Studiul Fenomenului Arcului Electric

Studiul Fenomenului Arcului Electric

Aspecte generale

Conexiunile intre centralele electrice si liniile de transfer de energie,intre retelele electrice si intre acestea si consumatori se efectueaza prin intermediul aparatelor de comutatie.

Din categoria aparatelor de comutatie,un rol important in functionarea sistemului energetic il detine intrerupatorul. Acesta este un aparat cu comutatie mecanica,ce poate fi definit ca un aparat destinat inchiderii si deschiderii circuitelor electrice parcurse atat de curenti normali cat si de curenti de defect care apar la suprasarcina sau scurcircuit.

Realizarea corecta a acestor functii se bazeaza pe capacitatea partii mecanice,de a indeplini cerintele deschiderii si inchiderii contactelor intrerupatorului,si pe o parte electrica care sa asigure satisfacerea cerintelor electrice.

Principiul de baza al functionarii tutor intrerupatoarelor este aparitia unui arc electric intre contactele acestora,in timpul secventelor de deschidere sau inchidere,ce ajuta la procesul de intrerupere al circuitului. Procesul in domeniul aparatelor de comutatie se datoreaza descoperirii unor materiale relative noi (gazul SF6,rasinile epoxidice etc.)ca si introducerii electronicii si microprocesorului in sistemele ce asigura caracteristica de protectie a aparatelor de comutatie mecanica. Pe aceasta cale s-au dezvoltat aparate compacte ,cu consumuri reduse de material activ,stabile la actiunea mediilor agresive,ca si combinatii de aparate de comutatie capsulate,izolate in SF6.

Hexaflorura de sulf SF6 este un gaz ce are numeroase calitati chimice si dielectrice. Tehnica actionarii acestui gaz a fost descoperita in anii 70,la fel ca cea in vid.

Hexaflorura de sulf este un gaz nepoluant,incolor,inodor,neinflamabil si nu este toxic in stare pura. Din punct de vedere chimic,toate moleculele sale sunt legaturi chimice saturate,avand o energie de disociere mare(+1096kj/mol),astfel are o mare capacitate de evecuare a caldurii produse prin arc(entalpie mare). Inaintea producerii arcului electric,datorita efectului temperaturii care poate atinge 15000-20000k SF6 se descompune. Aceasta descompunere este cvasi reversibila si anume cand curentul scade ,temperatura scade,atunci ionii si electronii se recombina reformand SF6.

Ca urmare a descoperirii propietatilor foarte bune de stingere a arcului electric si de izolator ale hexaflorurii de sulf s-a inregistrat un proces tehnic important in constructia intrerupatoarelor,atat de medie,cat si de inalta tensiune prin folosirea acestui gaz electronegativ.

Exista mai multe tehnologii ale aparatelor cu hexaflorura de sulf care difera prin modul de racire a aerului si a caror caracteristici si domeniu de aplicatii sunt variate:

Actionarea prin autocompresie

Aceasta tehnologie permite actionarea fara dificultate a tuturor curentilor,stingerea arcului este produsa prin comanda mecanica,independent de curentul de actionare.

Principiul autocompresiei este mai vechi. El este utilizat pentru toate tipurile de manevrarea bateriilor de condensatoare,care au o mica posibilitate de reamorsare separata.

Aceasta tehnologie este inca destul de folosita astazi,pentru toate aparatele de intensitate mare si tensiuni superioare 24 kV.

Actionarea prin arc turnant.

Cu aceasta tehnologie arcul se raceste prin propria sa deplasare relative in SF6.

Tehnologia de actionare prin arc turnant este bine adaptata la comenzile masinilor sensibile si la supratensiunile acestora,la motoarele de MT si la alternatoare. Tehnica arcului turnant utilizata ne permite obtinerea unei puteri de actionare limitata(25/30kV in 17,5kV) si nu poate fi folosita la tensiuni inferioare de 17,5kV.

Actionarea prin autoexpansiune.

Aceasta tehnologie este bine adaptata la actionarea curentilor capacitivi,pentru ca accepta supraintensitati si supracurenti. Autoexpansiunea este deci asociata autocompresiei arcului turnant cu piston.

Performantele obtinute gratie asocierii expansiunii termice cu arcul turnant sunt aceleasi ca in cazul utilizarii acestei tehnologii pentru disjunctoare destinate aplicatilor foarte contestate cum sunt protectia alternatoarelor din centrale,sau care cer o anduranta mare.

Cu toate acestea,pe plan mondial,datorita avantajelor importante pe care le au din punct de vedere tehnico-economic,predomina producta si utilizarea intrerupatoarelor cu hexaflorura de sulf,cu putere de rupere ce ajunge la zeci de mii de MVA,in detrimental celor cu ulei putin si a celor cu aer comprimat.

In exploatarea unei retele,unul dintre lucrurile care deranjeaza introducand perturbatii este scoaterea din functiune a unui component al retelei care duce la intreruperi neprogramate in alimentarea cu energie electrica a consumatorilor. Aceste perturbatii pot fi limitate daca scoaterea din functiune a componentului defectabil poate fi facuta inainte de manifestarea defectului,de unde interesul de a cunoaste modul de aparitie al unui defect.

Proiectul de fata prezinta propietatile fundamentale ale mediului gazos SF6,modelarea arcului electric .

Proprietatile fundamentale ale SF6

SF6 a fost sintetizat pentru prima data de francezii Moissan si Lebeau,care in 1906 au primit premiul Nobel pentru chimie. In anul 1937,Charlton si Cooper propun utilizarea acestui gaz in constructia echipamentelor electrice. Primele intrerupatoare cu SF6 se construiesc in SUA incepand cu anul 1953 si in EUROPA dupa 1960.

SF6 este unul din cele mai grele gaze datorita masei sale moleculare mari(146 fata de 28 si 32 pentru azot,respective oxigen),datorita densitatii sale care,in conditii normale de presiune si temperatura este de 6.139Kg/,de aproapte 5 ori mai mare decat cea corespunzatoare aerului. Este incolor,inodor si pana la o anumita concentratie in aer,netoxic. Raportate la valorile pentru aer ,caldura specifica volumica este de 3,7 ori mai mare,iar conductivitatea sonica de circa trei ori mai mica.

Un mediu electroizolant poseda bune proprietati pentru stingerea arcului electric daca,la trecerea prin zero a intensitatii curentului,coloana arcului se caracterizeaza printr-o conductanta electrica avand valori cat mai mici si cat mai rapid descrescatoare in timp. Indeplinirea acestor conditii presupune valori oricit de mici pentru constanta de timp a arcului electric. In acest scop,este necesar ca diametrul coloanei arcului electric de deconectare sa fie cat mai redus,iar difuziunea ,corespunzatoare arcului care constituie mediul de stingere,sa aiba valori mari.

Deoarece conductivitatea termica si caldura specifica c variaza aproape dupa aceeasi lege cu temperatura T a gazului. Difuzivitatea  are valori slab dependente de temperature;atat pentru aer cat si pentru hexaflorura de sulf,rezulta = .

Astfel,valorile constantei de timp a arcului electric se obtin practice proportionale cu suprafata sectiunii transversale a arcului electric,considerata circulara de raza in zona centrala a coloanei,caracterizata prin conductivitate electrica de valori mari. Conform modelului cilindric al arcului,coloana acestuia se considera constituita din doua zone cilindrice coaxiale ,una de raza ,in care exista conductie electrica si termica,iar cea de-a doua de raza R>,caracterizata numai prin procese de conductie termica.

Caldura degajata in zona centrala a coloanei arcului se transmite prin conductie,pe directie r spre exterior,fenomen descries de legea lui Fourier .

, (1)

unde este conductivitatea termica a plasmei,iar T este temperatura acestuia.

Comparand sub raportul transmisie electrice doua gaze diferite,se ajunge la concluzia ca,la aceeasi densitate a fluxului termic,gazul cu conductivitate termica mai mica se caracterizeaza printr-un gradient radial de temperature de valori mari,deci printr-o raza redusa a suprafetei transversale a coloanei arcului electric.

Intr-adevar,daca se compara din acest punct de vedere aerul atmosferic cu hexaflorura de sulf,considerand constanta densitatea q a fluxului termic de transmisie,rezulta :

(2)

In figura 1 este reprezentata dependenta in raport cu temperatura a conductivitatii termice in hexaflorura de sulf,respective in azot,element preponderant al aerului.

Figura ....1 si fig. 2

Caldura degajata in nucleul coloanei arcului se transmite prin conductie pe directie radiala,spre exterior. Potrivit relatiei (2),caderea de temperatura pe directia de transmisie a caldurii cu atat mai mare cu cat conductivitatea termica are valori mai mici. Asa se face ca in hexaflorura de sulf temperatura scade rapid dupa directia r a raze coloanei arcului,pe cand in aer aceasta cadere este lenta,cum se arata in fig 2

Valorile de maximum ale curbelor corespund unor fenomene de disociere in atomi ale moleculelor de gaz;temperature de disociere are valori de K in hexaflorura de sulf si circa K in aer. Atomii rezultati in urma disocierii ,produse in zona axiala a nucleului,difuzeaza catre periferia acestuia unde,la temperaturi mai mici ,se recombina,formand moleculele.

In aer,fig.2 ,temperatura de disociere este mai mare decat cea de ionizare,astfel incat particulele neutre care ajung in stratul superficial sunt supuse fenomenului de ionizare termica si prin soc. In prezenta purtatorilor de sarcina astfel rezultati,coloana arcului electric are o buna conductivitate chiar la distante mari de axa,in stratul superficial.

In hexaflorura de sulf conductia electrica inceteaza practic la temperaturi sub K,deci la distante mici de axa coloanei arcului;stratul superficial este electroizolant.

Capacitatea de intrerupere a unui mediu de stingere este data de evolutia conductiei arcului in vecinatatea momentelor anularii intensitatii curentului;mediului ideal ii corespunde o trecere brusca a conductantei de la valori ridicate (mediu conductor,plasma) la valorea zero (mediu electroizolant).