Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 1

4. SUPRATENSIUNI DATORATE DEFECTELOR MONOFAZATE N REELELE ELECTRICE

(Tratarea Neutrului Retelelor Electrice)

4.1. Modurile de legare la pmnt a punctului neutru

Termenul punct neutru este folosit pentru a denumi un nod la care sunt legate, cu cte o born, toate fazele unui sistem polifazat de curent alternativ. Prezena punctului neutru accesibil semnific existena unei conexiuni n stea sau n zig-zag. Conexiunea n triunghi nu permite accesarea unui punct neutru natural. n regim echilibrat de funcionare a unei surse trifazate, care alimenteaz un circuit simetric cuprinznd linii electrice si consumatori, potenialul punctului neutru este zero, iar mrimea curentului n acest nod este, de asemenea, nul. Regimul ideal presupus mai sus nu este niciodat real; ca urmare, fie c potenialul punctului neutru este diferit de zero, fie curentul prin acest nod este nenul, chiar n regim normal de funcionare a reelei trifazate. Mrimile menionate sunt influenate, pe lng surs i reea, de impedana dintre punctul neutru si pmnt. Problemele legate de modul de legare a punctului neutru la pmnt se manifest mai ales n regimurile nesimetrice de avarie, de care sunt responsabile mai ales reelele i consumatorii. Cele mai frecvente regimuri de acest fel sunt defectele nesimetrice transversale la pmnt (simpla i dubla punere la pmnt). Mrimea impedanei dintre punctul neutru si pmnt are influen decisiv asupra mrimii curenilor si tensiunilor n regim de defect. Principalele moduri de tratare a neutrului sunt prezentate n tabelul 1. Neutrul izolat: ntre punctul neutru si pmnt nu se afl un element fizic de circuit, ci doar o izolaie capabil s suporte creterile de potenial aprute n regimul normal de funcionare simetric sau n regim de defect. Dac nfurarea trifazat are conexiunea n triunghi i nu exist alt echipament cu conexiune n stea, neutrul izolat este implicit i inaccesibil. n toate celelalte cazuri neutrul poate fi considerat legat la pmnt, dar din cauza multiplelor posibiliti de realizare i a implicaiilor corespunztoare, se adopt denumiri specifice. Neutrul este legat direct (metalic) la pmnt, atunci cnd mrimea impedanei ZN este aceea a conductorului dintre punctul neutru si priza de pmnt (ZN = 0).

Legarea neutrului la pmnt prin impedan redus se poate realiza printr-un rezistor sau o inductan adecvate. Mrimea impedanei este fix, indiferent de dimensiunile reelei, depinznd numai de tensiunea nominal a acesteia i de tipul constructiv (aerian sau subteran).

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 2

Tabelul 1. Moduri de tratare a neutrului

Modul de tratare

Mrimea impedanei ZN

Schema de principiu

Izolat

infinit

Legat direct la pmnt

0

Legat la pmnt prin impedan

redus

1 - 3 /V

Compensat (bobin de stingere)

5-100 /V

Mixt

(bobin de stingere + impedan redus)

1-100 /V

Neutrul compensat (tratat cu bobin de stingere) se realizeaz prin intercalarea ntre punctul neutru si pmnt a unei inductane reglabile, dimensionat n funcie att de tensiunea nominal a reelei ct i de ntinderea acesteia. Soluia mixt reunete dou elemente de tratare pentru acelai punct neutru i care se folosesc ntr-o anumit ordine, n scopul cumulrii avantajelor celor dou soluii luate separat. Cea mai frecvent utilizare o are asocierea unei bobine de stingere cu o impedan de valoare redus. Fiecare dintre modurile de tratare a neutrului are domenii prefereniale de utilizare, fr a se exclude i unele suprapuneri. Alegerea soluiei optime este rezultatul lurii n considerare a tuturor influenelor asupra defectului transversal monofazat deoarece: acest tip de defect este cel mai frecvent n raport cu celelalte, este decisiv influenat de mrimea impedanei ZN.

Aceste influene decurg din mrimea curentului de defect i a (supra-) tensiunilor pe fazele reelei n regim de defect. Mrimea supratensiunilor n regim de defect monofazat este decisiv pentru: alegerea nivelului de izolaie al reelei, alegerea descrctoarelor pentru protecie la supratensiuni atmosferice i de

comutaie. Mrimea curentului de defect monofazat are o gam mai larg de influene: asupra modului de detectare a defectului, a sensibilitii si selectivitii proteciilor, asupra continuitii n alimentare a consumatorilor, asupra solicitrii termice i electrodinamice a echipamentelor reelei, asupra potenialelor prizelor de pmnt parcurse de curentul de defect, asupra tensiunilor induse n liniile de telecomunicaii prin fir, care au trasee paralele

cu liniile reelei electrice.

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 3

Importana acestor consecine poate diferi n funcie de tensiunea nominal i tipul constructiv al reelei. Adesea intervin i consideraii subiective fie datorate tradiiei locale, fie nsuirii unui model, astfel c se folosesc soluii diferite n condiii asemntoare. 4.2. Supratensiuni datorate defectelor monofazate 4.2.1. Supratensiuni n regim stabilizat de defect monofazat Procedeul uzual de analiz a unui asemenea defect este bazat pe folosirea metodei componentelor simetrice. Potrivit acestei metode orice sistem de trei vectori a cror sum este nul poate fi descompus n trei sisteme de vectori i anume: sistemul direct, format din trei vectori egali n modul, defazai cu 120o i care se

succed n ordinea acelor de ceas; sistemul invers, format din trei vectori egali n modul, defazai cu 120o i care se

succed n ordinea invers acelor de ceas; sistemul homopolar, format din trei vectori egali n modul avnd i aceeai faz.

Sistemul dezechilibrat al tensiunilor de faz dintr-o reea se poate descompune n sistemele simetrice astfel:

i2

dhT

id2

hS

idhR

UaUaUU

UaUaUU

UUUU

, (4.1)

n care .;23j

21a

23j

21a 2

Un sistem de ecuaii asemntor se poate obine i pentru sistemul trifazat de cureni.

Pentru analiza regimului de defect monofazat se va folosi o schem echivalent de calcul a crei structur se obine pe baza relaiilor dintre componentele simetrice de tensiune, respectiv de curent, considerndu-se condiiile specifice acestui defect i valabile la locul defectului (fig.4.1). Defectul considerat fiind o punere direct la pmnt (defect metalic sau galvanic), din condiia UR = 0, rezult:

0UUU idh . (4.2)

Din egalitatea cu zero a curenilor de defect pe fazele sntoase se obine:

i2

dhid2

h IaIaIIaIaI

sau i2d2 IaaIaa ,

T S R

IR

UR=

IT=0 IS=0

Fig.4.1. Defect monofazat

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 4

respectiv id II . Introducnd acest rezultat ntr-una dintre relaiile de descompunere a curentului de pe fazele sntoase, rezult

0IIIaaIIaIaII dhd2hid2hS . Ca urmare:

idh III . (4.3) Condiiile (4.2) si (4.3) permit ntocmirea schemei echivalente de calcul din fig.4.2, a). n aceast figur, D, I i H reprezint schemele echivalente ale reelei n raport cu locul defectului, valabile pentru cele trei componente simetrice.

Cele trei scheme sunt conectate n serie. n schema de secven direct este inclus i sursa, considerat a furniza un sistem de trei tensiuni egale n modul i defazate cu 1200, formnd astfel un sistem direct de tensiuni. Nu exist tensiuni electromotoare pe secvenele invers i homopolar. Punnd n eviden sursa, schema se poate modifica ca n fig.4.2, b). Pentru componentele simetrice de tensiune, se poate scrie:

ddd IZEU , iii IZU , hhh IZU . (4.4)

Pentru componentele simetrice de curent este valabil relaia:

hidhid ZZZ

EIII

. (4.5)

Tensiunile pe fazele reelei n regim stabilizat de defect monofazat, rezult pentru faza R

0ZZZZZZ

EE

IZZZEUUUU

hidhid

dhididhR

pentru faza S

didd2dhid2hS IZaIZEaIZUaUaUU

Pentru reelele de transport i distribuie a energiei electrice, care conin numai elemente pasive (fr generatoare), se poate admite c id ZZ . Astfel

.dhd2dd22dhS IZZEaIZaaEaIZU

D I H Id Ii Ih Ud Ui Uh

Id = Ii =

Zd Zi Zh Id Ii Ih Ud

Ui Uh

Id = Ii =

~E

a) b) Fig.4.2 Schema echivalent pentru defectul monofazat.

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 5

Introducnd expresia (4.5) a curentului pe secvena direct, se obine

hd

hd2S ZZ2

ZZaEU . (4.6)

n mod asemntor se obine

hd

hdT ZZ2

ZZaEU . (4.7)

Daca se neglijeaz rezistenele schemei, respectiv, Z = jX, rezult

.

23

hd

hdhd

hd

hdS jXX22

X2X2XX2E

XX2XX

23j

21EU

n final

.,

23j

XX22X3EU

hd

hTS (4.8)

Modulul tensiunii pe fazele sntoase este

2hd

2hhd

2h

2h

2hd

2h

TSXX24

XXX4X43X9E

43

XX24

X9EU

, .

hd

hhdhT,S XX

XXXXEU

2

322

(4.9)

Dac se noteaz = Xh/Xd, se obine forma

.,

2

1E3U2

TS (4.10)

Relaia (4.10) exprim dependena modulului tensiunii pe fazele sntoase de raportul reactanelor echivalente ale reelei, n raport cu locul defectului, pe secvenele homopolar i direct Mrimea acestui raport depinde de modul de tratare a neutrului reelei ca i de poziia defectului n reea. Pentru observarea acestei dependene, se va considera un exemplu de calcul. Exemplu:

Se consider cazul unui defect monofazat pe o linie de medie tensiune, conectat la o staie de transformare avnd configuraia de baz uzual n sistemul energetic naional (fig.4.3,a). Este specific faptul nfurarea de medie tensiune a transformatorului IT/MT are conexiunea n triunghi, ceea ce impune prezena unui transformator de neutru artificial (TNA). n amonte de bara de T a staiei se afl reeaua de transport, care, pentru simplificare, poate fi considerat ca o surs de putere infinit. Schema echivalent de secven direct, obinut n raport cu locul defectului este reprezentat n fig.4.3,b. n aceast schem, ZL este impedana direct a liniei pn la locul defectului, iar ZT si ZTNA sunt impedanele celor dou transformatoare.

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 6

Pentru ca, ntr-o asemenea schem, s se poat pune n eviden o impedan

echivalent Zd ca n fig.4.2, se vor prelucra n mod adecvat ecuaiile schemei, scrise pe baza legilor lui Kirchoff:

E =ZTI1 +ZLId +Ud , ZTNAI2 - Ud - ZLId = 0 , I1 = I2 + Id.

Din ultima relaie rezult I2 =I1 - Id., astfel c din a doua se obine

TNAZdUdITNAZLZ

1I

.

Introducnd aceast expresie n prima relaie i simplificnd, astfel nct coeficientul lui Ud s fie 1, se obine:

dTTNA

TTNALd

TNAT

TNA IZZ

ZZZUE

ZZZ

sau Ee = Ud + ZdId .

Prin echivalare , se obin relaiile de calcul pentru:

t.e.m. echivalent EZZ

ZE

TNAT

TNAe (4.11)

impedana echivalent de secven direct TTNA

TTNALd ZZ

ZZZZ

. (4.12)

Aadar, t.e.m. n schema echivalent de calcul a defectului nesimetric poate diferi de aceea a sursei, iar impedana Zd a schemei de secven direct se obine ca impedana echivalent a schemei respective pasivizat, n raport cu locul defectului. Schema de secven invers este identic, n acest caz, cu schema de secven direct pasivizat, iar impedana echivalent este, de asemenea, identic cu aceea de secven direct. Schema echivalent pentru secvena homopolar este aceea din fig.4.3,c. n aceast schem apare impedana de tratare a neutrului, care nu exist n schemele direct si invers, deoarece curenii pe secvenele respective au suma egal cu zero n punctul neutru. Conexiunea n triunghi a transformatorului IT/MT pe partea de MT mpiedic nchiderea curentului homopolar prin aceast nfurare, astfel c

IT MT T

TNA

ZN

ZT ZL

ZTNAE

I1 I2

Id

Ud

3ZN

ZhL

ZhTNA

C0 Uh

a) b) c) Fig.4.3- Schemele monofilar (a), de secven direct (b) i de secven homopolar (c)

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 7

transformatorul T nu mai apare n aceast schem. Capacitatea C0 din schema homopolar este capacitatea faz-pmnt a ntregii reele racordat la sistemul de bare MT. n cazul n care ZN are mrime redus (neutru legat la pmnt direct sau prin impedan de limitare a curentului de scurtcircuit monofazat) i defectul are rezisten mic, aceast capacitate poate fi neglijat. Schema de secven homopolar fiind pasiv, obinerea impedanei echivalente nu ridic probleme de principiu.

Analiza mrimii supratensiunilor pe fazele sntoase are ca punct de plecare relaia (4.10).

n figura 4.4 este reprezentat variaia factorului de supratensiune temporar pe fazele sntoase, ks=US,T/E, n funcie de mrimea raportului . Domeniul de valori ale factorului , acoper toate modurile posibile de tratare a neutrului reelei i toate poziiile defectului n reea. Pentru evaluarea acestui factor, trebuie inut seama de mrimea reacanei homopolare n raport cu reactana direct pentru componentele reelei considerate. Astfel: n cazul liniilor electrice Xh>Xd, n funcie de construcia liniei (aerian cu sau fr

conductoare de protecie, subteran), raportul acestora fiind de ordinul unitilor; pentru transformatoare cu conexiunea nfurrilor de tip Yd sau Yyd, Xh = Xd; pentru transformatoare cu conexiunea nfurrilor de tip Yz, Xh> Xd.

Dac transformatorul T ar avea conexiune Yy, n schema homopolar apar reactana acestuia ca i ale elementelor din amonte pe partea de IT. Dac n acea zon exist un alt punct neutru legat la pmnt atunci curenii homopolari pot circula, iar reactana homopolar a transformatorului este apropiat de reactana direct.

Dac defectul apare pe partea nfurrii cu conexiune n triunghi a unui transformator, curenii homopolari nu pot circula prin aceast nfurare, iar reactana homopolar a transformatorului este infinit (nu mai apare n schem).

Gama de valori posibile ale raportului = Xh/Xd poate fi mprit n funcie de modul de tratare a neutrului reelei astfel:

pentru neutrul izolat (ZN ), n schema de secven homopolar elementul principal rmne capacitatea C0 fa de pmnt. Ca urmare reactana capacitiv are semnul -, iar < 0. Valorile practic posibile ale lui (n modul) sunt mari, ctre limita din stnga a axei, fiind invers proporionale cu mrimea capacitii C0, respectiv cu lungimea total a liniilor reelei;

pentru neutrul legat direct la pmnt (ZN = 0), capacitatea C0 este untat de ctre impedana transformatorului, iar are valori de ordinul ctorva uniti (1..3). Dac reeaua conine multe transformatoare cu neutrul legat direct la pmnt precum i linii scurte, sunt posibile i valori < 1;

pentru neutrul legat la pmnt prin impedan redus, 3 < < 10, fiind cu att mai mare cu ct ZN este mai mare;

pentru neutrul compensat (bobin de stingere) mrimea factorului este cea mai mare, n valoare absolut, fiind invers proporional cu abaterea de la acordarea perfect a bobinei. Pentru supracompensare > 0, iar pentru subcompensare < 0.

Asupra valorii parametrului are influen i poziia defectului n reea, respective distana fa de barele staiei de transformare. Cu ct aceast distan crete, se mrete contribuia liniei n reactana echivalent. ntruct, pentru majoritatea liniilor electrice, reactana homopolar este mai mare dect reactana direct, valoarea parametrului crete cu ct defectul este mai ndeprtat de staia de transformare.

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 8

Cubele din fig. 4.4 arat c, n cazul neutrului izolat, nivelul supratensiunilor pe fazele sntoase este cel mai ridicat. Zona corespunztoare supratensiunii maxime, = -2, este prea putin probabil s poat fi atins n reelele existente astzi, care au linii relativ scurte i surse de putere mare. Urmeaz, n ordinea descresctoare a nivelului supratensiunilor temporare, neutrul compensat, neutrul tratat cu impedanta redus i neutrul legat direct la pmnt.

Rezistena defectului contribuie la reducerea mrimii supratensiunilor pe fazele sntoase, mai ales n zona < 0. Datorit rezistenelor, neglijate n studiul precedent, factorul maxim de supratensiune este limitat chiar dac se atinge tot condiia = -2. n zonele cu valori mari ale raportului , influenta rezistentei defectului este nesemnificativ. 4.2.2 Supratensiuni n regim tranzitoriu de defect monofazat Analiza regimului tranzitoriu de defect monofazat prezint dificulti pentru calculul clasic, folosind scheme echivalente i ecuaiile integro-difereniale corespunztoare, din cauza complexitii schemelor reelelor reale. Din acest motiv, se va lua n considerare o schem simplificat pn la limita la care fenomenele specifice acestui regim tranzitoriu nu sunt afectate n esena lor (fig.4.5). Aceast schem corespunde destul de bine cazului defectului monofazat ntr-o reea care conine o linie alimentat de la o surs. Inductanele L corespund transformatorului i sursei, iar LN reprezint elementul de tratare a neutrului. Nu sunt luate n considerare rezistenele componentelor schemei, iar defectul se modeleaz prin nchiderea ntreruptorului I.

Evoluia regimului tranzitoriu este influenat de condiiile iniiale, respectiv de momentul producerii defectului (strpungerea sau conturnarea izolaiei). Se va lua n considerare momentul cel mai probabil i anume atunci cnd tensiunea faz-pmnt trece prin valoarea maxim pe faza defect.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

US,T/E

Fig.4.4 Supratensiuni de regim staionar datorate defectului monofazat la pmnt

L

uT

uRS

uR

C

C

L C

L

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015

9

Dac defectul are loc pe faza R, la momentul menionat, atunci valorile instantanee ale tensiunilor faz-pmnt sunt

uR=-Um, uS=Um/2, uT=Um/2, (4.13) iar ale tensiunilor ntre faze

uRS=uTR=3Um/2. (4.14) Procesul tranzitoriu poate fi divizat n dou etape. a) egalizarea tensiunilor pe capacitile conectate n paralel

innd seama de faptul c diferena de potenial dintre fazele S i T este nul la momentul iniial, schema din figura 4.5 se transform ca n figura 4.6,a) prin conectarea n paralel a capacitilor fazelor S i T fa de pmnt i fa de faza R. Capacitatea dintre fazele S i T este untat din acelai motiv. Prin apariia defectului (nchiderea ntreruptorului I) cele dou grupe de capaciti ale fazelor sntoase sunt conectate n paralel. ntruct acestea sunt ncrcate la tensiuni diferite, are loc redistribuirea sarcinilor ntre ele pn la egalizarea tensiunilor la bornele gruprii. Acest proces se petrece foarte rapid, instantaneu chiar, dac se neglijeaz rezistenele conductoarelor i a defectului.

Rezult:

u

LN

Um/2

I

L/2

-Um C0 2C0

2C

a)

L

-Um Um/2

3Um/2

Um/2

LN

Um/2

L/2

2(C+C0)

-Um

b)

L Ueg

u

Fig.6- Etapele regimului tranzitoriu de defect monofazat

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 10

mmmm

eg UCCCCU

CC

UCUCU 2

33222

23222

00

0

0

. (4.15)

b) rencrcarea capacitilor de la surs

Diferena de potenial dintre faze fiind 3Um/2, iar Ueg fiind mai mic dect aceasta, urmeaz a doua faz a procesului tranzitoriu, n decursul creia se rencarc capacitile dintre fazele R i S,T de la surs, pn la atingerea valorii de regim permanent, 3Um/2. Acest proces se poate analiza cu ajutorul schemei din figura 4.6,b. Ecuaiile schemei se pot scrie n valori instantanee (4.16), iar prin transformare Laplace, n forma (4.17). Se urmrete obinerea expresiei tensiunii u, care apare pe fazele sntoase fa de pmnt.

100

00

11

)(21

;22

iiiidtCC

Uu

dtdiL

dtdiLU

dtdiLu

dtdiLUU

eg

mmm

100

0011

;)(2

;22

3

IIICCs

Is

UU

sILLsIs

ULsIUsILs

U

eg

mm

(4.17)

Din sistemul (4.17), prin eliminri succesive, rezult soluia, n domeniul operational,

,)()( 21

2

20

2

0

m

ss

sCCL2

UU

(4.18)

n care ))(( 0N

N21 CCL3LL

LL

,

)( 020 CC3L

1

. (4.19)

Prin transformare invers, din (4.18) se obine componenta liber a tensiunii pe fazele sntoase n regim tranzitoriu de defect monofazat

.cos))((

)( tCCLL

CLLCUtu 1

0N

0Nml

(4.20)

Aceast expresie se poate particulariza pentru diferite moduri de tratare a neutrului, astfel:

pentru neutrul legat la pmnt direct, (LN = 0)

tCC

CUtu 100

ml cos)( ,

)( 0210 CCL

1

, (4. 21)

pentru neutru izolat (LN ) sau compensat (LN >> L)

tCC

CUtu 11

0

0ml cos)(

, )( 0

211 CCL3

1

. (4.22)

(4.16)

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 11

Componenta de regim forat a tensiunii pe fazele sntoase este cunoscut de la analiza regimului permanent de defect monofazat:

pentru neutru legat la pmnt, uf(t) = Umcost, pentru neutru izolat sau compensat, uf(t) = 3 Umcost.

Pentru ambele cazuri, frecvena oscilatiilor de regim liber este considerabil mai mare dect frecvena industrial, nct se poate admite c, n momentul n care tensiunea sursei atinge, pe fazele sntoase, valoarea de vrf, acelai lucru se ntmpl i pentru oscilaia de regim liber. Ca urmare, valoarea maxim a tensiunii se va obine ca sum a amplitudinilor oscilaiilor de regim liber i de regim forat. Rezult:

pentru neutrul legat la pmnt

0

m CCC1UUmax , (4.23)

pentru neutrul izolat sau compensat

0

0m CC

C3UUmax . (4.24)

Cele mai frecvent ntlnite valori, n cazurile practice, pentru raportul C/C0 sunt cuprinse ntre 1/3 si 1/4. Factorul de supratensiune tranzitorie, Umax/Um, rezult a fi:

n reelele cu neutrul direct legat la pmnt 1,2 - 1,25. n reelele cu neutrul izolat sau compensat 2,48 - 2,53.

Dac este vorba de o reea subteran echipat cu cabluri cu cmp radial, se poate considera C

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 12

Conectarea, ntre punctul neutru al reelei i pmnt, a unei inductane de mrime corespunztoare poate produce auto-eliminarea defectelor monofazate, care apar prin arc electric. Din acest motiv echipamentul respectiv este cunoscut sub numele de bobin de stingere sau, dup numele celui care a propus primul aceast soluie, bobin Petersen. Pentru defectele prin contact galvanic, aciunea inductanei, de micorare a curentului de defect, are ca rezultat numai limitarea potentialului prizei de pmnt prin care circul acest curent, fr ca defectul s poat fi eliminat.

4.3.1 Compensarea curentului capacitiv Conform fig.4.7, datorit prezenei inductanei dintre punctul neutru i pmnt, pe faza defect pn la locul defectului, prin neutru i prin locul defectului circul un curent IN, defazat inductiv fa de tensiunea pe neutru, deci n opoziie de faz fa de curentul capacitiv de punere la pmnt (dac se neglijeaz componentele active). Ca urmare, dac cei doi cureni au aceeai intensitate, curentul de defect se anuleaz (de fapt se reduce la suma componentelor active), ceea ce asigur eliminarea defectelor prin arc electric i revenirea la regimul normal de funcionare.

Curentul inductiv este

N2N

NR

NN

RN L

1jL

RU

LjRU

I

, (4.25)

iar curentul capacitiv de punere la pmnt este

TRTSRSp YUUYUUI )()( .

Notnd admitana faz-pmnt a reelei cu 000 CjGY ,

)( 00R0RR0RR2p CjGU3YUaUYUUaI . Curentul rezidual devine:

N002

N

NRpN0 L

1C3jG3L

RUIII

. (4.26)

UR

US

UT

IPIBC0 C0

C0G GGL0

N

UR

USUT

-

ILIC

USRUTR

a. b.

Fig.4.7 - Compensarea curentului capacitiv de punere la pamnt

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 13

Notnd componentele acestui curent :

,,,

N

RL02

N

NRaR0C L

UIG3

L

RUIUC3I

rezult expresia LCa0 IIjII (4.27) sau

)( q1jdII C0 , (4.28) unde s-au facut notaiile:

factorul de amortizare al retelei

0

o2N

N

C

aC3

G3L

R

II

d

, (4.29)

gradul de acordare al bobinei de stingere 0N

2C

L

CL31

II

q

. (4.30)

Prin reglarea mrimii inductanei, se poate atinge situaia de compensare total a curentului capacitiv, q = 1, care corespunde minimului curentului de defect. Acest current minim reprezint componenta activ datorat conductanei izolaiei i pierderilor active n bobina de stingere, contribuia principal revenind bobinei de stingere.

Compensarea perfect este cunoscut i sub numele de acord la rezonan. Denumirea provine din faptul c aceast condiie corespunde strii de rezonan n circuitul RLC paralel, format din inductana bobinei de stingere (LN) i capacitile fa de pmnt ale fazelor reelei (3C0). Situaia n care q < 1 se numete subcompensare, iar aceea pentru care q > 1, se numete supracompensare. 4.3.2. Regimul tranzitoriu de stingere a arcului electric de defect

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

I0/IC

q

d= 0,1 0,050,01

Fig.4.8 Curentul rezidual n reeaua compensat

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 14

Dac, prin aciunea bobinei de stingere, arcul electric a fost stins, ncepe un regim tranzitoriu de revenire la normal a tensiunii pe faza defect. Analiza acestui proces tranzitoriu se va realiza folosind o schem echivalent ct mai simpla (fig.4.9), asemntoare cu aceea din figura 4.6,a), dar n care condiiile iniiale corespund regimului de defect monofazat pe faza R, la momentul cnd tensiunile electromotoare ale sursei au valorile uR= - Um, uS=Um/2, uT=Um/2.

ntreruperea arcului electric de punere la pmnt este simulat prin deschiderea ntreruptorului I. Calculul urmrete determinarea expresiei tensiunii u(t), a fazei R fa de pmnt. Sunt valabile urmtoarele ecuaii:

dtduCiiiiiiiiii

dtiC

udtiC

dtdiLdti

CdtdiLUU

udtdiL

dtdiLU

Nmm

Nm

0141043231

40

3

04

0

2

0

,,,

21

210

21

223

2 (4.31)

Rezolvarea acestui sistem (de exemplu folosind calculul operaional), permite

obinerea soluiei de regim liber a procesului tranzitoriu de revenire:

tUtu 0ml cos)( , )( N00 L3LC

1

. (4.32)

Deoarece n schema din fig. 4.9 nu sunt luate n considerare rezistenele elementelor componente, iar regimul liber trebuie s fie amortizat, se va multiplica soluia (4.32) cu un factor corespunztor atenurii. Soluia de regim forat este, conform conditiei iniiale pentru tensiunea fazei R, uf = - Umcost,

astfel c expresia tensiunii de revenire pe faza R este urev(t) = - Um(cost - e-dtcos0t). (4.33)

Avnd n vedere c L

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 15

qCL3

1

0N0 . (4.34)

Pentru q = 1 rezult = 0 , ceea ce este echivalent cu rezonana.

n cazul acordrii perfecte a bobinei de stingere (q = 1), tensiunea revine la valoarea normal, pe faza defect, cu att mai lent cu ct factorul de amortizare d este mai mic, fr aparitia de supratensiuni. Dac ns bobina este dezacordat, indiferent de sens, regimul de revenire este nsoit de supratensiuni att pe fazele sntoase ct i pe aceea cu defect.

n figura 4.10 sunt reprezentate formele tensiunii pe faza defect dup stingerea unui arc electric, n condiiile bobinei de stingere corect acordat (a) i dezacordat cu 25% (b). n aceast ultim situaie se observ prezena unei supratensiuni ceea ce poate determina reaprinderea arcului electric la locul defectului dac restabilirea rigiditii izolaiei nu este destul de rapid (de exemplu, n cazul strpungerii izolaiei cablurilor), anulnd astfel eficacitatea bobinei de stingere.

4.3.3. Tensiunea de deplasare a neutrului

n regim normal de funcionare a reelei compensate, ntre punctul neutru al acesteia i pmnt exist o diferen de potenial, numit tensiune de deplasare a neutrului. Mrimea acestei tensiuni se poate calcula cu expresia general:

NTSR

TTSSRRN YYYY

YUYUYUU

. (4.35)

Dac sistemul trifazat de tensiuni se consider echilibrat:

fTf2

SfR aUUUaUUU ,, ,

iar admitanele fazelor reelei sunt egale

00TSR CjGYYY ,

atunci tensiunea de deplasare a neutrului este nul. n realitate dac sistemul trifazat de tensiuni poate fi considerat echilibrat, admitanele faz-pmnt nu sunt niciodat egale mai ales datorit deosebirilor n mrimea capacitilor C0 pe fazele liniilor. Considernd cazul unei nesimetrii monofazate de capaciti

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

a) b) Fig. 4.10 - Revenirea tensiunii pe faza defect

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 16

00TS00R CjGYYmCjGY , (4. 36)

unde C0 este capacitatea faz - pmnt a reelei, iar

NY N2NN

NN L1j

L

RLjR

1

, (4.37)

se obine

0N202

N

N0

0fN

CL1m2Cj

L

RG3

1mCUU

. (4.38)

Dup simplificri i folosirea notaiilor pentru factorul de amortizare d i gradul de acordare q, se obine forma

)( q3m2jd31mjUU fN

. (4.39)

Rezult ca tensiunea de deplasare a neutrului este o mrime complex, care poate fi caracterizat prin modul i faz, a cror mrime depinde de gradul de dezechilibru al admitanelor faz-pmnt dar i de gradul de acordare a bobinei de stingere:

22

fNq3m2d3

1mUU)(

,

d3q3m2arctg90N

. (4.40)

n figura 4.11 sunt reprezentate funciile UN(q) i N(q) pentru cazul capacitii faz-pmnt diferit pe faza R fa de celelalte dou i pentru valori ale parametrilor m si d, specifice liniilor aeriene i liniilor subterane, astfel: pentru linii aeriene: m = 0,95, d = 0,01; pentru linii subterane m = 0,99, d = 0,05.

Din examinarea acestor curbe rezult concluzii pentru reelele compensate: valoarea maxim a modulului tensiunii de deplasare a neutrului se atinge

pentru acord la rezonan; mrimea acestei tensiuni este direct proporional cu gradul de dezechilibru al

capacitilor faz-pmnt i invers proporional cu coeficientul de amortizare (datorat pierderilor active n circuitul echivalent de secven homopolar al reelei);

faza tensiunii de deplasare a neutrului, pentru acord la rezonan, are o valoare fix indiferent de factorul de amortizare, dar care depinde puin de gradul de dezechilibru al capacitilor;

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 17

n funcie de gradul de acordare al bobinei, faza tensiunii de deplasare a neutrului variaz fa de valoarea de la acord perfect cu maximum / 2 ; Forma dependenei tensiunii de deplasare a neutrului (n modul i faz) de gradul de acordare a bobinei de stingere permite realizarea acordrii acesteia n timpul funcionrii normale a reelei, astfel c n momentul producerii unui defect monofazat bobina s fie pregatit pentru a asigura maximul de eficacitate a stingerii arcului electric.

Tensiunea de deplasare a neutrului poate atinge valori destul de mari pentru a fi inacceptabile mai ales n cazul reelelor aeriene. O prim consecin este modificarea tensiunilor faz-pmnt, pe unele faze acestea devenind prea mari pentru a putea fi suportate de ctre izolaie n regim permanent . De exemplu, pentru acord la rezonan, considernd parametrii numerici de mai sus, tensiunile de faz (n u.r.) rezult:

pentru reeaua aeriana UR = 1,943, US = 2,580, UT = 0,943; pentru reeaua subteran UR = 1,002, US = 1,057, UT = 0,943.

Alt consecin este posibilitatea semnalizrilor false a defectelor monofazate care, n cazul rezistenei de defect suficient de mari, produc tensiune homopolar la fel de mare ca i aceea datorat acordrii perfecte a bobinei de stingere.

Se mai poate meniona i o consecin din domeniul compatibilitii electro-magnetice i anume influena asupra liniilor de telecomunicaii nvecinate, datorit existenei n regim permanent a unei tensiuni homopolare importante i a unui curent homopolar corespunztor. Ca urmare, se recomand reglarea la supracompensare a bobinelor de stingere n msur suficient pentru a menine tensiunea de deplasare la valori acceptabile. Se observ ns, c aceast recomandare trebuie aplicat numai reelelor aeriene sau predominant aeriene. 4.3.4. Construcia, instalarea i exploatarea bobinelor de stingere

4.3.4.1. Tipuri constructive de bobine de stingere

Caracteristica constructiv principal a acestor echipamente este posibilitatea de reglare a inductanei ntr-o gam de valori ct mai larg pentru ca bobina s poat fi acordat corect n situaii diferite privind extinderea reelei. Exist mai multe posibiliti tehnice de realizare a unei inductane reglabile, dintre care s-au aplicat practic urmtoarele:

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.50

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 q q

UN/Uf N LEA

LEA

LES

LES

a) b) Fig.4.11 - Modulul (a) si faza (b) tensiunii de deplasare a neutrului n functie de

gradul de acordare

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 18

a) nfurare cu prize fixe, comutabile numai dup scoaterea de sub tensiune a bobinei de stingere. Aceast soluie are dezavantaje pentru exploatare att datorit reglrii n trepte relativ mari ct i datorit duratei manevrelor de scoatere de sub tensiune la fiecare reglare, astfel c n prezent este abandonat. Se remarc ns reactualizarea ntr-o forma evoluat a reglrii n trepte fixe, sub forma mai multor bobine fr prize, cu inductane diferite, alese pentru a putea asigura o acordare convenabil prin cuplarea lor automat cu ajutorul unor contactoare de nalt tensiune, cu camere de stingere n vid. Comanda acestor contactoare este asigurat de un echipament de reglare automat. Compensarea brut a curentului capacitiv este completat cu sisteme de protecie la defecte monofazate deosebit de sensibile, astfel nct pot sesiza defecte de tip punere la pmnt (defecte nsoite de cureni mici prin locul ounerii la pmnt); b) nfurare fix aezat pe un miez magnetic de construcie special, avnd posibilitatea de reglare a reluctanei prin deplasarea unei piese (plonjor). Aceast variant, n prezent cea mai rspndit, prezint avantajul unei game de reglare ntinse (de ex. 10-50 A sau 10-120 A, utilizate frecvent n Romnia), meninnd funcionarea pe zona liniar a caracteristicii de magnetizare. Deplasarea plonjorului poate fi acionat cu un motor electric cu sens de rotaie reversibil, comandat de la distan, n timp ce bobina se afl sub tensiune. Comanda funcionarii motorului poate fi realizat manual sau automat. c) nfurare fix asezat pe un miez magnetic de asemenea fix, iar reglarea inductanei se realizeaz prin modificarea permeabilitii magnetice a miezului. Aceasta se poate obine folosind o nfurare suplimentar alimentat cu tensiune continu variabil (nfurare de premagnetizare). Dezavantajul unei asemenea soluii este posibilitatea de funcionare pe poriunea neliniar a caracteristicii de magnetizare, deci introducerea unor armonici n curentul bobinei ceea ce poate reduce eficacitatea compensrii. Combinarea reglrii statice cu nfurarea cu prize reglabile permite o exploatare convenabil n condiiile unei construcii fr piese n miscare, deci mult mai fiabil.

Varianta constructiv preferat, indiferent de modul de reglare a inductanei, este: nfurare cu miez de fier, n carcas metalic cu izolaie intern tip hrtie-ulei i izolator de trecere din porelan.

4.3.4.2. Dimensionare si instalare

Dat fiind rolul de compensare a curentului capacitiv, principalii parametri de proiectare a bobinelor de stingere sunt tensiunea nominal i curentul nominal (mai rar se specific puterea). Avnd n vedere c, pe durata exploatrii, configuraia reelelor se modific destul de frecvent datorit manevrelor operative i c exist un proces de dezvoltare prin extinderea unor linii i apariia altora noi, bobina de stingere trebuie s asigure compensarea optim a curentului capacitiv n aceste condiii. Din acest motiv se instaleaz bobine cu rezerv de reglare pentru posibilitatea funcionrii la supracompensare (max. 15%) i potrivit prognozei de dezvoltare a reelei. Bobinele de stingere se instaleaz n staiile de transformare, folosind punctele neutre ale transformatoarelor. Dac nfurarea care alimenteaz reeaua compensat are conexiune n triunghi, punctul neutru trebuie creat n mod artificial cu ajutorul unui transformator trifazat sau a unei inductane trifazate.

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 19

Transformatorul la al crui punct neutru se conecteaz bobina de stingere trebuie sa aib reactana homopolar ct mai redus. n felul acesta, n schema echivalent de secven homopolar, partea din tensiunea homopolar care se repartizeaz pe reactana transformatorului va fi redus, iar bobina de stingere va primi practic ntreaga tensiune a fazei defecte. Reactana homopolar a transformatoarelor depinde esenial de grupa de conexiuni a nfurrilor. Deoarece conexiunea n Z prezint cea mai redus valoare a reactanei homopolare, aceasta este preferat pentru construciile de creare a neutrului artificial. 4.3.4.3. Exploatarea bobinelor de stingere

O cerin principal n timpul funcionarii reelelor compensate este meninerea permanent a strii optime de acordare a bobinei de stingere, care este un compromis ntre compensarea ct mai aproape de rezonan a curentului capacitiv i limitarea tensiunii de deplasare a neutrului. Alegerea gradului de acordare optim depinde de structura fiecrei reele:

supracompensare de cel mult 10-15% pentru reele aeriene sau mixte, dar preponderent aeriene. O astfel de abatere de la compensarea perfect nu afecteaz hotrtor stingerea arcului de defect i menine tensiunea de deplasare a neutrului n limite acceptabile. Opiunea pentru supracompensare provine din necesitatea evitrii ajungerii la acord perfect n cazul ntreruperii unei faze pe o linie, dar mai ales din faptul c supratensiunile tranzitorii i permanente n caz de defect monofazat sunt mai reduse n cazul supracompensrii.

compensare perfect pentru reele subterane sau mixte, dar preponderent subterane. Ponderea mare a reelei subterane limiteaz tensiunea de deplasare a neutrului n cazul acordrii la rezonan, iar stingerea defectului din izolaia solid a cablurilor i accesoriilor acestora, are anse de reuit numai dac se reduce la minim curentul de defect i procesul de revenire este ct mai lent.

Reglarea propriu-zis a bobinelor de stingere se poate realiza n timpul funcionrii normale a reelei sau pe durata defectului. Primul mod de reglare este cel mai folosit, avnd avantajul pregtirii bobinei pentru funcionare corect la apariia defectului monofazat i nefiind necesar o viteza de reglare mare. Informaiile necesare reglrii bobinei de stingere pot fi obinute, n principal:

prin cunoaterea, pentru orice schem operativ a reelei, a curentului capacitiv a acesteia. Asemenea informaii sunt dificil de obinut i folosit n timp util de ctre personalul de exploatare;

prin msurarea tensiunii de deplasare a neutrului i reglarea bobinei n sensul atingerii valorii maxime urmat de supracompensare, dac este cazul. Importana reglrii corecte n permanen face necesar recurgerea la automatizarea acordrii bobinei. n acest scop se pot folosi sisteme de reglare n bucl nchis (cu reacie negativ), care folosesc ca mrime de intrare fie modulul tensiunii de deplasare a neutrului fie faza acesteia. Examinarea curbelor de variatie a tensiunii de deplasare a neutrului, n modul i faz, din figura 4.11, permite deducerea principiilor de reglare posibile:

reglare de tip extremal dac se urmrete modulul tensiunii de deplasare. Faptul c, aceeai mrime a tensiunii de deplasare corespunde unor grade de acordare diferite situate n zonele de subcompensare i respectiv supracompensare, face necesar gsirea mai nti a sensului de reglare i apoi efectuarea reglrii propriu zise.

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 20

reglare de tip prescriere dac se urmrete faza tensiunii de deplasare. n acest caz, sensul abaterii fazei tensiunii de deplasare n raport cu punctul de funcionare prescris conine i informaia referitoare la sensul necesar al reglrii.

4. 4. Reele cu neutrul legat la pmnt

4.4.1. Neutrul legat direct la pmnt

4.4.1.1. Curentul de defect monofazat

Curentul de defect monofazat este format, n acest caz, prin nsumarea curentului capacitiv al reelei i a curentului de scurtcircuit monofazat. A doua component predomin, astfel nct contribuia curentului capacitiv se poate neglija. Folosind metoda componentelor simetrice se obine, pentru curentul de defect monofazat, expresia

hid

e1k XXX

E3I

, (4.41)

n timp ce pentru curentul de scurtcircuit trifazat, relaia de calcul este

d

e3k X

EI . (4.42)

Raportul celor doi cureni

hid

d

3k

1kXXX

X3II

, (4.43)

poate fi folosit pentru evaluarea comparativ a consecinelor legrii directe a neutrului la pmnt asupra funcionarii reelei n regim de defect monofazat. Dac Xh = Xd i considernd Xd = Xi, ceea ce este acceptabil, rezult egalitatea dintre curenii de scurtcircuit mono- i trifazat. Dat fiind ponderea substanial mai mare a defectelor monofazate, o asemenea situaie ar nsemna o solicitare termic, electrodinamic si mecanic foarte grea pentru ntreruptoare, ceea ce conduce la cheltuieli de ntreinere mari. Condiia menionat se poate atinge numai n cazul unei reele dense, cu linii relativ scurte, cu multe staii de transformare avnd toate punctele neutre ale transformatoarelor legate direct la pmnt. Reducerea intensitii curentului de defect monofazat necesit ca Xh > Xd, ceea ce se poate obine prin izolarea unora dintre punctele neutre ale reelei interconectate, restul rmnnd legate la pmnt. n acest scop, punctele neutre ale transformatoarelor sunt uneori legate la pmnt prin intermediul unui separator avnd n paralel i un descrctor (pentru protecia izolaiei neutrului), astfel nct neutrul s poat fi izolat fa de pmnt, la nevoie. n toate cazurile ns, mrimea curentului de defect monofazat este mult mai mare dect curentul de sarcin, astfel nct defectul este numit scurtcircuit, iar proteciile pot deconecta rapid i selectiv linia sau echipamentul afectat.

4.4.1.2. Supratensiunile pe fazele sntoase

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 21

Examinnd graficul supratensiunilor de regim permanent n funcie de raportul Xh/Xd, se observ c factorul de supratensiune variaz ntre limite destul de largi. Mrimea acestor supratensiuni influeneaz n mod direct alegerea descrctoarelor cu rezisten variabil, n privina parametrului tensiunea maxim admisibil pe descrctor. Alegerea descrctoarelor n mod acoperitor, pentru valoarea maxim a factorului de supratensiune temporar nu este convenabil deoarece i nivelul de protecie rezult mai mare, iar izolaia va fi mai scump. n scopul reducerii costului izolaiei, s-a adoptat o mprire n dou categorii a reelelor n funcie de nivelul acestor supratensiuni. Se folosete, n acest scop, factorul de legare la pmnt, kp, care reprezint raportul dintre tensiunea faz-pmnt pe fazele sntoase n regim de defect monofazat i tensiunea faz-pmnt n regim normal de funcionare al reelei, n acelai loc din reea. Se consider c reeaua este:

efectiv legat la pmnt dac kp < 1,4 i neefectiv legat la pmnt dac kp > 1,4.

Corelarea valorii acestei limite cu mrimea raportului Xh/Xd, conduce aproximativ la Xh/Xd = 3. Pentru aceast valoare, raportul Ik1/Ik3 = 0,6.

pete 1,4 u.r.

Avnd n vedere valorile reduse ale reactanei echivalente homopolare n cazul neutrului legat direct la pmnt, raportul Xh/Xd, are valori mici, (k < 3), astfel c acest tip de reea poate fi considerat ca efectiv legat la pmnt. Corespunztor, supratensiunile pe fazele sntoase au valorile cele mai reduse; factorul de supratensiune nu de 4.4.2. Neutrul legat la pmnt prin impedan redus

ntre punctul neutru i pmnt se conecteaz o impedan (rezisten sau reactan inductiv) de mrime fix, dimensionat astfel nct s limiteze intensitatea curentului de scurtcircuit monofazat la o valoare maxim admis i care s satisfac simultan dou cerine:

s menin n limite admisibile efectele termice i electrodinamice produse de curentul de scurtcircuit n reea;

s permit utilizarea unor protecii ct mai simple i sigure pentru deconectarea selectiv a liniei sau echipamentului n care s-a produs defectul monofazat. Prima cerin are ca scop reducerea solicitrilor termice i electro-dinamice a cilor de curent parcurse de curentul de defect precum i limitarea potenialelor pe prizele de pmnt ale stlpilor, staiilor i posturilor de transformare; se cere deci o valoare ct mai redus a curentului de scurtcircuit monofazat.

A doua cerin conduce la alegerea unei valori ct mai mari a curentului de defect, pentru a simplifica schemele de protecie prin relee. Compromisul ntre aceste dou tendine a condus la urmtoarea alegere a valorii maxime a curentului de scurtcircuit monofazat:

300 A n reelele aeriene sau mixte, dar predominant aeriene; 1000 A n reelele pur sau predominant subterane.

Corespunztor acestor valori, mrimea impedanei de tratare a neutrului va trebui s fie, aproximativ:

0,58 /kV pentru reele subterane; 1,92 /kV pentru reele aeriene i mixte.

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 22

Mrimea impedanei rezultate fiind mult mai mic dect aceea a unei bobine de stingere, s-a adoptat termenul de impedan redus pentru impedana de legare a neutrului la pmnt. n asemenea condiii se obine, n cele mai multe cazuri, Xh/Xd > 3, astfel c factorul de legare la pmnt rezult kp>1,4. Aadar, aceste reele sunt neefectiv legate la pmnt. Soluia de tratare a neutrului cu impedan redus este folosit n exclusivitate n reelele de medie tensiune, mai ales n ri europene. n unele ri (Frana, Spania) aceast soluie a fost aplicat chiar de la nceputul dezvoltrii reelelor de medie tensiune, datorit avantajelor privind realizarea i eficacitatea proteciei prin relee mpotriva defectelor monofazate. n alte ri, n care soluia tradiional i predominant de tratare a neutrului a fost bobina de stingere, s-a trecut la tratarea cu impedan redus n reelele subterane de ntindere mare, n care eficiena bobinei de stingere este redus. Cauzele acestei reduceri de eficacitate sunt:

mrimea curentului capacitiv deosebit de ridicat, astfel c puterile i costul bobinelor de stingere instalate devin prea mari. Divizarea reelei n mai multe reele de dimensiuni mai mici este, de asemenea, costisitoare;

ponderea componentei active n curentul de defect monofazat fiind mai mare dect la reele aeriene, rezult curent rezidual destul de mare pentru a nu permite autoeliminarea defectelor monofazate, chiar n situaia acordrii la rezonan a bobinei de stingere;

n reelele subterane, urbane i industriale, sunt prezente adesea armonici superioare n curba tensiunilor de faz, datorit consumatorilor deformani. Aceste armonici se regsesc i n curentul de defect monofazat, dar nu pot fi compensate de ctre bobina de stingere. Ele contribuie la mrirea curentului rezidual;

defectele care se produc n izolaia intern (materiale n stare solid), nu pot fi eliminate definitiv cu certitudine, deoarece aceast izolaie este neauto-regeneratoare. Astfel este posibil instalarea regimului de ardere intermitent a arcului electric, nsoit de supratensiuni periculoase, care pot produce strpungerea izolaiei uneia dintre fazele sntoase ntr-un alt punct slab, oriunde n aceeai reea;

datorit distanelor mici dintre faze n cazul cablurilor, se produce cu mare probabilitate extinderea defectului la celelalte faze, deci apariia unui numr mult mai mare de defecte polifazate si deteriorarea important a cablului afectat. Aceste dezavantaje dispar n cazul tratrii cu impedan redus deoarece:

mrimea reelei nu are influen important asupra dimensionrii impedanei de tratare a neutrului;

curentul de defect monofazat este suficient de mare pentru a asigura deconectarea rapid, astfel nct deteriorarea cablului este minor, iar extinderea defectului la celelalte faze, exclus. Din cauza dificultii de meninere a potenialului pe prizele de pmnt n limitele admise, acest mod de tratare a neutrului este prea costisitor pentru reelele aeriene. Prizele de pmnt naturale ale stlpilor liniilor aeriene au rezistena mult mai mare dect prizele posturilor din reeelele subterane, iar lungimea mare a liniilor reelelor aeriene face ca probabilitatea producerii defectelor la stlpi s fie mult mai mare n comparaie cu posturile de transformare. Reducerea mrimii acestor rezistene implic costuri prea mari pentru a fi acceptate, cu excepia unor situaii particulare. n condiiile nspririi cerinelor privind protecia populaei si animalelor n raport cu reelele electrice, normele europene impun valori reduse ale potenialelor admisibile pe prizele de pmnt ale acestor instalaii. De asemenea, supratensiunile transmise n reelele de joas

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 23

tensiune datorit defectelor din reelele de medie tensiune sunt limitate prin aceste norme. n aceste condiii are loc, n prezent, schimbarea metodei de tratare a neutrului reelelor aeriene de medie tensiune de la rezisten redus la bobina de stingere. Dei, n principiu, impedana redus se poate realiza ca un rezistor sau o inductan, cea mai mare rspndire o are utilizarea rezistorului. Principalele motive sunt:

influena mai redus a mrimii capacitii faz-pmnt a reelei asupra valorii curentului de defect monofazat (fig.4.11), datorit nsumrii vectoriale a curentului capacitiv de punere la pmnt cu curentul prin neutru care este n faz cu tensiunea fazei defecte n cazul rezistorului i defazat n urm cu 90 grade n cazul inductanei;

factor de supratensiune mai redus pe fazele sntoase n timpul defectului monofazat n cazul rezistorului, dei aceast deosebire nu este att de important pentru a justifica o reducere a nivelului de izolaie.

Din punct de vedere economic ns, este mai avantajoas soluia inductanei. Aceasta se poate realiza ca o bobin fr miez, din conductor de aluminiu, cu izolaie uscat sau n ulei de transformator. Rezult avantaje precum:

regim termic foarte uor, pe durata defectului, datorit lipsei disiprii de energie activ n inductan;

gabarit (dimensiuni, mas) i cost mult mai reduse comparativ cu rezistorul.

4.5. Alegerea modului de tratare a neutrului reelelor electrice Aspectele examinate mai sus, legate direct de influena modului de tratare a neutrului reelei asupra regimului de defect monofazat, permit nelegerea implicaiilor unei alegeri att asupra aspectelor tehnice ct i economice privind construcia i exploatarea reelelor de transport i distribuie. S-au menionat mai sus consecinele care decurg din mrimile curenilor i tensiunilor n timpul regimului de defect monofazat att asupra reelei respective ct i asupra ambianei reprezentat de alte reele electrice (prin perturbaii) i de prezena populaiei n vecintatea instalaiilor electrice. Importana acestor consecine este diferit, n funcie de tipul reelei n privina rolului n sistemul electroenergetic (transport, distribuie), de tensiunea nominal a reelei, de tipul constructiv (aerian, subteran mixt). Rezultatul numeroaselor studii efectuate asupra acestor aspecte se concretizeaz n recomandri privind alegerea modului de tratare a neutrului, considerat optim n funcie de toti factorii menionai.

n reelele de nalt i foarte nalt tensiune soluia, folosit n toate rile, este legarea direct la pmnt. ntruct, pe msura creterii tensiunii de serviciu, costul izolaiei capt pondere tot mai mare n costul total al reelei, se alege aceast soluie pentru care nivelul supratensiunilor datorate defectelor monofazate este cel mai redus.

UN

IR

IC Ik1 UN

IL

IC

Ik

a) b) Fig.4.12-Curentul de scurtcircuit monofazat n cazurile tratrii

neutrului cu rezistor (a) sau inductan (b)

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015 24

Dei astfel curentul de defect monofazat poate fi destul de mare, se consider inacceptabil doar depirea mrimii curentului de scurtcircuit trifazat. Pentru evitarea acestei situaii, soluia cea mai frecvent folosit este nelegarea la pmnt a neutrelor unor transformatoare dintr-o reea cu mai multe staii de transformare, astfel ca s se menin factorul de legare la pmnt mai mic dect 1,4. n privina potenialelor pe prizele de pmnt parcurse de curentul de defect monofazat, fiind vorba de linii de nalt i foarte nalt tensiune, majoritatea stlpilor acestora se afl n zone puin frecventate de populaie i animale domestice. De asemenea proteciile, sensibile i rapide, asigur deconectarea n timp foarte scurt a liniei defecte. Continuitatea n alimentare a consumatorilor nu este afectat de aceste deconectri n primul rnd datorit prezenei automaticii RAR i n al doilea rnd datorit alimentrilor duble sau de rezerv ale staiilor de transformare din aceste reele. n cazul reelelor de medie tensiune soluiile de tratare a neutrului sunt mai diverse. n aceste reele, care alimenteaz consumatori racordai fie direct la medie tensiune fie prin posturile de transformare MT/JT, costul izolaiei nu mai este preponderent, dar continuitatea n alimentare este de prim importan. Se prefer soluii de tratare a neutrului care nu implic deconectarea rapid a liniei defecte, deoarece, n acest mod, se pot folosi scheme de alimentare a consumatorilor cu rezerve mai reduse (scheme radiale, simplu buclate). Reelele de medie tensiune pot fi pur aeriene, pur subterane sau mixte. Acest fapt influeneaz alegerea soluiei de tratare a neutrului. Astfel, modul optim de tratare a neutrului acestor reele este: n reelele pur aeriene, legarea neutrului la pmnt prin bobin de stingere; n reelele pur subterane, legarea neutrului la pmnt prin impedan de valoare

redus; n reelele mixte, folosirea uneia dintre cele dou soluii, n funcie de ponderea

celor dou tipuri de linii. Aceste soluii satisfac i cerina limitrii pericolului de electrocutare pentru persoane i animale domestice, prin faptul ca potenialele prizelor de pmnt parcurse de curenii de defect monofazat pot fi meninute n limite admisibile, innd seama i de timpul de aciune a proteciei prin relee. Astfel, n reelele aeriene compensate, n care obinerea unei rezistene de dispersie reduse a prizei de pmnt a stlpilor este costisitoare, curentul de defect are valoare redus. n reelele subterane, rezistenele prizelor de pmnt sunt mult mai mici astfel c tratarea cu impedan redus poate fi admis, mai ales c protecia poate deconecta rapid sectorul defect. Influena asupra liniilor de telecomunicaii este mai important n cazul liniilor aeriene avnd traseu paralel cu acestea. Curentul de defect redus permite evitarea unor influente duntoare. n cazul liniilor subterane, durata redus a regimului de defect ca si limitarea curentului de defect, permit ncadrarea n limitele admise a acestor perturbaii. Aspectul cel mai puin rezolvat n cazul reelelor compensate rmne detectarea i deconectarea defectelor. n acest domeniu se remarc, n prezent, propunerea de noi soluii de protecie, relativ complicate, posibile datorit tehnicilor electronice i de calcul numeric.

Reelele de joas tensiune, au punctul neutru legat direct la pmnt. n aceste reele, accesibile majoritii populaiei, cerina principal o constituie nlturarea pericolului de electrocutare datorit defectelor izolaiei. Soluia aleas permite deconectarea rapid a defectului. Folosirea conductorului de nul, legat la neutrul transformatorului din postul de transformare i la mai multe prize de pmnt ale

Tratarea neutrului reelelor electrice

Tehnica tensiunilor nalte 2015

25

cldirilor (n cazul reelelor subterane) sau ale stlpilor (n cazul reelelor aeriene), asigur valori reduse ale rezistenei prizelor de pmnt.

Transformatorul la al crui punct neutru se conecteaz bobina de stingere trebuie sa aib reactana homopolar ct mai redus. n felul acesta, n schema echivalent de secven homopolar, partea din tensiunea homopolar care se repartizeaz pe reactana transformatorului va fi redus, iar bobina de stingere va primi practic ntreaga tensiune a fazei defecte.4.3.4.3. Exploatarea bobinelor de stingere