia circuitelor electrice..............................................................................................8 6.5.1. Funcţiile protecţiei.......................................................................................................8 6.5.2. Aparate de protecţie la suprasarcină............................................................................9 6.5.3. Aparate de protecţie împotriva scurtcircuitelor...........................................................9 6.5.4. Protecţia la scăderea tensiunii de alimentare.............................................................10 6.6. Contactoare ......................................................................................................................10 6.6.1. Contactorul electromagnetic......................................................................................10 6.6.2. Mărimi caracteristice specifice..................................................................................10 6.6.3. Alegerea contactoarelor.............................................................................................11 6.7. Relee şi declanşatoare ......................................................................................................13 6.7.1. Principiul de funcţionare............................................................................................13 6.7.2. Mărimi caracteristice pentru releele şi declanşatoarele de curent..............................13 6.8. Relee şi declanşatoare termice..........................................................................................14 6.8.1. Construcţie şi caracteristici........................................................................................14 6.8.2. Alegerea releelor/declanşatoarelor termice................................................................16 6.9. Întreruptoare de putere (disjunctoare)...............................................................................16 6.9.1. Construcţie şi funcţionare..........................................................................................17 6.9.2. Mărimi caracteristice specifice..................................................................................17 6.9.3. Alegerea întreruptoarelor...........................................................................................20 6.10. Siguranţe fuzibile............................................................................................................21 6.10.1. Construcţie şi funcţionare........................................................................................21 6.10.2. Caracteristici principale...........................................................................................22 6.10.3. Alegerea siguranţelor fuzibile..................................................................................24
6.27
