Ministerul educaţiei, cercetării şi inovării

FIŞĂ DE DOCUMENTARE NR. 5

Aparate de comutaţie
Rolul funcţional al aparatelor de comutaţie este de a stabili şi întrerupe circuite electrice în condiţii de funcţionare normală, situaţie în care se urmăreşte dirijarea fluxului de energie de la generatoare la receptoare.

1. Aparate cu comutaţie manuală

Aceste aparate sunt acţionate în mod nemijlocit de către om, fără sisteme sau mecanisme intermediare de transmitere a mişcării, atât la stabilirea cât şi la întreruperea curentului, având frecvenţa de conectare foarte mică şi nefiind prevăzute cu elemente de protecţie. Aceste aparate sunt : separatoarele, întreruptoarele cu pârghie, întreruptoarele şi comutatoarele cu came, butoanele de comandă, prizele şi fişele, etc.

Separatoarele sunt aparate a căror poziţie (închis sau deschis) în circuit este vizibilă de la distanţă. Ele nu pot întrerupe curenţii importanţi de aceea manevrarea lor se va face când liniile electrice funcţionează în gol .

Întreruptoarele cu pârghie sunt destinate închiderii şi deschiderii sub sarcină a circuitelor electrice. Sunt formate din două sau trei contacte mobile, care se rotesc simultan în jurul unui ax comun şi stabilesc contactele fixe. Contactele mobile sunt antrenate cu ajutorul unei manete cu mâner, iar întreg ansamblul este protejat cu un capac de bachelită (până la 100A ).

Comutatoarele au rolul de a înlocui o porţiune de circuit cu alta sau de a modifica, în mod succesiv conexiunile unuia sau mai multor circuite. Spre deosebire de întrerupătoarele care au două poziţii în circuit, comutatoarele pot avea un număr mare de poziţii.

70

155

96

130

87

Întreruptoarele şi comutatoarele pachet se folosesc pentru circuite până la 63A. Sunt realizate prin suprapunerea unor elemente numite “pachete”, fiecare pachet fiind alcătuit dintr-un suport izolant cu două până la patru contacte fixe (fixate la periferie), un contact mobil dispus pe un ax comun tuturor pachetelor şi discuri izolante care închid fiecare element.

128

80

80

21

7

95

77

30

8

Întreruptoarele şi comutatoarele cu came , sunt formate ca şi cele pachet din mai multe elemente suprapuse, acţionate de un ax comun. Pe ax sunt dispuse came de diferite profile, câte una pentru fiecare element .

1

2

3

A

C

B

D

E

H

F

G

Conctactul

Poziţia

1 2 3

A - B X -- --


C - D -- X --

E - F -- -- X

G - H X -- --

Fiecare din aceste aparate au contactele numerotate, iar proiectantul dă detalii despre poziţiile contactelor şi tipul aparatului. (Ex: C 16.02.40.001)

C - comutator

16 - 16A curent nominal

02 - număr de etaje (2)

40 - număr poziţii ferme şi cu revenire ( 4 poziţii ferme, 0 poziţii cu revenire)

001 - număr de ordine din schema electrică

Poziţia Contactelor	1	2	3	4
A - B	-	-	-	-
C - D	-	X	-	-
E - F	X	-	-	-
G - H	-	-	X	X

Butoanele de comandă (fig.4) servesc la acţionarea contactelor, întreruptoarelor automate, etc. În practică, se întâlnesc diverse tipuri de butoane de comandă, în principiu însă, toate au o serie de contacte în poziţie normal închisă şi o serie în poziţie normal deschisă. Prin apăsare îşi schimbă poziţia.
2.Aparate cu comutaţie automată

Execută în mod automat închiderea sau deschiderea circuitelor pe baza unor comenzi. Din această categorie fac parte :

- întreruptoare automate

- contactoarele (ruptoarele)

- relee intermediare

- relee cu temporizare

- limitatoare de cursă

- microîntrerupătoare.

Toate aceste aparate utilizează în construcţia lor ca organ motor, electromagneţi pentru stabilirea sau întreruperea mecanică a contactelor.

Principiul de funcţionare al electromagnetului este expus schematic în fig.5.

La trecerea curentului prin bobina (2) se atrage armătura mobilă (3) de care este legată o tijă (4) pe care sunt fixate contactele aa’, bb’,... etc. Contactele care se află deschise când aparatul este în poziţie de repaus adică cu bobina neexcitată se numesc contacte normal deschise (aa’, bb’, cc’, dd’). Contactul care este închis când aparatul este în poziţie de repaus, când bobina nu este excitată se numeşte contact normal închis (ee’) . Resortul (5) creează o forţă F care în poziţie de repaus deplasează tija (4) în sensul închiderii contactului ee’.

U

Fig.4

Fig.1.5

4

a’

b’
c’
d’
e’

a
b
c

d
e

1

2

3

5

Bobina poate fi realizată pentru a lucra în c.c. sau c.a. Contactele pot lucra de asemenea în c.c. sau c.a.

Contactorul este un aparat de comutaţie cu o singură poziţie de repaus, acţionat de un electromagnet, capabil a închide, a suporta şi a întrerupe curenţii în condiţii normale ale circuitului, inclusiv curenţii de serviciu şi de suprasarcină.

Contactorul poate fi construit cu contactele principale N.Î. sau N.D. Când contactele sunt N.Î. aparatul se mai numeşte şi ruptor. Contactorul este destinat a suporta un număr mare de manevre ( de ordinul 10⁵...10⁷ ) şi constitue aparatul principal în schemele electrice de automatizare de curenţi tari.

În execuţia normală contactorul nu este aparat de protecţie. În fig.6 contactorul are în serie cu polii principali un bloc de relee termice şi îndeplineşte funcţia de aparat de protecţie contra suprasarcinilor.

R S T

8

1 2 3

5 6 7

4

O

I

A B C

Fig.6

Acţionarea aparatului se face cu ajutorul butonului dublu de comandă (I închide, O deschide). Polii principali sunt marcaţi cu reperele 1, 2, 3. Contactul de reţinere 4 este conectat în paralel cu butonul I. Contactul 8 comandat de releul de protecţie termică R₁ întrerupe circuitul de alimentare al bobinei B la depăşirea unei suprasarcini prescrise. Polii auxiliari 5, 6 ,7 sunt utilizaţi în scop de semnalizare a poziţiei contactorului sau pentru blocaj electric. Pentru protecţia împotriva curenţilor de scurtcircuit se montează în amonte siguranţe fuzibile.

Releele de temporizare au în compunerea lor un anumit număr de contacte N.Î. sau N.D. pe care le deschid sau închid cu o anumită întârziere (temporizare).

Limitatoarele de cursă (întreruptoare de capăt) sunt aparate care comandă închiderea sau deschiderea circuitelor electrice în care sunt montate, în momentul în care un element al maşinii acţionează asupra acestuia. Există o mare diversitate constructivă de limitatoare de cursă. Când limitatorul funcţionează la o deplasare mică acesta se numeşte microîntreruptor sau microlimitator.

3. Aparate de protecţie

Deconectează circuitele electrice de sub tensiune, la apariţia regimurilor anormale (suprasarcini şi scurtcircuite).

Regimul de scurtcircuit al aparatelor şi instalaţiilor electrice se caracterizează prin :

- durata scurtă ( 0.2 ... 2s ) ca urmare a funcţionării sistemului de protecţie care deconectează reţeaua avariată ;

- supratemperatura admisibilă de 2 ... 3 ori mai mare decât supratemperatura în regim nominal de funcţionare ;

- curenţi de scurtcircuit de 10 ...20 ori, sau chiar mai mari decât curenţii de regim nominal.

Regimul de suprasarcină al aparatelor şi instalaţiilor electrice se caracterizeză prin :

- durata lungă (1 ... 2 min ) ca urmare a funcţionării protecţiei ;

- supratemperatura admisibilă 1 ... 1.5 ori mai mare decât supratemperatura în regim normal de funcţionare ;

- curenţii de suprasarcină ( 11.5 ) I_N .

Din această categorie fac parte : siguranţe fuzibile, relee termice, relee electromagnetice.
Siguranţele fuzibile asigură protecţia circuitelor electrice la scurtcircuit prin topirea unor elemente fuzibile atunci când curentul în circuit depăşeşte o anumită valoare. Elementele fuzibile (fire sau benzi de Ag, Cu, Zn, etc.) sunt astfel realizate încât ating temperatura de topire, înainte ca în circuitul protejat să se atingă limita maximă admisibilă de temperatură. Elementul fuzibil se află într-o masă de nisip de cuarţ, astfel încât stingerea arcului electric este determinată de preluarea căldurii de către granulele de nisip.
Fig.7


Releele termice sunt realizare dintr-un ansamblu de bimetale care sunt încălzite proporţional cu valoarea curentului circuitului în care sunt montate. Funcţionarea se bazează pe fenomenul dilatării. Când cel puţin o lamelă bimetalică a atins o anumită săgeată, prin intermediul unei tije este întrerupt un contact care este legat în circuitul de comandă, întrerupând astfel tensiunea de alimentare a instalaţiei. Releele termice asigură protecţia la suprasarcină. Principiul de funcţionare reiese din figura de mai jos:

R S T O

A B C O’

1

2

3

4

1 - lamelă bimetal

2 - înfăşurare încălzire bimetal

3 - bară izolatoare

acţionată de (1)

4 - contact N.Î.

Fig.8

Pentru uşurarea realizării schemelor de pornire a motoarelor electrice, se alcătuiesc ansambluri contactor - releu termic numite în practică “automate”, ansamblate într-o cutie de bachelită.

Releele electromagnetice funcţionează pe principiul prezentat la aparatele de conectare automată, având câteva particularităţi constructive, servesc la protecţia de scurtcircuit sau la micşorarea valorii tensiunii. În practică întâlnim relee de curent şi relee de tensiune.

În cadrul întreruptoarelor automate întâlnim blocuri de relee termice şi electromagnetice asigurându-se declanşarea acestora în orice regim anormal.

4. Aparatele de semnalizare din instalaţiile de acţionare şi automatizare servesc pentru a pune în evidenţă dacă anumite circuite sunt sau nu sub tensiune, dacă instalaţia funcţionează corect şi dacă nu, unde este defecţiunea. Ca aparate de semnalizare se folosesc în special lămpile de semnalizare (de diferite culori) precum şi sonerii sau hupe pentru semnalizare acustică.
Întreruptor (fr. interrupteur, commutateur) este un aparat electric de comutaţie utilizat la închiderea (comutarea) sau deschiderea (deconectarea) circuitelor electrice, pentru stabilirea sau întreruperea curentului electric din circuitul considerat

Întreruptoarele pot fi clasificate în funcţie de tensiune:

1. 
   de joasă tensiune
   
2. 
   de medie tensiune
   
3. 
   de înaltă tensiune
   

Exemple de întreruptoare de joasă tensiune

Intreruptoarele automate DPX sunt utilizate pentru protectia si controlul tablourilor electrice ale instalatiilor de joasa tensiune. Ele sunt produse pentru curenti nominali cuprinsi intre 25A si 1600A. Aceste intreruptoare sunt cu 3 si 4 poli, in varianta fixa sau debrosabila, cu declasatoare magneto-termice reglabile. Capacitatea de rupere este cuprinsa intre 25kA si 70kA. Pentru aceste tipuri de intreruptoare se pot utiliza diferite accesorii cum ar fi: bobina de declansare, bobina de minima tensiune, contacte auxiliare etc.

Intreruptoarele automate DMX sunt utilizate pentru protectia si controlul tablourilor electrice de distributie ale instalatiilor de joasa tensiune pana la 4000A. Ele sunt produse pentru curenti nominali intre 2500A si 4000A. Aceste intreruptoare sunt cu 3 si 4 poli, in executie fixa sau debrosabila, cu declasatoare magneto-termice reglabile. Intreruptoarele automate DMX standard sunt echipate cu unitate electronica de protectie MP17, iar la cerere pot fi echipate cu unitate electronica de protectie MP18 sau MP20. Capacitatea de rupere este de 50kA si 100kA. Pentru aceste tipuri de intreruptoare se pot utiliza diferite accesorii

cum ar fi: bobina de declansare, bobina de minima tensiune, comanda motorizata, contacte auxiliare etc.

Intrerupatoarele de proximitate se utilizeaza pentru intreruperea in sarcina, izolarea si blocarea alimentarii echipamentelor electrice controlate de la o cabina de comanda. Acestea pot fi montate in cofrete etanse pentru a asigura un grad de protectie de IP65.
Disjunctoarele pentru motoare asigura comanda locala si protectia motoarelor electrice trifazate. Au capacitate de rupere de pana la 15 kA si curenti nominali intre 0,16A si 32A, curentul putand fi reglabil.

Întreruptoarele automate sunt menţinute în poziţia anclanşat cu ajutorul unui mecanism de zăvorâre, în caz de suprasarcini, scurtcircuite sau dispariţia tensiunii întrerup automat circuitele

Ele pot fi cu acţionare manuală sau cu acţionare automată .

Întreruptoare de medie tensiune in vid

Produsele fac parte din cea mai recenta generatie de aparate din aceasta gama, actionarea fiind cu actuator magnetic. Acest lucru face ca intreruptoarele sa aiba anduranta de pana la 150.000 cicluri I-D si sa nu necesite mentenanta pe intreaga durata de viata.
Avantaje

• 
  Adaptare uşoară la orice interfaţă primară, la o gamă largă de tensiuni auxiliare de comandă, la orice interfaţă de semnalizare.
  
• 
  Compatibilitate cu sisteme SCADA si consum redus de energie.
  
• 
  Capacitate de reanclanşare rapidă ,durată de viata lungă, cu numar mare de manevre si fără mentenanţă.
  
• 
  Dimensiuni compacte şi masă redusă.
  

Întrerupătoare cu hexafluorură de sulf
Hexafluorura de sulf SF₆ – caracteristici
Hexafluorura de sulf - SF₆- este un gaz apreciat pentru calităţile sale chimice şi dielectrice.

Tehnica de comutaţie care utilizează acest gaz a fost dezvoltată prima dată în 1970 odată cu tehnica comutării în vid.

Proprietăţile gazului SF6

În stare pură, gazul SF₆ este nepoluant, incolor, fără miros, neinflamabil şi non toxic. Este insolubil în apă.Este inert chimic: toate legăturile chimice dintre molecule sunt saturate şi au o energie de disociere mare (+1,096 kJ/mol) de asemenea şi o mare capacitate de evacuare a căldurii produsă de arcul electric (entalpie mare).

Pe durata arcului, în care temperatura poate ajunge la valori cuprinse între 15.000 şi 20.000 K gazul SF₆ se descompune. Această descompunere este teoretic reversibilă: când curentul scade temperatura scade şi ea iar ionii şi electronii se pot recombina refăcând molecula de SF₆. Un mic număr de produse secundare sunt obţinute din spargerea moleculei de SF6 în prezenţa impurităţilor, precum dioxid de sulf sau tetrafluorură de carbon. Aceste produse secundare rămân confinate (închise) în anvelopă şi sunt uşor absorbite de compuşii activi, asemenea silicaţilor de aluminiu, care sunt deseori găsiţi în mediul întrerupătoarelor.

Raportul 61634 al IEC asupra utilizării SF6 în întrerupătoare oferă valorile standard care

pot fi întâlnite după câţiva ani de funcţionare. Cantităţile produse rămân mici şi nu sunt

primejdioase pentru oameni sau pentru mediu înconjurător: aer (câţiva ppmy), CF₄ (40 – 600

ppmy), SOF2 şi SO2F2 (în cantităţi neglijabile).

Metode de întrerupere în SF6 şi domeniile lor de aplicaţie:

În aparatele cu SF₆, contactele sunt amplasate în interiorul unei anvelope etanşe umplută cu gaz a cărui presiune variază funcţie de tensiune şi de parametrii proiectaţi. Aceste anvelope sunt în general, sigilate (capsulate) pe viaţă deoarece rata de scăpări poate fi ţinută la un nivel foarte scăzut. Un sistem de măsurat presiunea şi/sau densitatea poate fi instalat, ceea ce permite o monitorizare permanentă a presiunii gazului din anvelopă.

Există mai multe tipuri de tehnici ale dispozitivelor cu SF6, diferenţiate prin metodele de

răcire a arcului electric şi fiecare având caracteristici şi domenii de aplicare diferite.
Concluzii privind proprietăţile SF6 ca mediu electroizolant:

• gaz electroizolant de mare rigiditate dielectrică, înregistrată chiar la presiuni relativ scăzute

(0,15÷0,4 MPa);

• excelent fluid extinctor, capabil să transporte o mare cantitate de căldură.

Variante constructive de întrerupătoare cu SF₆:

A. tehnica pneumatică;

B. tehnica autopneumatică;

C. cu suflaj magnetic;

D. cu autoexpansiune;

E. cu tehnică combinată.

Întreruptoarele de înaltă tensiune
se pot executa atât operaţia de închidere sau întrerupere a circuitului în mod voit, la comanda unui operator, cât şi întreruperea automată, la comanda dată de un declanşator care supraveghează funcţionarea corectă a instalaţiei.

Întreruptoarele automate de înaltă tensiune trebuie să fie astfel construite, încât să satisfacă următoarele condiţii:

În poziţia închis – să suporte solicitările termice

– să suporte solicitările dinamice

– să asigure izolarea căilor de curent

În poziţia deschis – să asigure o izolare necesară şi suficientă între: contacte, căi de curent ale diferitelor faze, părţi conductoare şi părţi metalice legate la pămant

Răcirea şi dezionizarea coloanei arcului electric se poate obţine prin diferite metode:

• 
  cufundarea arcului electric într-un mediu izolant cu mare capacitate termică (ulei, apă, hidrogen);
  

• 
  deplasarea rapidă şi lungirea arcului într-un mediu rece neionizat;
  

• 
  suflarea unui jet de lichid sau de gaze proaspete, neionizate, asupra arcului;
  

• 
  răcirea arcului prin contact direct cu pereţii reci de mare capacitate termică;
  

• 
  destinderea bruscă a gazelor din coloana de arc.
  

Elemente de înlocuire de înaltă tensiune pentru protecţia transformatoarelor electrice de putere

Argintul este principalul material utilizat în ţară şi străinătate la confecţionarea fuzibilelor de înaltă tensiune deşi este un metal nobil, deficitar şi scump, dar cu o înaltă conductivitate electrică şi termică, rezistent la oxidare . Se utilizează pe scară restrânsă şi cuprul, aluminiul, cadmiul ,etc. pentru unele aplicaţii.

Cu toate dezavantajele utilizării cuprului, dezavantaje legate de procesul de oxidare, mai ales la temperaturi ridicate, dacă se iau măsuri de reducere a încălzirii fuzibilului, fără a se depăşi anumite limite, există domenii de aplicare a acestor fuzibile în construcţia siguranţelor fuzibile de înaltă tensiune.

Astfel pentru curenţi nominali mici (0,5A- 25A) firul din cupru care se argintează (în

vederea reducerii posibilităţilor de oxidare în funcţionare), se poate utiliza la construcţia siguranţelor fuzibile de înaltă tensiune pentru protecţia transformatoarelor de putere.

În vederea reducerii temperaturii de funcţionare se va utiliza efectul metalurgic prin stanarea firului şi deci coborârea temperaturii de fuziune de la cca.1000 ⁰C la cca. 200 ⁰C,datorită punctelor eutectice formate prin stanarea fuzibilului.

De asemenea se va avea în vedere înlocuirea unor materiale sau tehnologii de execuţie, în vederea creşterii performanţelor noilor siguranţe fuzibile.

6 marimi (de la 16 pana la 1600A)

- sunt disponibile : 35, 50, 65 si 85 kA

- gama de accesorii variata si usurinta in instalare

- reglare usoara