UNIVERSITATEA “VALAHIA” TÂRGOVIŞTE FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ Specializarea: ELECTROTEHNICĂ
LICENŢĂ COORDONATOR ŞTIINŢIFIC grad didactic titlu ştiinţific Prenume NUME
ABSOLVENT Băicuş Constantin - Claudiu
2012
UNIVERSITATEA “VALAHIA” TÂRGOVIŞTE FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ Specializarea: ELECTROTEHNICĂ
Studiul echipamentelor de protecţie la supracurenţi pentru instalaţiile electrice de joasă tensiune
COORDONATOR ŞTIINŢIFIC grad didactic titlu ştiinţific Prenume NUME
ABSOLVENT Băicuş Constantin-Claudiu
2012
CUPRINS
INTRODUCERE ROLUL, COMPONENTELE ŞI UTILIZAREA INSTALAŢIILOR ELECTRICE CAPITOLUL 1
ECHIPAMENTE DE PROTECŢIE LA SUPRACURENŢI
1.1. Alegerea echipamentelor de protecţie 1.2. Întrerupătoare automate de joasă tensiune
1.2.1. Definiţie, funcţiuni, domenii de utilizare 1.2.2. Clasificarea şi alegerea întrerupătoarelor de joasă tensiune 1.2.3. Caracteristicile constructive şi de funcţionare 1.2.4. Analiză comparativă asupra diferitelor tipuri de întrerupătoare 1.3. Siguranţe fuzibile de joasă tensiune 1.3.1. Definiţie, funcţionare şi domenii de utilizare 1.3.2. Caracteristicile constructive şi de funcţionare 1.3.3. Analiză comparativă asupra diferitelor tipuri de siguranţe fuzibile
1.4. Alte tipuri de echipamente de protecţie 1.4.1. Contactoare
1.4.2. Relee de protecţie 1.4.3. Declanşatoare 1.5. Echipamente auxiliare pentru instalaţiile electrice de joasă tensiune
1.5.1. Tablouri electrice de distribuţie 1.5.2. Firide de branşament 1.6. Standarde şi normative referitoare la instalaţii şi echipamente electrice CAPITOLUL 2 SCURTCIRCUITUL ÎN INSTALAŢIILE ELECTRICE DE JOASĂ TENSIUNE 2.1. Fenomenul de scurtcircuit în instalaţiile electrice de joasă tensiune 2.2. Efectele scurtcircuitului asupra instalaţiilor şi echipamentelor electrice 2.3. Prevenirea avariilor prin scurtcircuit şi siguranţa în funcţionare a instalaţiilor
CAPITOLUL 3
APLICAŢIE CALCULUI CURENŢILOR DE SCURTCIRCUIT DE JOASĂ TENSIUNE 3.1. Dimensionarea instalaţiilor electrice de JT. Alegerea echipamentelor de
protecţie şi auxiliare 3.2. Marimi fizice asociate fenomenului de scurtcircuit 3.3. Exemplu de calcul a curenţilor de scurtcircuit pentru o instalaţie de JT
CONCLUZII MATERIALE GRAFICE BIBLIOGRAFIE
INTRODUCERE
Rolul, componentele şi utilizarea instalaţiilor electrice Întâlnite în tot ceea ce înseamnă amenajare industrială pentru producţia de bunuri, comercială, urbană, rurală şi în spaţiile de locuinte, instalaţiile electrice reprezintă o componentă indispensabilă traseului de construcţii tehnologice cuprins între locul unde se produce energia electrică şi locul unde aceasta este folosită / consumată de utilizatori / consumatori. Dacă facem referire numai la instalaţiile electrice de joasă tensiune, acestea realizează distribuţia energiei electrice la receptoare, îndeplinind astfel scopul final al întregului proces de producere, transport şi distribuţie a energiei electrice (transferul de energie electrică de la locul de producere la locul de utilizare). În compunerea lor se regăsesc aceleaşi părţi, evidenţiate pentru instalaţiile electrice
la consumatorii enumeraţi anterior. Atât la unităţile unde se produce energie electrică cât şi pe reţelele de transport, dar mai ales la consumatorii industriali sau casnici sunt utilizate instalaţii şi echipamente electrice care asigură atât conversia electromecanică, cât şi comanda, protecţia şi automatizarea instalaţiilor industriale. Din punct de vedere constructiv, funcţional, tehnologic dar şi economic, instalaţiile electrice se clasifică după următoarele criterii generale ( v. Anexa grafică): Criteriul rolului funcţional:
• instalaţii electrice pentru producere energiei electrice (centrale electrice: termocentrale, hidrocentrale, nuclearo-electrice, eoliene sau grupuri electrogeneratoare);
• instalaţii electrice pentru transportul energiei electrice (linii electrice aeriene sau în cablu, racorduri, coloane sau circuite electrice);
• instalaţii electrice pentru distribuţia energiei electrice (staţii şi posturi de transformare, puncte de alimentare, tablouri de distribuţie); • instalaţii electrice de distribuţie şi utilizare a energiei electrice, la consumatori (pentru cei alimentaţi cu joasă tensiune avem: instalaţii de iluminat interior şi exterior, instalaţii de forţă, instalaţii electrice speciale pentru alimentarea pompelor de incendiu, a iluminatului de siguranţă, a ascensoarelor, a instalaţiilor de telefonie şi antene colective la clădiri, etc.);
• instalaţii electrice auxiliare, (instalaţiile de compensare a puterii reactive, de protecţie împotriva electrocutărilor şi a supratensiunilor atmosferice, instalaţiile de compensare a regimului nesimetric sau deformant etc);
Energia electrică este produsă în centrale electrice la o tensiune redusă (din motive constructive şi tehnologice), cuprinsă între 6 - 24 kV. În vederea transportului economic al energiei electrice către consumatorii de orice fel, tensiunea este transformată printr -o staţie de transformare ridicătoare pânâ la 110, 220 sau 400 kV. La această tensiune, energia electrică este 1
transportată printr-o linie de transport aerian până în apropierea marilor consumatori. Aici tensiunea este coborâtă la 20 kV printr-o staţie de transformare şi transportat prin cabluri subterane la diferite staţii de transformare amplasate în apropierea marilor consumatori. Între staţiile de transformare şi posturile de transformare se prevăd uneori şi puncte de alimentare care permit o bună repartizare a sarcinilor şi eventuale extinderi ulterioare. Posturile de transformare furnizează energie electrică reţelei de joasă tensiune (0,4 kV) la care sunt racordaţi micii consumatori. Criteriul poziţiei în raport cu procesul energetic:
• instalaţii electrice de curenţi tari, cuprinzând echipamente implicate în producerea, transportul, distribuţia şi utilizarea energiei electrice, deci implicate în c ircuitul energetic principal. Aceste instalaţii pot fi de utilizare sau de protecţie (prin legare la prize de împământare sau la conductorul nulul de protecţie); • instalaţii de curenţi slabi, care concură numai la realizarea acestor procese energetice (instalaţii de automatizare, măsură şi control, de telecomunicaţii); Criteriul locului de amplasare:
• instalaţii electrice interioare, executate în interiorul construcţiilor; • instalaţii electrice exterioare, funcţionând în diferite condiţii de mediu; • instalaţii electrice pe utilaj; Criteriul tensiunii nominale ( U n ):
• instalaţii electrice de joasă tensiune (Un < 1000 V). Tensiunile standardizate nominale între faze sub 1 kV şi frecvenţa de 50 Hz, sunt: 380, 660 şi 1000 V. Mai există reţele alimentate la tensiunea de 208 V şi de 500 V, aria de răspândire a lor fiind limitată .Reţelele de joasă tensiune admit abateri de la valorile nominale menţionate de ±5 % şi respectiv ±10; • instalaţii electrice de medie tensiune (1 kV < Un < 20 kV). Tensiunile standardizate nominale din această plajă de valori sunt: 6, 10, respectiv 20 (35) kV ; • instalaţii electrice de înaltă tensiune (35 kV < Un < 220 kV). Tensiunile standardizate nominale din această plajă de valori sunt: 110, 220 kV; • instalaţii electrice de forate înaltă tensiune (Un > 220 kV). Tensiunile standardizate nominale din această plajă de valori sunt 400, respectiv 750 kV; Să mai specificăm că se mai utilizeaz încă pentru transportul şi distribuţia energiei electrice şi tensiuni de 3; 15, 30, 60 kV, fără ca aceste reţele să fie extinse. Pentru domenii catracţiunea electrică urban şi feroviar, sectorul minier, petrolier sau alte sectoare speciale existăreglementări speciale în ceea ce priveşte tensiunile nominale şi frecvenţele. În cazul instalaţiilor de curent continuu se folosesc următoarele tensiuni nominale standardizate: 12, 24, 48, 110, respectiv 220 V; 2
Criteriul frecvenţei tensiunii nominale ( f n ):
• instalaţii electrice de curent continuu (f = 0); • instalaţii electrice de curent alternativ, care la rândul lor se pot clasifica în: instalaţii de frecvenţă joasă
(0,1 - 50 Hz), instalaţii de frecvenţă industrială (50 Hz), instalaţii de
frecvenţă medie (0,1 - 10 kHz) şi respectiv instalaţii de înaltă frecvenţă (f > 10 kHz); Criteriul modului de protecţie:
• instalaţii electrice de tip deschis, protejate numai contra atingerilor accidentale; • instalaţii electrice de tip închis, protejate contra atingerilor, a pătrunderilor corpurilor străine cu diametrul > 1 mm, a picăturilor de ploaie şi a deteriorărilor mecanice; • instalaţii electrice de tip capsulat, protejate contra pătrunderii corpurilor străine, a stropilor de apă, precum şi contra atingerilor şi a deteriorărilor mecanice. În conformitate cu teminologia tehnică, vom face referire în continuare şi la celelalte
componente ale fluxului de utilizare a energiei electrice, aşa cum a fost denumit anterior. Avem astfel de definit: ○ echipamentul electric se poate defini ca un ansamblu format din dispozitive
pentru producerea, transformarea, transportul, distribuţia şi utilizarea energiei electric. Se folosesc la alimentarea consumatorilor de energie electrică; ○ consumatorul electric este definit ca fiind format din totalitatea receptoarelor electrice
dintr-un spaţiu, legate între ele printr-un scop tehnologico-funcţional; ○ receptoarele electrice alimentate în joasă tensiune sunt de o mare diversitate, ocupând
în general o pondere însemnată în valoarea puterii instalate la consumator. Având în vedere rolul
instalaţiilor de joasă tensiune, rezultă că proiectarea acestora este strâns legată de caracteristicile tehnico-funcţionale ale receptoarelor electrice. Cerinţele impuse de funcţionarea corespunzatoare
a receptoarelor, din punct de vedere tehnic şi economic, trebuie satisfăcute între anumite limite admisibile, de către instalaţia de distribuţie în joasă tensiune. Un mare număr de receptoare electrice se află, în mod obişnuit, montate în componenşa utilajelor tehnologice, acestea cuprinzând unul sau mai multe receptoare. Prin fabricaţie, aceste utilaje au o instalaţie electrică proprie, care cuprinde atât o parte de forţă - circuitele primare, cu rol de distribuţie şi de protecţie a receptoarelor, cât şi o parte de comandă, automatizare, măsura şi control - circuitele secundare. Una din problemele de mare importanţă privind funcţionarea şi exploatarea
instalaţiilorelectrice este aceia a protecţiei acestora, pentru evitarea / diminuarea efectelor suprasolicitărilor la care acestea sunt supuse. Prin asigurarea protecţiei, instalaţiile îşi păstrează pe termen lung caracteristicile fizico-mecanice, evitându-se astfel îmbătrânirea şi scoaterea
prematură din funcţiune. Este totodată şi o problemă legată intrinsec de asigurarea calităţii, a fiabilităţii procesului de transport / distribuţiei a energiei electrice însăşi către consumatorii şi, nu 3
în ultimul rând, un aspect al eficienţei economice a exploatării instalaţiilor. Echipamentele de protecţie sunt dispozitive concepute să funcţioneze în regimuri de
avarii şi suprasolicitări ale instalaţiilor electrice, induse de regulă de funcţionarea defectuoasă a consumatorilor sau de factori perturbatori ai mediului exterior (condiţii meteorologice extreme, catastrofe naturale, accidente cauzate de intervenţia operatorului uman, etc.), iar condiţiile impuse acestora sunt legate de fiabilitatea, capacitatea de răspuns la suprasolicitare, rapiditatea răspunsului, simplitatea construcţiei acestor aparate. O scurtă trecere în revistă a suprasolicitărilor la care pot fi supuse instalaţiile electrice aflate în funcţionare ar cuprinde: ○ solicitările termice: cauzează crestere temperaturii unui element al instalaţiei peste
anumite valori impuse cu efecte negative asupara caracteristicilor acestuia. Capacitatea de
rezistenţă la acest tip de solicitare este întâlnită sub denumirea de stabilitate termică ; ○ solicitări electrodinamice: sunt cauzate de dinamice ale trecerii curentului electric prin
conductoare. Este cazul celor mai frecvente solicitări induse în instalaţiile elctrice, de curenţii de
scurtcircuit. Capacitatea echipamentelor de a rezista acestui tip de solicitări este numită stabilitate mecanică şi poate fi de două tipuriv: dinamică şi statică .
Trecând în revistă principalele regimuri de avarie la care sunt supuse reţele electrice, maşinile şi aparatele electrice, putem determina cele mai importante metode şi echipamentele folosite folosite la protecţia instalaţiilor electrice precum întrerupătoare automate, siguranţe fuzibile, releele şi declanşatoarele de protecţie, până la cele mai moderne aparate de protecţie care utilizează tehnologiile informatice şi comenziole numerice. Această ultimă clasificare constitui obiectul de analiză al acestei lucrări. Pe parcursul a trei părţi distincte, sunt tratate echipamentele de protecţie specifice instalaţiilor electrice de joasă tensiune, din gama întrerupătoarelor automate, a siguranţelor fuzibile, a altor echipamente de
protecţie auxiliare (relee, declanşatoarcele). Sunt analizate de asemenea şi echipamente care nu ţin neapărat de protecţie electrică a instalaţiilor dar care fac parte din dotarea necesară în construcţia instalaţiilor. Capitolul al treilea este alocat analizei fenomenelor de suprasarcină şi de scurtcircuit care pot apărea în funcţionarea şi exploatarea instalaţiilor electrice. Este exemplificat, printr-o aplicaţie de calcul, modul de determinare, dimensionare şi verificare a unei instalaţii de joasă tensiune care trebuie să suporte, în condiţii de menţinere a parametrilor
funcţionali, solicitările de avarie sus-menţionate. La elaborarea şi redactarea lucrării s -au folosit materiale teoretice existente în surse bibliografice din literatura de specialitate, în cercetări ştiinţifice din România precum şi cataloage de prezentare a caracteristicilor aparatelor şi echipamentelor aflate în portofoliul unor producători importanţi din domeniu. 4
CAPITOLUL 1
ECHIPAMENTE DE PROTECŢIE LA SUPRACURENŢI 1.1. Alegerea echipamentelor de protecţie Prin laturile instalaţiilor şi reţelelor electrice de joasă tensiune pot circula în mod accidental, în afara regimului normal de funcţionare când valorile curenţilor sunt la nivelul nominal cerut de receptoare sau pot atinge şi nivele de vârf, supracurenţi datoraţi următoarelor perincipale cause: ○ scurtcircuite, care apar datorită scăderii bruşte a valorii impedanţei sau rezistenţei
echivalente din circuitul de alimentare a receptorului alimentat în c.a. sau c.c. ; ○ suprasarcini, induse de solicitarea receptoarelor la puteri mai mari decât cele nominale
sau peste durata de acţionare normală, din motive de funcţionare (tehnologice) sau ca urmare a creşterii prelungite a tensiunii la bornele de alimentare ale acestora. În condiţiile apariţiei acestor anomalii, se consideră că domeniul de valori sau plaja de suportabilitate este cuprinsă, pentru suprasarcini, între 1,05......1,5 Ic iar pentru regimurile de scurtcircuit valorile sunt mai mari de 3,5 Ic , unde Ic este curentul cerut de receptor. Pentru
aceste regimuri anormale de funcţionare, instalaţiile electrice trebuie protejate cu echipamente specifice mai ales cele de joasă tensiune deoarece numai acestea sunt supuse solicitărilor de scurtcircuit. În asemenea situaşii, receptoarele electrice fie că sunt cauza însăşi a producerii scurtcircuitului, datorită producerii unui defect interior de izolaţie, fie că le scade până la anulare
tensiunea de alimentare, astfel încât problema protecţiei lor este în ambele c azuri nesemnificativă. Referitor la protecţia instalaţiilor împotriva curenţilor de suprasarcină, aceasta are semnificaţia unei protecţii stricte a receptoarelor, deoarece solicitarea de suprasarcină nu reprezintă o problemă deosebită pentru reţelele electrice care sunt dimensionate întotdeauna sa reziste la acţiunea curenţilor de scurtcircuit. Pe lângă aceste situaţii, instalaţiile electrice mai au prevăzute echipamente adecvate a căror destinaţie este: contra lipsei de tensiune sau a scăderii acesteia (tensiune minimă); contra măririi exagerate a turaţiei, în cazurile când aceasta ar produce pagube materiale sau ar primejdui viaţa operatorilor umani (cazul acţionărilor cu motoare); contra funcţionării receptoarelor în absenţa uneia dintre fazele circuitului de alimentare sau a regimurilor nesimetrice şi deformante. Dată fiind posibilitatea apariţiei uneia dintre situaţiile descrise anterior, se impune a fi acordată o atenţie deosebită privind alegerea corespunzătoare a procedeelor şi echipamentelor de protecţie ţinându-se cont de specificitatea instalaţiei electrice, de caracteristicile şi funţionalitatea
receptoarelor şi, nu în ultimul rând, de fiabilitatea şi mentenanţa instalaţiilor. Ştiind că pentru protecţia instalaţiilor împotriva funcţionării în regim de suprasarcină sunt
5
utilizate releele termice şi declanşatoarele termice (protecţia nu este necesară pe ramurile circuitelor de alimentare prevăzute cu întrerupătoare automate cu declanşatoare termice, la motoarele cu puteri mai mici de 1,1 kW cu re gim de funcţionare intermitentă sau de scurtă
durată, la circuitele alocate iluminatului şi la cele destinate alimentării cuptoarelor electrice cu rezistoare), vom face referire în continuare la modalitatea şi condiţiile de alegere a echipamentelor de protecţie a instalaţiilor contra curenţilor de scurtcircuit.
Protecţia împotriva curenţilor de scurtcircuit este impusă a fi făcută în următoarele locuri din instalaţii electrice: • la plecările din tablourile de distribuţie sau canalele de distribuţie; • în toate punctele unde secţiunea conductorului descreşte, dacă aparatul de protecţie din amonte nu asigură protecţia corespunzătoare secţiunii diminuate; • la intrările în tablourile de distribuţie alimentate, la rândul lor, din coloane (canale) magistrale;
• la ramificaţiile spre receptoarele individuale alimentate din aceeaşi plecare din punctul de distribuţie, excepţie făcând receptoarele de mică putere (aşa cum sunt circuitele de iluminat, circuite de alimentare a prizelor din clădiri administrative, sau a circuitelor de alimentare a unui grup de motoare a căror putere însumată nu depăşeşte 15 kW şi siguranţa fuzibilă plasată în punctul de distribuţie are un curent nominal de 16 A); • pe circuitele secundare din instalaţii, destinate asigurării comenzilor şi semnalizărilor. Oricare ar fi situaţia care impune a se implementa un sistem de protecţie în instalaţiile electrice, pe lângă criteriile tehnice care ţin de caracteristicile receptoarelor este necesar a se lua în considerare şi criteriul referitor la eficienţa şi mai ales eficacitatea echipamentelor de protecţie alese, şi anume criteriul de selectivitate a protecţiei . Ce presupune acest criteriu? Să luăm cazul unei instalaţii electrice de joasă tensiune care are un număr relativ mare de dispozitive de protecţie, de diverse tipuri şi caracteristici (impuse de caracteristicile receptoarelor alimentate),
dintre care unele dintre ele finnd amplasate în serie, în sensul distribuţiei de energie. Funcţionarea acestor dispozitive de protecţie este optimă atunci când acestea îşi îndeplinesc rolul în mod selectiv, adică în cazul unei avarii survenite în oricare punct al instalaţiei, este necesar să acţioneze protecţia cea mai apropiată de locul avariei dar care este destinată acelui tip de avarie, izolându-se astfel numai o porţiune de reţea afectată, restul receptoarelor rămânând în funcţiune. Aşadar, selectivitatea protecţiei, între dispozitive de acelaş tip sau de tipuri diferite, trebuie asigurată astfel încât sa îndeplinească următoarele: • protecţii similare, fie împotriva curenţilor de scurtcircuit (selectivitatea între două siguranţe fuzibile între două întrerupătoare automate cu relee electromagnetice sau între o siguranţă fuzibilă şi un întrerupător automat), fie contra curenţilor de suprasarcină (cazul în care 6
se face selectivitate între două relee termice);
• protecţii diferite, un dispozitiv asigurând protecţia împotriva curenţilor de scurtcircuit şi celălalt împotriva curenţilor de suprasarcină ( cazul selectivităţii între siguranţa fuzibilă şi releul termic, dintre releul electromagnetic şi cel termic) • protecţia cu dispozitive de acelaşi tip şi fabricaţie se realizează astfel încât curenţii nominali ai fuzibilului siguranţelor, respectiv timpii de declanşare a întrerupătoarelor automate să fie în creştere, în sensul de parcurgere a instalaţiei electrice, de la receptor către sursa de alimentare.
t e2
Isc e1 C1
e1 A
Δ t ≥0,04 s
e2 Avaria
Irt
Inf
Isc
I
Diagramă explicativă pentru selectivitatea dintre un releu termic şi o siguranţă fuzibilă (pentru schema de principiu echivalentă mai) Explicaţii: Caracteristicile de protecţie se intersectează în punctul A Care are în stânga domeniul supracurenţilor (de suprasarcină), pentru care este ales ca dispozitiv de protecţie releul termic e2 , iar la dreapta domeniul supracurenţilor (de scurtcircuit), pentru care protecţia este
asigurată de siguranţa fuzibilă e1. La valoarea curentului de scurtcircuit care ar tronsonul de reţea, diferenţa de timp Δ t, care ar permite acţiunea protecţiei este mai mare de 4 sutimi de secundă. Dacă siguranţa ar avea un curent nominal prea mic atunci ar fi determinată neselectivitatea în domeniul curenţilor de suprasarcină; dacă ar avea un curent nominal prea mare atunci s-ar induce neselectivitatea faţă de curentul de scurtcircuit, o situaţie deosebit de
periculoasă. Echipamentele şi dispozitivele de protecţie fac parte din grupa mai mare a aparatelor electrice existente în mod obligatoriu în orice instalaţie electrică, inclusiv în cele de joasă
tensiune. Ele sunt necesare, pe de o parte, pentru buna funcţionare a instalaţiilor asigurarea 7
parametrilor tehnologici ai receptoarelor şi, pe de altă parte, necesitatea prezenţei influenţează decisiv costurile de realizare şi exploatare ale acestora. În raport cu funcţia îndeplinită se pot deosebi următoarele categorii de aparate electrice: • aparate de conectare (întrerupătoare, contactoare, butoane şi chei de comandă etc.) ; • aparate de protecţie (siguranţe fuzibile, relee termice, cu termistoare sau electromagnetice);
• aparate de semnalizare (sonerii, hupe, lămpi de semnalizare); • aparate de măsură. Uneori putem întâlni mai multe funcţii la acelaşi aparat, de exemplu la întrerupătoarele automate (disjunctoare), în această situaţie fiind aparatele de comutaţie moderne. Principalele
funcţii ale aparatelor de comutaţie sunt: • protecţia electrică: împotriva curenţilor de suprasarcină, împotriva curenţilor de scurtcircuit şi a defectelor de izolaţie;
• separarea electrică a unei părţi dintr-o instalaţie: indicată clar de un indicator mecanic cu imunitate la defect sau vizibilă în mod clar ;
• comanda locală sau de la distanţă: conectare / deconectare în regim normal de funcţionare, deconectare sau oprire de urgenţă, deconectare pentru întreţinere mecanică.
1.2. Întrerupătoare automate de joasă tensiune 1.2.1. Definiţie, funcţiuni, domenii de utilizare Întrerupătoarele automate sunt aparate electrice de comutaţie, care în regim normal de funcţionare permit conectarea şi deconectarea cu frecvenţă redusă a circuitelor electrice, iar în caz de suprasarcină, scurtcircuit, scăderea sau dispariţia tensiunii, asigură protecţia prin intermediul declanşatoarelor, întrerupând automat circuitele aflate în regim de avarie. Aceste dispozitive sunt construite astfel încât să îndeplinească următoarele funcţiuni: ○ funcţiunea de comutaţie mecanică-îndeplinită prin închiderea/deschiderea contactelor
principale şi auxiliare; ○ funcţiunea de detecţie a suprasarcinilor şi declanşare automată cu temporizare
conform caracteristicii de protecţie;
○ funcţiunea de detecţie a scurtcircuitelor şi declanşare instantanee; ○ funcţiunea de declanşare liberă manifestata prin preponderenţa comenzii de
deschidere asupra celei de închidere ;
Ca principală acţiune a întrerupătoarelor atunci când survine o situaşie de avarie (supracurenţi, scurtcircuit), separarea are ca scop izolarea unui circuit sau receptor faţă de sursa
8
de energie electrică, astfel încât să permită personalului de întreţinere să intervină în zona separată în deplină siguranţă. Ideal ar fi ca toate elementele componente ale unei instalaţii de
joasă tensiune să aibă mijloace de separare, dar în practică se prevăd mijloace de separare la srcinea fiecărui circuit, din raţiuni de mai bună continuitate şi costuri mai reduse. Un dispozitiv de separare trebuie să îndeplinească mai multe cerinţe: • să poată fi deschişi toţi polii circuitului, inclusiv neutrul (cu excepţia cazului când neutrul este conductor PEN cu dublu rol, de lucru şi de protecţie). Chiar dacă nu întotdeauna obligatorie, deschiderea tuturor contactelor de fază este insistent recomandată din raţiuni de mărire a siguranţei şi simplităţii în funcţionare. Contactul de neutru se deschide după
contactele de fază şi se închide înaintea acestora; • să aibă mijloace de zăvorâre a deschiderii (cu cheie) pentru a evita închiderea neautorizată, accidentală; • să corespundă standardelor recunoscute naţional sau internaţional (de exemplu, CEI 60947-3) privind distanţa dintre contacte, lungimea liniei de fugă, tensiunea de ţinere etc. Îndeplinindu-şi principala funcţie, întrerupătoarele automate realizează de fapt un proces
de comutaţiecare, în regim de funcţionare normală sau în funcţionarea în regim de avarie (de urgenţă), produce modificarea în deplină siguranţă a configuraţiei sarcinilor instalaţiei la toate nivelele. Pentru un maxim de flexibilitate şi continuitate în funcţionare se recomandă ca la fiecare plecare din tablourile de distribuţie sa se prevadă câte un aparat de comutaţie, în special acolo unde aparatele de comutaţie realizează şi funcţia de protecţie. Mărimile caracteristice generale ale aparatelor de comutaţie sunt: • tensiunea nominală (Un) sau (Ue, în notaţie internaţională) şi • curentul nominal (In) : sunt valori stabilite de obicei de către constructor (furnizate în cataloagele de produse) prin care se determină domeniul de folosire al aparatului, pentru anumite
condiţii de folosire date; • curentul prezumat : este intensitatea curentului care ar circula prin circuit dacă în locul aparatului înseriat s-ar considera o impedanţă nulă. Poate fi apreciat atât ca valoare efectivă, cât
şi ca valoare de vârf; • curentul nominal standard : pentru un aparat de comutaţie este intensitatea curentului aleasă din seria normalizată de valori, serie care respectă aşa numita „regulă R10”, adică care are modulul,
= 1,26 (de exemplu, …6, 10, 16, 20, 25, 32, … 100, 125, 160, …..400, .. A)
• curentul nominal permanent (neîntrerupt) (In) sau (Iu, în notaţie internaţională) : este acea valoare a curentului care poate fi suportată de aparat în serviciu neîntrerupt şi este, după cum s-a menţionat anterior, precizată de constructor;
9
• curentul termic convenţional (Ith), (curent nominal termic, curent permanent maximal) în aer liber sau în carcasă, reprezintă cea mai mare valoare a curentului de durată (8 ore), la 40°C, pentru care temperatura bornelor aparatului nu depăşeşte 105°C (sau ΔӨ= 65K = 65°C);
• capacitatea de rupere (de deconectare), (Ir, Id sau Ic) este curentul maxim în valoare efectivă pe care aparatul ăl 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, aşa cum arată numele, o integrală a pătratului curentului pe un interval dat, I2t =
dt, [A2s];
• categoria de utilizare : defineşte aplicabilitatea aparatului şi, în raport cu aparatul considerat, poate fi caracterizată prin multiplii curentului sau tensiunii de serviciu, factorul de putere, capacitatea de rupere, selectivitate etc.
Aparatura modernă a înregistrat progrese substanţiale datorită: • concepţiei îmbunătăţite prin folosirea pe scara larga a aplicaţiilor software de modelare, dimensionare si verificare;
• înglobarea în echipamente a tehnicii de calcul; • folosirea de noi materiale sau creşterea purităţii materialelor folosite; • dezvoltarea şi implementarea în fabricaţie a familiilor de produse şi nu a produselor, ce permite o adaptare rapidă şi la cost redus conform cerinţelor impuse. Înţelegerea rolului funcţional al întrerupătoarelor automate de joasă tensiune, precum si a locului şi rolului pe care acesta îl ocupă într-o instalaţie electric de joasă tensiune, se poate face mai uşor studiind schema electrică echivalentă a acestuia, prezentată mai jos:
10
Unde: DT - declanşator termic; DE - declaşator electromagnetic; CSD - contact de semnalizare, deschis prin declanşare; DTm - declanşator de tensiune minimă; DD - declanşator deschidere; CC - contactor de comandă; RB - relee de alocare; Eelectromagnet de acţionare
Utilizarea întrerupătoarelor automate de joasă tensiune se întâlneşte de regulă la: protecţia instalaţiilor de iluminat, a motoarelor electrice, a reţelelor de distribuţie, tablourile de distribuţie din centrale electrice şi din posturile de transformare sau a altor consumatori. Întrerupătoarele automate sunt folosite împreună cu siguranţe fuzibile cu mare putere de rupere ce asigură un efect de limitare a curenţilor de scurtcircuit. (v. Anexa grafică) Întrerupătoarele automate se folosesc în instala ţii de curent continuu şi curent alternativ
şi, comparativ cu siguranţele fuzibile au funcţiuni multiple şi permit reglarea mai exactă a curentului la care întrerup circuitul în regim de avarie. Fiind
destinate
protecţiei
transformatoarelor, motoarelor şi liniilor electrice de distribuţie, întrerupătoarele sunt solicitate intens termic şi mecanic sub acţiunea curenţilor de scurtcircuit.
Fără a intra în detalierea intrinsecă a fenomenelor de comutaţie şi, mai ales a efectelor acesteia asupra instalaţiilor şi echipamentelor electrice, amintim numai că orice întrerupere, voită sau determinată de izolarea unei ramuri de circuit care a fost afectată de o avarie (de genul
curenţilor de suprasarcină sau de scurtcircuit), induce prezenţa arcului electric. Terminologia de specialitate foloseşte denumirea de „rupere a curenţilor de scurtcircuit”. Aceasta este asigurată atât prin dispozitive adecvate de stingere a arcului electric (camere de stingere performante) cât
şi prin deschiderea rapid ă a contactelor mobile cu ajutorul unor mecanisme prevăzute cu arcuri puternice.
1.2.2. Clasificarea şi alegerea întrerupătoarelor automate de joasă tensiune O clasificare a întrerupătoarelor automate de joasă tensiune se face pe baza unor criterii care ţin seama, pe de o parte, de caracteristicile instalaţiei electrice sau mai precis a locului pe care îl ocupă dispozitivul pe ramura de circuit care trebuie protejată, iar pe de altă parte de
caracteristicile electrice şi constructive ale lor, care determină domeniul de utilizare al acestuia. 1. După funcţiile de protecţie, care determină declanşările automate, se întâlnesc
următoarele tipuri de întrerupătoare: • întrerupătoare automate de curent maxim, • întrerupătoare automate de curent minim,
11
• întrerupătoare automate de curent invers, • întrerupătoare automate de tensiune minim ă, • întrerupătoare automate de tensiune maxim ă. Există întrerupătoare automate care cumulează mai multe funcţii de protecţie: de exemplu, pentru curent maxim, curent invers şi tensiune minimă. 2. După numărul polilor, al construcţiei ramurii de circuit, care se protejază, a instalaţiei electrice întrerupătoarele automate pot fi:
• întrerupătoare automate monopolare, • întrerupătoare automate bipolare, • întrerupătoare automate tripolare, • întrerupătoare automate tetrapolare. 3. După felul curentului comutat:
• întrerupătoare automate de curent continuu (c.c.), • întrerupătoare automate de curent alternativ monofazate (c.a.), • întrerupătoare automate trifazate. 4. După mediul de stingere a arcului electric (construcţia camerelor de stingere)
întrerupătoarele pot fi: • întrerupătoare automate cu camere de stingere în ulei, • întrerupătoare automate cu camere de stingere în aer. 5. Din punctul de vedere al timpului propriu de declanşare (timpul de rupere a arcului electric) întrerupătoarele se clasifică în:
• întrerupătoare automate limitatoare (ultrarapide), cu timpi de declanşare td < 4 ms, • întrerupătoare automate rapide, cu td < 40 ms, • întrerupătoare automate selective, cu td < 0,5 s, • întrerupătoare automate temporizate, cu td> 1 s. 6. Din punct de vedere funcţional şi constructiv întrerupătoarele automate se clasifică:
• întrerupătoare automate universale (în execuţie deschisă), • întrerupătoare automate capsulate (în carcasă din material plastic). Alegerea întrerupatoarelor automate de joasă tensiune
Proiectarea unei instalaţii electrice de joasă tensiune, care este destinată să deservească un anumit număr de receptoare (consumatori), implică mai multe etape de analiză şi desfăşurare dintre care, cele mai importante ar fi:
1. Etapa de primire şi analiză a temei, solicitată, de regulă, de la beneficiarul şi utilizatorul instalaţiei, sub forma unui caiet de sarcini;
12
2. Stabilirea caracteristicilor electrice pentru instalaţie (tensiunea de alimentare, necesarul de putere activă solicitat de funcţionarea consumatorilor, necesarul de putere reactivă din reţea
sau de la o instalaţie de compensare locală), precum şi a datelor de la consumatori (tensiunea minimă, peterea instalată, randamentele preconizate, simultaneitatea funcţionării consumatorilor, tipul de serviciu în care sunt încadraţi consumatorii, orele de vârf al consumului, etc.); 3. Alegerea locului de conectare (branşamentul) a instalaţiei pentru alimentarea din reţeaua energetică; 4. Alegerea modului de branşare şi de amplasare a conductorilor instalaţiei, precum şi a amplasării echipamentelor aferente liniei electrice; 5. Dimensionarea reţelei de alimentare cu energie pe baza celor sstabiliote anterior; 6. Alegerea echipamentelor de comutaţie, de protecţie, de măsură şi semnalizare; 7. Determinarea capacităţii de rezistenţă la solicitările de suprasarcină şi scurtcircuit în regimuri de avarie;
8. Verificarea şi simularea regimurilor de funcţionare normaţă şi de avarie; 9. Evaluarea gradului de impact asupra oamenilor şi a mediului;
10. Evaluarea costurilor şi a eficienţei economice a realizării fizice a instalaţiei. Dacă ne referim numai la alegerea tipului de întrerupător automat, aşa cum este şi definiţia lui, atunci, trebuie să ţinem cont de următoarele caracteristici ale acestuia, şi anume: ○ capacitatea de rupere: reprezintă valoarea efectivă a celui mai mare curent pe care, în
situaţii de avarie, aparatul trebuie să îl întrerupă şi totodată să nu îi fie afectate caracteristicile fizico-mecanice şi electrice ale acestuia (după eliminarea avariei aparatul trebuie repus în
funcţiune) ; se determină din calculele efectuate pentru evaluarea solicitării instalaţiei la scurtcircuit; Din punct de vedere al capacităţii de rupere avem patru mari categorii de întrerupătoare: 1. Întrerupătoare cu capacitate mic ă de rupere Cr < 5KA cunoscute sub denumirea de întrerupatoare automate mici sau întrerupătoare pentru instalaţii interioare; 2. Întrerupătoare compacte (trifazate) cu capacitate medie de rupere; 3. Întrerupătoare de mare putere de rupere Cr > 50KA ; 4. Întrerupătoare limitatoare ce acoperă întreaga gama a capacităţilor de rupere Cr (1 200) KA. Întrerupatoărele limitatoare sunt fabricate pentru întreaga gam ă de curenţi nominali cu performanţa că pot întrerupe orice curent de scurtcircuit datorita capacităţii de rupere foarte ridicată (200 KA);
○ curent nominal: este curentul suportat de întrerupător în timpul funcţionării normale a receptoarelor alimentate prin instalaţia electrică;
13
○ tensiunea nominală: aceasta se alege funcţie de valoarea nominală a tensiunii de linie a reţelei de alimentare cu energie a instalaţiei;
○ curentul maxim: este curentul cu cea mai mare valoare care străbate aparatul, fără ca acesta sa execute decuplarea liniei sau a tronsonului de reţea pe care acesta le deserveşte;
○ tensiunea de comanda: reprezintă valoarea efectivă a tensiunii ce se aplică blocului de comanda al aparatului (cunoaşterea acesteia, alegerea ei se face din faza de pr oiectare a instalaţiei deoarece se prevăd echipamente auxiliare de comandă electrică sau electronică specifice instalaţiilor de automatizare. ○ gradul de protecţie: faţă de mediul ambiant se simbolizează prin codurile IP iar capacitatea unui echipament de a rezista la impact mecanic pe toate părţile este definită prin codurile IK .
Toate aceste caracteristici sunt date de producătorul de echipamenbte electrice, sunt inscripţionate vizibil pe carcasa sau eticheta ataşată. Detaliile tehnice privind construcţia şi caracteristicile electrice ale aparatelor şi echipamentelor se regăsesc, de regulă, în cataloagele producătorilor din domeniul electrotehnicii industriale (v. s.cap. 1.2.4.).
1.2.3. Caracteristicile constructive şi de funcţionar e Întrerupătoarele automate de joasă tensiune sunt aparate electrice de comutaţie, cu cel puţin un element mobil pe durata efectuării acesteia şi sunt capabile să suporte, închidă şi deschidă curenţi nominali dar şi de scurtcircuit în condiţi prestabilite. Variantele constructive actuale sunt de tipul disjunctor, numai cu declanşare automată, închiderea făcându-se manual, fie prin acţiune directă, fie prin comandă de la distanţă. În cazuri speciale se construiesc întrerupătoare automate de joasă tensiune de tipul disjunctor-conjunctor, adică cu reanclanşare automată, funcţiune specifică întrerupătoarelor automate de înaltă tensiune. Spre deosebire de contactoare, care realizează o legătură electrică controlată între două sau mai multe ramuri ale unui circuit şi care sunt menţinute în poziţia de funcţionare prin intermediul unui sistem electromagnetic, întrerupătoarele automate sunt menţinute în poziţia anclanşat de un mecanism de zăvorâre ( tip broască), mecanic sau electromecanic, asupra căruia acţionează elementele tip declanşatoare: elemente termobimetalice (cu acţiune temporizată), electromagnetice (cu acţiune instantanee) sau declanşatoarele minimale de tensiune.
Principalele părţi constructive ale întrerupătoarelor automate sunt: 1. Partea electrică • circuitul principal de curent: contacte principale (fixe şi mobile) şi auxiliare (cuplate
mecanic cu contactele principale), borne de racord; • camere de stingere: limitează şi izolează spaţiul de formare ăi stingere a arcului electric;
14
• elementele de protecţie: declanşatoarele, care au rolul unei protecţii; acestea pot fi
elemente termobimetalice sau electromagnetice); • piese izolante: servesc la susţinerea mecanică şi la izolarea electrică a căilor de curent;
2. Partea mecanică • cutia aparatului: construită din materiale electroizolante, are rolul de susţinere a
componentelor şi de separare a acestora faţă de restul instalaţiei; • mecanismul de acţionare: organul motor (format dintr-un electromagnet sau un motor de
acţionare a elementelor mobile ale aparatului); • mecanismul de zăvorâre sau broasca întrerupătorului; Elementul caracteristic, în plus faţă de contactoare îl reprezintă tocmai acest din urmă element şi anume zăvorul sau broasca întrerupătorului, care este un mecanism cu liberă deschidere. Acest mecanism asigură menţinerea în poziţia anclanşat a contactelor întrerupătorului (în situaţia funcţionării normale) şi deschiderea automată a acestora sub acţiunea declanşatoarelor (în situaţia de apariţie a avariilor de scurtcircuit sau de suprasarcină). De asemenea mecanismul trebuie să permită deschiderea contactelor la acţionarea acestora, la comanda operatorului sau a declanşatoarelor şi să menţină întrerupătorul ferm în poziţia deschis pentru evitarea închiderii accidentale a contactelor. Denumirea de liberă deschidere a mecanismului de zăvorâre provine de la faptul c ă deschiderea contactelor, sub acţiunea
declanşatoarelor (pentru asigurarea funcţiei de protecţie), nu poate fi blocată printr-o acţiune de intervenţie din afara sistemului de ac ţionare cu care este dotat aparatul. Existenţa acestor mecanisme de zăvorâre fece diferenţa constructivă şi funcţională dintre întrerupătoarele
automate şi celelalte tipuri de aparate de comutaţie. Şi tot de aceste mecanisme este dependentă şi siguranţa efectuării rolului funcţional al aparatului. Practic, deteriorarea sau funcţionarea defectuoasă a acestor mecanisme duce la înlocuirea aparatului, chiar dacă echipamentul complementar al acestuia (prtecţia electrică) îşi poate îndeplini funcţiile. Mecanismele de zăvorâre sunt concepute pentru fiecare tip de aparat ţinând cont de domeniul de utilizare a acestuia, iar cele mai utilizate variante constructive de z ăvoare sunt:
zăvoare cu mecanisme cu clicheţi rotativi; zăvoare cu mecanisme cu pârghii articulate şi genunchi; zăvoare cu mecanisme combinate cu pârghii, genunchi şi clichet. În figura de mai jos este prezentat un mecanism cu clichet rotativ, una dintre variantele cele mai des utilizat ă la întrerupătoarele automate de joasă tensiune. Funcţionarea acestui mecanism, constă în posibilitatea existenţei a trei poziţii de funcţionare: a) poziţia armată a mecanismului; b) poziţia închis a întrerupătorului; c) poziţia deschis a întrerupătorului. 15
Funcţionarea unui mecanism de z ăvorâre cu clichet rotativ: zăvorul este format dintr-o casetă 2, care cuprinde în interior clicheţii 4, 5 şi 6. În poziţia armat a) clichetul 4 solida rizează axul contactelor 10 cu caseta 2. Pentru a ajunge la poziţia închis a întrerupătorului b), se roteşte caseta în jurul axului 1, în sensul s ăgeţii, până când agăţătorul 7 blochează caseta. Poziţia axului 10 corespunzând în acest caz poziţiei închis a contactelor. Pentru închiderea întrerupătorului c), declanşatorul 8 acţionează asupra clichetului 6, care prin rotirea în jurul axului său, permite clichetului 5 să se rotească. Prin rotirea clichetului 4, sc ăpat de interacţiunea cu clichetul 5, se elibereaz ă axul contactelor 10, care sub acţiunea resoartelor revine în poziţia iniţială a). Agăţătorul 7 se eliberează şi prin rotirea manuală se revine la poziţia armat a). Mecanism de zvorâre combinat : mecanismele de zvorâre cu pârghii articulate şi
genunchi constau din dou pârghii 1 şi 2 articulate prin genunchiul G conform figurii următoare. În poziia a) mecanismul este armat. Pentru a trece din poziia a) în poziia b) adic ă cu întreruptorul închis se acţioneaz manual asupra pârghiei 3, genunchiul G ocupând în cele din urmă poziia care face ca, contactul mobil 4 s ă se închidă peste contactul fix 5, comprimând resortul de declanşare 6. Pentru a ajunge în poziia deschis a întreruptorului c) declanşatorul va aciona asupra pârghiei 8, în sensul s ăgeii din figură, împotriva resortului 7. Astfel se dezăvorşte pârghia 9 şi sub acţiunea resortului 6 contactele mobile 4 se deschid. Acest tip de mecanisme se caracterizează prin următoarele: • simplitate şi robusteţe constructivă; • fiabilitate ridicată pe durata utilizării aparatului; • siguranţă în funcţionare; • costuri reduse pentru reparare sau înlocuirea acestora;
16
Caracteristicile standardizate indicate pe placuţa indicatoare a aparatului: tip aparat :se indica denumirea si curentul nominal; Ui: tensiune nominală de izolaţie; Uimp: tensiune de ţinere la impuls; Icu: capacitate de rupere ultim ă; cat: categorie de utilizare; Icw: curent admisibil; Ics: capacitate de rupere în serviciu; In: curent nominal; aptitudine de secţionare. Caracteristica de protecţie a unui întrerupător ln t r
4 i
1 3
2
0
I
7-10
15-20
I In 17
Explicativă privind caracteristica de protecţie a unui întrerupător (coordinate logaritmice): porţiunea 1 din caracteristică reprezintă caracteristica dependentă corespunzătoare declanşatoarelor termobimetalice,
porţiunea
2
reprezintă
caracteristica independentă
corespunzătoare declanşatoarelor electromagnetice iar porţiunea 3 corespunde zonei de protecţie a siguranţelor fuzibile în cazul curenţilor de scurtcircuit. Caracteristica 4 reprezintă curba de stabilitate termică a instalaţiei protejate.
Evident, având această caracteristică ne putem alege atât tipul de echipament de protecţie pentru o instalaţie dată dar şi prelevarea datelor privind serviciul de funcţionare impus consumatorilor. Această diagramă se corelează cu cea privind selectivitatea protecţiilor.
1.2.4. Analiză comparativă asupra diferitelor tipuri de întrerupătoare Dintre numeroasele variante de întreruptoare automate de tip capsulat care se găsesc pe piaţa românească unele dintre cele mai performante sunt cele produse de firma MOELLER. Întreruptoarele de tip compact (în construcţie capsulată) se utilizează pentru comanda şi protecţia la suprasarcină şi scurtcircuit a instalaiilor electrice industriale fiind caracterizate prin: capacitate ridicată de închidere şi rupere la gabarit redus; variante multiple de execuie; dispozitive de blocaj şi semnalizare ce asigură securitatea personalului şi siguranţa în funcţionare.
Variante constructive de întrerupătoare automate de tip compact
Acest tip de întrerupătoare sunt din clasa USOL se realizează pentru curenţi nominali de 100, 250, 500 şi 800 A. Închiderea şi deschiderea contactelor principale ale acestor aparate
18
întrerupătoare se face brusc cu ajutorul unui mecanism cu genunchi şi clichet, cu anclanşare
şi declanşare rapidă, independentă de viteza de manevrare a operatorului. Camera de stingere este construită pe principiul efectului de electrod şi nişă. Aceste întrerupătoare sunt prevăzute cu declanşatoare maximale de curent, termice şi electromagnetice
şi declanşator minimal de tensiune. Puterea de rupere ridicată se obţine prin marea rapiditate de răspuns a declanşatoarelor, viteza mare de deplasare a echipajului mobil, distan ţa mare între contactul mobil şi cel fix în poziţia deschis şi utilizarea unor camere de stingere performante. După cum se observă, acest tip de întrerupătoare, carcasa aparatului permite un acces
limitat al operatorului uman la părţile de conectare a conductorilor, chiar dacă o eventuală intervenţie de înlocuirese face cu alimentarea întreruptă a acelei porţiuni de circuit. Construcţia şi funcţionarea acestui tip de întrerupătoare sun redate în figurile următoare:
Unde: 1-maneta de acţionare, 2-clichetul principal, 3-clapeta de armare, 4,5-biele, 6-echipajul mobil, 7contactul mobil, 8-contactul fix, 9-resort principal, 10-clapet ă ax declanşator, 11-declanşator termic, 12-buton de reglaj, 13-armătura fixă a declanşatorului electromagnetic, 14-axul suport al echipajului mobil, 15-carcasa aparatului, 16-placă de prindere, 17-borne de racordare, 18-cameră de stingere cu plăci feromagnetice, 19-armătura mobilă a declanşatorului electromagnetic, 2019
axul declanşatorului, 21-clichet auxiliar. Pentru închiderea întrerupătorului se deplasează în sus maneta 1, resortul 9 fiind puternic tensionat. Deschiderea întrerupătorului se face manual prin deplasare a în jos a manetei ceea ce conduce la desfacerea clichetului principal sau prin acţionarea declanşatoarelor asupra clapetei 3.
Aşa cum se constată din figură, în cazul acţionării manuale maneta de acţionare poate avea trei poziţii: poziţia intermediară (de mijloc), corespunzătoare figurii a) care indică declanşarea întrerupătorului prin declanşatoare termice, electromagnetice sau de tensiune minimă; poziţia din figura b) care corespunde poziţiei armat a întrerupătorului şi poziţia din figura c) corespunzătoare poziţiei închis a întrerupătorului.
Schema electrică de acţionare cu electromagnet a unui întrerup ător compact de tip USOL
Funcţionarea ca dispozitiv electric, aşa cum se prezintă în figura de sus, presupune următoarele: la acţionarea butonului de pornire (cu revenire) S2 se alimentează bobina contactorului auxiliar K1 în serie cu contactul normal închis K2 (3-5) al releului de blocaj K2. În acest fel contactorul î şi închide contactul principal K1 (2-4) şi se automenţine prin contactul auxiliar K (6-8), permiţând punerea sub tensiune a înfăşurării electromagnetului de acţionare Q1 (0-1) care comandă închiderea întrerupătorului, care rămâne zăvorât prin zăvorul mecanic Z. Contactele principale ale întrerupătorului permiţând alimentarea consumatorului racordat la bornele A, B, C în serie cu declanşatorul electromagnetic F1 şi cel termobimetalic F2. Prin închiderea contactului auxiliar al întrerupătorului Q1 (14-16) se alimentează bobina releului de blocaj K2 (0-1), care prin deschiderea contactului său normal închis K2 (3 -5) opreşte
20
alimentarea bobinei contactorului K1. Ca urmare a revenirii acestuia se deschide contactul K1 (2-4) care scoate de sub tensiune bobina electromagnetului de ac ţionare. Se observă că în cazul acţionării din nou a butonului S2 electromagnetul Q1 (0-1) nu poate fi pus sub tensiune din cauză că releul de blocaj K2 este acţionat şi contactul său K2 (3-5) este deschis. Declanşarea voită se face prin butonul S1 care întrerupe alimentarea declanşatorului minimal de tensiune F3 (U<) şi care acţionează mecanic asupra zăvorului Z. În cazul unor curenţi de suprasarcină declanşarea este comandată de declanşatoarele F1, iar în cazul unor supracurenţi mai mari de declanşatoarele F2 ce acţionează asupra zăvorului Z. În afara acţionării manuale întrerupătoarele capsulate USOL pot fi acţionate prin electromagneţi de acţionare sau prin motoare de acţionare.
1.3. Siguranţe fuzibile de joasă tensiune Aceste aparate de comutaţie sunt printre cele mai vechi mijloace utilizate pentru protecţia instalaţiilor electrice şi, practic, nu există ramură a unui circuit electric de alimentare care să nu cuprindă cel puţin un element de protecţie din această gamă. Utilizarea lor este justificată prin simplitatea constructivă, fără elemente în mişcare autonomă sau comandată, care se bazează pe utilizarea efectului termic al curentului electric care străbate un conductor. Într -o prezentare sintetică, avantajele şi dezavantajele acestor aparate sunt următoarele: Avantaje: • construcţie simplă, gabarit redus, costurile scăzute ale materialelor utilizate;
• efect limitator, aproape instantaneu cu instalarea situaţiei de suprasarcină sau scurtcircuit, întrrupând circuitul înainte ca val oarea curentului să atingă maximul prezumat ( ip),
aşa cum se arată şi în diagrama de mai jos; instalaţiile protejate cu siguranţe fuzibile nu se verifică la stabilitate termică iar pentru dimensionarea sub criteriul stabilităţii dinamice se face luând ca referinţă cea mai mare valoare a curentului care străbate fuzibilul, denumit curentul limitat tăiat sau curent de trecere (ilt);
i ilt
tf 1/100 s
t
21
• îndeplinesc şi rolul de separator, patronulpurtător al elementului fuzibil fiind amovibil; • intră în componenţa altor aparate de protecţie şi comutaţie; Dezavantaje:
• după îndeplinirea rolului de protecţie în cazul avariilor în circuitul electric deservit, patronul cu elementul fuzibil trebuie înlocuit, ceea ce conduce la creşteri de costuri cu
întreţinerea instalaţiei şi totodată la mărirea timpilor de repunere în funcţiune a receptoarelor deservite de instalaţia de alimentare; • deteriorarea prin îmbătrânire termică a elementului fuzibil cauzată de parcurgerea lui de curenţi de suprasarcină sau scurtcircuit „tăiaţi” de alte elemente de protecţie aflaţi, selectiv, pe alte ramuri ale instalaţiei; • funcţional, o siguranţă fuzibilă întrerupe curentul de avarie doar pe un conductor; această situaţie poate fi un inconvenient în cazul circuitelor trifazate când, separarea unei singure faze prin acţiunea fuzibilului poate introduce regimuri de funcţionare deformante şi asimetrice, cu efecte nedorite asupra receptoarelor (cum este cazul motoarelor sau transformatoarelor care
pot funcţiona în două faze); • siguranţele fuzibile nu au posibilitatea de reglare a curentului la care trebuie să funcţioneze, ele realizează o protecţie brută, prin calibrarea elementului fuzibil; • indiferent de instalaţia în care sunt utilizate, siguranţele fuzibile sunt construite să întrerupă curenţi de avarie care nu depăşesc 630 A, în valoare instantanee. 1.3.1. Definiţie, funcţionare şi domenii de utilizare Siguranţa fuzibilă este un dispozitiv de protecţie care întrerupe circuitul în care este amplasat prin topirea controlată a unui element fuzibil calibrat atunci când curentul depăşeşte o valoare dată pentru un anumit timp. În mod obişnuit siguranţele fuzibile se folosesc pentru întreruperea curenţilor de scurtcircuit (timpi de declanşare foarte scurţi), dar uneori pot fi folosite şi ca dispozitiv de protecţie la suprasarcina (timpi de declanşare lungi). Element fuzibil
Contact
Incintă stingere arc
Contact
22
După cum se arată şi în schiţă, elementul central al oricărei siguranţe electrice este elementul fuzibil care, din punctul de vedere al circuitului electric este porţiunea cea mai slabă şi poate determina întreruperea circulaţiei curenţilor în regimuri de avarie. Principiu de funcţionare se bazează pe creşterea temperaturii în conductorul fuzibil, până la topirea progresivă a acestuia
şi întreruperea căii de curent. Despre acest conductor fuzibil trebuie spus că este de aşa manieră dimensionat încât să suporte curenţii de regim normal (nominal) de funcţionarea a receptoarelor
sau a curenţilor de pornire. Calibrarea coductorului fuzibil face obiectul unor calcule de dimensionare a circuitelor electrice, iar pe baza experimentelor au fo st elaborate normative şi standarde pe baza cărora un anumit tip de siguranţă fuzibilă poate fi aleasă să asigure protecţia
unei instalaţii de deservire a unor consumatori specifici. De aceea, siguranţele fuzibile sunt împărţite conform standardelor în două mari clase de utilizare: de uz casnic şi de uz industrial. Cele două clase de siguranţe fuzibile diferă, în general, prin tensiunea nominală, dimensiuni şi caracteristicile de întrerupere a curentului de defect. Standardele europene marchează siguranţele cu un grup de două litere, astfel:
MARCAJ
Prima literă (capacitatea de rupere)
gL gG gB gTr
g-domeniu complet (general)
gR gRL aM, aR
a-domeniu limitat
A doua literă (categoria de utilizare) L-protecţia liniilor (conductoae şi cabluri) uz general G B--de robuste, pentru aplicaţii generale în mine Tr-de uz general, pentru protecţia transformatoarelor R-cu acţiune ultrarapidă, pentru protecţia semiconductorilor RL-cu acţiune ultrarapidă, pentru protecţia semiconductoarelor şi liniilor M-pentru protecţia motoarelor electrice (suportă curenţii de pornire)
Întreruperea căii de curent nu se produce instantaneu în momentul topirii benzii
(conductorului fuzibil). Curentul continuă să existe sub forma unui arc electric peste locurile de întrerupere din fuzibil. Datorită temperaturii ridicate produsă de arcul electric, materi alul fuzibilului se vaporizează şi particulele de material fizibil difuzează în exterior printre granulele de nisip care umplu incinta de stingere unde se răcesc rapid formând un corp sinterizat (rezultat din amestecul particulelor de nisip topite cu cele de material metalic din fuzibil). Tocmai acest
corp sinterizat este cel care întreţine pentru scurt timp, calea de curent. După încheierea timpului
23
de formare a corpului sinterizat, rezistenţa acestuia creşte ca urmare a procesului de răcire ceea ce conduce la scăderea continuă a curentului care trece prin conductor până la anularea acestuia.
Funcţionarea siguranţei este dictată de construcţia fuzibilului. Astfel, dacă acesta este confecţionat dintr-un singur metal (argint sau cupru), fără aliaj uşor fuz ibil, cu zone strangulate de mare întindere şi cu răcire slabă, caracteristica de rupere a curentului are o alură abruptă iar siguranţele se numesc siguranţe fuzibile rapide. Cealaltă variantă de fuzibil conţine un aliaj uşor fuzibil care modifică caracteristica de funcţionare generală cu cea a materialului uşor fuzibi iar dispozitivele de acest tip se numesc siguranţe lente. Aceste dispozitive sunt dezavantajoase din punct de vedere al întreruperii curentului de scurtcircuit care, pentru limitarea daunelor produse
receptoarelor, trebuie trebuie să dureze foarte puţin. Totuşi, dispozitivele lente sunt avantajoase în cazul circuitelor cu suprasarcini mici dar frecvente (de exemplu, porniri repetate ale motoarelor electrice) care ar putea fi întrerupte de siguranţele rapide.
1.3.2. Caracteristicile constructive şi de funcţionare Constructiv, o siguranţă fuzibilă se compune din două elemente: unul fix (soclul) şi unul mobil (element de înlocuire, patron fuzibil) c are conţine elementul fuzibil. După modul de
îmbinare al celor două elemente componente se deosebesc: • siguranţe tubulare (siguranţe miniatură sau mignon), cu o capacitate de rupere mică (curentul prezumat întrerupt/tăiat fiind Ipt < 2 kA) ; acest tip de siguranţe fuzibile este întâlnit în echiparea tablourilor de distribuţie ale instalaţiilor electrice de alimentare din interiorul construcţiilor utilitare sau locuinţelor;
Element mobil (de înlocuire, patron fuzibil)
Soclu
Capac
• siguranţe cu filet, cu o putere de rupere medie (Ipt < 33 kA); • siguranţe cu cuţite, cu mare putere de rupere –MPR – (Ipt = 50 kA); sunt utlilizate în construcţia tablourilor generale ale instalaţiilor electrice de distribuţie ale punctelor de transformare sau ale tablourilor de desvire a incintelor cu utilaje industriale. 24
CONTACTE
CUŢIT CONTACT
ptr. CUŢITE
CORP SIGURANŢĂ
CUŢIT CONTACT
CORP SOCLU
Descrierea părţilor componente pentru tip de siguranţe fuzibile din clasa gG: corpul
siguranţei fuzibile este făcut din steatit de calitate care este foarte rezistent la supratemperatură. În partea interioară a corpului steatit este un element de siguranţă din cupru care este sudat, după o formă specială a părţii interioare a cuţitului de contact , prin sudură electrică. Restul de spaţiu din interiorul corpului este umplut cu nisip având o granulare şi compoziţie specifică fiecărui tip de siguranţă. Toate lamelele (cuţitele) de contact sunt protejate adiţional de un strat de argint sau de nichel. Pentru asigurarea unui contact optim între lamelele soclului şi cuţitele siguranţei
fuzibile se utilizează elemente elastice (arcuri) care, ataşate lamelelor de contact, menţin apăsarea continuă a acestora pe cuţite. Pe baza testelor ciclic s-a dovedit că toate caracteristicile de ardere (funcţionare) ale siguranţelor sunt foarte stabile şi toleranţa pe axa curenţilor poate fi de până la ±10%. Trabuie făcută menţiunea că, spre deosebire de siguranţele cu filet, siguranţele cu mare putere de rupere cu cuţite de contact, necesită pentru înlocuirea lor un dispozitiv special. Siguranţele fuzibile sunt caracterizate de: • curentul nominal al fuzibilului In, adică acel curent la care fuzibilul rezistă un timp nelimitat sau pe durata funcţionării instalaţiei; • curentul nominal al soclului, Isoclu; de regulă, valorile acestui curent sunt superioare celor ale curentului nominal al siguranţei, iar influenţa asupra construcţiei soclului se traduce în supradimensionarea căilor de curent ale acestuia prin utilizarea atât a geometriei corespunzătoare cât şi a materialelor adaptate suprafeţei de contact optime.
Valorile celor doi curenţi variază în trepte corelate (v. tabelul de mai jos : cu treptele de
25
curent ale siguranţelor fuzibile) şi se indică pe scheme fie sub forma unei fracţii Isoclu/In, fie (mai nou) prin intercalarea între valorile celor doi curenţi a literei care semnifică categoria de utilizare. De exemplu, 63G50 semnifică o siguranţă fuzibilă de uz general cu valorile pentru
curenţi : Isoclu =63A şi In = 50A. FUZIBIL
6
0 1
6 1
0 2
5 2
2 3
0 5
3 6
0 8
0 0 1
5 2 1
0 6 1
0 0 2
0 5 2
5 1 3
0 0 4
0 0 5
0 0 6
u c
In [A]
U L C O S
e ţ n a r u g i S u c e ţ n a r u g i S
t le i f
u a s e t i ţ u c
25
63
100
*
160 l
*
*
* *
400 *
○ Comportamentul siguranţelor fuzibile la suprasarcină poate fi analizat prin caracteristica de protecţie care este o relaţie relaţia curent-timp reprezentată grafic, de ob icei în coordonate logaritmice. Pentru a constata dacă o siguranţă fuzibilă poate fi folosită atât ca
protecţie la scurtcircuit cât şi la suprasarcină, trebuie analizată încadrarea în zona de fuziune (de protecţie). Curenţii convenţionali de non-fuziune şi de fuziune se definesc astfel: • curentul convenţional de non-fuziune Inf : este valoarea curentului pe care elementul fuzibil poate sa-l suporte un timp preciz at, fără să se topească; se observă că este diferit de curentul nominal al siguranţei prin perioada de timp, respectiv, în exploatare continuă, siguranţa fizibilă trebuie să suporte şi să permită trecerea unui curent determinat pentru receptoarele instalaţiei şi pentru care este calibrat fuzibilul siguranţei; • curentul convenţional de fuziune If : este valoarea curentului care determină topirea patronului fuzibil înainte de trecerea unui timp precizat; în termeni de funcţionare este curentul pe care siguranţa îl „rupe” şi îşi îndeplineşte funcţia de protecţie. Mărimea acestor curenţi este standardizată în raport cu valoarea curentului nominal aşa
cum arată tabelul următor al zonelor de fuziune şi non-fuziune a siguranţelor de JT de tip gG: Curentul nominal I n [A] In ≤ 4A 4A < In < 16A 16A < In ≤ 63A 63A < In ≤ 160A 160A < I n< 400A 400A < In
Curentul convenţional de non-fuziune I nf [A] 1,5 In 1,5 In 1,25 In 1,25 In 1,25 In 1,25 In
Curentul convenţional de fuziune I f [A] 2,1 In 1,9 In 1,6 In 1,6 In 1,6 In 1,6 In
Timpul convenţional [h] 1 1 1 2 3 4
26
Caracteristicile de protecţie a siguranţelor fuzibile în zona de fuziune precum şi curbele de rupere ale curenţilor, pentru cele mai utilizate clase ale acestora sunt prezentate mai jos: t
1h
Curba minimă (pre-arc) Timp-curent
t
Curba minimă (pre-arc) Timp-curent
Curba de ardere a
Curba de ardere a siguranţei
siguranţei
Inf I2
I
Siguranţe fuzibile din clasa gG
xIn
4In Siguranţe fuzibile din clasa aM I sc vărf (kA)
Curent maxim posibil Ex. 2,5 I sc (CEI)
prezumat
t
Aliajul uşor fuzibil
100
Siguranţe lente
50 160A 100A
20
Calibrul nominal al fuzibilului
Siguranţe rapide 50A
10
Metal fuzibil
Curbele caracteristice ale curentulu i de vârf limitat
5 2
I sc (kA)
1
I
1
2
5
10
20
50
100
valoare efectiv prezumată
Caracteristci de rupere şi de limitare pentru siguranţe fuzibile de joasă tensiune
Pentru a asigura protecţia de suprasarcină dorită, caracteristica de funcţionare a siguranţelor fuzibile trebuie să se încadreze în zona de fuziune (de protecţie) dintre cele două curbe limită date. Chiar dacă siguranţa fuzibilă reprezintă cel mai vechi si mai simplu dispozitiv de protecţie, ea tinde să fie înlocuită în instalaţiile moderne de întrerupătoarele automate. Datorită dispersiei parametrilor, pentru două siguranţe care respectă condiţia de încadrare în zona de fuziune, timpii de funcţionare pot fi semnificativ diferiţi îndeosebi în zona supracurenţilor de valori reduse. Aceste performanţe slabe în domeniul suprasarcinilor de valori reduse determină de obicei alegerea unui conducto r sau cablu supradimensionat astfel încât acesta să reziste la suprasarcini prelungite (în cazul cel mai nefavorabil, la o suprasarcina de până la 60% pentru cel mult o oră). Pentru comparaţie, un întrerupător cu un curent nominal 27
similar nu trebuie să declanşeze în mai puţin de o oră când este parcurs de un curent de 1,05 In şi, dimpotrivă, trebuie să declanşeze în cel mult o oră atunci când este parcurs de un curent de 1,25 In (suprasarcina de 25% pentru cel mult o oră, în cel mai rău caz).
Cele mai utilizate tipuri de siguranţe sunt de tip gG şi aM. Diferenţa esenţială dintre cele
două clase constă în faptul că siguranţele aM sunt astfel concepute încât să nu declanşeze la curenţi mai mici de 4In , în timp ce siguranţele de uz general gG acţionează la valori ale curentului care depăşesc If (~1,6 In). În consecinţă, siguranţele aM nu pot asigura protecţie la suprasarcină la valori ale curentului sub 4In şi de aceea ele trebuie asociate cu alte aparate de comutaţie (contactoare echipate cu relee termice sau întreruptoare automate). Caracteristicile de protecţie ale siguranţelor fuzibile din aceeaşi clasă, cu diferiţi curenţi nominali din seria normalizată, formează o familie de caracteristici. La aceeaşi valoare a curentului de scurtcircuit care parcurge succesiv mai multe siguranţe, de regulă acţionează prima
dată fuzibililul cu curentul nominal cel mai mic . Dacă siguranţele ar fi fost parcurse anterior de curentul de serviciu şi ar fi fost preîncălzite, atunci timpul de pre -arc al siguranţei se reduce proporţional. Reducerea poate ajunge la 65% dacă siguranţa a fost preîncalzită la curent nominal. ○ Caracteristica de limitare a siguranţelor fuzibile în regimuri de solicitare la scurtcircuit este importantă atunci când vrem să apreciem comportarea în funcţionare. Aceasta indică, pentru
o anumită valoare a curentului nominal In , care este valoarea maximă a curentului limitat (tăiat) în funcţie de valoarea prezumată efectivă a curentului de scurtcircuit. Datorită fuziunii rapide, atunci când curentul de scurtcircuit este de valoare mare, întreruperea începe înaintea apariţiei curentului de vârf, astfel încât curentul de defect nu atinge niciodată valoarea sa prezumată. Această limitare reduce semnificativ solicitările termice şi electrodinamice care ar putea să apară, minimizând consecinţele la locul defectului. Fenomenul de limitare este Timpul de topire în cazul unui supracurent I poate fi aproximat cu relaţia:
ta = T • ln unde: T este constanta de timp a siguranţei, iar Ilim (de obicei £1,6In) este cel mai mic supracurent care topeşte siguranţa (situaţia avariilor în instalaţii).
Siguranţele fuzibile se folosesc de foarte multe ori în asociaţie cu separatoare sau comutatoare pentru a realiza „dispozitive de comutaţie combinate”. Aceste combinaţii de echipamente se fac în situaţia când utilizarea întrerupătoarelor automate nu este oportună datorită
frecvenţei mari de comutare pe dura te de timp lungi. De asemenea ele pot fi prevăzute , pentru a proteja dispozitivul de comutare atunci când pot apărea, accidental, curenţi de defect ce depăşesc capacitatea de rupere a acestora.
28
1.3.3. Analiză comparativă asupra diferitelor tipuri de siguranţe fuzibile ○ Siguranţe fuzibile tip D Siguranţele de tip D (pentru aplicaţii casnice şi similare ), sunt folosite pentru protejarea reţelelor electrice, de semnalizare şi control împotriva suprasarcinilor şi scurt circuitelor. Întregul sistem D conţine o gamă completă (de cinci mărimi fizice DI, DII, DIII, DIV şi DV) de
siguranţe fuzibile cu înveliş ceramic, suport ceramic pentru siguranţe şi toate accesoriile necesare. Sunt dimensionate pentru tensiunile nominale de 500V, 690V, 750V şi 1200Vcurent alternativ (capacitate de rupere 50kA), respectiv 500V sau 600V curent continuu (capacitate de rupere 8kA). Sistemul D este destinat să fie folosit în clădiri rezidenţiale, de afaceri şi
similare. Când este folosit în reţele industriale este necesar să se ia în considerare cerinţele standardului IEC 60664 -1 în ceea ce priveşte distanţa de izolare pentru echipamentele de joasă tensiune. Toate siguranţele fuzibile au indicatori ce semnalizează arderea siguranţei. Acest lucru este vizibil prin intermediul capacului. Siguranţele fuzibile, soclurile, capacele sunt testate şi certificate în conformitate cu IEC 60269 - 3-1, DIN EN 60269- 3, DIN VDE 0636- 301, HD
630.3.1 şi DIN EN 60269- 1. DATE TEHNICE Tensiune nominală, Un Curent nominal, In Capacitate de rupere la 1,1 Un Caracteristici de siguranţă Clasă de izolare
Standarde
SIGURANŢE FUZIBILE tip D 500 Vca; 400 Vcc DI, DII 2-25 A; DIII 32-63 A; DIV 80-100A; DV 125-200 A 50 kA cosØ = 0,2 8 kA T= 15 ms gG, TDZ, DZ C-VDE 0110 DIN EN 60269-1, IEC 60269-1:2005-04 (VDE 0636 Teill 10):1999-11 DIN EN 60269-3, IEC 60269-3:2003 (VDE 0636 Teill 30):1995-12 DIN EN 60269-3-1, IEC 60269-3-1:2004-07 (VDE 0636 Teill 301):1998-01 DIN VDE 0635/02.84
Caracteristicile timp- curent DZ şi TDZ corespund standardului CEE 16 din 1970 ca
dată a emiterii. DZ se referă la o siguranţă „rapidă”, între timp ce TDZ se referă la o siguranţă „lentă”. În conformitate cu dezvoltarea standardelor, caracteristica timp - curent TDZ a fost uniformizată cu caracteristica timp- curent gG în conformitate cu IEC 60269- 2 şi VDE 0636 301, aşa că acum ambele caracteristici sunt unite şi înţelesurile lor rămân aceleaşi – „lent” înseamnă TDZ şi gG în acelaşi timp. Caracteristica timp -curent DZ rămâne neschimbată. Este mai rapidă ca TDZ, dar în orice caz , caracteristica DZ nu trebuie comparată cu caracteristicile timp -curent gR sau aR care sunt concepute pentru protecţia semiconductoarelor de putere.
29
DI-soclu E16
DII-soclu E27
DIII-soclu E33
DIV-soclu R1 1/4
In [A]
ØA
ØB
In [A]
ØA
ØB
In [A]
ØA
ØB
2
In [A]
ØA
ØB
13,2
6
2
21,5
6
32
27
16
80
33
5
4
13,3
6
4
21,5
6
35
27
16
100
33
7
6
13,4
6
6
21,5
6
40
27
16
10
13,5
8
10
21,5
8
50
27
18
16
13,6
10
16
21,5
10
20
13,7
12
20
21,5
12
25
13,8
14
25
21,5
14
○ Soclu pentru siguranţe fuzibile monopolară
DATE TEHNICE Tensiune nominală, Un Curent nominal, In Secţiunea transversală a conductorului Clasă de izolare Standarde
SOCLU ptr. SIGURANŢE FUZIBILE tip D 500 V; 690 V DII 25 A; DIII 63 A DII 1-10 mm ; DIII 2,5-25 mm 60664-1 DIN EN 60269-1; IEC 60269; VDE 0636
30
○ Capac pentru siguranţe fuzibile monopolară
DATE TEHNICE
TIP K DI KDII KDIII
CAPAC ptr. SIGURANŢE FUZIBILE tip D
A 23 34 43
B 35 44 44
C 10 12 12
D 26 35 43
Familia de caracteristici de limitare a curentului pentru acest tip de siguranţe fuzibile este redată în diagrama de mai jos:
31
○ Siguranţe fuzibile tip MPR (mare putere de rupere) Spre exemplificare, prezentăm gama de siguranţe ETI KOMBI NV,de joasă tensiune de la mărimea NV00C până la NV3 cu dublu indicator de stingere a arcului, numit KOMBI. Indicatorul este vizibil uşor în vârful şi centrul siguranţei fuzibile, oricum ar fi montată siguranţa: într- un soclu standard pentru siguranţă sau în separator general cu siguranţă fuzibilă. Cele mai importante avantaje ale siguranţelor fuzibile NV/NH KOMBI: • Capacitate mare de rupere : 120kA ; • Tensiuni nominale: 400V curent alternativ, 500V c.a., 690v c.a. şi 1000V c.a. şi până la 440V curent continuu; • Două versiuni de capac e laterale : aluminiu şi plastic ; • Certificate VDE şi buletine de încercări CCA/CB; Generalităţi despre siguranţe fuzibile NV/NH : Dimensiunile lor corespund cu DIN 43620, alte caracteristici tehnice corespund cu
cerinţele următoarelor standarde: • Tensiune nominală 400V/500V/690V precum şi caracteristica de funcţionare gG conform : IEC 60269 -1:2005 / EN 60269 - 1:1998+A1:2005 iec 60269- 2:1986+Corr.1:1996+A 11995+A2:2001 / EN 60269- 2:1995+A1:1998+A2:2002 IEC 60269- 2-1:2004 / HD 60269 - 21:2005 ; • Tensiune nominală 690V / caracteristica de funcţionare aM: VDE 0636- 2011;
• Tensiune nominală 400V / caracteristica de funcţionare gF: PN - IEC 60269 – 2; • Tensiune nominală 400V / caracteristica de funcţionare gTr: VDE 0636 -2011;
32
Utilizarea acestui tip de siguranţe trebuie să fie conformă cu valorile caracteristicilor electrice precum şi cele de gabarit, prezentate în tabelele de mai jos: CARACTERISTICI ELECTRICE Tensiune nominală, Un Curent nominal, In
SIGURANŢE FUZIBILE MPR tip NV/NH 400 Vca; 500 Vca ; 690 Vca 2-1600 A
Capacitate de rupere la 1,1 Un
120 kA
Caracteristici de lucru
gG, aM, gF, gTr
Conformitate cu
DIN VDE 0636-201 (1998-06) DIN EN 60269-1, IEC 60269-1:2005-04 (VDE 0636 Teill 10):1999-11 DIN EN 60269-3, IEC 60269-3:2003 (VDE 0636 Teill 30):1995-12 DIN EN 60269-3-1, IEC 60269-3-1:2004-07 (VDE 0636 Teill 301):1998-01 DIN VDE 0635/02.84 DIN 43620 1-4 aluminiu sau plastic
Standarde corespondente
Dimensiuni conforme cu Modele capac
Caracteristici geometrice sigurantă fuzibilă NV/NH, din clasa gG DIMENSIUNI
TIP B
C
D
E
F
NV00C
A 79
53
47
35
15
21
G 52
7,5
H
I
J
K 6
NV00C I
79
53
47
35
15
21
52
7,5
6
NV00
79
53
47
35
15
28
56
12
6
NV00 I
79
53
47
35
15
28
56
12
6
NV0
125
68
65
35
15
28
56
12
6
NV1C I
135
68
65
40
15
28
61
12
6
NV00C
135
68
65
40
15
28
61
12
6
NV1
135
72
65
40
20
46
65
14
6
NV1 I
135
72
65
40
20
46
65
14
6
NV2C
150
72
65
48
20
46
73
14
6
NV2C I
150
72
65
48
20
46
73
14
6
NV2
150
72
65
48
26
54
73
14
6
NV2 I NV3C
150 150
72 72
65 65
48 60
26 26
54 54
73 84
14 14
6 6
NV3C
150
72
65
60
33
65
84
14
NV4
200
75
66
87
50
100
121
24
NV4a
200
99
87
85
50
95
121
27
6
NV4aSI
200
99
87
85
50
95
121
27
6
NV1/1000V
155
90
87
40
20
45
59
9
6
6 150
16
8
33
○ Soclu pentru siguranţe fuzibile tip MPR (mare putere de rupere), monopolare
Dimensiuni de gabarit pentru s oclu siguranţă monopoară PK şi PKI
A
B
C
D
DIMENSIUNI DE GABARIT E F G H I
J
K
PK 00 M8-2XM6
100
57
84
60
M8-2XM6
Ø7,5
25
4,5
115
20
PK M8-M8 PK 00 2XM62XM6
100
57
84
60
M8-M8
Ø7,5
25
4,6
115
20
100
57
84
60
2XM6-2XM6
Ø7,5
25
4,7
115
20
PK 0 M8-2XM6
150
74
130
60
M8-2XM6
Ø7,5
33
25
4,8
170
20
PK 0 M8-M8
150
74
130
60
M8-M8
Ø7,5
33
25
4,9
170
20
PK 0 2XM6-2XM6
150
74
130
60
M8-2XM6
Ø7,5
33
25
4,10
170
20
PK 1
175
80
141
81
M10
Ø10,5
30
55
25
10
200
26
200
80
166
102
M10
Ø10,5
30
65
25
10
225
30
PK 2 PK 3
210
80
166
102
M12
Ø10,5
30
65
25
10
240
30
PK 4
270
100
220
143
M12
Ø13
30
102
25
12
310
PKI 1
175
80
141
81
M10
Ø10,5
30
55
25
10
200
87
PKI 2
200
80
166
102
M10
Ø10,5
30
65
25
10
225
98
30
PKI 3
210
80
166
102
M12
Ø10,5
30
65
25
10
240
108
30
PK 1/1000V
193
100
160
81
M10
Ø10,5
30
55
25
10
220
TIP
L
M
50 26
26
34
Familia de caracteristici de limitare a curentului pentru acest tip de siguranţe fuzibile este redată în diagrama de mai jos:
○ Mâner pentru extragerea şi plasarea siguranţe fuzibile tip MPR monopolare Extragerea şi aşezarea siguranţelor fuzibile tip MPR dintre lamelele soclului se face întotdeauna cu ajutorul unui mâner special (v. figura de mai jos), a cărui carcasă din materiale electroizolante asigură protecţia şi integritatea operatorului autorizat.
35
1.4. Alte tipuri de echipamente de protecţie Aparatele electrice de comutaţie servesc, pe de o parte, la închiderea şi deschiderea circuitelor electrice, realizând sau suprimând legăturile electrice dintre bornele aparatelor, maşinilor sau echipamentelor electrice şi, pe de altă parte, în construcţii combinate cu elementele
de protecţie, asigură siguranţa în exploatare a instalaţiilor electrice. Aparatele de conectare se consideră automate când cel puţin una dintre acţionări poate avea loc automat. De obicei deschiderea este automată (eventual comandată de către protecţii) iar închiderea este fie automată fie comandată manual. Din categoria echipamentelor automate de conectare la joas ă tensiune, pe lângă întrerupătoarele automate, mai fac parte: contactoarele electromagnetice sau statice, şi releele intermediare, declanşatoarele.
1.4.1. Contactoare Contactoarele sunt aparate de comuta ţie care pot realiza operaţiile de închidere, deschidere şi comutare a unor circuite ca urmare a unei comenzi date de un releu, de un traductor sau de operatorul uman, la anumiţi parametri electrici prestabiliţi. Contactoarele pot fi acţionate de un operator, prin utilizarea unui buton de comand ă montat în apropierea aparatului sau de la distanţă, prin echipamente auxiliare specifice. Contactoarele se caracterizează prin faptul că ele conectează un circuit sub acţiunea comenzii şi menţin închis circuitul atâta vreme cât durează această comandă (adică au contactele principale normal deschise – ND). Astfel de aparate au funcţia de ruptor. Mai puţin utilizate sunt contactoarele cu funcţie de conjunctor (care au contactele de for ţă normal închise–NI). Contactoarele trebuie să poată suporta trecerea prin ele, un timp scurt, a curentului de scurtcircuit
şi să deconecteze supracurenţii de ordinul 4-6 ori curentul nominal. Contactoarele şi ruptoarele au capacitatea de rupere redus ă însă au rezistenţa mecanică foarte bună, asigurând un număr mare de manevre cu frecvenţă de comutare ridicată. Contactoarele pot fi de curent continuu, curent alternativ sau mixte. La aparatele în regim mixt, contactele principale funcţionează în curent continuu, iar bobina de excita ţie în curent alternativ sau invers.
○ Contactorul electromagnetic este definit ca un aparat de comutaţie electromecanică, acţionat altfel decât manual (de un electromagnet la joas ă tensiune), cu o singură poziţie de repaus, capabil să stabilească, să suporte şi să întrerupă curenţi nominali şi curenţi mai mari decât cei nominali, dar care apar în mod normal (nu curenţi de scurtcircuit). Este destinat efectuării unui mare număr de comutaţii în sarcină (105 – 106) şi unui număr şi mai mare de comutaţii fără sarcină (107).
36
Clasificarea contactoarelor electromagnetice
○ după felul curentului comutat (din circuitul căilor principale de curent): • contactoare de curent alternativ, monofazate sau trifazate; • contactoare de curent continuu; ○ după felul curentului din circuitul de comandă (curent de excitaţie): • comandate în curent continuu; • comandate în curent alternativ monofazat sau trifazat; ○ după numărul polilor: • monopolare; • multipolare; ○ după sistemul de acţionare: • electromagnetice; • electropneumatice; ○ după cinematica mişcării contactelor: • cu mişcare de translaţie pe orizontală (cazul contactoarelor de c.a. în aer); • cu mişcare de rotaţie (cazul contactoarelor de c.c.); • cu mişcare combinată, de rotaţie şi translaţie (contactoare de c.a. de curenţi mari); • cu mişcare de translaţie pe verticală (cazul contactoarelor în ulei); ○ după tipul sarcinii (conform recomandării CEI 158/1) Contactoarele de curent alternativ se clasifică în 4 grupe:
• AC1 – pentru comanda receptoarelor cu sarcini neinductive sau slab inductive; • AC2 – pentru pornirea motoarelor cu inele de contact şi la frânarea prin contracurent; • AC3 – pentru pornirea motoarelor în scurtcircuit şi la oprirea acestora în plin mers; • AC4 – pentru pornirea motoarelor în scurtcircuit la mersul cu locuri şi la inversarea sensului de rotaţie al motoarelor; Contactoarele de curent continuu se clasifică în 5 grupe:
• DC1 – pentru comanda receptoarelor cu sarcini neinductive sau slab inductive; • DC2 – pentru pornirea motoarelor cu deriva ţie sau pentru pornirea acestora în plin mers; • DC3 – pentru pornirea motoarelor derivaţie la mersul cu şocuri şi la inversarea sensului; • DC4 – pentru pornirea motoarelor serie şi oprirea acestora în plin mers; • DC5 – pentru pornirea motoarelor serie la mersul cu şocuri şi la inversarea sensului de rotaţie în plin mers al motoarelor;
○ din punctul de vedere al rezisten ţei mecanice la uzură a contactelor, contactoarele se clasifică în funcţie de durata de serviciu în gol (f ără sarcină), exprimată prin numărul de acţionări minime, astfel: 37
Clasa I Clasa II Clasa III Clasa IV
număr minim de acţionări............................................... 250.000 număr minim de acţionări.............................................1.000.000 număr minim de acţionări.............................................5.000.000 număr minim de acţionări...........................................10.000.000
○ Contactoare de curent alternativ
Constructiv, contactorul electromagnetic este alcătuit din următoarele elemente: organul motor (electromagnetul), poz.1,2,3; resortul antagonist poz.4; polii principali, căile de curent
poz.5; camerele de stingere poz.6; contacte auxiliare (contacte normal închise şi deschise, necesare automenţinerii, semnalizării ţi interblocajului) şi carcasa aparatului, ca suport material pentru elementele active.
Fiecărei categorii de utilizare a contactoarelor de c.a. îi corespund condi ţii tehnice prin care se stabileşte sarcina comutată (v.tabelul). Standardele mai prevăd şi clasa de uzură prin care se precizează durata relativă de conectare şi numărul de conectări pe oră.
38
Mărimile electrice care caracterizează contactoarele de curent alternativ sunt: I – curent stabilit măsurat ca valoare efectivă; Ic– curent stabilit şi întrerupt măsurat ca valoare efectivă; Ie– curent de folosire; U – tensiune aplicată; Ur – tensiune de restabilire la frecvenţa industrială; Ue – tensiunea de folosire la frecvenţă industrială.
Cerinţele impuse la alegerea contactoarelor: •tipologia consumatorilor: determină alegerea caracteristicilor generale ale contactoarelor (de curent continuu sau alternativ), clasa, circuitul de comandă al instalaţiei electrice; • frecvenţa de conectare şi durata de viaţă: frecvenţa de conectare va fi egală sau mai mare decât a utilajului, iar durata de via ţă trebuie adaptată cerinţelor instalaţiei pentru a limita numărul de revizii sau înlocuiri de contactoare; • capacitatea de rupere: contactoarele nu pot deconecta scurtcircuite. Cele destinate acţionării motoarelor pot închide curenţi până la (6-10)In;
• durata de conectare: electromagnetul de acţionare trebuie să asigure forţa de atracţie necesară şi să îndeplinească funcţia de declanşator de minimă tensiune, pentru care se impun condiţiile, de exemplu în c.a.: ► încălzirea bobinei
electromagnetului de acţionare să nu depăşească limita admisibilă
pentru regimul permanent la tensiunea de alimentare; ► să permită funcţionarea normală pentru U=(0,85-1,1)Un; ► să menţină contactorul cuplat pentru U=(0,7-0,85)Un ; ► să deconecteze pentru U=(0,35-0,7)Un; ► mediu de funcţionare (temperatură, umiditate, vibraţii, etc.) .
Comanda contactoarelor se realizează cu un contact k ce aparţine unui întreruptor, termostat, releu, sau cu butoane duble conform figurii de mai jos:
39
○ Contactoare de cur ent conti nu u
Contactoarele de curent continuu au circuitul magnetic de tip clapet ă, cu armătura mobilă de tip clapetă şi cu armătura mobilă sprijinită pe o prismă pentru asigurarea unei rezistenţe la uzură mai mare. Uneori aceste contactoare sunt prev ăzute cu rezistenţe economizoare, legate în serie cu bobina de ac ţionare. În poziţia deschis aceste rezistenţe sunt scurtcircuitate de un contact auxiliar (normal închis – NI) şi curentul care parcurge bobina de acţionare are o valoare mare, fiind limitat numai de rezistenţa bobinei. În poziţia închis a contactorului, se deschide contactul auxiliar şi curentul se micşorează, deoarece în acest caz el este limitat de rezistenţa bobinei şi de rezistenţa economizatoare, legate în serie pe surs ă. Contactorul de curent continuu este folosit în tracţiunea electrică şi în instalaţiile de acţionări electrice. Din punct de vedere constructiv, există două variante, în funcţie de principiul de stingere a arcului electric şi anume:
• c ontactorul cu mişcare de translaţie cu întrerupere dublă, la care se foloseşte efectul de electrod pentru stingerea (ruperea) arcului electric în două locuri iar camera de stingere este identică cu aceea a contactorului de curent alternativ. Principiul de stingere a arcului electric este cel al efectului de nişă asociat cu efectul de electrod.
• contactorul cu mişcare de rotaţie (v.figura), are întrerupere simplă, la care se foloseşte principiul contactului arcului electric cu pere ţi reci în vederea răcirii şi stingerii lui (efectul de ion). Arcul electric este introdus în camera de stingere cu ajutorul suflajului magnetic. Acest tip de contactor se realizează în trei variante de camere de stingere şi anume: cu pereţi reci de azbociment; cu pereţi reci din azbociment sau material ceramic, cu fant ă îngustă; cu pereţi reci din ceramică cu fantă îngustă şicanată. După separarea pieselor de contact 1(fixă), 2 (mobilă), se formează arcul electric ce se dezvolt ă într-o zonă în care este dirijat fluxul magnetic al bobinei de suflaj 4 (3-miezul magnetic al bobinei de suflaj ) cu ajutorul t ălpilor polare 5. Fluxul magnetic dezvoltat de bobina de suflaj este dirijat transversal pe direcţia arcului electric.
Contactorul cu un loc de rupere şi mişcare de rotaţie, de c.c.
40
○ Scheme de comandă pentru contactoare
Schema de lucru (completă şi desfăşurată) de alimentare şi comandă a unui contactor trifazat cu electromagnet de c.a. este prezentată în figura următoare unde: comanda contactorului se face printr-un buton dublu sau prin dou ă butoane simple (S1, S2). Prin apăsarea butonului de pornire S2 se alimentează bobina contactorului K (0-1) de la faza R şi nulul reţelei O, ceea ce duce la închiderea contactelor principale K (2-4, 6-8, 10-12), ceea ce duce la alimentarea consumatorului conectat la bornele A, B, C, cu tensiunile fazelor R, S, T. Concomitent se închide contactul auxiliar K (14-16), de automenţinere care asigură menţinerea sub tensiune a bobinei contactorului după ce butonul de comandă (cu revenire) revine la starea iniţială. Întreruperea alimentării consumatorului se face de la butonul de oprire S1, care întrerupe alimentarea bobinei contactorului ceea ce conduce la deschiderea contactelor principale.
Schema completă (de lucru şi desfăşurată, funcţională) pentru alimentarea şi comanda unui contactor bipolar de c.c. ac ţionat de un electromagnet de c.c. (v. figura următoare) unde: la acţionarea butonului S2 este alimentată bobina contactorului K (0-1) şi se închid contactele principale K (2-4, 6-8) alimentându-se cu de la sursa de tensiune continuă consumatorul racordat la bornele A, B. Comanda de pornire este memorată de contactul de automenţinere K (10-12). Oprirea se face de la butonul S1 care întrerupe alimentarea bobinei contactorului. La electromagneţi de acţionare de c.c se poate dimensiona economic bobina electromagnetului deoarece în poziţia închis a contactorului forţa dezvoltată de electromagnet este maximă şi mult superioară celei necesare asigurării presiunii pe contacte. Se poate, deci, folosi o rezisten ţă economizatoare R, înseriată cu bobina contactorului şi scurtcircuitată de contactul auxiliar NI al acestuia K (3-5). La ac ţionarea butonului de pornire S2 bobina va fi parcursă de un curent mare, limitat doar de rezistenţa bobinei iar dup ă acţionarea contactorului contactul K (3-5) deschizându-se rezistenţa R este înseriată cu bobina contactorului reducând mult valoarea curentului ce parcurge bobina. Scade astfel solicitarea termică a bobinei şi consumul.
41
Schema completă şi schema electrică desfăşurată pentru alimentarea şi comanda unui contactor trifazat acţionat de un electromagnet de c.c. ○ Contactoare statice
Apărute odată cu dezvoltarea unor componente semiconductoare pentru curen ţi intenşi şi la preţuri accesibile, a apărut posibilitatea introducerii lor în tehnica comuta ţiei ca înlocuitoare pentru
contactoarele
electromagnetice.
Contactoarele
statice
folosesc
dispozitive
semiconductoare de putere cum sunt dioda, tiristorul diacul sau triacul. Structura circuitului energetic al contactoarelor statice de c.c. şi c.a. este asemănătoare cu a variatoarelor, diferind doar dispozitivul de comandă ce are de regulă o structură mai simplă în concordanţă cu regimul de comutaţie. Contactoarele statice pot întrerupe şi conecta sarcini la comenzi individuale sau periodice. Deoarece contactoarele statice pot fi privite ca variatoare ce funcţionează în regim închis-deschis, funcţionarea lor poate fi dedusă prin analogie cu funcţionarea variatoarelor statice. În figurile de mai jos sunt prezentate scheme electrice de contactoare statice cu tiristoare (T1, T2, T3) sau triace (T) precum şi o schemă funcţională utilizată la alimentarea unui motor electric trifazat.
42
Exemple de contactoare de curent alternativ şi de curent continuu sunt prezentate mai jos:
Contactor SCHNEIDER 25 A, 230 Vca,
Contactor LP4 K (DC, AC3) 6-12A, 110 Vcc
1.4.2. Relee de protecţie Releele electrice sunt aparate automate, care sub ac ţiunea parametrului electric de intrare produc variaţia bruscă a parametrilor de ieşire, la o anumita valoare a parametrului de intrare. Ele funcţionează pe baza ciclului DA-NU (deschis-închis), făcând parte din categoria aparatelor cu comenzi discontinue (v. schema bloc).
Rolul releelor de protecţie este de a proteja instalaţiile electrice împotriva funcţionării în regimuri anormale, prin transmiterea unor semnale electrice ce determin ă izolarea locului defect prin intermediul aparatelor de comutaţie. Deşi există o mare diversitate de relee, toate se compun din trei elemente funcţionale distincte: elementul sensibil S, elementul comparator C şi
elementul executor E.
○ funcţionarea releelor de protecţie: după cum se constată, releul are un singur semnal de intrare (x) şi oricâte semnale de ieşire (y 1…yn). Elementul sensibil S primeşte semnalul de intrare x şi îl transformă într-o mărime fizică necesară funcţionării releului. De exemplu, la un releu electromagnetic, acest rol este îndeplinit de un electromagnet ce transform ă tensiunea sau curentul într-o forţă sau cuplu ce permite funcţionarea releului. Elementul comparator C compară
43
mărimea transformată de elementul sensibil S, cu o mărime de referinţă şi, la o anumită valoare a mărimii transformate trimite acţiunea asupra elementului executor. La releele electromagnetice acest rol îl îndeplineşte resortul antagonist. Elementul executor E, în urma comenzii primite acţionează asupra semnalelor de ieşire y1…yn, ce constituie contactele releului. Releele de protecţie trebuie să îndeplinească patru condiţii fundamentale: selectivitate (dacă acestea comandă deconectarea numai a părţii defecte din sistem, prin contactoarele respective, celelalte părţi ale sistemului rămânând mai departe în funcţiune); rapiditate (deconectarea rapidă a elementelor defecte din re ţea prezintă o serie de avantaje ca: m ăreşte stabilitatea funcţionării în paralel a generatoarelor sincrone, reduce timpul de alimentare cu tensiune scăzută a consumatorilor, micşorează distrugerile elementelor defecte, permite folosirea reanclanşării automate rapide a liniilor aeriene, etc.); sensibilitate (la defecte ca şi la regimurile
anormale de funcţionare, ce pot apărea în elementele protejate ale sistemelor electrice); siguranţă (să fie întotdeauna gata de acţiune şi s ă funcţioneze sigur în toate cazurile de defecte şi regimuri anormale de funcţionare).
○ clasificarea releelor de protecţie se poate face după mai multe criterii. • d upă principiul de funcţionare al mecanismului motor: relee termice, electromagnetice, de inducţie, magnetoelectrice, electrodinamice, electronice;
• după mărimea pe care o protejează: relee de curent, relee de tensiune, relee de putere, relee de impedanţă, relee de frecvenţă, relee de timp, relee de temperatură;
• d upă felul în care este realizată acţiunea faţă de o anumită valoare a mărimii de intrare: relee maximale (care acţionează dacă mărimea protejată depăşeşte o anumită valoare), relee minimale (care acţionează când mărimea protejată scade sub o anumită valoare sau dispare), relee direcţionale (care acţionează dacă se schimbă sensul mărimii protejate, de exemplu, sensul de circulaţie al puterii);
• după modul în care acţionează asupra aparatelor de comutaţie: relee directe (elementul de protecţie acţionează direct asupra aparatului de comutaţie), relee indirecte (acţiunea se transmite prin intermediul unor contacte din circuitul electric auxiliar al aparatului de comutaţie);
• d upă modul de conectare în circuit: relee primare (înf ăşurarea este parcursă de m ărimea din circuitul de protejat), relee secundare (a căror înfăşurare este alimentată din secundarul unui transformator de măsură prin a cărui primar trece mărimea din circuitul de protejat);
• în funcţie de valoarea timpului de acţionare (ta), definit ca timpul din momentul apariţiei semnalului de intrare care acţionează asupra elementului sensibil al releului şi până în momentul acţionării releului, releele se clasifică în: relee fără inerţie (ultrarapide), când ta<10ms, relee rapide, când ta<5*10-2s, relee normale, când 0,15s > ta >5*10 -2s, relee lente, când 1s >ta >0,15s, relee temporizate, când ta>1s . 44
○ Relee term obim etal ice Sunt aparate de protecţie, care acţionând asupra unui aparat de comuta ţie, produc întreruperea alimentării unui consumator, la o anumită temperatură a elementului sensibil al releului. Elementul sensibil sau senzorul este o lamel ă din bimetal. Releele termobimetalice sunt relee de curent şi se utilizează mai ales pentru protecţia maşinilor electrice, împotriva încălzirilor excesive ca urmare a funcţionării maşinilor la suprasarcini de lung ă durată. Curentul de suprasarcină al motorului, încălzeşte mecanismul bimetalic al releului şi când temperatura atinge valoarea maximă admisă, releul termobimetalic trebuie să acţioneze asupra unor contacte care provoacă deconectarea motorului de la reţea. Releele termobimetalice nu asigură protecţia împotriva curenţilor de scurtcircuit, deoarece rezistenţa de încălzire a acestor relee se poate arde înainte ce aceste relee să acţioneze. De aceea la protecţia motoarelor electrice aceste relee termobimetalice se asociază cu relee electromagnetice cu acţiune instantanee sau siguranţe fuzibile cu rol de protecţie împotriva curenţilor de scurtcircuit.
• funcţionarea releelor termobimetalice: lamela bimetalică este formată din două straturi de metal intim unită pe toată suprafaţa de contact, prin sudură sau lipire. Cele două metale au coeficienţi de dilatare diferiţi. Cum la încălzire una din componente se dilată mai puternic ca cealaltă, termobimetalul se curbează la încălzire şi anume cu atât mai mult, cu cât mai mare este diferenţa dintre coeficienţii de dilatare ai ambelor componente. Componenta cu coeficient de dilatare mai mic constituie componenta pasivă, iar cea cu coeficient de dilatare mai mare reprezintă componenta activă. Aliajele din fier-nichel, cu proprietăţile lor specifice, stau la baza realizării termobimetalelor. Invarul (aliaj Fe-Ni, cu 36% Ni), având coeficientul de dilatare minim se foloseşte în calitate de component ă pasivă, iar aliajele cuprului cu zinc, staniu sau nichel, care au coeficienţi de dilatare mari se folosesc drept componente active. Deci, baza principiului funcţional al releului o constituie lamela bimetalică care are proprietatea de a-şi schimba forma în mod automat, funcţie de valoarea temperaturii materialului lamelei; parametrul de intrare este temperatura şi parametrul de ieşire curbarea lamelei. Faţă de alte dispozitive bazate pe dilatare, bimetalul are avantajul c ă săgeata care se obţine la capătul liber al lamelei este cu mult mai mare decât cea obţinută prin simpla dilatare termică ( la nivelul bimetalului se obţine cea mai simplă transformare de energie termică în energie mecanică).
Simboluri utilizate pentru releele termobimetalice, în schemele instalaţiilor electrice
45
• caracteristici constructive şi electrice de funcţionare: Termobimetalele, au proprietatea transformării unei variaţii de temperatură într-o mişcare datorită deformării. La realizarea releelor termobimetalice se foloseşte atât această proprietate cât
şi proprietatea de elasticitate a termo-bimetalelor. Prin aplicarea unei forţe de sens contrar deformării se pot obţine tensiuni interne, proporţionale cu variaţiile de temperatură. Din punct de vedere tehnic se pot utiliza urm ătoarele funcţii ale termo-bimetalelor: efectul de deformare (curbare); efectul de forţă, datorită tensiunilor interne; efectul combinat de deformare şi forţă; efectul de temporizare la transmiterea unei comenzi; efectul de compensare a temperaturii
mediului ambiant. Aceste efecte pot fi realizate cu termobimetale de cele mai diferite
forme ca: benzi drepte sau uşor îndoite care se curbeaz ă, piese în formă de U, spirale care se înfăşoară sau se desfăşoară, discuri a căror curbură variază. După modul de încălzire al elementului sensibil bimetalic se deosebesc: mecanisme bimetalice cu încălzire directă (lamela se încălzeşte prin efect electrocaloric datorit ă trecerii curentului electric prin însăşî lamela bimetalică), cu încălzire indirectă (bimetalul este încălzit prin intermediul unui rezistor de încălzire cu firul bobinat pe lamelă sau sub forma unei plăcuţe de mare rezistivitate), sau cu încălzire combinată sau mixtă (lamela este încălzită pe cale directă şi indirectă prin rezistor,
curentul parcurgând lamela termobimetalică şi rezistorul legate în serie). Când curentul din circuitul de sarcină este prea mare, bimetalul se leagă în circuit prin intermediul unui transformator de curent. Scheme ale principalelor tipuri constructive:
a
b
c
a-releu bimetalic din bandă bimetalică fără pretensionare. b-releu bimetalic din bandă bimetalică cu pretensionare. c-releu termobimetalic cu încălzire directă utilizând efectul de deformare şi forţă Elementele componente ale unui releu termobimetalic: carcasa şi capacul, din materiale izolante, cu rezistenţă termică ridicată; cursorul, având o construcţie articulată, constituie dispozitivul de protecţie antibifazică; contact săritor; buton de rearmare; buton de reglaj. În general, aplicaţiile practice ale instalaţiilor electrice folosesc blocuri de releele termobimetalice (v. schema următoare), unde elementul motor sunt lamelele termobimetalice (1), cu efect de deformare şi forţă. Aceste blocuri cuprind şi un mecanism format din pârghia (2), bimetalul de compensare (3), piesa (4) care împinge lamela elastică (5) şi care basculează contactul mobil din poziţia B în poziţia C. Contactul mobil se află conectat la borna A. Cele trei termobimetale sunt legate prin bornele R, S, T, la re ţeaua trifazată şi prin U, V, W, sunt 46
înseriate cu înfăşurările receptorului trifazat, fiind parcurse de curentul de protejat. Lamelele termobimetalice de pe orice fază se curbează în caz de suprasarcină deplasând pârghia (2) în sensul săgeţii. Reglarea curentului de acţionare se face cu şurubul (6), care poate fi rotit în faţa unei scale gradate. La depăşirea curentului de reglaj, după un timp ce depinde de valoarea supracurentului, piesa (4) prin împingerea resortului săritor (lamela elastică 5), produce întreruperea contactului normal închis A-B înseriat cu bobina contactorului, respectiv închide contactul normal deschis A-C ce poate fi introdus într-o schem ă de semnalizare. În cazul supracurenţilor de scurtă durată (pornirea) sau a funcţionării îndelungate la curentul nominal, lamelele de bimetal se curbează dar nu suficient pentru a acţiona contactul.
Valorile caracteristice ale curen ţilor pentru relee termobimetalice sunt:
• curentul nominal In, este curentul maxim care circulă în regim de durata prin aparat şi pe baza căruia se dimensionează căile de curent;
• curentul de serviciu Is, corespunde valorii maxime a curentului reglat pentru care aparatul nu acţionează;
• curentul reglat Ire, poate fi orice curent cuprins în scara de reglaj a aparatului, Ireg=(0,6¸1)Is, domeniu în care utilizatorul (receptorul) trebuie să-şi încadreze curentul nominal. Pentru a se produce acţionarea, releul termobimetalic trebuie să fie parcurs de un curent mai mare decât cel reglat, numit curent de suprasarcin ă. Conform normativelor naţionale, relee termice de tip TSA trebuie s ă respecte condiţile prezentate în tabelul următor:
Curentul de suprasarcină ca multiplu al curentului reglat
Timpul de acţionare
Stare iniţială
I= 1,05Ireg
Să nu acţioneze timp de 2 ore
I= 1,20Ireg
Să acţioneze sub 2 ore
I= 1,50Ireg
Să acţioneze sub 2 min
Pornind din starea rece Pornind din starea caldă Pornind din starea caldă 47
Prin stare rece se înţelege acea stare la care temperatura releelor este egală cu temperatura ambiant: 20±5oC. Prin stare caldă se înţelege starea în care temperatura releelor este egal ă cu temperatura de durată corespunzătoare curentului reglat. În funcţie de temperatura la care lucrează un releu sunt necesare corecţii ale curenţilor de serviciu. Blocurile de relee termobimetalice sunt des folosite la protec ţia de suprasarcină a motoarelor electrice. Gama de relee termice TSA 10-100 A care sunt destinate protec ţiei motoarelor la suprasarcină. Seria completă cuprinde relee având curenţi de serviciu de la 0,4 la 100 A, caracterizate prin: protecţia antibifazică pentru releele TSA 16, TSA 23, TSA 63 şi TSA 100; compensarea temperaturii mediului ambiant pentru releele TSA 63, TSA 100 (între limitele
0…-50°C); posibilitate de trecere, după preferinţă, pe poziţia „rearmare manuală“ sau „rearmare automată“; posibilitate de utilizare la motoarele cu pornire grea. Caracteristicile tehnice ale releelor termice din gama TSA
TIP
Cod
CARACTERISTICI Secţiunea Puterea conductorului Curenţii disipată In de Greutate de racord (mm pe o 2) (A) serviciu (kg) fază Is (A) (W) min max
Dimensiunea şurubului bornei
0,4; TSA 10
3670
10
2,3
TSA 16
3671
16
2,3
TSA 32
3672
32
6
0,55; 1; 1,3; 1,8; 2,4; 3,3; 4,5; 6; 8; 11 0,4; 0,55; 1; 1,3; 1,8; 2,4; 3,3; 4,5; 6; 8; 11; 16 0,4; 0,55; 1; 1,3; 1,8; 2,4; 3,3; 4,5; 6; 8;
0,130
1
2,5
M4
0,130
1
2,5
M4
0,225
4
6
M5
11; 15; 20; 25; 32 TSA 63 TSA 100
3674
63
8
40; 60
0,425
10
16
M6
3647
100
8
80; 100
0,425
16
25
M6
Caracteristici tehnice:
• Tensiune nominală: 660 V c.a. 48
• Număr de poli: 3 • Frecvenţa de conectare: 15 conectări pe oră • Domeniul de reglaj al releelor: (0,67-1) Is • Gradul de protecţie: IP 000 • Contacte auxiliare: • Tensiunea nominală: 500 V c.a.; 220 V c.c. • Curentul nominal termic: 6 A, 10 A, 16 A, 63 A, 100 A, Caracteristica de protecţie a releului termobimetalic Această caracteristică exprimă dependenţa dintre timpul de ac ţionare al releului şi valoarea curentului care parcurge bimetalul. Este o caracteristic ă de protecţie dependentă, constatându-se că odată cu creşterea curentului ce parcurge bimetalul, timpul de ac ţionare al releului scade (v. diagrama). Curba 2 reprezintă caracteristica de protecţie a bimetalului în stare rece, curba 3 reprezintă caracteristica de protecţie a bimetalului preîncălzit şi curba 1 reprezintă caracteristica tehnică a obiectului de protejat (reprezentarea timpului este făcută la scară logaritmică).
t 1 2 3
1
10
x Ir
O protecţie bună se realizează atunci când caracteristicile 2 şi 3 se află sub caracteristica 1, pentru toată gama curenţilor posibili. Datorită alurii dependente a caracteristicii de protec ţie, releele termobimetalice sunt indicate pentru protecţia motoarelor electrice. Aceasta deoarece supracurenţii de scurtă durată, de exemplu la pornirea motoarelor, nu sunt suficien ţi ca prin încălzirea termobimetalului să producă declanşarea motorului de la reţea. În schimb, la supracurenţi de durată, (de exemplu la rămânerea în două faze) se obţine o declanşare după un anumit timp, funcţie de valoarea curentului.
49
Variante constructive ale blocurilor de relee termobimetalice:
○ Relee electr omagn eti ce Releele electromagnetice au ca element sensibil un electromagnet, ca element comparator un resort antagonist şi ca element executor unul sau dou ă contacte (ND şi N.I). Când parametrul de intrare depăşeşte valoarea reglată, se învinge tensiunea resortului antagonist şi are loc acţionarea instantanee a contactelor. Releele electromagnetice pot fi neutre, (când acţiunea mecanismului electromagnetic este independentă de sensul solenaţiei bobinei) sau polarizate, când acţiunea depinde de sensul solenaţiei. Pe principiul releelor electromagnetice se construiesc o gamă largă de relee de protecţie fără temporizare sau cu temporizare, de tipul: de curent, de tensiune, intermediare, etc., frecvent utilizate în centrale şi staţii electrice, precum şi în protecţia la suprasarcini şi scurtcircuite a motoarelor electrice şi a consumatorilor industriali.
Simbol releu maximal de curent
Simbol releu maximal/minimal de tensiune
Releele maximale de curent sunt relee cu acţiune instantanee, destinate protecţiei instalaţiilor electrice împotriva suprasarcinilor sau scurtcircuitelor. Elementul constructiv caracteristic al releului maximal de curent (RC) este arm ătura mobilă de forma literei Z şi se execută din tablă de oţel foarte subţire şi uşoară, pentru a micşora timpul de acţionare. Ea se saturează repede la valori mici ale curentului din înfăşurare, astfel ca factorul de revenire al releului creşte şi implicit şi sensibilitatea releului. Curentul de supravegheat parcurge înfăşurările, ce pot fi legate în serie sau paralel, aflate pe miezul feromagnetic al electromagnetului. Dacă curentul depăşeşte valoarea reglată, fixată pe scara de reglaj, armătura se roteşte rapid, învingând tensiunea resortului antagonist şi închide contactele mobile peste cele fixe, lansând un semnal în circuitul comandat. Reglarea curentului de acţionare se face printr-o 50
pârghie, schimbându-se tensionarea resortului antagonist. De asemenea prin legarea în serie sau paralel a înfăşurărilor se poate dubla domeniul de reglaj. Timpul de ac ţionare al acestor relee este de câteva sutimi de secundă (aproximativ 0.05 s) şi nu poate fi reglat; caracteristica de protecţie a releului este o caracteristică independentă. Dacă valoarea curentului la care releul ac ţionează este Ia şi valoarea curentului la care releul revine este Ir, atunci factorul de revenire al acestor relee Kr =Ir/Ia ≥ 0,85. Cu cât factorul de revenire este mai apropiat de unitate cu atât releul este mai sensibil.
Părţile componente ale releului sunt:1 - miezul feromagnetic,2 - bobin ă, 3 - armătura mobilă, 4 - resort antagonist, 5 - buton de reglaj a arcului, 6,7 - şuruburi de reglaj care stabilesc poziţiile limită ale armăturii mobile. Schimbarea domeniului de reglaj se realizează prin comutatorul gamelor de reglaj 8 care modific ă numărul de spire al bobinei releului. Braţul armăturii mobile acţionează prin intermediul piesei izolante 9, sistemul de contacte 10. Indicatorul de funcţionare 11 poate fi anulat de anulatorul 12.
t
1 I/In Caracteristica temporală de protecţie a releului maximal de curent
51
Relee electromagnetice de tensiune pot funcţiona ca relee maximale de tensiune (RT-1) sau ca relee minimale de tensiune (RT-2) şi au aceeaşi formă constructivă ca şi releele de curent RC cu deosebirea că înfăşurarea lor este formată dintr-un număr mare de spire subţiri şi se leagă în paralel cu instalaţia de protejat. Releele maximale de tensiune acţionează prin atragerea armăturii mobile dacă tensiunea depăşeşte valoarea reglată, pe când releele minimale de tensiune acţionează prin eliberarea armăturii mobile dacă tensiunea scade sub valoarea reglată, sau la dispariţia tensiunii. De aceea releele maximale de tensiune au contactul normal deschis, iar releele minimale de tensiune au contactul normal închis. Factorul de revenire Kr= Ur/Ua este subunitar la releele maximale (Kr ≥ 0,85) şi supraunitar (Kr ≤ 1,15) la releele minimale de tensiune. Releele electromagnetice de protecţie sunt mai frecvent folosite la protecţia motoarelor electrice, deoarece scăderea tensiunii determină creşterea curentului absorbit. De asemenea, se utilizează la numeroase scheme de automatizări din sistemul energetic.
1.4.3. Declanşatoare Declanşatoarele sunt aparate de protecţie, care sub acţiunea unei mărimi electrice de intrare, acţionează printr-un impuls mecanic asupra zăvorului întreruătoarelor automate, provocând dezăvorârea acestora. Acestea pot fi: directe (când curentul declanşatoarele sunt parcurse chiar de mărimea electrică supravegheată: circuitul de forţă parcurge bobina declanşatorului în cazul declanşatoarelor de curent iar bobina se leag ă direct la reţeaua de supravegheat, la declanşatoarele de tensiune); indirecte, când bobina lor se alimentează prin intermediul traductoarelor (transformatoarelor de curent sau tensiune) După mărimea supravegheată declanşatoarele se clasifică în:
• declanşatoare maximale de curent, care pot fi cu acţiune instantanee, cu acţiune temporizată dependentă de curent (formate din lamele termobimetalice, care se curbează în timp, cu o viteză ce depinde de intensitatea supracurentului şi capătul lor liber acţionează asupra zăvorului întrerupătorului; declanşatoarele maximale de curent cu ac ţiune instantanee sunt de tip electromagnetic, având acelaşi principiu de funcţionare ca şi al releelor electromagnetice maximale de curent, cu deosebirea că semnalul de ieşire este un semnal mecanic ce ac ţionează asupra zăvorului întrerupătorului; declanşatoarele maximale de curent pot fi şi cu acţiune temporizată independentă de curentul aflat în circuitul de alimentare a receptorului; Declanşatoarele maximale de curent combinate cu acţiune temporizată dependentă de curent, pot acţiona temporizat în cazul suprasarcinilor şi instantaneu dacă curentul depăşeşte valoarea reglată. Declanşatoarele maximale de curent care necesită o caracteristică temporizată dar nu dependentă de curent folosesc micromotoare sincrone pentru a realiza temporizarea în regim de suprasarcină.
52
• declanşatoare de tensiune, care pot fi declanşatoare minimale de tensiune, declanşatoare maximale de tensiune sau declan şatoare de tensiune nul ă; acest tip de
declanşatoare intră, de regulă, în componenţa întrerupătoarelor automate , şi trebuie puse iniţial sub tensiune pentru a permite acţionarea întrerupătorului iar în circuitul de alimentare se află înseriat butonul de oprire manual a întrerup ătorului. Declanşatoarele de tensiune sunt electromagnetice. Ele au ca element motor un electromagnet monofazat de tip clapet ă. Ele sunt de două feluri: declanşatoare minimale de tensiune şi declanşatoare maximale de tensiune.
• funcţionarea declanşatoarelor : principiul de funcţionare a declanşatoarelor este similar cu al releelor electrice de protec ţie echivalente cu deosebirea c ă mărimea de ieşire a declanşatorului este de natură mecanică (forţa de dezăvorâre). În multe cazuri se folosesc declanşatoare combinate, electromagnetice şi termice.
Unde: 1-armătura fixă, 2-suport declanşator, 3-ax, 4-armătura mobilă, 5-bobina electromagnetului, 6-resort antagonist, 7-perecutor. Acest declanşator funcţionează ca declanşator de tensiune nulă sau minimal de tensiune în func ţie de cum este reglat resortul antagonist 6. În regim normal de func ţionare armătura mobilă 4 este atrasă. La scăderea tensiunii, sub acţiunea resortului antagonist 6, armătura mobilă este eliberată şi acţionează prin percutorul 7 asupra zăvorului întrerupătorului, declanşându-l.
Variantă constructivă de declanşator de tensiune 53
1.5. Echipamente auxiliare pentru instalaţiile electrice de joasă tensiune 1.5.1. Tablouri electrice de distribuţie Tabloul de distribuţie este un ansamblu de aparate electrice (de conectare, protecţie, măsurare, comandă şi semnalizare), elemente de conexiune, elemente de izolare, suporţi mecanici, etc., montat într-o structură constructivă (nişă, cutie, dulap, pupitru, etc.) determinată
de condiţiile de mediu ambiant şi funcţionale, având rolul de primire şi distribuţie a energiei electrice la tensiuni de cel mult 1000 V c.a. şi 1200 Vc.c. Pe lângă funcţia de a reuni într -un ansamblu funcţional diverse aparate şi echipamente electrice, tablourile de distribuţie îndeplinesc şi o funcţie de protecţie care se referă în principal la următoarele aspecte: • protecţia persoanelor împotriva atingerii părţilor interioare aflate sub tensiune; • protecţia echipamentului contra pătrunderii corpurilor solide străine sau a apei, prin închiderea acestuia în carcase; gradele de protec ţie inscripţionate sunt specificate prin notaţia
"IP" urmată de două cifre. Se poate alege gradul de protec ţie funcţie de necesităţiile şi imprejurările de amplasare ale aparatului pentru a asigura o func ţionare în condiţii optime cât şi o protecţie împotriva electrocutării la atingerea acestora de către persoane (sau alte viet ăţi). Prima cifra reprezintă nivelul de protecţie împotriva corpurilor străine şi a atingerii iar cea de-a doua cifră reprezintă nivelul protecţie împotriva umidităţii sau direct împotriva apei. Prima cifra (protectie impotriva corpurilor straine si a atingerii) Neprotejat Protejat impotriva corpurilor straine solide mai mari de 50 mm Protejat impotriva corpurilor straine solide mai mari de 12 mm Protejat impotriva corpurilor straine solide mai mari de 2,5 mm Protejat impotriva corpurilor straine solide mai
A doua cifra (protectie impotriva umiditatii) Neprotejat
5
mari de 1mm Protejat impotriva prafului
6
Etans la praf
7
-
8
-
Protejat impotriva jeturilor directe de apa Protejat impotriva scufundarilor in apa Protejat impotriva urmarilor scufundarilor Protejat impotriva imersiunilor
Protectie 0 1 2 3 4
Protejat impotriva apei care picura Protejat impotriva apei care picura sub 15 grade Protejat impotriva jeturilor pulverizate de apa Protejat impotriva jeturilor de apa
54
• protecţia împotriva acţiunii factorilor climatici (temperatura şi umiditatea aerului, presiunea atmosferică, radiaţia solară), prin acopriri de pritecţie anticorozivă sau utilizarea de materiale adecvate mediului de lucru;
• protecţia faţă de mediile cu amestecuri explozive sau grizutoase; • protecţia antiseismică. Clasificarea tablourilor electrice de distribuţie se face după mai multe criterii:
• după rolul pe care îl au în distribuirea energiei electrice: firide de branşament, tablouri generale, tablouri principale şi tablouri secundare; • după protecţia faţă de mediu: tablouri deschise, tablouri închise, tablouri capsulate şi
tablouri executate cu aparate cu protecţie antiexplozivă sau antigrizutoasă; • după materialul utilizat: tablouri metalice, tablouri din mase plastice, pe plăci izolante; • după caracteristicile constructive: tablouri tip stelaje (cadre metalice independente), cutii, dulapuri, panouri, pupitre. Caracteristici electrice:
• tensiunea nominala, Un, reprezintă valoarea tensiunii care serveşte la definirea circuitului respective şi la care se referă condiţiile sale de funcţionare. Dacă într-un tablou toate circuitele principale sau în lipsa lor, toate circuitele auxiliare functioneaz ă sub aceiaşi tensiune nominală, aceasta reprezintă totodată şi tensiunea nominală unică a tabloului. In caz contrar, se precizează tensiunile nominale diferite ale circuitelor tabloului;
• tensiunea de serviciu, Us, este tensiune efectivă aplicată în exploatarea unui circuit al tabloului. Daca nu se precizează limitele tensiunii de serviciu, se consideră Us =(0,9.1,1) Un;
• tensiunea nominală de izolaţie a tabloului reprezint ă valoarea tensiunii care serveşte la definirea acestei izolaţii, în funcţie de aceasta valoare determinandu-se: tensiunea de verificare a
calităţii dielectrice, distanţele de conturnare, distanţele de izolaţie în aer; în circuitele polifazate, tensiunea nominală de izolaţie este definită prin tensiunea între faze. Daca un circuit funcţionează sub mai multe tensiuni nominale, tensiunea nominal ă de izolaţie este cel puţin egală cu tensiunea nominală cea mai ridicată;
• curentul nominal de utilizare al unui circuit al tabloului este definit de curentul nominal al aparatului cu cel mai mic curent admisibil dintre aparatele montate în serie, în acest circuit; curentul admisibil este stabilit pentru serviciul nominal al aparatulu, în funcţie de condiţiile de montaj în tablou. Pentru siguranţele fuzibile se ia în consideraţie curentul nominal al fuzibilului, iar pentru releele maximale de curent, se ia în consideratie valoarea maximă de reglaj;
• curentul nominal de utilizare al tabloului: dac ă tabloul conţine mai multe unităţi funcţionale, nu se poate defini în toate cazurile o valoare unic ă a curentului nominal de utilizare. În situaţia în care se defineşte o valoare unică a curentului nominal de utilizare al tabloului, el 55
este egal cu curentul nominal al unităţii de sosire sau cu suma curenţilor nominali de utilizare ai unităţilor de sosire care funcţionează simultan;
• frecvenţa nominală a tabloului reprezintă valoarea frecvenţei care serveşte să-l definească şi la care se raportează condiţiile sale de funcţionare. Dacă circuitele tabloului au frecvenţe diferite, este necesar să se indice toate aceste frecvenţe nominale diferite;
• f recvenţa de serviciu reprezintă frecvenţa efectivă în exploatare la un tablou sau la un circuit al acestuia. Dacă limitele frecvenţei de serviciu nu sunt precizate, se consider ă că frecvenţa de serviciu poate varia între 0,98 şi 1,02 din frecvenţa nominală. Regimul de exploatare: regimul nominal de exploatare al tabloului poate fi definit numai dacă toate circuitele principale sau, în lipsa acestora, toate circuitele auxiliare au acela şi regim nominal de exploatare. Regimul nominal de exploatare al unui circuit al tabloului este definit de regimul prntru care condi ţiile tehnice, în special cele referitoare la limitele de incalzire, din caietul de sarcini sau norma intern ă a tabloului, sant satisfăcute. Regimuri nominale de exploatare
uzuale:regim de 8 ore; regim fără întrerupere(continuu); regim
intermitent (periodic); regim temporar. Caracteristici constructive:
vedere faţă
vedere spate
schema monofilară
Tablou electric pe plăci izolante (aici din marmură): intrarea în tabloul (1) se face din bornele (2). În continuare se face legătura prin intermediul întrerupătorului general (3) şi siguranţele principale (4) la siguranţele (5) corespunzătoare diferitelor circuite de alimentare a
receptorilor. Tablourile de marmură se montează cu latura inferioară la cel puţin 1,6 [m] şi cu latura superioară la cel mult 2,2 [m] de pardoseală, în faţă având un spaţiu liber de cel puţin 0,8 [m]. În loc de marmură pot fi utilizate placi de textolit sau pertinax pe suporţi necombustibili. Curentul maxim admis la acest de tablou este de 25 [A], iar tensiunea maxima este de 380 [V].
56
vedere faţă
vedere spate
schema monofilară
Tablou de distribuţie pe stelaj metalic montat în dulap: Intrarea coloanei de alimentare se face prin clemele (2). De la cleme cablajul trece prin întrerupătorul general (3), apoi la
siguranţele celor 11 circuite (4). Siguranţele sunt de tip LF. Pentru nulul de protecţie se prevede o bară de protecţie (6). Ieşirea circuitelor spre receptori se face prin clemele de ieşire (5). Pentru protejarea tabloului, în faţa lui se montează o placă din material izolant (7). Tot ansamblul se instalează într-un dulap sau nişă. Înălţimea maximă a unui astfel de tablou (faţă de nivelul pardoselii) este de 2,2 [m]. Aceste tablouri se fac din tablă şi oţel profilat. Montarea aparatelor se
face în aşa fel încât manevrarea să fie cât mai uşoară.
Tablou de distribuţie tip dulap: Intrarea curentului se face prin panoul III care cuprinde si aparatele pentru măsurarea energiei. Elementele de pe tablou sunt : 1 – transformator de curent; 57
2-separator; 3-întrerupător automat; 4-siguranţe LF; 5- siguranţe MPR; 6-şir de cleme; 7-bare; 8-ampermetre; 9-voltmetre; 10-comutator voltmetric; 11-contoare pentru măsurarea energiei
active şi reactive. Panourile I si II sunt pentru iluminat iar IV si V pentru forţă. Aparatele de măsură sunt legate prin transformatoare de current. Pentru tablourile mari care deservesc un complex de tablouri principale se utilizează panouri de distribuţie cu comenzi prin faţă şi acces
prin spate. Distribuţia energiei între panouri se realizează cu bare. Dacă tab loul are lungime mai mare de 7 [m], coridorul din spatele lui va avea două căi de acces. Aceste tablouri se echipează cu circuite trifazate până la 1000 [A] si 500 [V]. 1.5.2. Firide de branşament Branşamentul electric este partea din instalaţia de distribuţie a energiei electrice cuprins ă
între linia electrică (aeriană sau subterană) şi instalaţia interioară (a abonatului) care are scopul de a aduce energia electrică din reţea în instalaţia interioară (punctul de delimitare a instala ţiilor electrice dintre furnizor şi consumator sau abonat îl constituie bornele de ieşire din contoarul de măsurare a energiei electrice). Branşamentele pot fi individuale, când servesc un singur abonat sau colective, cand servesc mai mulţi abonaţi. Branşamentul aerian asigură legătura cu conductoare aeriene de la linia electric ă aeriană de distribuţie a întreprinderii furnizoare de energie şi până la firida de branşament a abonatului. Bransamentele electrice aeriene pot fi considerate ca fiind compuse din doua parti: • partea de branşament din exteriorul clădirii, formată din legătura de la linia de
distribuţie de joasă tensiune până la clădirea abonatului, realizată cu conductoare aeriene; • partea de bran şament interioară, montată în clădire, cuprinzând echipamentul firidei de branşament, coloana de coborâre de la suporturile pe cl ădire şi firidă, coloanele interioare de la firidă la contorul de decontare. În funcţie de poziţia consumatorilor faţă de reţeaua aeriană de joasă tensiune, se deosebesc două tipuri de bransamente:
• branşamente fără traversare, când reţeaua electrică se află pe aceeaşi parte a drumului cu consumatorii;
• branşamente cu traversare, când reţeaua electrică se află pe partea opusă a drumului, faţă de consumatori; aceste branşamente se împart, la rândul lor, în alte dou ă categori, după modul în care se face intrarea în cladire: branşamente cu suport pentru zid, când clădirea are o înălţime mai mare de 4 m de la strea şină; branşamente cu suport pe clădire, când aceasta are o o înaltime sub 4 m la streaşină. Branşamentul subteran asigură legătura în cablu de la reţeaua electrică de distribuţie la nişa de branşament a abonatului. Bran şamentele subterane se pot racorda direct din cablul
58
principal de alimentare, cu ajutorul unui manşon de derivaţie, drintr-o nişă principală, sau dintr-o reţea aeriană pentru alimentarea unor consumatori la care nu se pot realiza bran şamente aeriene. Branşamentele electrice subterane pot fi considerate ca fiind compuse din două părţi:
• parte de branşament din exteriorul cl ădirii, formată din legătura de la linia de distribu ţie de joasă tensiune până la clădirea abonatului, realizată cu cablu subteran;
• parte de branşament interioară montată în clădire cuprinzând echipamentul nişei de branşament şi coloanele interioare de la nişă la contorul de decontare. Racordul electric este partea de branşament cuprinsă între linia electrică (aeriană sau subterană) şi firida de branşament. Racordul electric poate fi aerian sau subteran. Firida de branşament este componenta branşamentului în care se realizeaz ă conexiunile
între racordul electric şi coloanele electrice şi unde se montează aparatele de protecţie a coloanelor electrice. Firida principală este firida de branşament având rolul de:
• nod energetic pentru manevre de întrerupere şi comutaţie; • legătura între racordul electric şi coloanele electrice colective şi/sau individuale; • protecţie la scurtcircuit a racordurilor şi coloanelor electrice. Firida individuală este firida de branşament avand rolul de:
• legătură între racordul electric şi coloanele electrice colective şi /sau individuale; • protecţie la scurtcircuit a coloanelor electrice. Firida secundară este componenta branşamentului având rolul de:
• legătură între o coloană electrică colectivă şi coloanele electrice individuale; • protecţie la scurtcircuit a coloanelor electrice individuale; • măsurare a energiei electrice consumate de abonat. Coloana electrica este componenta bransamentului, prin care se realizeaza legatura intre
firida de bransament si instalatia electrica a abonatului. Coloanele pot fi:
• coloane electrice colective, care alimenteaz ă mai multi abonaţi şi care fac legătura între firida de branşament şi firida de distribuţie şi contorizare;
• coloane electrice individuale, care alimenteaz ă un singur abonat. Caracteristici constructive (ex. Firida DOMINO FDB -2F-E4+7pentru distribuţie de joasă
tensiune LEA, LES 0.4 kV) :
59
Domenii de utilizare: distribuţie de joasã tensiune 0,4KV; firide pentru joncţionarea cablurilor LEA-LES; firide pentru branşamentul locuinţelor rezidenţiale; distribuţia electricã a iluminatului stradal; alimentarea cu energie electricã a consumatorilor urbani.
60
1.6. Standarde şi normative referitoare la instalaţii şi echipamente elect rice SR EN 60439/A1/2004 : Ansamblu aparataj de j.t.;Ansamblu prefabricat de aparataj de j.t. şi ansamblu derivat dintr-un ansamblu prefabricat de j.t.;
SR EN 60947-1/2008 şi amendamente ulterioare: Aparataj de j.t. Partea 1: Reguli generale; SR EN 60947-2/2010 şi amendamente ulterioare: Aparataj de j.t. Partea 2: Întrerupătoare automate;
SE EN 60947-3/2009 şi amendamente ulterioare: Aparataj de j.t. Partea 3: Întrerupătoare, separatoare, întrerupătoare-separatoare, combinaţii cu fuzibile; SR EN 50298/2001: Carcase destinate ansamblurilor de aparataj de j.t.; Prescripţii generale; SR EN 50274/2003: Ansambluri de aparataj de j.t. Protecţia împotriva şocurilor electrice. Protecţia împotriva contactului direct involuntar cu părţi active periculoase; SR EN 50300/2004: Ansambluri de aparataj de j.t. Reguli generale pentru tablourile de distribuţie de j.t.; SR EN 60439/A1/2002: Ansambluri de aparataj de j.t. pentru reţele de distribuţie; SR EN 60529/1995/A1/2003: Grade de protecţie asigurate prin carcase (cod IP); SR EN 61008-1/19954: Întrerupătoare automate de curent diferenţial pentru uz casnic şi similar; CEI 269-1 : Siguranţe fuzibile de j.t. Partea 1: Condiţii generale; STAS 4479 : Contactoare şi ruptoare de j.t.; SR EN 60364-1/1997: Instalaţii electrice pentru clădiri. Domeniu de aplicare, obiect. Principii fundamentale;
CEI 364 : Instalaţii electrice pentru clădiri; CEI 364-3 : Instalaţii electrice pentru clădiri; Partea3- Caracteristici generale; CEI 364-4-41 : Instalaţii electrice pentru clădiri; Partea4- Siguranţa în exploatare; Secţiunea 41: protecţia împotriva şocurilor electrice; CEI 364-4-43 : Instalaţii electrice pentru clădiri; Partea4 - Siguranţa în exploatare; Secţiunea 43: protecţia împotriva supracurenţilor; CEI 364-5-51-53 : Instalaţii electrice pentru clădiri; Partea5- Alegerea şi instalarea echipamentului electric; Secţiunea 51: Reguli generale; Secţiunea 53: Aparataj de comutaţie şi comandă; PE 155/1992 : Normativ pentru executarea branşamentelor electrice în clădiri; SR CEI 60364-4/1996 : Protecţia pentru asigurarea securităţii; STAS 8275-87 : Protecţia împotriva electrocutărilor. Terminologie; STAS 2612-87 : Protecţia împotriva electrocutărilor. Limite admise; HGR 457/2003 : Privind asigurarea securităţii utilizatorilor de echipamente de j.t.;
61
CAPITOLUL 2
SCURTCIRCUITUL ÎN INSTALAŢIILE ELECTRICE DE JOASĂ TENSIUNE 2.1. Fenomenul de scurtcircuit în instalaţiile electrice de joasă tensiun e În practica exploatării şi întreţinerii instalaţiilor electrice s-a constatat că nu trebuie
exclusă în nicio situaţie posibilitatea de apariţie a regimurilor de funcţionare în regim de suprasolicitare şi de avarie cauzate de suplimentarea nevoii de putere activă sau de defectele prin scurtcircuit. Ca urmare, încă din faza de proiectare a instalaţiei, se definesc toate ipotezele de lucru pe baza cărora vor fi dimensionate elementele de infrastructură ale reţelei, vor fi alese echipamentele de comutaţie, protecţie, măsură, semnalizare şi transmitere a datelor de exploatare. Scurtcircuitul este unul din defectele a caror frecvenţă de apariţie este relativ mare si ale cărui efecte produc întotdeauna pagube materiale semnificative, fie şi numai luând în calcul efectul termic şi electrodinamic al trecerii prin părţile conductoare ale instalaţiei a unor curenţi
de valori mult mai mari decât valorile normale, nominale de funcţionare. Prin scurtcircuit într-o instalaţie electrică sau, în general, într-o reţea energetică se
înţelege contactul accidental care se stabileşte într-o secţiune a acestei instalaţii (reţele), printr-o impedanţă de valoare foarte mică, între două sau mai multe conductoare aflate sub tensiune, sau între conductoare aflate sub tensiune şi conductorul de nul sau între conductoare aflate sub tensiune şi pământ. Dacă impedanţă respectivă are o valoarea zero, atunci scurtcircuitul se
numeşte scurtcircuit metalic (efect maximal al solicitării instalaţiei în urmaproducerii avariei). Curentul de scurtcircuit total la locul defectului este curentul care parcurge în timpul scurtcircuitului, la locul de defect una din fazele afectate de scurtcircuit. Simpla punere la
pământ reprezintă legătura dintre o fază şi pământ într-o reţea cu neutrul izolat sau tratat. Curentul care se stabileşte prin legătura dintre fază şi pământ la simpla punere la pămân t are o
valoare mică şi caracter capacitiv. Date statistice experimentale ne arată ponderea tipurilor de scurtcircuit în totalitatea defectelor apărute la exploatarea instalaţ iilor electrice. Astfel: scurtcircuitele de tipul fază-pământ- 80%; scurtcircuitele fază-fază- 15%; scurtcircuite trifazate, numai 5%. Schematic, variantele de avarii de tipul scurtcircuitelor în instalaţii electrice sunt prezentate mai jos:
trifazat cu punere la pământ
trifazat fără punere la pământ 62
bifazat cu punere la pământ
bifazat fără punere la pământ
monofazat
2.2. Efectele scurtcircuitului asupra instalaţiilor şi echipamentelor electrice La modul general, curenţii de scurtcircuit şi cei de suprasarcină produc în instalaţiile electrice urmatoărele două mari grupr de efecte:
• efecte termice: aşa cum sunt denumite, conduc la încălzirea puternică a conductelor, a contactelor şi a altor părţi conductoare ale aparatelor, a înfăşurărilor transformatoarelor,
motoarelor electrice de acţionare şi prin aceasta la distrugerea izolatiei, la arderea şi eventual sudarea contactelor aparatelor de comutaţie; acest tip de efecte se află, nu de puţine ori, printre
cauzele majore de incendiu în instalaţiile electrice care deservesc capacităţi tehnologice; analiza probabilităţii de defect prin scurtcircui sau suprasarcini accidentale din punctul de vedere al efectelor termice introduce, ca şi capitol distinct în proiectarea instalaţiilor electrice, verificarea la stabilitatea termică a acestora. Sunt posibile trei regimuri de lucru pentru care se efectuează aceste calcule: regimul de pornire, regimul de funcţionare de lungă durată şi regimul de funcţionare intermitentă cauzată de avarii ale instalaţiei; • efectele dinamice (mecanice): sunt datorate efectului electrodinamic al curen ţilor, sunt direct proporţionale cu valoarea acestora şi care conduc la apariţia forţelor electrodinamice ale căror cupluri pot afecta stabilitatea fizică a infrastructurii şi echipamentelor instalaţiei (deformarea barelor din reţelele principale de alimentare, slăbirea punctelor de contact făcute cu elemente de prindere mecanică, deteriorarea mecanismelor aparatelor, a bobinelor etc.)
63
Trebuie spus aici că aceste două mari grupe de efecte nu se pot separa sau nu se pot exclude reciproc. În toate situaţiile cele două efecte se resimt cu simultaneitate iar rezltatul lor este un cumul de pagube materiale. Practic, nu există o instalaţie electrică ale cărei condiţii de
amplasare, funcţionare şi exploatare să asigure excluderea fenomenelor de avarie prin scurtcircuit sau suprasarcină. Schemă sintetică a efectelor scurtcircuitelor: EFECTELE SCURTCIRCUITELOR
LA LOCUL DEFECTULUI (prezenţa arcului)
i e ţi a l o z i a re a r io r te e D
e r a o t c u d n o c r o ilţ r ă p a re i p o T
ii ia v a e r ta c e f a iş i i d n e c n I
PE CIRCUITUL DEFECT (forţe electrodinamice)
e r ta n e m li a e d r o l re a b a e r a m r fo e D
r o ril u l b a c a e r a t c e n o c e D
iri u t ra e p m e t a e r tşe e r c ( ii e ţ a l o z i a e r a r o ir te e D
i) lu tu n e ru c l a e l u Jo t c e f e in r p
PE ALTE CIRCUITE DIN REŢEA (lângă reţeaua dată)
fi e t a o p e r a c ă t ra u d , il u u t c fe e d ii r ă l o z i ră a s e c e n ta a r u d e p e n u si n e te d ir u l o G
;e d n u c e isl i m e d e t u s a v te â c a l e d n u c e isl i m a v e t â c la e d
l u d o m e d d n â z n i p e d a i e st e c a a e m ir ă m ,i e l e ţ e r a iţ r ă p i e n u a e r ta c e n o c e D
; e ţi c e t ro p e d r o l e v tii z o p is d a e t a ti iv t c e l se e d iş e r a te c i ro p e d
; e c ir t c e l e r o li in ş a m i u l u m si n o r c n is a e r e rd e i p u a s/ iş ă ic m a n i d e ti a il b a ts n I
. tc e , e r a z ir o ti n o m iş l o rt n o c e d r o l e ti u c ri c e l a i a b r u tr e P
Efectele curenţilor de scurt circuit sunt variabile depinzând de tipul şi durata fenomenului, locul din instalaţie unde s-a produs ca şi de puterea de scurtcircuit a sursei. Din punct de vedere al scurtcircuitului sursele de energie reacţionează şi îşi au proprii le sisteme de
64
protecţie în conformitate cu locul pe care acestea îl ocupă în lanţul producerii, transportului şi distribuţiei către consumatori. Tot în contextul existenţei tegimurilor de avarie trebuie amintit că pe lângă efectele directe ale scurtcircuitului acesta mai introduce şi regimuri de funcţionare cu caracteristici deformante, care induc funcţionarea necorespunzătoare a receptorarelor, cu precădere, a acelora cu trăsături inductive precum motoarele electrice şi transformatoarele. 2.3. Prevenirea avariilor prin scurtcircuit şi siguranţa în funcţionare a instalaţiilor Dacă, aşa cum se arăta anterior, fenomenele de avrie au o probabilitate destul de mare de apariţie în instalaţiile electrice aflate în funcţiune, atunci apare ca fiind real -necesare măsuri tehnice pentru preîntâmpinarea sau, după caz, eliminarea cât mai rapidă a efectelor acestora asupra echipamentelor. Aceste măsuri au menireaca, pe de o parte să menţină instalaţia într -un regim de funcţionare normală, aşa cum a fost prevăzut prin activitatea de proiectare şi, pe de altă parte, de a furniza energia electrică către consumatorii din instalaţie în parametrii standardizaţi (condiţii de calitate a energiei furnizate) şi în condiţii de maximă securitate şi fiabilitate a infrastructurii şi echipamentelor aferente reţelei. În acest sens se pot decela două seturi de măsuri menite a satisface scopul enunţat anterior. Astfel se întâlnesc: • măsuri de bază (principale): sunt acelea care prevăd încă din faza de proiectare a instalaţiei o supradimensionare a componentelor de infrastructură şi a caracteristicilor echipamentelor specifice, peste necesarul prevăzut de consumatorii beneficiari, urmărindu -se pe această cale o suportabilitate mărită a instalaţiei în raport cu suprasolicitările şi regimuril e de defect sau avarie pe parcursul exploatării. Tot la aceste tip de măsuri intră şi cele legate de alegerea unor echipamente de protecţie cu caracteristici de reacţie la defect de scurtcircuit din cea mai bună clasă, intenţia fiind aceea ca eliminarea sau diminuarea căt mai pronunţată a efectelor ce pot apărea sş fie făcută în cel mai scurt timp posibil (de ordinul milisecundelor);
• măsuri de rezervă (secundare): sunt măsuri care înlocuiesc acţiunile luate prin măsurile de bază în cazul unui refuz de acţionare ale acestoera sau în cazul când anumite părţi ale instalaţiei se găsesc în revizie programată sau în lucrări ce urmăresc eliminarea efectelor survenite în urma unor fenomene accidentale de avarie.
În general aceste măsuri de rezervă sunt prevăzute cu precădere pentru sistemele şi echipamentele de protecţie. Astfel se prevede ca dispozitivele protecţiilor de rezervă, în general, să acţioneze după un timp mai mare decât timpul de acţionare al protecţiei de bază, pentru a permite ca lichidarea defectelor să fie făcută de către aceasta(dispunând de echipamente cu clasa
de parametri superioară), în cazul când funcţionează corect. Protecţia de rezervă se poate realiza prin una din următoarele variante: • protecţie de rezervă locală : se asigură printr-o protecţie suplimentară montată în acelaşi
65
loc cu protecţia de bază, a cărei rezervă o reprezintă. Schema de protecţie trebuie completată şi
cu un DRRI (dispozitiv de rezervă la refuz de declanşare întreruptor); • protecţie de rezervă de la distanţă (numită şi rezervă îndepărtată): se asigură de către protecţia de bază a elementului din amonte. Nu necesită investiţii suplimentare, dar, acţionarea este neselectivă; • protecţie de rezervă prin întreruptor: se realizează printr-un releu suplimentar introdus în schema obiectului vecin (în amonte) care însă comandă declanşarea întreru ptorului elementului considerat; • protecţie de rezervă alunecătoare: se poate folosi în cazul sistemelor formate din elemente identice. Denumirea de “alunecătoare” este datorită faptului că elementul de rezervă poate fi conectat în locul oricăruia din elementele sistemului de bază;
• protecţie de rezervă efectivă apropiată: este asigurată prin dublarea protecţiei de bază, utilizată în staţiile de transformare de foarte înaltă tensiune. Spre deosebire de protecţia de rezervă locală care lucrează temporizat, protecţia de rezervă efectivă apropiată lucrează rapid, simultan cu protecţia de bază. Este realizată de preferinţă pe alt principiu de măsură decât protecţia de bază şi are circuite independente de la transformatoarele de curent şi de tensiune, cât
şi baterie de acumulatoare diferită faţă de protecţia de bază; • protecţii auxiliare: se prevăd pentru a acţiona în cazul defectelor ce apar în aşa numitele “zone moarte” ale unor protecţii de bază, zone în care protecţia de bază nu poate acţiona (protecţia de bază nu acoperă întreaga lungime a elementului protejat). Siguranţa şi fiabilitatea în exploatare a instalaţiilor electrice constituie două capitole esenţiale în analiza unei instalaţii electrice. Dacă siguranţa în funcţionare reprezintă probabilitatea ca într-un interval de timp sistemul trebuie să îndeplinească condiţiile de funcţionare, pentru care a fost proiectat şi realizat, fiabilitatea unei instalaţii este cea care ne arată
intensitatea şi periodicitatea defectelor şi avariilor. Există şi în această materie seturi de măsuri menite a creşte a siguranţa în funcţionare a instalaţiilor, printre care:
• rezervarea este una dintre cele mai folosite metode de creşterea a siguranţei în funcţionare. Rezervarea poate fi integrală, cum este cazul a două posturi de transformare racordate în noduri diferite ale sistemului energetic, sau poate fi rezervare par ţială, ca în situaţia a două transformatoare în paralel alimentate de la aceeaşi linie electrică;
• o formă curentă de rezervare în instalaţiile electrice o constituie dubla alimentare de la aceeaşi sursă sau din surse diferite de energie; acest procedeu se adoptă, de regulă, pentru
instalaţiile de importanţă vitală, deoarece prin realizarea unei astfel de instalaţii, costurile cresc; • o altă formă de rezervare este buclarea reţelelor de alimentare, care se realizeaz ă prin intermediul unor legături între posturile de transformare sau tablourile de distribu ţie. Printr-o 66
legătură în diagonală între barele de alimentare a consumatorilor se realizeaz ă o altă formăsimplă şi economică de rezervare;
• ultima metodă de rezervare o constituie instalarea de surse de intervenţie. Sursa de intervenţie este o instalaţie de generare sau stocare a energiei care poate prelua total sau parţial alimentarea consumatorilor în cazul defectării sursei de bază. Se folosesc, de obicei, generatoare de energie electrică care preiau alimentarea receptoarelor vitale;
• evitarea extinderii avariilor prin influenţa reciprocă a instalaţiilor se realizează prin adoptarea de ecrane, trasee diferite sau m ărirea spaţiilor dintre instalaţii. Ca exemplu se menţionează cazul când la aprinderea unor întreruptoare cu ulei sau cabluri avaria se extinde la elementele amplasate în aceeaşi celulă sau canal de cabluri;
• menţinerea în funcţionare a acţionărilor electrice cu motoare asincrone şi sincrone la apariţia golurilor de tensiune când tensiunea revine după câteva secunde. Totuşi receptoarele prevăzute cu relee de tensiune minimă sunt deconectate; pentru evitarea efectelor negative ale golurilor de tensiune se foloseşte autopornirea motoarelor de acţionare. Prin autopornire se înţelege revenirea la valoarea nominală a vitezei după scăderea acesteia la apariţia golurilor de tensiune de alimentare;
• combaterea poluării atmosferice şi coroziunii care determină degradarea izolaţiei instalaţiilor electrice şi apariţia pericolului conturnărilor şi scurtcircuitelor; această cerinţă este
satisfăcută prin procedee tehnice de acoperiri de protecţie sau prin izolarea spaţiilor aferente instalaţiilor electrice şi sunt specificate în prescripţiile gradelor de protecţie (IP); O instalaţie electrică îşi poate modifica nivelul de fiabilitate prin acţiuni de mentenanţă corectivă şi preventivă. Acestea se referă la intervenţiile în caz de avarie şi la reviziile planificate. Din aceste motive la studiul instalaţiilor electrice se preferă utilizarea noţiunii de disponibilitate. Aceasta este o noţiune mai cuprinzătoare decât fiabilitatea, incluzând sfera producţiei prin fiabilitate şi sfera exploatării prin mentenabilitate. Disponibilitatea este probabilitatea ca o instalaţie sau echipament să-şi poată îndeplini funcţia impusă la un moment
oarecare al exploatăreii ei. Mentenabilitatea reprezintă capacitatea instalaţiei electrice, ca sumă a capacităţilor individuale ale componentelor şi ca ansamblu funcţional, de a păstra regimul de funcţionare de lungă durată în condiţiile parametrilor nominali impuşi dar şi al respectării cerinţelor de securitate în exploatare. Disponibilitatea şi mentenabilitatea instalaţiilor electrice de joasă tensiune sunt prevăzute în standarde şi normative naţionale sau europene şi sunt caracterizate prin parametrii tehnici specifici, determinaţi prin calcule sau prin preluate din fişele tehnice ale producătorilor de echipamente electrice.
67
CAPITOLUL 3
APLICAŢIE: CALCULUI CURENŢILOR DE SCURTCIRCUIT DE JOASĂ TENSIUNE 3.1. Dimensionarea instalaţiilor electrice de JT. Alegerea echipamentelor
de protecţie şi auxiliare Dimensionarea instalaţiilor (reţelelor) de distribuţie a energiei către receptoare (consumatori) se realizează ţinând seama de următoarele considerente:
• natura consumatorilor: de iluminat, de forţă; • regimul de funcţionare a instalaţiei: continuu, intermitent, sporadic; • încărcarea reţelei de distribuţie: stabilirea necesarului de putere şi a bilanţului energetic: Procesul dimensionării unei reţele presupune, încă din faza de proiectare, parcurgerea mai multor etape de calcul parametric şi alegere a echipamentelor electrice adecvate, anume: • determinarea secţiunii tehnice (s) a conductoarelor prin calcule aferente proceselor de încălzire, ca urmare a efectului termic al curentului electric, a scăderilor şi pierderilor de tensiune, stabilitatea termică în regim de scurtcircuit, suprasarcină şi ponire, din punct de vedere al rezistenţei mecanice a circuitelor de conductoare; dimensionarea secţiunii tehnice se face prin calcul, în funcţie de natura reţelelor (interioare sau exterioare în incinta consumatorului) şi de încălzirea conductoarelor (pentru reţelele interioare) şi se verifică la pierderile de tensiune, iar pentru reţelele exterioare (unde lungimile conductorilor sunt mai mari) se dimensionează pe baza pierderilor de tensiune şi se verifică la încălzire; • verificarea stabilităţii în funcţionare şi la regimurile de avarie; • verificarea condiţiilor economice de funcţionare a instalaţ iei în ansamblu; în urma efectuării acestor calcule va rezulta o secţiune economică de calcul (sec), a cărei valoare va fi ajustată prin prelevarea caracteristicilor din fişele tehnice ale producătorilor de conductori; Încălzirea conductoarelor este rezultatul trecerii curentului activ către receptor (cunoscut ca efect Joule) şi provoacă pierderi de putere proporţionale cu rezistenţa materialului conductor şi pătratul valorii curentului (v. diagrama), precum şi pierderi ale proprietăţilor fizico-mecanice sau distrugeri şi degradări de izolaţie. De aceea prin dimensionarea secţiunii conductoarelor la încălzire se urmăreşte limitarea curentului la o valoare maximă pentru o anumită secţiune, astfel încât temperatura pe conductor să nu depăşească anumite limite. Condiţia de calcul pentru dimensionarea conductorilor este : Ic ≤ Imax
unde: Ic este curentul de calcul (această valoare corespunde puterii absorbite de diferite categorii de consumatori) ; Imax este curentul maxim admisibil pentru secţiunea conductorului ales;
68
intensităţile maxime admise ale curenţilor prin diferite tipuri de conductoare se determină în funcţie de următorii factori: natura şi secţiunea conductorului, modul de pozare a circuitul ui, temperatura maximă admisa (v. tabelul următor), temperatura mediului ambiant, regimul de funcţionare a instalaţiei şi receptoarelor ( regimul de lungă durată, regimul intermitent şi regimul de scurtă durată). Dimensionarea instalaţiilor electrice trebuie să ţină cont şi de valorile mărimilor electrice dezvoltate în regimurile de avarie (scurtcircuit, suprasarcină); în principiu, trebuie calculate două valori ale curentului de defect: • curentul maxim de scurtcircuit, folosit pentru a determina: capacitatea de rupere a
întrerupă toarelor; capacitatea de conectare a întrerupătoarelor; stabilitatea electrodinamică a componentelor de reţea şi a echipamentelor de comutare. Curentul maxim de scurtcircuit corespunde unui defect în imediata apropiere a bornelor din aval ale dispozitivului de protec ţ ie. Acesta trebuie calculat exact, cu un coeficient de siguranţă .
• curentul minim de scurtcircuit, esenţial pentru selectarea caracteristicii timp-curent pentru întreru ătoare şi siguranţe, în particular când: - conductoarele sunt lungi şi/sau impedanţa sursei este relativ mare; - protecţia vieţii depinde de funcţionarea întrerupătorului sau a siguranţei fuzibile
Important este că valoarea minimă a curentului de scurtcircuit corespunde la un defect la capătul îndepărtat al liniei protejate, în general pentru un scurtcircuit fază -pământ la JT şi fazăfază la MT (neutru izolat) în cele mai severe condiţii de exploatare (defect la capătul liniei şi nu în aval faţă de protecţie, un transformator sub tensiune în cazul existenţ ei a două unităţi, etc.). Caracteristica I2t a unui conductor, în funcţie de temperatura mediului ambiant şi curentul maxim admisibil:
t
Ѳ 1> Ѳ2
I2t=k2A2
Iadm1 < Iadm2
I
Valorile temperaturii maxime admise si a coeficientului C la incalzirea conductelor, in regim de scurtcircuit, pentru diverse tipuri de conducte, sunt prezentate în tabelul de mai jos: 69
Tipul si materialul conductelor
Temperatura maxima admisibila 0
Bare de cupru
Bare din oţel (fără legătură diredtă cu aparatele) Bare din oţel (cu legătură directă cu aparatele)
Cabluri cu izolatie de hartie cu conductoare Cabluri cu izolatie din cauciuc sau PVC cu conductoare de Cabluri si conductoare cu izolatie de polietilena cu conductoare de cu conductoare de
Coeficientul
[ C]
C
200
165
400
66
300
60
cupru
145
aluminiu
90
cupru
200
aluminiu
122 83
cupru 150
104
120
70
aluminiu aluminiu
Alegerea secţiunii conductelor şi cablurilor electrice: secţiunea conductelor sau cablurilor electrice pentru circuitele şi coloanele electrice se stabileste ca sec ţiunea minimă care
respectă următoarele condiţii:
• în regimul de lunga durata (permanent) încarcarea maxima admisibila (I ma) a sectiunii sa fie Ima ≥ In , unde: In este curentul transportat de circuit sau coloan ă; Ima se da in funcţie de: natura conductoarelor (cupru sau aluminiu); felul izola ţiei conductelor sau cablurilor electrice; modul de montare - aparent, îngropat în sol, în tub de protecţie etc; numărul de conducte montate în acelasi tub de protecţie; temperatura mediului ambiant;
• secţiunea să fie mai mare sau cel pu ţin egală cu secţiunea minimă impusă de Normativul I-7; sectiuni minime rezultate din condiţiile de rezistenţă la transport şi montare şi de siguranţă în funcţionare.
• secţiunea aleasă va trebui să se verifice la stabilitatea termică în regimul de scurtă durată la care poate fi supusă; - în cazul pornirii motoarelor, densitatea de curent la pornire va fi mai mica decât valoarea admisibita; - în cazul scurtcircuitului, verificarea se realizeaza daca siguranta fuzibila plasata pe circuit sau coloana are curentul fuzibilului (IF); IF =< 3 Ima
70
• secţiunea aleasă va trebui să conducă la pierderi de tensiune sub valorile admisibile impuse de norme. Această condiţie se va verifica după dimensionarea tuturor circuitelor şi coloanelor. Dacă aceasta nu se respectă, secţiunea se va mări pe porţiunea sau porţiunile unde pierderea este mare, pâna la valoarea sau valorile ce fac condiţia îndeplinită. Conditiile 1-4 de mai sus permit determinarea sec ţiunii conductorului de faz ă. Pentru stabilirea secţiunii conductoarelor de neutru (N), de protec ţie (PE) sau conductor comun neutru
şi de protecţie (NPE) se utilizează tabelul următor: 2 Sectiunea conductorului de faza SF [mm ] SF 16 16 SF 35 SF > 35
2 Sectiunea conductorului SPF [mm ] de protectie SF 16 SF / 2
Sectiuni minime admise pentru conductoare utilizate în instalatiile electrice de interior Nr.
Destinatia conductoarelor
Sectiuni minime ale conductoarelor 2 [mm ] Cupru
Aluminiu
1
Pentru circuitul unui receptor electrocasnic cu putere cuprinsa între 2 si 4,5 kW, conductor de faza
2,5
4
2
Pentru circuite de forta, conductor de faza
1,5
2,5
3
Pentru circuite monofazate, conductorul de nul de lucru va avea aceeasi sectiune ca si conductorul de faza
-
-
Pentu coloanele din cladiri de locuit, conductorul de protectie
6(sau 100 2 mm OL)
-
4
4
-
2,5
4
6
6
legături lipite
0,5
-
legaturi cu cleme sau borne
0,75
2,5
2,5
-
1
-
la coloane colective la coloane individuale
5
Pentru coloane, între tabloul principal si tabloul secundar, se va determina prin calcul, dar minmum:
6
Pentru conductoarele de legatura între contor si tabloul de distributie al instalatiei interioare din locuinte, se va determina prin calcul, dar minimum este
7
Pentru conductoare de legatura din interiorul tablourilor electrice
8
Pentru circuite secundare ale transformatoarelor de curent pentru masura
9
Pentru instalatii de automatizare, masura si control destinate unor receptoare sau instalatii importante
71
3.2. Marimi fizice asociate fenomenului de scurtcircuit Curentul de scurtcircuit total, reprezentat prin curba I= f(t), se poate considera ca rezultat al suprapunerii a două componente, una periodică (ip), avand valoarea eficace Iscp, corespunzatoare impedanţei reduse care a produs scurtcircuitul şi o alta (ia), tranzitorie aperiodică, care are valoarea maximă în momentul producerii scurtcircuitului şi scade rapid (în 3-4 perioade) pană la zero (v. diagrama de mai jos). ia
150
ip ik = ia +ip
100 50
t
0 -50 -100 -150
• curent de scurtcircuit de şoc(is) : valoarea instantanee maxim ă is din prima perioada a curentului total de scurtcircuit; curentul de scurtcircuit de şoc se calculeazăcu relaţia: is= ks Isc0 , [A] (3.1.) în care ks este coeficientul de şoc depinzând de raportul dintre rezis ţenta R şi reactanta X totale de scurtcircuit (v. diagrama de mai jos); k
2,0 18 1,6 1,4 1,2 1,0 0 0,2 0,4
0,6
R/X
0,8
1,0
• valoarea eficace a curentului permanent de scurtcircuit (Iscp): prezintă o tendinţă de reducere în timp, ca urmare a creşterii impedanţei echivalente a generatoarelor, în timpul scurtcircuitului. În reţelele electrice de joasă tensiune aceasta reducere este neglijabilă, deoarece
72
impedanţele generatoarelor şi reţelelor de înaltă tensiune sunt mici în raport cu cele ale transformatoarelor şi reţelelor de joasă tensiune, astfel încât valoarea eficace a curentului permanent de scurtcircuit se poate considera constantă. Relaţiile de calcul sunt următoarele: pentru scurtcircuit trifazat )
=
,
[A]
(3.2.)
,
[A]
(3.3.)
[A]
(3.4.)
pentru scurtcircuit bifazat
iar pentru cel monofazat = unde:
Un este tensiunea nominală de linie la barele de j.t. a postului de transformare (400V); Z - impedanţa unei faze a re ţelei; Zo - impedanţa conductorului neutru.
Dacă impedanţele se exprimă în m
şi Un în V, curentul de scurtcircuit calculat cu
relaţiile (3.2), (3.3), (3.4) se obţine în kA. Din examinarea rela ţiilor de mai sus, se poate observa
că valoarea eficace maximă a curentului permanent de scurtcircuit apare în cazul scurtcircuitului trifazat; valoarea eficace iniţială Isco a componentei alternative a curentului de scurtcircuit este: Isc 0 = 1,1 Isc p , [A] (3.5.) iar în cazul în care la locul scurtcircuitului sunt conectate nemijlocit motoare asincrone, având suma curenţilor nominali In , Isc 0 = Isc p + 4 In . ,
[A]
(3.6.)
• curentul echivalent termic al curentului de scurtcircuit (Isct): este valoarea eficace constantă a unui curent alternativ, care într-o secund ă dezvoltă într-un element de circuit o caldură egală cu cea pe care ar dezvolta-o curentul de scurtcircuit real pe toat ă durata defectului. Calculul curentului echivalent termic se face cu relaţia Isct = Isc0
,
[A]
(3.7.)
unde: m - coeficientul de influen ţa a componentei aperiodice, a carui valoare se determina din
in functie de ks si tsc; n - coeficientul de influenta a variatiei de timp a componentei aperiodice, care se obtine
in functie de tsc si raportul Isc 0/Isc p; tsc - durata scurtcircuitului, egala cu timpul de actionare al aparatelor de protectie, in s; tec = 1 s, timpul corespunzator curentului echivalent termic. 73
Pentru instalaţiile de curent continuu , valoarea curentului de scurtcircuit de şoc poate fi considerată egala cu a curentului permanent de scurtcircuit:
,
is= Iscp =
[A]
(3.8.)
unde: R reprezinta rezistenţa totală de scurtcircuit, calculată în mod similar cu componenta rezistivă a impedanţei de scurtcircuit, iar curentul echivalent termic este: Isct = Iscp
,
[A]
(3.9.)
Pentru aparatele şi echipamentele din componenţa instalaţiilor electrice se folosesc mărimi de calcul şi verificare care ţin de caracteristicile funcţionale ale acestora, şi anume: • capacitatea de rupere a dispozitivelor de protecţie la scurtcircuit I, trebuie să fie cel puţin egală cu valoarea curentului de scurtcircuit, care ar putea s ă apară în punctul în care dispozitivul este montat. Deoarece timpul de întrerupere al scurtcircuitelor prin întreruptoare automate cu declanşatoare sau relee electromagnetice este, în general, tsc = (0,05 0,1)s, se poate considera indeplinită condiţia de mai sus daca: Ir
(3.10)
Isc p
Pentru alte tipuri de aparate, valoarea curentului de scurtcircuit care trebuie întrerupt se poate calcula cu relaţia Isc r =
unde:
Isc 0
[A]
(3.11)
este coeficientul de descrestere a curentului initial de scurtcircuit, pana la inceputul
separarii contactelor; In acest caz, capacitatea de rupere trebuie sa indeplineasca conditia Ir
(3.12)
Iscr
Pe de alta parte caracteristica de functionare a dispozitivelor de protectie trebuire sa asigure intreruperea circuitului inainte de aparitia pericolului de deteriorare a instalatiei electrice protejate.
• stabilitatea dinamică la scurtcircuit : reprezintă curentul maxim de şoc pe care acestea îl pot suportă din punct de vedere al rezistentei mecanice. Pentru întreruptoare automate se indică în cataloage curentul limita dinamic Iid, stabilitatea dinamică fiind realizata dacă: Iid > is.
(3.13)
• stabilitatea termică la scurtcircuit a elementelor de reţea se referă laîncalzirea acestora până la valorile maxime admise în regim de scurtcircuit. Aparatelor le este caracteristic un curent limita termic Ilt, care poate fi suportat de aparat un anumit interval de timp tit (de obicei 1; 5 sau 10 s). Condiţia de stabilitate termică se exprimă prin relaţia: Ilt =
,
[A]
(3.14)
unde: care tec = 1 s.
74
Pentru calculele de alegere şi verificarea conductelor la acţiunea curenţilor de scurtcircuit se operează cu următoarele mărimi caracteristice: • stabilitatea dinamica : se verifica in cazul barelor, calculând efortul unitar la încovoiere . care trebuie să îndeplinească condiţia: <
(3.15)
adm
Pentru materialele uzuale indicându-se urmatoarele valori ale eforturilor unitare la incovoiere
adm
maxim admise: cupru: 1400 daN/cm2; aluminiu moale: 700 daN/cm2; aluminiu
tare: 900 daN/cm2; otel:1600 daN/cm2; stabilitatea termică a conductelor de joasă tensiune se consideră îndeplinită dacă secţiunea verifică relaţia:
s ≥ Iscp
,
[mm2]
(3.16)
unde: Isc p se exprimă în A, tsc în s, iar C este un coeficient care depinde de tipul si materialul
conductoarelor instalaţiei. Pentru situaţiile în care echipamentele şi conductele electrice nu pot fi alese astfel încât sâ prezinte stabilitate la solicit ările datorite efectului termic şi electrodinamic al curenţilor de scurtcircuit la locul de montaj, sunt impuse a se utiliza dispozitive speciale de protecţie (siguranţe rapide cu mare putere de rupere, întreruptoare automate rapide etc.).
3.3. Exemplu de calcul a curenţilor de scurtcircuit pentru o instalaţie JT ○ ipotezele simplificatoare generale, admise la calculul curenţilor de scurtcircuit sunt:
• se neglijează saturaţia miezurilor magnetice ale echipamentelor din cadrul sistemului electroenergetic. Această ipoteză conduce la liniarizarea parametrilor din schemele echivalente ale tuturor elementelor sistemului şi permite folosirea teoremei suprapunerii efectelor sub toa te formele sale, ca de exemplu teorema generatorului echivalent de tensiune (teorema lui Thévénin) sau a generatorului echivalent de curent (teorema lui Norton), etc.;
• se neglijează curenţii de magnetizare ai transformatoarelor şi autotrans formatoarelor. Această ipoteză simplificatoare înseamnă neglijarea conductanţei (GT ≈ 0) şi a susceptanţei (BT ≈
0) din schemele echivalente ale transformatoarelor şi autotransform atoarelor, deci cu
considerarea numai a parametrilor longitudinali din schemele echivalente monofazate de
secvenţă ale acestora. Excepţiă de la această ipoteză simplificatoare se face în cazul schemelor echivalente monofazate de secvenţă homopolară ale transformatoarelor /autotransformatoarelor, în care se consideră şi susceptanţa de secvenţă homopolară BTO (sau reactanţa transversală de
magnetizare de secvenţă homopolară Xµo ); • se neglijează conductanţele şi susceptanţele capacitive ale liniilor (GL ≈ 0; BL ≈0);
75
• reţeaua electrică în care apare scurtcircuitul se consideră o reţea trifazată echilibrată, cu excepţia elementului avariat; • consumatorii se introduc în calculele curenţilor de scurtcircuit cu aproximaţie, fiind consideraţi sub forma unor consumatori generalizaţi; • se neglijează pendulările generatoarelor sincrone din timpul scurtcircuitului. Această ipoteză simplificatoare va determina obţinerea unor curenţi de scurtcircuit mai mari decât cei reali şi se poate admite dacă scurtcircuitul durează puţin, iar sistemul electroenergetic este suficient de puternic; ○ Calcule de determinare şi verificare:
Determinările vor fi efectuate considerând o instalaţie standard de distribuţie a energiei electrice de la sursă până la consumatorii de joasă tensiune (linia de alimentare a receptoarelor de joasă tensiune etse figurată cu culoare albastră); schema monofilară exemplifică câteva locuri (noduri de reţea) unde pot apărea defecţiuni de scurtcircuit, calculele fiind făcute numai pentru cele din ramura de joasă tensiune ( K3, K4).
Un= 20kV Ik= 14,4kA
S
20kV Linia L2
Linia L1
SNT=400 kVA
SNT=400 kVA
K1
K2 I
UN=0,4 kV Linia L3
Linia L4
K3
Rec 1
Rec 2
K4
K1 şi K2 sunt locuri de defect de pe ramura de înaltă şi medie tensiune;
76
• date iniţiale: Pentru linia L3: conductor 4x70 mm2; r0=268,6 mΩ/km; x0=82 mΩ/km; l= 20m; R0/R= 4; 0
X /X=3,66; Pentru linia L4: conductor 5x6 mm2; r0=3030 mΩ/km; x0=100 mΩ/km; l= 10m; R0/R= 40; X0/X=4,03; Pentru Receptorul 1: asimilat cu unul puternic inductiv, motor electric, P=0,02 MW,
λ=0,85; η=0,93; receptorul 2: P=0,04 MW, λ=0,85; η=0,93; o
0
Temperatura maximă θe=145 C şi conform relaţiei RL=[1+0,004(Ѳe-20 )]RL20, RL = 1,5 RL20, iar reactanţa specifică XL=lX0; Ѳe este temperatura de la sfârşitul scurtcircuitului; Conductorul neutru al transformatorului pe linia de joasă tensiune este direct legat la
pământ iar întoarcerea comună se presupune că se face printr-un al patrulea conductor cu aceiaşi secţiune ca şi a conductorului de fază. Conexiunea transformatoarelor de tensiune este ∆/Y.
• calcului impedanţelor pozitive (curenţi de scurtcircuit maxim):
Elementul de reţea Linia L3 Linia L4
Formula de calcul RL=r0∙l X =x ∙l L 0 RL=r0∙l XL=x0∙l
Efectuarea calculului RL=268,6 (mΩ/km)∙0,02 km X =82(mΩ/km)∙0,02 km L RL=3030(mΩ/km)∙0,01 km XL=100(mΩ/km)∙0,01 km
R [mΩ]
X [mΩ]
Z [mΩ]
5,372
−
−
1,64
30,3
−
− − −
−
1,00
−
• calcului curenţilor maximi de scurtcircuit trifazat Un= 400V; C = C max = 1,0 Zk [mΩ] Element de reţea
Linia L3
Linia L4
Rk [mΩ]
Xk Z =Z+= [mΩ] k
5,372
−
−
1,64
30,3
−
−
1,00
Curenţii maximi de scurtcircuit trifazat [kA] I”=Ib=Ik=
χ
χ
Ip= ∙
Ik
Locul de defect
Calcul
Calcul
Calcul
Calcul
Calcul
20,451
11,29
0,586
1,189
18,98
K3
44,716
5,16
2,180
1,021
7,45
K4
77
• calcului curenţilor maximi de scurtcircuit bifazat: Un= 400V; C = Cmax = 1,0 Zk [mΩ] Element de reţea
Linia L3
Linia L4
Rk [mΩ]
Curenţii maximi de scurtcircuit bifazat [kA]
Xk Z =Z+= [mΩ] k
5,372
−
−
1,64
30,3
−
−
1,00
Locul de defect
χ
Calcul
Calcul
Calcul
Calcul
Calcul
20,451
9,78
0,586
1,189
16,44
K3
44,716
4,47
2,180
1,021
6,45
K4
• calcului impedanţelor zero: Elementul de reţea
Formula de calcul
Efectuarea calculului
R0 [mΩ]
R0 = 4,00•5,372 mΩ
21,488
X0 [mΩ]
Linia L3 = 3,66
X0 = 3,66•1,64 mΩ
R0 = 4,00•30,30 mΩ
6,002
121,20
Linia L4 = 4,33
X0 = 4,03•1,00 mΩ
4,03
reprezintă rezistenţa electrică la temperatura de 200 C (standard)
• calcului curenţilor maximi de scurtcircuit monofazat: Determinarea curenţilor de scurtcircuit monofazat prezintă importanţă fie şi numai prin frecvenţa de apariţie a acestora, ştiind faptul că cele mai multe alimentări cu instalaţii electrice monofazate se întâlnesc în clădirile utilitare şi locuinţe. Ca şi în cazul scurtcircuitelor bi -şi trifazate şi aici fenomenul scurtcircuitului induce în reţea dezechilibre pronunţate, mai ales când este vorba de alimentarea complexelor de locuinţe din zonele urbane.
78
Un= 400V; C = Cmax = 1,0 l u t n e m e l E
a e ţ e r e d
R+ [mΩ]
X+ [mΩ]
R0 [mΩ]
X0 [mΩ]
a i 3 n i L L
5,372
1,64
21,488
ia 4 in L L
30,3
1,00
121,20
l u t n e m e l E
a e ţ e r e d
Impedanţa echivalentă la locul de scurtcircuit [mΩ] +
0
+
0
R1= 2R + R
X1= 2 X +X
6,002
47,467
56,610
73,877
K3
4,030
229,267
62,64
237,67
K4
Z1=
Curenţii maximi de scurtcircuit monofazat [kA] R+ X+ [mΩ] [mΩ]
R0 [mΩ]
Locul de defect
Locul de defect
X0 [mΩ] =Ib1=Ik1=
χ
Ip1= χ•
Ik1
a i 3 in L L
5,372
1,64
21,488
6,002
9,38
1,189
15,77
K3
a i 4 in L L
30,3
1,00
121,20
4,030
2,92
1,021
4,22
K4
• calcului impedanţelor pozitive (curenţi de scurtcircuit minim): Elementul Formula de R X Efectuarea calculului de reţea calcul [mΩ] [mΩ] RL=1,5 RL20 RL=1,5∙5,372 − 8,058 Linia L3 XL=l∙x0 XL=82(mΩ/km)∙0,02 km − 1,64 RL=1,5 RL20 RL=1,5∙3030 45,45 − Linia L4 − 1,00 XL=l∙x0 XL=100(mΩ/km)∙0,01 km • calcului curenţilor minimi de scurtcircuit trifazat:
Z [mΩ] − − − −
Un= 400V; C = Cmax = 0,95 Zk [mΩ] Element
Rk [mΩ]
Xk Z =Z+= [mΩ] k
Curenţii minimi de scurtcircuit trifazat [kA] I”=Ib=Ik=
de reţea
Linia L3
Linia L4
χ
8,058
−
−
1,64
45,45
−
−
1,00
Locul de defect
χ
Ip= ∙
Ik
Calcul
Calcul
Calcul
Calcul
Calcul
22,075
9,94
0,746
1,125
15,81
K3
61,561
3,56
3,138
1,020
5,14
K4
79
• calcului curenţilor minimi de scurtcircuit bifazat: Un= 400V; C = Cmax = 0,95 Curenţii maximi de scurtcircuit bifazat [kA]
Zk [mΩ] Rk [mΩ]
Element de reţea
Linia L3
Linia L4
Xk Z =Z+= [mΩ] k
8,058
−
−
1,64
45,45
−
−
1,00
Locul de defect
χ
Calcul
Calcul
Calcul
Calcul
Calcul
22,075
8,61
0,746
1,125
13,69
K3
61,561
4,47
3,08
1,020
4,45
K4
• calcului impedanţelor zero pentru curenţi minimi de scurtcircuit: Elementul de reţea
Formula de calcul
Efectuarea calculului
R0 [mΩ]
R0 = 4,00•8,058 mΩ
32,232
X0 [mΩ]
Linia L3 X0 = 3,66•1,64 mΩ
= 3,66
6,002
R0 = 4,00•45,45 mΩ
181,80
Linia L4 X0 = 4,03•1,00 mΩ
= 4,03
4,03
• calcului curenţilor minimi de scurtcircuit monofazat: Un= 400V; C = C max = 0,95 l u t n e m e l E
a e ţ e r e d
3 L 4 L
+
+
0
0
R [mΩ]
X [mΩ]
R [mΩ]
X [mΩ]
8,58
1,64
32,232
45,45
1,00
181,80
Impedanţa echivalentă la locul de scurtcircuit [mΩ] +
0
+
0
Locul de defect
R1= 2R + R
X1= 2 X +X
6,502
64,275
56,706
85,714
K3
4,030
336,975
62,736
342,765
K4
Z1=
80
l u t n e m e l E a i in L a i in L
a e ţ e
r e d
Curenţii maximi de scurtcircuit monofazat [kA] R+ X+ [mΩ] [mΩ]
R0 [mΩ]
X0 [mΩ]
χ
=Ib1=Ik1=
Ip1= χ•
Ik1
Locul de defect
3 L
8,58
1,64
32,232
6,502
9,38
1,125
12,22
K3
4 L
45,45
1,00
181,80
4,030
2,92
1,020
2,77
K4
• nomograme şi tabele ajutătoare: Valorile factorului de tensiune C
Factorul de tensiune C pentru
Tensiuni nominale
Calcul curenţi maximi Calcul curenţi minimi de scurtcircuit de scurtcircuit
Un
joasă tensiune: 100-1000 V 230/240 V
1,00 1,05
0,95 1,00
medie tensiune 1-20 (35) kV
1,10
1,00
Valoarea rezistenţei R şi a reactanţei pozitive XL, pentru conductoare de Al neizolate la f=50 Hz
Reactanţa inductivă XL [Ω/km]
Secţiunea Rezistenţa nominală [Ω/km] [mm2] 16 25 35 50 70
1,802 1,181 0,833 0,595 0,437
50 0,36 0,34 0,33 0,32 0,31
95 120
0,303 0,246
0,23 0,29
Distanţa medie între conductoare d [cm] 60 70 80 90 0,37 0,38 0,39 0,4 0,35 0,37 0,37 0,38 0,34 0,35 0,36 0,37 0,33 0,34 0,35 0,36 0,32 0,33 0,34 0,35 0,31 0,30
0,32 0,31
0,33 0,32
0,34 0,33
100 0,40 0,39 0,38 0,37 0,36 0,35 0,34
81
Caracteristicile conductoarelor izolate torsadate Secţiunea nominală [mm2]
Rezistenţa [Ω/km]
Reactanţa [Ω/km]
16 25 35 50 70
1,802 1,181 0,833 0,579 0,437
0,098 0,097 0,089 0,086 0,084
Caracteristicile cablurilor de joasă tensiunet şi ale cablurilor cu conductoare izolate
Impedanţa cablurilor de j.t. depinde de anumite norme tehnice sau standarde şi în mare parte pot fi extrase de la producător. Valoarea rezistenţei de succesiune pozitivă pentru cablurile de înaltă şi joasă tensiune, ca o aproximare, poate fi calculată cu formula:
RL =
[Ω]
Formula este valabilă pentru cabluri de Cu cu secţiunea între 4 -240 mm2 şi cabluri de Al între 16-300 mm2 la joasă tensiune. La 20o C rezistenţa unui conductor cu secţiunea q n şi
rezistivitate ρ va fi: pentru cupru aluminiu
; pentru aluminiu
; pentru aliaje de
.
82
CONCLUZII Aşa cum s-a prezentat în lucrare, fiecare aparat şi echipament electric folosit în procesele de comutaţie din instalaţiile electrice îşi are propriile caracteristici şi parametri de funcţionare. Specificitatea acestor procese în cazul instalaţiilor electrice de forţă şi comanda la tensiuni joase constă în frecvenţa mare de desfăşurare a cestora. Dacă pentru ramurile de tensiuni medii şi înalte (cele care asigură transportul energiei electrice de la sursă către utilizatrori), procesele de
comutaţie au o ciclicitate caracterizată prin mari intervale de timp între operaţiuni, la medie tensiune întâlnim toate tipurile de consumatori specifici mediului industrial ş i casnic/utlitari care necesită comutaţii frecvente prin însăşi cerinţele lor funcţionale. Şi tot pe această ramură a fluxului de transport al energiei se întâlnesc mai frecvent fenomenele de scurtcircuit şi de funcţionare în regim de suprasarcină a consum atorilor. Deoarece una din cerinţele de bază ale funcţionării instalaţiilor electrice o reprezintă siguranţa în exploatare (atât din punct de vedere al asigurării parametrilor energetici la consumatori, dar şi în ceea ce priveşte securitatea în muncă a operatorilor umani), instalaţiile electrice sunt construite utilizând aparate de comutaţie şi echipamente de protecţie (de regulă pentru scurtcircuite accidentale şi suprasarcini) în variante combinate, urmărindu-se prin această modalitate creşterea fiabilităţii şi mentenanţei acestora. Tendinţele moderne în ceea ce priveşte construcţia aparatelor de comutaţie şi protecţie sunt dominate de utilizarea pe scară largă a variantelor constructive bazate pe tehnologia componentelor staice (semiconductori de putere: tiristor, triac, diode de putere) în care s-a
urmărit simplificarea constructivă prin eliminarea componentelor electro-mecanice ale aparatelor, de genul mecanismelor de acţionare şi zăvorâre, electromagneţi, sisteme cu lamele bimetalice, etc. Nu este de neglijat nici aspectul că, utilizarea componentelor statice face mai
facilă introducerea sistemelor de supraveghere, control şi acţionare a instalaţiilor electrice care folosesc tehnicile de calcul moderne, computerizate. Totuşi, aceste variante de realiza re a instalaţiilor electrice au însă dezavantajul că, în ceea ce priveşte cerinţele de protecţie, aparatele de comutaţie bazate pe componentele statice, pe lângă faptul că presupun costuri mai mari, de regulă, sunt „dublate” de aparatele construite în vari ante clasice Practic, fenomenele de scurtcircuit şi de funcţionare în regim de suprasarcină, nu pot fi
eleiminate şi, de aceea, încă din faza de proiectare, instalaţiile de joasă tensiune sunt prevăzute cu echipamente de comutaţie şi protecţie supradimensionate ca parametrii funcţionali, alese şi ţinând cont de criteriile economice (costuri de realizare şi de menţinere în funcţiune). În acest domeniu se desfăşoară şi concurenţa ofertelorr furnizorilor de aparate electrice şi echipamente de protecţie, ceea ce, în principiu, este un fapt benefic activităţilor din domeniul energetic.
83
ANEXA GRAFICĂ 1. Tipuri de reţele de alimentare
Scheme ale reţelelor de alimentare-tip radial a - cu o singur ă treaptă; b - cu două trepte; c - în cascadă
Schemă de reţele de alimentare cu linii principale
84
a - nesecţionată, cu sarcini distribuite; b - nesecţionată, cu sarcini concentrate; c - secţionată.
Scheme de reţele tip bloc transformator - linie principala din bare capsulate: a - plecarea liniei principale intr-o singura directie; b - plecarea liniei principale
in doua directii: 1 - linia principala; 2 - derivatii.
Scheme de reţele tip bloc transformator buclate a - in inel; b - tip plasa.
85
Exemplu de instalaţii de alimentare receptoare (utilaje)
Schema de principiu a unui bran şament electric trifazat
86
87
BIBLIOGRAFIE Popescu, Lizeta, „Echipamente electrice”, vol 1,2, Ed. „Alma Mater”, Sibiu 2008; NTE 006/06/00, „Normativ privind metodologia de calcul al curenţilor de scurtcircuit în reţelele electrice cu tensiunea sub 1 kV” , Elaborator : S.C. ELECTRICA
S.A. ;Aprobat prin: Ordinul nr. 7 din 31.03.2006 al Preşedintelui ANRE (Înlocuieşte : PE 134 - 2/1996), 2006;
Bercovici, M., Arie, A., „Reţele electrice. Calculul electric”, Ed. Tehnică, Bucureşti; Duminicatu, M., „Proiectarea instala ţiilor de joas ă tensiune” , Ed. Tehnică , Bucureşti; Ionescu, I. „Executarea instalaţiilor de joasă tensiune” , Ed.Tehnică , Bucureşti,1988; Lucache, Dorin, „Instalaţii electrice de joasă tensiune. Baze teoretice şi elemente de proiectare” , Ed. Polirom, Iaşi, 2009;
Poeată, A., ş.a., „Transportul şi distribuţia energiei electrice” , Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1988; Hortopan, Gh., ş.a., „Aparate electrice de joasă tensiune”, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1989; Centea, Ovidiu, „Protecţia instalaţiilor electrice de joasă tensiune”, Ed.Tehnică, Buc. 1988; Popa, T, ş.a., „Avarii în instalaţii energetice”, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1988; Iacobescu, Gh., ş.a., „Reţele şi sisteme electrice” , Ed. Didactică şi Pedagogică,Buc., 1988; Dinculescu, Paul, „Utilizări ale energiei electrice şi instalaţii electrice”, Ed. Didactică şi Pedagogică,Buc., 1988;
Şerbănescu, M., „Branşamente moderne pentru alimentarea cu energie electrică la joasă tensiune” ,Univ. „Valahia”, Facultatea Inginerie Electrică , Specializarea
Energetică Industrială; Popa I., Popa, G.N. – „Instalaţii electrice”, vol.I, Editura Mirton, Timişoara, 2000; Popa, G.N., Popa, I. „Instalaţii electrice”, Ed. Mirton, Timişoara, 2005; Catalog MOELLER, „Aparatură modulară de protecţie şi comandă” , 2009; SCHNEIDER ELECTRIC, „Catalogul electricianului 2008” ;
Catalog „EnergoBit” , „Firide pentru distribuţie de joasă tensiune- gama Domino”, 2008; www.portalelectric.ro www.electricianul.ro www.buletinfie.ro www.ghidelectric.ro
88
