DESCĂRCĂTORUL

Descărcătorul este un echipament de protecŃie la supratensiuni, în special

atmosferice, montat între fază şi pământ sau în punctele unde se modifică

impedanŃa caracteristică, de ex. la trecerea de la linia electrică aeriană la cablu.

ConstrucŃia unui descărcător trebuie să îndeplinească două condiŃii importante:

• Să asigure descărcarea undei de supratensiune la valori mai mici decât nivelul de

Ńinere al echipamentului protejat, prin amorsarea unui interval izolant

dimensionat corespunzător.

• După descărcare, să întrerupă arcul electric al curentului de însoŃire întreŃinut de

tensiunea reŃelei, care apare după amortizarea curentului de impuls de

descărcare.

Clasificarea soluŃiilor constructive, în ordinea evoluŃiei spre soluŃii moderne este:

• Eclatorul cu coarne sau intervale de protecŃie cu coarne.

• Descărcătorul tubular.

• Descărcătorul cu suflaj magnetic şi rezistenŃă variabilă.

• Descărcătorul cu oxizi metalici (ZnO).

Eclatorul constă dintr-un ansamblu de doi electrozi, unul montat la linia de

înaltă tensiune şi celălalt la masă, având un interval disruptiv între ei. Se folosesc, în

special pentru protecŃia lanŃurilor de izolatoare la liniile de medie tensiune, a

izolatoarelor de trecere a transformatoarelor şi posturilor de transformare de medie

tensiune.

La apariŃia undei de supratensiune atmosferică apare arcul electric de descărcare şi unda

este condusă la pământ. Prin curentul de însoŃire, care apare după amortizarea curentului

de descărcare, instalaŃia electrică este pusă la pământ. Arcul electric întreŃinut de

curentul de însoŃire produce un scurtcircuit monofazat care este întrerupt de protecŃia

reŃelei, dacă reŃeaua este cu neutrul pus la pământ. Dacă reŃeaua este cu neutrul izolat,

amorsarea arcului electric conduce la o punere la pământ instabilă a reŃelei funcŃie de

parametrii reŃelei. Pot să apară supratensiuni dăunătoare echipamentelor şi instalaŃiilor.

Descărcătorul tubular

În figura este prezentată o secŃiune longitudinală prin descărcătorul tubular. Electrozii

2 şi 3 formează un interval disruptiv în interiorul tubului de fibră 1 sau alt material

gazogen capabil să degajeze gaze sub acŃiunea temperaturii ridicate a arcului electric de

descărcare. DistanŃa dintre electrozi este reglabilă. Izolatorul de porŃelan montat la

partea superioară a tubului susŃine sistemul de electrozi de descărcare exterior 5 şi 6.

Electrodul 6 se conectează la linia electrică ce va fi protajată. Inelul metalic exterior 7

montat în jurul tubului are rolul de a accelera descărcarea capacitatea formată între

inelul 7 şi electrodul 2 este mult mai mare decât capacitatea dintre electrodul 3 şi

electrodul 8. În acest mod, în momentul apariŃiei supratensiunii are loc amorsarea

intervalului eclatorului auxiliar format din electrozii auxiliari 3 şi 8 şi apoi eclatorul

principal format din electrozii 2 şi 3. Intervalul disruptiv exterior are rolul de iniŃia

descărcarea în momentul apariŃiei supratensiunii. Arcul electric întreŃinut de curentul de

însoŃire este stins cu ajutorul gazelor degajate de tubul de fibră.

Descărcătorul cu rezistenŃă variabilă

Descărcătorul cu rezistenŃă variabilă este compus din: discuri de eclatoare din alamă,

rezistenŃe de şuntare montate în paralel pe eclatoare cu rol de uniformizare a tensiunii

pe eclatoare, rezistenŃe neliniare montate în serie cu eclatoarele. DistanŃa disruptivă

dintre eclatoare asigură o valoare a tensiunii de amorsare în jur de 3..6kV pe fiecare

eclator. Reducerea timpului de ionizare a spaŃiului disruptiv care asigură limitarea

supratensiunii prin amorsarea pe frontul undei, se realizează cu o piesă din titanat de

bariu solidară cu eclatoarele. RezistenŃele neliniare sunt executate din discuri de

carborund electrotehnic caracterizate de o anumită valoare a coeficentului de

neliniaritate. La apariŃia unei supratensiuni care depăşeşte nivelul de izolaŃie al

descărcătorului, are loc străpungerea lanŃurilor de eclatoare. Curentul de impuls este

condus la pământ, limitându-se astfel supratensiunea.

Descărcătorul cu rezistenŃă variabilă şi suflaj magnetic

ÎmbunătăŃirea performanŃelor descărcătoarelor cu rezistenŃă variabilă are în

vedere stingerea arcului electric întreŃinut de curentul de însoŃire de frecvenŃă

industrială. O astfel de construcŃie conŃine bobine de suflaj parcurse chiar de curentul

care trebuie întrerupt. FuncŃionarea descărcătorului este relevată de schema din figura.

Aceste descărcătoare se folosesc pentru protecŃia la supratensiuni atmosferice a

instalaŃiilor electrice de tensiuni de ordinul 220...400kV sau pentru protecŃia maşinilor

electrice rotative împotriva supratensiunilor de comutaŃie.

Parametrii descărcătoarelor descărcătoarelor cu rezistenŃă neliniară pe

bază de carbură de siliciu sunt următoarele:

Tensiunea nominală a descărcătorului [kV], care reprezintă, la majoritate

firmelor constructoare de descărcătoare, tensiunea maximă admisă pe

descărcător, respectiv tensiunea de stingere a descărcătorului; în funcŃie de

producător, tensiunea nominală a descărcătorului corespunde tensiunii reŃelei

în care se montează.

Tensiunea maximă admisibilă pe descărcător Umax, sau tensiunea de stingere

[kVef]; această tensiune la care se stinge arcul curentului de însoŃire de

frecvenŃă industrială se precizează numai dacă este diferită de tensiunea

nominală.

Tensiunea de amorsare la tensiunea de frecvenŃă industrială [kVef].

Tensiunea de amorsare 100% la impuls de tensiune de trăznet, [kVmax].

Tensiunea de amorsare pe frontul undelor de impuls de tensiune de trăznet

(ITT), 1.2/50µs, [kVmax];

Tensiunea de amorsare la impuls de tensiune de comutaŃie, (ITC,

250/2500µs, [kVmax].

Tensiunea de amorsare la undă de impuls de tensiune de comutaŃie,

[kVmax].

Tensiunea reziduală, [kVmax]; majoritatea firmelor constructoare definesc

tensiunea reziduală la curentul de 1, 3, 5, 10 şi 20kA, fiind astfel definită

caracteristica tensiune curent a descărcătorului.

Tensiunea reziduală nominală [kVmax] este tensiunea reziduală la curentul

de impuls nominal;

Curentul nominal de descărcare [kAmax];

Curentul admisibil la unde rectangulare de 2000µs [A];

Clasa limitatorului de suprapresiune (supapa de suprapresiune).

Coordonarea izolaŃiei

Coordonarea izolaŃiei înseamnă corelarea nivelului de Ńinere al

echipamentului cu nivelul de protecŃie al descărcătorului şi are ca scop: alegerea

izolaŃiei sau a nivelului de Ńinere dielectric al echipamentului şi realizarea acesteia în

funcŃie de solicitările dielectrice sau tensiunea reŃelei în care va funcŃiona

echipaementul.

Nivelurile de protecŃie asigurate de descărcătoarele cu rezistenŃă variabilă

depind de:

PerformanŃele descărcătoarelor.

DistanŃa dintre echipamentul de protejat şi descărcător.

Amplasarea descărcătorului în amonte sau în aval faŃă de echipamentul de

protejat.

Caracteristicile liniei electrice.

ConfiguraŃia staŃiei electrice.

Panta undei de supratensiune incidente.

Se recomandă ca descărcătorul să se monteze fie pe cuva transformatorului, fie

să se racordeze la borna de înaltă tensiune a transformatorului printr-o legătură cât mai

scurtă posibil. De asemenea, descărcătoarele trebuie plasate în imediata apropiere a

extremităŃii cablurilor, atunci când este necesară o astfel de protecŃie, iar conexiunile de

la descărcător la conductoarele de fază, pe de o parte, şi la mantaua cablului, pe de altă

parte, să fie cât mai scurte posibil.

DistanŃa maximă admisibilă pe calea de curent dintre descărcătorul cu rezistenŃă

variabilă şi aparatul protejat se poate calcula orientativ cu relaŃia:

ka

UUl reziz ⋅

⋅

−=∆

2

unde: izU este tensiunea de Ńinere la impuls de trăsnet a izolaŃiei la 2-3 sµ , în kVmax ;

rezU este tensiunea reziduală nominală pe descărcător, în kVmax, a este panta undei de

supratensiune care se propagă pe linii în staŃii, în kV/m, k este un coeficient care

depinde de influenŃa parametrilor schemei , conform tabelului 1.

Valorile pantei a se determină cu relaŃia:

c

Sa=

unde S este panta undei de supratensiune care se propagă în staŃii, măsurată în kV/µs (de

ex. S= 1200 kV/µs), c este viteza de propagare a undei de supratensiune (300m/µs

pentru LEA şi 150m/µs pentru cabluri). Valori probabile ale duratei frontului [ ] sunt :

2µs pentru linia neprotejată cu conductoare de protecŃie sau 3µs pentru liniile protejate

cu conductoare de protecŃie.

Tabelul 1 valorile coeficientului k funcŃie de tipul schemei statiei

Nr.crt. Tipul schemei staŃiei Coeficientul k 1. De capăt, cu una – două

linii racordate 1

2. De trecere, cu trei sau mai multe linii racordate

1,25

3. De conexiune, cu trei sau mai multe linii racordate

permanent

1,5

Tabelul 2 Lungimea liniei de fuga specifică gradului de poluare al zonei geografice

Nivelul (gradul de poluare al zonei)

Lungimea liniei de fugă specifică minimă [cm/kV]

I – slab 1,6 II – mediu 2,0

III – puternic 2,5 IV – foarte puternic 3,1

Raportul între tensiunea de Ńinere a echipamentului şi nivelul de protecŃie asigurat

de descărcător se defineşte ca fiind coeficientul de siguranŃă, care, în cazul

amplasării descărcătoarelor în apropierea echipamentului pe care îl protejează, are

următoarele valori :

a) Domeniul de tensiuni kVUkV m 521 ≤≤ pentru echipamentul din lista 1 se

utilizează un coeficient de siguranŃă de 1,4 între nivelul de Ńinere la impuls de trăsnet al

aparatului de protejat şi nivelul de protecŃie la impuls de trăsnet al descărcătorului.

Pentru echipamentul din lista 2, în anumite cazuri, se admit valori scăzute, până la 1,2.

b) Domeniul de tensiuni kVUkV m 30052 ≤≤ : se aleg, în general, coeficienŃi de

siguranŃă de cel puŃin 1,2 pentru supratensiuni de trăsnet.

c) Domeniul de tensiuni VkUm 300≥ : se aleg, în general, coeficienŃi de

siguranŃă de cel puŃin 1,15 pentru supratensiunile de comutaŃie şi de 1,25 pentru

supratensiunile de trăsnet.

Descărcătoarele cu oxizi metalici

Descărcătoarele cu oxizi metalici (ZnO) se aleg pe baza următoarelor criterii:

• Tensiunea de funcŃionare continuă a descărcătorului Uc. Această valoare se alege

încât 3/Mrc UU ≥ , pentru un descărcător conectat între fază şi pământ într-un

sistem trifazat, sau Mrc UU ≥ pentru un descărcător montat între faze. Totodată, Uc.

trebuie să fie mai mare decât supratensiunile temporare de lungă durată care nu sunt

eliminate prin protecŃie. Amplitudinea supratensiunile temporare depinde de

caracteristicile sistemului şi liniei precum şi de defectul care le generează şi modul

de legare la pământ al neutrului. În general, descărcătoarele nu sunt folosite pentru

eliminarea supratensiunile temporare.

• Amplitudinea şi durata supratensiunilor temporare din reŃea.

• Nivelurile de protecŃie asigurate la undele de impuls de comutaŃie şi de trăznet

• Nivelurile de Ńinere ale echipamentelor protejate.

• Capacitatea de absorbŃie a energiei descărcate.

• Clasa limitatorului de presiune.

Parametrii nominali ai acestora sunt:

♦ Tensiunea nominală Un care reprezintă un parametru de referinŃă definită

ca tensiunea pe care trebuie să o suporte timp de minimum 10s, după ce a

fost încălzit la 60oC şi a fost supus unei injecŃii mari de energie.

♦ Tensiunea maximă de funcŃionare continuă este tensiunea eficace de

frecvenŃă industrială permisă, care poate fi aplicată descărcătorului în mod

continuu, pe durată nelimitată.

♦ Supratensiunea temporară maximă admisă în kVef, pentru o anumită

perioadă de timp, în funcŃie de valoarea acesteia.

♦ Tensiunea reziduală este valoarea de vârf a tensiunii ca apare între bornele

unui descărcător la trecerea unui curent de impuls

♦ Clasa descărcătorului sau capacitatea de absorbŃie a energiei unui singur

impuls este energia maximă, exprimată în kJ/kV, pe care un descărcător o

poate absorbi la trecerea unui impuls de durata specificată.

♦ Curentul nominal de descărcare [kA]

♦ Curentul admis de unde rectangulare, de 2000µs [A]

♦ Curentul permanent al descărcătorului este curentul care trece permanent

prin descărcător supus la tensiunea de regim permanent [mA].

Capacitatea descărcătorului de a absorbi energia descărcată se estimează cu relaŃia:

( ) ][2/ JnTUZUUW rezrezs ⋅⋅⋅−=

unde: W este energia absorbită de descărcător, Us este supratensiunea de comutaŃie la

locul de montare al descărcătorului, în lipsa acestuia, [kV], Z este impedanŃa

caracteristică [Ω], Urez este tensiunea reziduală pe descărcător [kV], T este timpul de

propagare a undei ( vlT /= ) unde l este lungimea liniei [km], v este viteza de propagare

[km/µs], n este numărul de descărcări consecutive.

COMPARATIA DESCARCATOR ECLATOR

În figura de mai jos se compară modul de amorsare a descărcătorului respectiv

eclatorului, la apariŃia unei supratensiuni

Se constată că descărcătorul limitează unde de supratensiune, în timp ce eclatorul

amorsează la aceeaşi valoare a tensiunii, dar pe spatele undei. În următoarea figură se

exemplifică corelarea dintre nivelul de Ńinere al echipamentului cu nivelele de protecŃie

ale eclatorului şi descărcătorului. Se constată că decărcătorul face protecŃia la unde de

supratensiune cu front abrupt sau cu pantă mare de creştere, în timp ce eclatorul face

protecŃia la supratensiuni cu pantă lentă de creştere.

• Constructia si functionarea descarcatoarelor cu oxizi metalici se bazeaza pe

utilizarea ca element cu caracteristica de tip varistor a unui material ceramic

obtinut prin sintetizare din oxizi metalici (ZnO,CoO) etc.

• Structura masei sintetizate este aproape matriciala continand granule de ZnO

cu o buna conductivitate electrica, inconjurate de o pelicula foarte fina din

Bi2O3 , care da caracterul puternic neliniar al conductiei electrice printr-un

astfel de material.