Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

14
PARTEA ELECTRICĂ A CENTRALELOR ELECTRICE CAPITOLUL 5 METODE PRACTICE PENTRU CALCULUL CURENŢILOR DE SCURTCIRCUIT 5.1 Introducere În capitolul anterior s-a analizat, în detaliu, fenomenul de scurtcircuit corespunzător celor două situaţii principale: sursa de putere infinită şi respectiv sursa de putere finită, cea de a doua luând în consideraţie comportarea şi influenţa generatorului sincron asupra fenomenului de scurtcircuit trifazat simetric. Calculele pe care inginerul practician este necesar să le efectueze au la bază teoria şi fenomenele prezentate anterior sintetizate însă sub forma unor tabele, caracteristici echivalente, coeficienţi care conduc la rezultate suficient de exacte şi cu caracter acoperitor din punct de vedere al solicitărilor termice şi electrodinamice. Aceste calcule iau în considerare şi alte elemente, în afara celor menţionate în capitolul 4, elemente ce sunt prezentate în continuare. .................................................................................................................................. 5.2.14 Modelarea bobinelor de reactanţă pentru limitarea curenţilor de scurtcircuit În instalaţiile de medie tensiune, curenţii de scurtcircuit pot atinge valori foarte mari şi, datorită distanţei relativ reduse dintre faze, solicitările electrodinamice ce apar pot fi importante. Curenţii mari de scurtcircuit apar în special în cazul alimentării liniilor electrice în cablu deoarece acestea au reactanţa de circa patru ori mai mică decât cea a liniilor electrice aeriene. Puterea de scurtcircuit mare conduce la soluţii neeconomice. Reducerea curentului de scurtcircuit şi, implicit, a solicitărilor determinate de acesta, conduce la alegerea unor elemente de circuit cu secţiuni mai reduse, a unor echipamente mai puţin supradimensionate comparativ cu regimul normal de funcţionare. Metodele practice de limitare a curenţilor de scurtcircuit se bazează pe creşterea reactanţei între sursă şi locul de defect. Creşterea reactanţei conduce, pe de altă parte, la pierderi mai mari de putere şi energie precum şi la căderi suplimentare de tensiune în regim normal de funcţionare. Ca urmare, au fost găsite soluţii care au condus la o comportare diferită a elementelor de limitare a curenţilor de defect, în regim normal faţă de regimul de scurtcircuit. Creşterea reactanţei circuitului se poate obţine prin alegerea unor generatoare şi/sau transformatoare cu reactanţă de scurtcircuit mai mare sau prin introducerea unor reactanţe suplimentare denumite bobine de reactanţă. Soluţia utilizării unor generatoare şi/sau transformatoare cu reactanţă de scurtcircuit mai mare determină pierderi suplimentare importante şi căderi de 125

Transcript of Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

Page 1: Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

PARTEA ELECTRICĂ A CENTRALELOR ELECTRICE

CAPITOLUL 5

METODE PRACTICE PENTRU CALCULUL CURENŢILOR DE SCURTCIRCUIT

5.1 Introducere În capitolul anterior s-a analizat, în detaliu, fenomenul de scurtcircuit

corespunzător celor două situaţii principale: sursa de putere infinită şi respectiv sursa de putere finită, cea de a doua luând în consideraţie comportarea şi influenţa generatorului sincron asupra fenomenului de scurtcircuit trifazat simetric. Calculele pe care inginerul practician este necesar să le efectueze au la bază teoria şi fenomenele prezentate anterior sintetizate însă sub forma unor tabele, caracteristici echivalente, coeficienţi care conduc la rezultate suficient de exacte şi cu caracter acoperitor din punct de vedere al solicitărilor termice şi electrodinamice. Aceste calcule iau în considerare şi alte elemente, în afara celor menţionate în capitolul 4, elemente ce sunt prezentate în continuare. .................................................................................................................................. 5.2.14 Modelarea bobinelor de reactanţă pentru limitarea curenţilor

de scurtcircuit În instalaţiile de medie tensiune, curenţii de scurtcircuit pot atinge valori foarte mari şi, datorită distanţei relativ reduse dintre faze, solicitările electrodinamice ce apar pot fi importante. Curenţii mari de scurtcircuit apar în special în cazul alimentării liniilor electrice în cablu deoarece acestea au reactanţa de circa patru ori mai mică decât cea a liniilor electrice aeriene. Puterea de scurtcircuit mare conduce la soluţii neeconomice. Reducerea curentului de scurtcircuit şi, implicit, a solicitărilor determinate de acesta, conduce la alegerea unor elemente de circuit cu secţiuni mai reduse, a unor echipamente mai puţin supradimensionate comparativ cu regimul normal de funcţionare. Metodele practice de limitare a curenţilor de scurtcircuit se bazează pe creşterea reactanţei între sursă şi locul de defect. Creşterea reactanţei conduce, pe de altă parte, la pierderi mai mari de putere şi energie precum şi la căderi suplimentare de tensiune în regim normal de funcţionare. Ca urmare, au fost găsite soluţii care au condus la o comportare diferită a elementelor de limitare a curenţilor de defect, în regim normal faţă de regimul de scurtcircuit. Creşterea reactanţei circuitului se poate obţine prin alegerea unor generatoare şi/sau transformatoare cu reactanţă de scurtcircuit mai mare sau prin introducerea unor reactanţe suplimentare denumite bobine de reactanţă. Soluţia utilizării unor generatoare şi/sau transformatoare cu reactanţă de scurtcircuit mai mare determină pierderi suplimentare importante şi căderi de

125

Page 2: Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

METODE PRACTICE PENTRU CALCULUL CURENŢILOR DE SCURTCIRCUIT

tensiune relativ mari astfel că nu este recomandată iar în practică este puţin folosită. Montarea bobinelor de reactanţă în diferite puncte ale schemei electrice primare conduce la pierderi mai mici asigurând totodată menţinerea unui anumit nivel de tensiune în amonte. Dacă se folosesc bobine de reactanţă duble (secţionate) sau bobine de reactanţă asociate cu limitatoare de curent, pierderile suplimentare de energie în regim normal de funcţionare pot fi mult reduse, aceste bobine comportându-se apropiat de bobinele ideale în sensul că îşi măresc reactanţa în regim de scurtcircuit comparativ cu regimul normal de funcţionare. Decizia de a folosi bobine de reactanţă se face pe baza unui calcul tehnico-economic în două variante de principiu şi anume:

- o variantă fără bobine de reactanţă, cu puteri de scurtcircuit mari, aparate cu performanţe ridicate, secţiuni mari ale cablurilor şi celorlalte căi de curent dar cu consum propriu tehnologic (pierderi de energie) redus;

- o variantă cu bobine de reactanţă, cu puteri de scurtcircuit mai mici, aparate cu performanţe mai reduse şi mai ieftine, secţiuni mai mici ale cablurilor dar cu consum propriu tehnologic mai mare.

Se alege varianta mai economică. Bobinele de reactanţă folosite în circuitele primare se construiesc fără miez

de fier pentru evitarea saturaţiei şi, ca urmare, menţinerea constantă a inductanţei în regim de scurtcircuit. Existenţa miezului ar impune, pe de o parte, dimensiuni extrem de mari ale bobinelor pentru a nu se satura la funcţionarea în regim de scurtcircuit şi, pe de altă parte, în regim normal de funcţionare, magnetizarea miezului ar provoca creşterea inductanţei şi producerea de pierderi suplimentare de putere şi căderi de tensiune.

În figura 5.13 sunt prezentate soluţii constructive, de principiu, ale unor bobine de reactanţă precum şi modul de aşezare a bobinelor monofazate în funcţie de greutatea lor.

Dacă cele trei bobine monofazate au masa până la 3000 kg se montează suprapus iar dacă au masa peste 3000 kg se montează în plan orizontal, conform figurii 5.13 a şi respectiv b. La montarea suprapusă, bobina din mijloc se execută cu înfăşurarea în sens invers în raport cu celelalte pentru a se reduce eforturile electrodinamice. 5.2.14.1 Amplasarea bobinelor de reactanţă în circuitele primare Bobinele de reactanţă se amplasează în circuitele primare de medie tensiune în mai multe moduri. Din acest punct de vedere există bobine de reactanţă

126

Page 3: Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

PARTEA ELECTRICĂ A CENTRALELOR ELECTRICE

a b

Fig. 5.13 Principiul constructiv al bobinelor de rectanţă şi modul de amplasare: a) fazele suprapuse; b) fazele alăturate

de bare şi de linie. Bobinele de reactanţă de bare se conectează între secţiile de bare sau la secţiile de bare conform figurii 5.14 a, b şi c şi limitează curentul de scurtcircuit al întregii instalaţii iar bobinele de reactanţă de linie se conectează în serie pe linie (în celula de plecare) şi limitează curentul de scurtcircuit pe linie (linii) menţinând nivelul de tensiune necesar în amonte, conform figurii 5.14 d, e, f, g şi h. Bobinele de reactanţă de bare montate între secţiile de bare (pe cupla longitudinală), conform figurii 5.14a, se mai numesc şi bobine de reactanţă de secţie şi limitează curenţii de scurtcircuit din reţea (defect în k1), de pe barele colectoare (defect în k2) şi pe circuitul generatorului (k3).

În regim normal de funcţionare, în cazul în care consumul pe secţii este echilibrat de puterile injectate, circulaţia de puteri între secţii este redusă şi astfel pierderile în bobinele de reactanţă sunt reduse. Dacă bobinele de reactanţă de bare se montează în serie cu transformatoarele de putere, conform figurii 5.14 b şi c, se limitează curenţii de scurtcircuit în reţea (k1) şi pe bare (k2). În figura 5.14 c, bobina de reactanţă este secţionată (dublă sau jumelată). Bobinele de reactanţă de linie, figura 5.14 d, e, f, g şi h limitează numai curenţii de scurtcircuit din aval, deci pe linie (linii) şi nu limitează curenţii de scurtcircuit şi din circuitul generatoarelor (fig. 5.14 d).

Bobinele de reactanţă de linie se montează obişnuit în aval de întrerupător şi astfel acesta va fi mai puţin solicitat şi, ca urmare, dimensionat corespunzător.

127

Page 4: Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

METODE PRACTICE PENTRU CALCULUL CURENŢILOR DE SCURTCIRCUIT

Teoretic, există posibilitatea apariţiei unui scurtcircuit între întrerupător şi bobina de reactanţă de linie (k2 în figura 2.14e), defectul neputând fi separat corect de întrerupătorul care va fi suprasolicitat fiind necesară acţionarea unui întrerupător din amonte. Practica arată că probabilitatea apariţiei unui scurtcircuit între bobină şi întrerupător este foarte mică (legăturile se execută din bare rigide) şi, ca urmare, se admite ca echipamentul electric de la barele colectoare şi până la bobine să se dimensioneze în funcţie de curentul de scurtcircuit de după bobină.

Există şi varianta de montare a bobinelor de reactanţă în amonte de întrerupător (figura 5.14h) dar, în acest caz, separatorul de bare al liniei ar trebui deschis sub sarcina corespunzătoare funcţionării bobinei în gol şi, la apariţia unui defect chiar în bobina de reactanţă, aceasta nu ar putea fi separată prin deschiderea separatorului de bare; ca urmare, această variantă este folosită numai când pe barele staţiei puterea de scurtcircuit este apropiată sau chiar mai mare cu puterea de rupere a întrerupătorului. În acest caz trebuie să declanşeze, în caz de defect, întrerupătorul dinspre sursă (din amonte). Pentru consumatori de putere mare, importanţi, pot fi folosite bobine de reactanţă simple ce alimentează doi fideri, pe fiecare din aceştia putând fi separatoare de linie (fig. 5.14g) sau separator de linie unic (fig. 5.14f).

k1

k2

k3

k2

k1 k1

k2

k1

k2

b) c)a)

k1

k2

k3

d)

k1

e)k1 k1 k1 k1

f) g)

k1

h)

k2

k2

Fig. 5.14 Amplasarea bobinelor de reactanţă în circuitele primare

128

Page 5: Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

PARTEA ELECTRICĂ A CENTRALELOR ELECTRICE

5.2.14.2 Bobine de reactanţă simple Bobinele de reactanţă au următorii parametri principali:

- Urn, tensiunea nominală; - Irn, curentul nominal; - Xr%, reactanţa procentuală nominală; - ∆Uf%, căderea relativă de tensiune. Tensiunea nominală trebuie să fie egală cu tensiunea maximă de serviciu a

instalaţiei în care se va monta bobina de reactanţă. Curentul nominal trebuie să fie mai mare decât valoarea curentului maxim de durată al circuitului. De obicei, curentul nominal al bobinelor de reactanţă se indică pentru o anumită temperatură a mediului ambiant, de exemplu pentru +400C. Pentru o altă temperatură a mediului ambiant θamb, curentul nominal al bobinelor de reactanţă se recalculează cu relaţia:

][40

max

max AIIamb

o

rnr θ−θ−θ

== (5.19)

unde θmax este temperatura maximă admisă de bobinaj, în 0C. Reactanţa procentuală nominală se calculează cu relaţia:

1003

1003

3

100%rn

f

rn

rnr

rn

rn

r

n

rr U

UUIX

IUX

XX

==== (5.20)

unde: - este reactanţa unei faze a bobinei de reactanţă şi depinde de caracteristicile sale constructive;

][Ωω= rr LX

- ]mH[105.10 62 −⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

k

r BDDWL este inductanţa; W, numărul de spire;

D, diametrul mediu al înfăşurării [cm]; B, perimetrul înfăşurării [cm]; k=0.75 (uzual), coeficient ce depinde de raportul D/B; ∆Uf, căderea de tensiune pe bobina de reactanţă când aceasta este parcursă de curentul nominal. Rezultă că reactanţa procentuală nominală este căderea de tensiune inductivă pe o fază a bobinei de reactanţă, când aceasta este parcursă de curentul nominal înmulţită cu 100 şi raportată la tensiunea sa nominală. Se consideră diagrama fazorială din figura 5.15 în care:

- U1 este tensiunea de fază la borna dinspre sursă a bobinei de reactanţă; - U2, tensiunea de fază la borna spre consumator a bobinei de reactanţă; - φ1, defazajul între tensiunea de fază U1 şi curentul de sarcină I;

129

Page 6: Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

METODE PRACTICE PENTRU CALCULUL CURENŢILOR DE SCURTCIRCUIT

- φ2, defazajul dintre tensiunea de fază U2 şi curentul de sarcină I; - Zr, impedanţa bobinei de reactanţă; - Zs, impedanţa sarcinii. Din figura 5.15a rezultă:

IZUIZZU srs =+= 21 )( (5.21)

s

s

rs

rs

RX

arctgRRXX

arctg =ϕ++

=ϕ 21 (5.22)

Deoarece , rezultă rr RX >> 21 ϕ<ϕ deci, conform diagramei fazoriale 5.15b,

221 sinϕ=≅=−=Δ IXACADUUU rf (5.23)

Aşadar, căderea de tensiune pe bobina de reactanţă depinde atât de valoarea reactanţei proprii Xr cât şi de defazajul dintre curent şi tensiunea de la borna de ieşire a bobinei de reactanţă φ2. În regim normal de funcţionare φ2 are valori relativ mici şi este mic în timp ce în regim de scurtcircuit φ2 ≈ Π/2 deci ∆Uf ≈ XrIk. În unităţi relative raportate la mărimile de bază, reactanţa procentuală nominală este

100%%21

21

kk

kkrn

rn

rn

b

bBr SS

SSS

UI

IU

XX−

= (5.24)

α

φ2

D

a)

U1 U2

I

Zr

B

jXrI

I

U2U1

AC

φ2

b) Fig. 5.15 Schema unei bobine de reactanţă simplă înseriată cu o sarcină (a)

şi diagrama fazorială corespunzătoare a tensiunilor şi curenţilor (b)

unde: - XB% este reactanţa procentuală a bobinei, în unităţi relative raportată la

mărimile de bază; B

- Ub, Ib, mărimile de bază;

- rnrnrn IUS 3= [MVA], puterea aparentă nominală a bobinei;

- Sk1 [MVA], puterea de scurtcircuit în amonte de bobină;

130

Page 7: Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

PARTEA ELECTRICĂ A CENTRALELOR ELECTRICE

- Sk2 [MVA], puterea de scurtcircuit necesară, în aval de bobină. Din cataloage, se alege apoi bobina de reactanţă ce are Xr% standardizată,

la valoarea imediat superioară iar apoi se recalculează puterea de scurtcircuit în aval de bobină cu relaţia:

]MVA[%100

100

1

12

krrn

krnk SXS

SSS

+= (5.25)

Dacă, pentru simplificare, se consideră numai reactanţa bobinei (neglijând restul reactanţelor), puterea maximă de scurtcircuit Sk şi curentul Ik în aval de bobină sunt:

]A[100%

]MVA[100% r

rnk

r

rnk X

II

XS

S == (5.26)

Obişnuit, Xr% este între 3% şi 10%. Pierderea de putere activă în bobină este de circa 0.2% până la 0.3% din puterea bobinei deoarece rezistenţa este foarte mică. Din studiul bobinei de reactanţă simple, se constată că aceasta are aceeaşi valoare a reactanţei atât în regim normal cât şi în regim de scurtcircuit, ceea ce constituie un dezavantaj important datorită căderilor de tensiune şi a consumului de energie mari, în regim normal de funcţionare. Dezavantajul menţionat a condus la alte soluţii şi anume:

- şuntarea în regim normal de funcţionare a bobinelor de ractanţă simple cu elemente limitatoare de curent;

- folosirea de bobine de reactanţă cu priză mediană, denumite duble, secţionate sau jumelate;

- utilizarea de limitatoare de curent cu elemente neliniare; - secţionarea longitudinală a barelor colectoare din staţiile de conexiuni.

5.2.14.3 Bobine de reactanţă duble (secţionate)

Bobinele de reactanţă duble (secţionate) sunt realizate din două circuite paralele, fiecare cu reactanţă inductivă proprie X1 şi una mutuală Xm ce depinde de valoarea curentului din al doilea circuit. Bobinele de reactanţă duble au la mijlocul înfăşurării o priză la care, obişnuit, se leagă sursa iar la capete se racordează consumatorii, conform figurii 5.16, montajul denumindu-se “de trecere”. O altă modalitate de utilizare este în “montajul longitudinal”, cu alimentarea la una din ramuri iar consumatorii conectaţi la priza mediană şi la cealaltă ramură. Constructiv, bobina de reactanţă dublă se aseamănă cu cea simplă.

131

Page 8: Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

METODE PRACTICE PENTRU CALCULUL CURENŢILOR DE SCURTCIRCUIT

I/2 I/2

I

x x

A

B C

Fig. 5.16 Schema bobinei de reactanţă duble, în montajul de trecere

Se consideră bobina de reactanţă ce alimentează două sarcini egale, ca în figura 5.16. În regim normal de funcţionare, căderea de tensiune pe ramurile bobinei este:

2)1(

21)(

21 ' IXfIXIXfIXU ccrn =−⋅=⋅−⋅=Δ (5.27)

unde: - X’ = X(1-fc) este reactanţa echivalentă a unei ramuri în regim simetric

de încărcare a ceor două ramuri; - fc, factorul (coeficientul) de cuplaj, element constructiv al bobinei şi

dat în fişa tehnică. Reactanţa echivalentă a unei ramuri în regim normal de funcţionare este, ca

urmare, cu atât mai mică cu cât factorul de cuplaj mutual este mai mare. Dacă sursa se conectează la un capăt (B din fig. 5.16 iar la celălalt se

conectează consumatorul (C), reactanţa echivalentă devine:

)1(222''cc fXXfXX +=+= (5.28)

deci, datorită inductanţei mutuale, reactanţa echivalentă în montajul longitudinal este mai mare decât a unei bobione de reactanţă simple cu reactanţa proprie 2X. În cazul montajului de trecere (fig. 5.16) dacă la capătul C al bobinei apare un scurtcircuit, figura 5.17, curentul din ramura (Ik) avariată devine mult mai mare decât cel de pe ramura sănătoasă iar căderea de tensiune pe ramura avariată devine:

kckk IXIXfIXU ⋅≅−⋅=Δ 1 (5.29)

k

Ik I1

U

x x

I

U1 Uk

Fig. 5.17 Schema bobinei de reactanţă duble, în montajul de trecere, cu o ramură avariată

132

Page 9: Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

PARTEA ELECTRICĂ A CENTRALELOR ELECTRICE

În regim de scurtcircuit, rezultă că reactanţa echivalentă a ramurii avariate creşte, în raport cu cea din regimul normal de funcţionare, până la valoarea proprie:

11

1);1( '' >

−=−=>≅

c

kck fX

XfXXXX (5.30)

Rezultă că o bobină de reactanţă secţionată este cu atât mai utilă pentru limitarea curentului de scurtcircuit cu cât factorul său de cuplaj este mai mare. Se impune condiţia de a conecta cele două ramuri la circuite independente, deoarece, în caz contrar, la apariţia unui scurtcircuit, curenţii de pe cele două ramuri vor fi egali iar reactanţa echivalentă va fi tot X’. Există şi un dezavantaj legat de fenomenul de supratensionare al ramurii sănătoase care impune o valoare contrară factorului de cuplaj. Pentru a demonstra acest lucru se porneşte de la expresia tensiunii la capătul ramurii neavariate pe durata scurtcircuitului pe cealaltă ramură:

kc IXfIXUU 33 11 +⋅−= (5.31)

1)(31 11 >−+= IIf

UX

UU

kc (5.32)

Rezultă următoarele: - supratensionarea ramurii sănătoase este cu atât mai mică cu cât

factorul de cuplaj este mai mic; - supratensionarea este mai mică în cazul existenţei unui curent de

sarcină pe ramura neavariată, care, prin componenta sa reactivă, are efect autoregulator al tensiunii pe această ramură datorită căderii de tensiune pe care o provoacă pe reactanţa din amonte (reactanţa ramurii neavariate);

- din condiţia de limitare a supratensiunii pe ramura neavariată (care cere un factor de cuplaj mic, relaţia 5.32) la care se adaugă cea de micşorare a reactanţei echivalente a unei ramuri în regim normal de funcţionare (care cere un factor de cuplaj mare, relaţia 5.27), valoarea constructivă a factorului de cuplaj este între 0.3 şi 0.5.

Dacă bobina este alimentată din două surse, aşa cum este prezentat în figura 5.18, căderile de tensiune pe ramurile bobinei şi reactanţele echivalente devin:

133

Page 10: Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

METODE PRACTICE PENTRU CALCULUL CURENŢILOR DE SCURTCIRCUIT

I

k

I+I1=Ik I1

A

x xB

Xa

Xb

Fig. 5.17 Schema bobinei de reactanţă secţionate alimentată din două surse şi scurtcircuit pe o ramură

kccb

ccbkB

IfXIfXIXIIXfXIfIIXXIIXU

)1()1()()(

11

11111

++++=++++++=Δ

(5.33)

kccakcca

ccckakA

IfXIXfXXIIIXfIXfXXIfXIfXIfXIIXU

)1()()()( 1

1

++−=+++−=−+++=Δ

(5.34) Deoarece cele două surse sunt în paralel, tensiunile lor sunt egale şi rezultă:

1)()( IXfXXIXfX cbca ++=− (5.35)

ceea ce corespunde schemei echivalente din figura 5.18.

5.2.14.4 Consumul de putere-energie reactivă al bobinelor de reactanţă Consumul de putere reactivă al bobinelor de reactanţă diferă în funcţie de

tipul bobinei şi de modul în care este montată în instalaţie. Pentru analiza comparativă a consumului de putere reactivă în bobinele de

reactanţă se consideră trei cazuri prezentate în figura 5.19 şi se determină puterile reactive absorbite de la sursă în fiecare dintre ele:

221

2 )(33 IIXXIQa +== (5.36)

)(333 22

21

22

21 IIXXIXIQb +=+= (5.37)

I k Ik

I1

Xa -Xfc

Xb XX XfcA

B

134

Page 11: Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

PARTEA ELECTRICĂ A CENTRALELOR ELECTRICE

Fig. 5.18 Schema echivalentă a schemei din figura 5.17

Pentru a determina expresia lui Qc se întocmeşte schema echivalentă.

I2

b) c)a)

X

I

I1

I

X X

I2 I1

I2 I1

I

x x

U

U1 U2

Fig. 5.19 Schemele pentru analiza comparativă a consmului de putere reactivă

În regim normal de funcţionare, conform schemei din figura 5.19c, rezultă:

⎪⎩

⎪⎨⎧

+−=

+−=

c

c

XfIXIUU

XfIXIUU

122

211

33

33 (5.38)

sau

⎪⎩

⎪⎨⎧

−++−=

−++−=

ccc

ccc

XfIXfIXfIXIUU

XfIXfIXfIXIUU

22122

11211

3333

3333 (5.39)

Deoarece I = I1 + I2, rezultă:

⎪⎩

⎪⎨⎧

++−=

++−=

cc

cc

IxfXIfUU

IXfXIfUU

33)1(

33)1(

22

11 (5.40)

Ecuaţia (5.40) conduce la schema echivalentă reprezentată în figura 5.20. U

-XfcX(fc+1) X(fc+1)

U1 U2I1 I2

Fig. 5.20 Schema echivalentă a bobinei de reactanţă secţionate din fig. 5.19c

Pe baza acesteia se poate scrie:

135

Page 12: Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

METODE PRACTICE PENTRU CALCULUL CURENŢILOR DE SCURTCIRCUIT

cccccc XfIIIXfXfIXfIXfIQ 222

21

222

21 3)()1(33)1(3)1(3 −++=−+++=

(5.41) Dacă se notează I1 = aI şi I2 = (1-a)I, rezultă:

⎪⎩

⎪⎨

−−++=

−+=

=

})1()[1{(3

])1([3

3

222

222

2

ccc

b

a

faafXIQ

aaXIQ

XIQ

(5.42)

În figura 5.21 se reprezintă grafic dependenţa puterilor reactive din relaţia (5.42) de factorul de cuplaj fc şi de parametrul a. Rezultă că bobinele de reactanţă secţionate (duble) sunt avantajoase şi din acest punct de vedere în raport cu bobinele de reactanţă simple.

5.2.14.5 Asocierea bobinelor de reactanţă cu limitatoare de curent Folosirea bobinelor de reactanţă simple asociate cu limitatoare de curent se bazează pe caracteristicile de funcţionare ale acestora din urmă, formate dintr-o capsă explozivă şi un amorsor care este sensibil nu la valoarea curentului ci la panta acestuia şi are un timp de întrerupere foarte mic. Amorsorul introdus în circuit, conform figurii 5.22 va întrerupe circuitul (fig. 5.22a) sau îl va secţiona longitudinal (fig. 5.22b), înainte de apariţia curentului de şoc.

Dacă limitatorul este asociat cu o bobină de reactanţă simplă (fig. 5.22c), în regim normal de funcţionare bobina este şuntată iar la creşterea curentului ca urmare a unui scurtcircuit, cartuşul limitatorului explodează şi introduce în circuit bobina de reactanţă. Astfel, în regim de funcţionare bobina nu este practic străbătută de curent, pierderile de putere şi căderile de tensiune fiind zero. Bobina este introdusă în circuit numai în caz de defect.

136

Page 13: Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

PARTEA ELECTRICĂ A CENTRALELOR ELECTRICE

Q Qa

0 0.5 1

a

Qb (fc=0)

Qc (fc=0.25)

Qc (fc=0.5)

Qc (fc=0.75)

Qc (fc=1)

Fig. 5.21 Dependenţa consumului de putere reactivă al bobinelor de reactanţă

(fig. 5.19 a, b, c) de factorul de cuplaj fc şi de parametrul a

I

a)

LC

T

b)

I

c)

LC

T

BR

d)

LC

BR

Fig. 5.22 Asocierea bobinelor de reactanţă cu limitatoare de curent

Bobinele de reactanţă pot fi asociate, prin înseriere, cu limitatoare de curent cu elemente neliniare, limitatoare a căror reactanţă este redusă în regim normal de funcţionare şi de valoare mare în regim de scurtcircuit. Schema de principiu a unui astfel de limitator este prezentată în figura 5.23 în care:

- Xs este reactanţa sursei; - X1, reactanţa liniară a limitatorului de curent; - Xc, reactanţa capacitivă a limitatorului; - X2, X3, reactanţele bobinelor neliniare ale limitatorului; - XNL, reactanţa neliniară a limitatorului de curent; - XL, reactanţa totală a limitatorului de curent.

137

Page 14: Capitolul 5 (Partial) - Metode Practice de Limitare a Curentilor de Scurtcircuit

METODE PRACTICE PENTRU CALCULUL CURENŢILOR DE SCURTCIRCUIT

I k

Xs Consumator

R

X1 Xc

∆Uc∆U1

X2

X3

IL

Ic

Limitator de curent XL

XNL

Fig. 5.23 Schema de principiu a limitatorului de curent cu elemente neliniare

În regim normal de funcţionare X2 şi X3 au valori mari astfel că, practic,

XNL ≈ Xc. Se alege Xc = X1, astfel că în regim normal de funcţionare este compensată reactanţa liniară X1 de reactanţa capacitivă Xc iar reactanţa rezultantă a limitatorului este practic nulă, XL ≈ 0.

În cazul unui scurtcircuit în punctul k, curentul creşte masiv, bobinele neliniare se saturează iar reactanţele X2 şi X3 se reduc progresiv şuntând reactanţa capacitivă Xc. Ca urmare, nu mai are loc compensarea reactanţei X1 astfel că în circuit reactanţa rezultantă va fi de valoare mare, Xs+X1, curentul de defect fiind micşorat.

138