Capitolul 1 - PARAMETRII NOMINALI AI APARATELOR ELECTRICE
1. PARAMETRI PARAMETRIII NOMINALI NOMINALI AI APARATE APARATELOR LOR ELECTRICE SI SEMNIFICATIA LOR PENTRU CONSTRUCTIA , FUNCTIONAREA SI EXPLOATAREA ACESTORA Expl Exploa oata tarea rea corec corectă tă a AE treb trebui uiee să ţină ţină seam seamaa în prin princi cipa pall de parametrii lor nominali, dar şi de funcţionalitatea acestora. Parametrii nomi nominal nalii vor vor fi preze prezent ntaţ aţii în cele cele ce urme urmeaz ază, ă, iar iar prec preciz izare areaa rolu rolulu luii funcţional al diferitelor tipuri constructive de AE face obiectul volumului II al acestei lucrări.
1.1. Parametrii nominali ai AE Cel mai important parametru nominal pentru un aparat electric, care trebuie respectat pentru alegerea şi exploatarea sa corectă, este tensiunea notată tă de obice obiceii Un şi indi indica cată tă în [V] [V] sau sau [kV] [kV].. Acea Aceast staa nominală , nota reprezintă cea mai mare valoare tipizată a tensiunii (în cazul aparatelor electrice de curent continuu), respectiv cea mai mare valoare eficace a tensiunii (în cazul aparatelor electrice de curent alternativ), pentru care aceste acesteaa sunt sunt proiect proiectate ate şi construi construite, te, garant garantând ându-s u-see funcţio funcţionar narea ea lor lor de lungă lungă durată durată,, fără fără deteri deterioră orări ri (ale (ale izolaţ izolaţiei iei de obicei obicei)) care care să pertur perturbe be exploatarea ulterioară. Valorile tensiunii nominale pentru AE sunt precizate în Tabelul 1.1 respectiv în Tabelul 1.2. Tabelul 1.1: Tensiuni nominale la 50 Hz, curent cur ent alternativ Joas Joasăă tens ensiune iune,, [V], [V], STA STAS 553 553-80 -80 24, 24, 36, 36, 48, 48, 110 110 sau sau 127, 127, 220 220 sau sau 250, 380, 660, 1000 Inaltă tensiune [kV], CEI 56-1 3, 6, 6, 7. 7.2, 12 12, 17 17.5, 24 24, 36 36, 52 52, 72 72.5, 100, 123, 145, 170, 245, 300, 362, 420, 525, 765 Tabelul 1.2: Tensiuni nominale în curent continuu Joasă tensiune [V] 24, 48 48, 11 110, 12 125, 22 220, 25 250, 40 400, 800(1000) Inaltă tensiune [kV] 220 - 400 - 800 Tensiunea reală la care funcţionează un aparat electric se numeşte tensiune de serviciu , notată Us, de obicei inferioară, la limită egală cu tensiunea nominală. In timpul exploatării aparatelor electrice acestea sunt expuse, un timp de obicei limitat, la acţiunea unor tensiuni superioare tensiunii nominale, BAZELE TEORETICE ALE FUNCTIONARII APARATELOR ELECTRICE 4
Capitolul 1 - PARAMETRII NOMINALI AI APARATELOR ELECTRICE
numite supratensiuni , pe care trebuie să le suporte fără a se deteriora. Se pot evidenţia supratensiuni atmosferice dar şi supratensiuni de comutaţie, condiţionate de circuitul în care este inclus aparatul şi de momentul în care acestea se manifestă. Pentru a suporta aceste supratensiuni izolaţia aparatelor electrice se caracterizează printr-o tensiune de ţinere , superioară tensiunii nominale, în raport cu care se poate defini chiar un coeficient de siguranţă a izolaţiei. Tensiunea de ţinere este confirmată prin încercări ale izolaţiei aparatelor electrice şi deosebim tensiune de ţinere la impuls tipizat respectiv tensiune de ţinere la frecvenţa industrială. Trebuie subliniat faptul că valoarea tensiunii nominale, dar şi funcţionalitatea aparatului electric, influenţează decisiv gabaritul acestuia . Valorile tensiunii nominale sunt stabilite prin norme (STAS), în acord cu reglementările Comitetului Electrotehnic Internaţional (CEI), astfel încât intervine o tipizare a aparatelor electrice din acest punct de vedere. Pentru domenii de utilizare speciale, utilaj minier, tracţiune electrică etc., pot interveni valori « anormale » ale tensiunii nominale a aparatelor electrice specifice acestor instalaţii. Al doilea parametru important pentru aparatele electrice este curentul nominal , notat In şi indicat de obicei în [A]. Acesta se defineşte ca valoarea tipizată maximă, (efectivă maximă pentru aparatele de curent alternativ), care parcurgând căile de curent ale aparatului electric conform funcţionării preconizate (chiar un timp nelimitat uneori), nu produce încălziri ale acestora, sau ale altor componente constructive, nu realizează încălziri la temperaturi ce depăşesc limitele admise, impuse la proiectare, şi deci nu compromite funcţionarea ulterioară a ansamblului. Valorile curentilor nominali ai aparatelor electrice sunt indicate in Tabelul 1.3. Tabelul 1.3: Curenţi nominali pentru aparatele electrice Joasă tensiune [A] 2,4,6,10,16,25,40,63,80,100,125,160,200,250,315,40 0,630,800,1000,1250,1600,2000,2500,3150,4000, 5000,6000 Inaltă tensiune [A] 400,630,800,1250,1600,2000,2500,3150,4000,5000, 6000 Căile de curent ale aparatelor electrice sunt parcurse de fapt de curentul de serviciu , notat Is, inferior, la limită egal cu curentul nominal. In anumite situaţii de funcţionare, căile de curent ale aparatelor electrice sunt parcurse de curenţi ce depăşesc curentul nominal : acestea reprezintă supracurenţi , care pot fi clasificaţi după amplitudine şi durată, (vezi Cap. 1.2.2) pentru situaţiile de defect deosebind fie curenţi de suprasarcină, fie curenţi de scurtcircuit . BAZELE TEORETICE ALE FUNCTIONARII APARATELOR ELECTRICE 5
Capitolul 1 - PARAMETRII NOMINALI AI APARATELOR ELECTRICE
Deşi valorile tipizate ale curenţilor nominali ai aparatelor electrice reprezintă firesc o evoluţie discontinuă, pentru a reduce numărul de tipodimensiuni de aparate electrice, prin asocierea unui aparat de comutaţie cu un element de protecţie specializat convenabil ales, caracterizat prin curentul de reglaj , notat cu Ir, ale cărui valori pot fi modificate obişnuit între 0,6 In şi In, se poate asigura o acoperire continuă a valorilor posibile de curenţi corespunzători diferiţilor consumatori, aşa cum sugerează Tabelul 1.4, care se referă la valori I n sub 100 A.
In
Ir
Tabelul 1.4: Curenţi de reglaj pentru aparatele electrice 6 10 16 25 40 63 100 3,6 - 6 6 - 10 9,6 - 16 15 -25 24 - 40 37,8 - 63 60 - 100
Trebuie precizat faptul că pentru aplicaţii cunoscute ale unor aparate electrice de comutaţie, cum ar fi utilizarea contactoarelor electromagnetice pentru alimentarea maşinilor electrice, unele firme (Klöckner-Moeller) preferă să precizeze puterea motorului electric în locul curentului nominal al aparatului. Tot ca parametri nominali, care permit identificarea unei tipodimensiuni de aparat electric, adaptată pentru o utilizare dată, mai amintim : - natura curentului : curent continuu sau curent alternativ ; - numărul de « poli » sau de căi de curent principale : monopolare, bipolare, tripolare sau chiar multipolare ; - numărul de contacte auxiliare şi tipul lor, normal închis (NI) sau normal deschis (ND) ; - locul de montare pentru exploatarea propriuzisă, acesta poate fi în exterior, (E) sau în interior, (I) ; - numărul de manevre, sau durata de viaţă, notată cu N, având valori de la 103 manevre până la 106 manevre. De remarcat faptul că adesea aparatele electrice sunt numite prin parametrii lor nominali, cum ar fi de exemplu STE 10–400, cu semnificaţia de separator tripolar de exterior având Un= 10 kV şi respectiv In= 400 A. Calitatea aparatelor electrice de comutaţie poate fi apreciată prin parametri nominali specifici, cum ar fi curentul de conectare , Ic, sau curentul de rupere , IR . Curentul de conectare reprezintă valoarea maximă a curentului pe care un aparat electric îl poate conecta, la o tensiune dată (de obicei 0,5 Un) fără a provoca deteriorări care să împiedice funcţionarea sa ulterioară. Curentul de rupere precizează valoarea maximă a curentului pe care un aparat electric îl poate deconecta, la o tensiune dată (de obicei 0,5 Un) fără a se produce deteriorări care să împiedice funcţionarea ulterioară a BAZELE TEORETICE ALE FUNCTIONARII APARATELOR ELECTRICE 6
Capitolul 1 - PARAMETRII NOMINALI AI APARATELOR ELECTRICE
acestuia. Adesea această valoare este înlocuită cu « puterea de rupere », fără a pierde de fapt semnificaţia anunţată. In ultimul timp, mai ales pentru aparatele electrice care se caracterizează printr-o durată mare de viaţă, destinate unei funcţionări ciclice, s-au impus ca parametri nominali informaţii tehnico-constructive specifice, cum sunt durata relativă de conectare , DC şi frecvenţa de conectare, f c. Durata relativă de conectare, DC, se defineşte ca raport între timpul de conectare, t c, în care curentul parcurge contactele aparatului şi durata unui ciclu, τ, ca sumă între timpul de conectare, t c şi timpul de pauză, t p : DC =
tc
,
τ
(1.1)
exprimată adesea în procente, [%], dacă relaţia de mai sus se multiplică cu 100. Valorile uzuale pentru DC sunt de 0,15, 0,25, 0,4, 0,6 şi 1, [38]. Frecvenţa de conectare, f c, exprimă numărul de manevre (cicluri), de obicei identice, pe care aparatul electric respectiv le poate efectua într-o oră de funcţionare, [cicluri/h]. Valorile acestui parametru nominal sunt împărţite pe cinci clase şi anume 6, 30, 150, 600, 1200 şi 3000 cicluri pe oră, [38]. Pornind de la aceste informaţii este posibil să obţinem succesiv : - durata ciclului de funcţionare , τ : τ
N =
f c
;
(1.2)
;
(1.3)
;
(1.4)
- timpul de conectare, t c : tc = τ · DC
- timpul de pauză, t p : t p = τ · (1 – DC)
- timpul mediu de bună funcţionare al aparatului electric, T f : Tf
N =
f c
[ h]
;
(1.5)
- rata sau intensitatea de manifestare a căderilor, λ : λ
1 =
;
Tf
BAZELE TEORETICE ALE FUNCTIONARII APARATELOR ELECTRICE 7
(1.6)
Capitolul 1 - PARAMETRII NOMINALI AI APARATELOR ELECTRICE
- probabilitatea de bună funcţionare a aparatului electric, P(t), dacă se consideră porţiunea cu valori lambda constante din Fig.1.1:
-
P(t) = e – λ t
.
(1.7)
Fig.1.1: Rata de manifestare a căderilor Cele 3 zone din Fig. 1.1 au următoarele semnificaţii: - I - etapa de tinereţe, cu defecte frecvente ce impun necesitatea rodajului; - II - etapa de maturitate, de utilizare propriuzisă a AE; - III - etapa de bătrâneţe, cu defecte frecvente datorate uzurii. Tf reprezintă timpul mediu de bună funcţionare. In legătură cu comportarea aparatelor electrice care trebuie să suporte sau chiar să intervină (să deconecteze) în situaţii de defect (curent de defect), se definesc parametri nominali specifici, care ţin seama de particularităţile de manifestare a defectului, de construcţia şi de performanţele impuse aparatului. O bună comportare a aparatelor electrice în situaţii de defect, la curenţi de suprasarcină respectiv la curenţi de scurtcircuit, se referă la stabilitatea termică respectiv la stabilitatea dinamică a acestora, în legătură directă în fond cu solicitările termice şi electrodinamice (mecanice) datorate curenţilor de defect. Stabilitatea termică a unui aparat electric, în fapt o « capacitate termică de defect », se defineşte prin curentul limită termic , Ilt, pe care acesta trebuie să-l suporte un timp dat, t*, prevăzut prin norme, la funcţionarea în situaţie de defect, fără ca încălzirile excesive ale componentelor sale să depăşească valori admisibile, (superioare de obicei temperaturilor corespunzătoare regimului nominal), care să producă deteriorări ce fac imposibilă funcţionarea ulterioară a ansamblului. BAZELE TEORETICE ALE FUNCTIONARII APARATELOR ELECTRICE 8
Capitolul 1 - PARAMETRII NOMINALI AI APARATELOR ELECTRICE
Condiţia de stabilitate termică pentru un aparat electric impune de fapt o capacitate termică de defect superioară solicitării termice în asemenea situaţie ce este funcţie de natura circuitului dar şi de locul de montare al aparatului electric, evaluată prin valoarea efectivă a curentului de şoc, Isoc, v. Cap. 1.2.2, ce parcurge căile de curent până la deconectarea defectului prin intervenţia protecţiei, deci un timp td , putându-se exprima prin relaţia : Ilt2 t* > I soc2 td
.
(1.8)
Evident, în anumite situaţii de defect, satisfacerea acestei inegalităţi impune performanţe mai bune aparatului electric dar mai ales ale protecţiei aferente, astfel încât să fie posibilă reducerea valorilor t d. Condiţia de stabilitate dinamică pentru un aparat electric la funcţionarea în regim de defect (de obicei scurtcircuit) se referă la forţele (cuplurile) electrodinamice, (solicitările mecanice), admisibile datorate curentului limită dinamic , Ild, (solicitări ce depind de pătratul valorii instantanee a curentului) şi impune ca Ild să depăşească amplitudinea maximă a curentului de scurtcircuit, Isc, numită în cazul curentului alternativ şi curent de şoc , i soc, v. Cap. 1.2.2, ceea ce corespunde de fapt inegalităţii : Ild > isoc
.
(1.9)
De menţionat faptul că atât noţiunea de stabilitate termică cât şi cea de stabilitate dinamică compară posibilităţile fizice ale aparatului electric la funcţionarea în regim de defect cu solicitările datorate defectului, şi se constituie într-un criteriu de bază pentru alegerea corectă a aparatelor electrice în conformitate cu instalaţiile în care sunt incluse şi cu locul de montare preconizat, considerând desigur şi funcţionalitatea acestora. Mai multe detalii despre aceste solicitări se vor prezenta în Capitolul 4. In cazul unor aparate electrice cu destinaţie specială, (relee de protecţie, întrerupătoare ultrarapide etc.), intervin în plus parametri nominali specifici, care vor fi precizaţi ulterior, cum ar fi selectivitatea de exemplu, ce impune ca în situaţii anormale, de defect, să se realizeze deconectarea doar pentru elementele afectate de defect.
BAZELE TEORETICE ALE FUNCTIONARII APARATELOR ELECTRICE 9
