Curs Tratarea Neutrului Scurt

Tratarea neutrului n reelele electrice 1

TRATAREA NEUTRULUI N REELELE ELECTRICE

Cap. 1.1. INTORDUCERE

1.1.1. Definiii i fenomene de baz

Alegerea modului de tratare (legare) a neutrului transformatoarelor din reelele electrice de diferite tensiuni, care alctuiesc sistemul electroenergetic, constituie una din problemele de proiectare cele mai importante, pe de o parte datorit numrului mare de parametri care trebuie luai n considerare, iar pe de alt parte, n special datorit dificultii de obinere a unei formulri tehnico-economice corespunztoare, care s poat ngloba toi aceti parametri.

Prin tratarea neutrului se urmrete ca n cazul punerii la pmnt a unei faze s se asigure lichidarea rapid i sigur a arcului electric ce ia natere n aceste cazuri, pentru a evita deconectarea liniei sau transformarea incidentului ntr-o avarie (scurtcircuit ntre dou sau trei faze i pmnt). Prin urmare tratarea neutrului reelelor electrice constituie unul din factorii care condiioneaz sigurana n alimentarea cu energie electric a consumatorilor.

Neutrul electric al unui sistem trifazat echilibrat de succesiune pozitiv corespunde centrului de greutate al triunghiului echilateral alctuit din tensiunile dintre faze (Uab, Ubc, Uca) (fig 1.1). ntr-o reea electric alimentat prin secundarul unui transformator cu conexiunea stea, de exemplu, acest neutru exist i definete cele trei tensiuni de faz reprezentate prin fazorii Va, Vb, Vc. El se poate verifica cu ajutorul montajului electric dat n figura 1.1,b. Dac cele trei lmpi cu incandescen sunt identice, atunci ele au la borne o tensiune de 230 V iar punctul lor comun se afl la potenialul neutrului electric N.

a V c a U U a b

c V b V

b c U

a

c b

N

400

V

400

V

400

V23

0 V

N

a

b

c

a b

Fig. 1.1. Definirea neutrului N pentru o reea trifazat.

Neutrul fizic este reprezentat prin punctul comun de conectare al nfurrilor unui generator legate n stea sau ale secundarului unui transformator legat n stea sau n zigzag. Acest neutru poate fi scos la borne sau nu, poate fi distribuit sau nu. Cnd este distribuit de el se leag un conductor neutru.

Termenul de tratare a neutrului semnific de fapt o situaie mai general i are n vedere situaia neutrului i n cazul cnd ntre acesta i pmnt nu se interpune nici o impedan fizic.

Din punct de vedere a situaiei relative a neutrului fa de pmnt, recomandrile Comisiei Electrotehnice Internaionale (CEI) prevd urmtoarele tipuri de reele (fig. 1.2):

reele cu neutrul izolat; reele cu neutrul legat direct la pmnt (rigid - efectiv), prin rezisten sau prin

reactan; reele cu neutrul tratat prin sistem rezonant (bobin de compensare).

.l.drd.ing. Lucian Toma


N N N

Z N = Z NP m n t P m n t P m n t

X N

a. b. c.

Fig.1.2. Situaii relative ale neutrului reelelor electrice fa de pmnt:a) reea cu neutrul izolat; b) reea cu neutrul legat; c) reea cu neutrul tratat prin sistem rezonant.

Se menioneaz c nu ntotdeauna neutrul reelei este accesibil. n aceste cazuri se creeaz un neutru artificial folosind transformatorul Bauch, bobina special pentru tratarea neutrului (BPN) sau nfurarea primar a unui transformator de servicii proprii (TSP).

Independent de modul de tratare a neutrului, un fenomen foarte important n reelele electrice care poate s duc la ntreruperea n alimentarea cu energie electric a consumatorilor const n punerea la pmnt a unei faze, provocat de regul de conturnarea izolaiei liniei datorat supratensiunilor atmosferice sau interne. Fenomenele care se desfoar n continuare sunt dependente de tratarea neutrului i ele afecteaz mrimea potenialului neutrului reelei n raport cu pmntul, valoarea curentului de defect la pmnt i a tensiunilor fazei defecte respectiv a fazelor sntoase, durata de meninere a arcului electric prin care s-a realizat punerea la pmnt, condiiile de revenire la regimul normal de funcionare etc.

Totodat, este necesar ca, la punerea la pmnt a unei faze, curentul de scurtcircuit monofazat ce apare s fie mai mic dect cel trifazat.

Tratarea neutrului a fost o problem mult discutat n evoluia i dezvoltarea reelelor electrice datorit numeroilor factori ce trebuiesc luai n considerare la aplicarea uneia din soluii, precum i a implicaiilor pe care le atrage dup sine adoptarea acesteia.

Dintre factorii ce trebuie luai n considerare din punct de vedere al reelei se pot meniona:

mrimea curentului de defect; mrimea supratensiunilor; realizarea constructiv a liniei; localizarea selectiv a defectului; eliminarea automat a defectului;

iar din punct de vedere al consumatorilor alimentai de aceasta: alimentarea fr ntrerupere; compatibilitatea cu alimentarea proceselor industriale aferente altor consumatori.La cele de mai sus trebuie adugat experiena de exploatare dobndit n timp i

tradiia existent n acest domeniu.

1.1.2. Potenialul neutrului reelei n raport cu pmntul

Potenialul fazelor reelei poate fi msurat n raport cu neutrul reelei sau n raport cu pmntul. n primul caz tensiunile fazelor (Va, Vb, Vc) sunt furnizate de sursa de putere: generatorul sincron sau secundarul transformatorului de alimentare a reelei electrice. Aceste tensiuni sunt practic egale n amplitudine i asigur un sistem simetric de succesiune pozitiv. Pe de alt parte, potenialul neutrului n raport cu pmntul depinde de valoarea admitanelor fazelor liniei fa de pmnt 0 0 0= +Y G jB , unde 0 0= B C . n cazul n care reeaua este simetric iar regimul de funcionare este normal, cele trei admitane transversale sunt egale,



deci 0 0 0= =a b cY Y Y sau cba GGG 000 == i cba CCC 000 == . Astfel, potenialul neutrului n raport cu pmntul este dat de relaia:

( )00 0 00 0 0 0

01 13

a b ca b ca b cN

a b cN N

Y V V VV Y V Y V YVY Y Y Y

Z Z

+ ++ += = =

+ + + + (1)

Prin urmare, potenialul neutrului reelelor care funcioneaz n regim normal este nul (identic cu acela al pmntului, care este zero) indiferent de modul de tratare a neutrului (adic de valoarea impedanei ZN).

c a U U a b

b c U

c V

a V

b V

b

a

c

N

Z N

N

Z N

a

c

b

G r o u n d

C 0 c C 0 bG 0 c

C 0 aG 0 b G 0 a

a. b.Fig. 1.3. Reea simetric cu neutrul tratat funcionnd n regim normal: a) evidenierea admitanelor liniei fa

de pmnt; b) diagrama fazorial a tensiunilor fazelor fa de punctul neutru.

n realitate, din diverse cauze, potenialul punctului neutru al unei reele electrice este diferit de potenialul pmntului. Astfel, dac capacitile fa de pmnt ale fazelor i rezistenele de izolaie ale acestora nu sunt identice, atunci se creeaz o oarecare nesimetrie a reelei care se caracterizeaz printr-o deplasare a punctului neutru n raport cu pmntul.

Dac se consider punerea la pmnt a unei faze, de exemplu faza c (fig.1.4), admitana corespunztoare acelei faze devine nul iar potenialul neutrului n raport cu pmntul depinde de mrimea impedanei de tratare a neutrului Z. Dac aceast impedan are valoare mare sau nu exist ( NZ = ), atunci potenialul neutrului ia valoarea tensiunii de faz furnizate de sursa de putere iar dac impedana Z este mic sau nul potenialul neutrului are o valoare mic sau nul. n prima situaie tensiunile fazelor sntoase cresc la valoarea tensiunii ntre faze solicitnd izolaia reelei; n a doua, apare un curent mare de scurtcircuit care solicit cile de curent ale reelei.

N

Z N

a

b

P m n t ( P )

C 0 c C 0 bG 0 c

C 0 aG 0 b G 0 a

c

Fig. 1.4. Schema echivalent a unei reele trifazat cu punere la pmnt monofazat.

Deci, n funcie de mrimea i caracterul impedanei ZN, punctul P (care reprezint potenialul pmntului) se poate deplasa n orice poziie n interiorul triunghiului abc, iar corespunztor potenialul lui N poate lua orice valoare ntre 0 i V. Aceeai situaie se poate ntmpla dac se consider NZ = , iar admitanele 0aY , 0bY , 0cY au valori diferite.

Ca urmare se poate afirma c att n regim normal de funcionare, ct i n acela de defect monofazat provocat de o punere la pmnt a uneia dintre faze, potenialul neutrului nu este identic cu acela al pmntului.



1.1.4. Aplicarea metodei componentelor simetrice la calculul curentului de punere la pmnt a unei faze

Defectul monofazat introduce o nesimetrie transversal a reelei electrice, a crei funcionare se poate analiza folosind metoda componentelor simetrice. n acest sens, reeaua real poate fi descompus n trei reele de secven: pozitiv, negativ i zero (Fig. 1.6).

La producerea unui defect monofazat, curenii de secven zero apar doar dac exist o cale de ntoarcere, adic, dac exist o conexiune fizic ntre punctul neutru i pmnt. Dac punctul neutru al reelei este tratat prin rezistor sau bobin, trebuie introdus o impedan 3 NZ n reeaua de secven zero n serie cu impedana de secven zero.

a

b

c

I a = 0

I b = 0

I c

0cV = ; 0aI = ; 0bI =

V ~

I +Z+

V +

IZ

V

V

Z I

0

00 Z F

Z F

Z F

Z N3

a. b.

+ +I c I c +

I a+

I b+ I c

I b

I a I a0

I b0

I c0

c.

Fig. 1.6. Schema de principiu utilizat pentru calculul curentului de defect folosind metoda componentelor simetrice: a. Reprezentarea defectului; b. Conectarea reelelor de secven; c. Descompunerea sistemului de

cureni capacitivi n componente de secven.

Pentru a echilibra reelele de secven, se definete, de asemenea, reeaua de secven negativ, care este de fapt reeaua de secven direct pasivizat.

Ecuaiile dintre tensiunile de faz i cele de secven sunt:02

02

0

a

b

c

V aV a V V

V a V aV V

V V V V

+

+

+

= + +

= + +

= + +

Rezult:( )( )( )

2

2

0

3

3

3

a b c

a b c

a b c

V a V aV V

V aV a V V

V V V V

+

= + +

= + +

= + +

cu meniunea c ecuaiile sunt raportate la faza c. Un sistem similar de ecuaii se poate scrie i pentru curei.

Cunoscnd faptul c, curenii de secven sunt egali, 0I I I+ = = , curentul de defect se deduce din:

00

333F c N

VI I I I I IZ Z Z Z

+ +

+ = = + + = = + + +(2)



sau, dac se ia n considerare impedana de defect FZ i cunoscnd c + =Z Z , expresia (2) devine:

0

32 3 3+

=

+ + +F

N F

VIZ Z Z Z (3)

unde: V este tensiunea electromotoare corespunztoare seciunii cu defect, dar n lipsa defectului. Cu alte cuvinte, aceasta este tensiunea de faz a fazei c;

Z + impedana echivalent a reelei de secven pozitiv, vzut de la locul defectului;

Z impedana echivalent a reelei de secven negativ, vzut de la locul defectului;

0Z impedana echivalent a reelei de secven zero, vzut de la locul defectului.Evident, una dintre cele mai importante probleme n calcularea curentului de defect FI

este formarea reelelor de secven, dar n special cea de secven zero.

Y H0

Y F0

H V M VT r a n s f o r m e r

Z F

Z N

Z T L0

H e a l t h y f e e d e r

F a u l t y f e e d e r

I F

a.

Z N3

1 /Y

Z F

0

I 0

Z T L0

3

b.

Fig. 1.7. Schema de calculul a curentului de defect monofazat, ntr-o reea de medie tensiune: a. Circuitul trifazat; b. Schema echivalent monofazat de secven zero.

expresia (3), a curentului de defect, devine:

0 0

33 13

33 3

= =

+ + + ++ +

F

F FNT NT

V VI ZZ Z ZY Y Y Y

Pe baza acestei expresii se realizeaz schema echivalent din Figura 1.8. Aceast schem ne arat c, curentul de defect are dou componente: una datorat admitanei reelei fa de pmnt 0Y i una datorat admitanei prin care neutrul este legat la pmnt NTY .

Fig. 1.8. Schema echivalent pentru calculul curentului de punere la pmnt monofazat. Z F

Z 3

3 YY N T~

0

I F



1.1.5. Consideraii privind alegerea metodei de tratare a neutrului

Principalele elemente care determin alegerea unei soluii de tratare a neutrului reelelor electrice sunt:

performanele cerute n materie de calitatea alimentrii consumatorilor i de asigurare a continuitii alimentrii acestora;

posibilitatea extinderii reelei; caracteristicile reelei i echipamentelor:natura reelei n cauz (reea aerian, n

cablu sau mixt), structura reelei, gradul de mbtrnire a izolaiei, valoarea curenilor de defect admisibili, condiiile de mediu n care funcioneaz liniile electrice aeriene:

sigurana n exploatare; valorile supratensiunilor i a curenilor de defect care pot apare; posibilitatea realizrii unor sisteme de protecie selective i rapide sau a unor

automatici corespunztoare; gradul de pregtire a personalului de ntreinere a instalaiilor (din circuitele

primare i secundare); economicitatea soluiei i necesitatea realizrii unor tipuri de echipamente noi.

Supratensiunile tranzitorii i temporare de valori mari pot deteriora izolaiile echipamentelor, iar curenii de defect de valori mari pot conduce la tensiuni de atingere i de pas periculoase, peste valorile admise prin norme. De asemenea, dac curentul de alimentare a defectului depete valoarea de 3-5 A, arcul electric nu are condiii ntotdeauna de deionizare i de autostingere i se poate transforma defectul monofazat n defecte polifazate, avnd ca efect supratensionarea ntregii reele.

Un alt element care contribuie n mod esenial la amplificarea consecinelor, l constituie duratele de eliminare a defectului i de separare a elementului defect. Aceste durate depind de modul ales de tratare a neutrului reelei i de proteciile i automatizrile utilizate, putnd fi de ordinul zecilor de minute i chiar orelor n cazul reelelor cu neutrul izolat sau tratat prin bobin de compensare sau de ordinul fraciunilor de secund sau cel mult de ordinul secundelor n cazul n care este posibil ca defectul s fie eliminat prin protecii i automatizri (n cazul reelelor cu neutru tratat prin impedane de valori relativ mici).

Durata de eliminare a defectului este cu att mai important cu ct valorile supratensiunilor n reea sunt mai mari i cu ct izolaia echipamentelor are un nivel de inere mai cobort n raport cu tensiunea nominal a reelei sau cu ct aceast izolaie este mai mbtrnit. De asemenea, supunerea izolaiilor la supratensiuni tranzitorii i temporare de valori mari, pe timp ndelungat, conduce i la mbtrnirea prematur a acestora.

Normele NTE impun tratarea neutrului reelelor electrice de medie tensiune n cazul n care curentul capacitiv la defect monofazat n reeaua legat galvanic depete valoarea de 10A atunci cnd nu sunt racordate galvanic la reea generatoare i atunci cnd se depete valoarea de 5A, cnd la aceast reea sunt racordate galvanic generatoare electrice.

Tratarea neutrului nu are nici o influen asupra curenilor i tensiunilor n regim normal de funcionare a reelelor electrice care au o structur i o sarcin simetric. n cazul unor regimuri nesimetrice ns comportarea reelei este influenat de modul de tratare a neutrului. Curenii de defect, supratensiunile i tensiunile care rezult sunt influenate de modul de tratare a neutrului reelei, acestea avnd implicaii mai mici sau mai mari asupra dimensionrii echipamentelor i instalaiilor, securitii persoanelor i calitii alimentrii consumatorilor.

Dublele puneri monofazate la pmnt, denumite pe scurt i defecte duble, sunt scurtcircuite monofazate la pmnt produse n locuri (puncte) distincte i pe faze diferite ale unei reele trifazate. n marea majoritate a cazurilor acestea se produc n reelele electrice cu neutrul izolat sau legat la pmnt printr-o bobin de compensare.



Cap. 1.2. REELE CU NEUTRUL IZOLAT

Din punct de vedere istoric, reelele au funcionat la nceput cu neutrul izolat. Pentru astfel de reele un defect pe o faz nu atrage imediat ntreruperea funcionrii reelei electrice, putndu-se funciona o perioad de timp pn la identificarea locului de defect i nlturarea defectului. Pe msur ce reelele s-au extins, tensiunea lor nominal a crescut i ca urmare au crescut i capacitile reelei fa de pmnt. Prezena capacitilor n reeaua electric permite un schimb de energie ntre faza defect i fazele sntoase, iar intensitatea curentului la locul de defect este cu att mai mare cu ct capacitile au valori mai ridicate, adic, cu ct reeaua electric, legat galvanic, este mai extins.

Se consider reeaua cu neutrul izolat din figura 1.9. Capacitile liniei fa de pmnt s-au notat cu C0 i ele s-au presupus egale pentru fiecare faz iar cu Il,a, Il,b i Il,c curenii de sarcin; ei alctuiesc un sistem simetric. Acelai lucru se poate spune i despre curenii capacitivi de ncrcare a capacitilor naturale fa de pmnt, Ic,a, Ic,b, Ic,c. Ca urmare potenialul neutrului reelei VN va fi identic cu acela al pmntului.

Dac una din faze ajunge la pmnt, spre exemplu faza c (fig. 1.9), att valorile tensiunilor ct i cele ale curenilor se modific.

V a

V b

V c

a

b

c

C 0C 0 C 0P m n t

N

I l a,

I l b,

I l c,

I c c, = 0 I c b, I c a,Z F

I F

V V = - c

Fig. 1.9. Reea cu neutrul izolat.

Se constat c n regim cu defect, neutrul N al transformatorului se va gsi fa de pmnt la tensiunea V care este chiar tensiunea fa de pmnt a fazei c n regim normal de funcionare.

Astfel, considernd reeaua pasiv care prezint pe legtura de punere la pmnt - , tensiunea electromotoare V = Vc, potenialul bornei c devine practic egal cu cel al pmntului, iar neutrul reelei se deplaseaz n poziia N (fig. 1.10) avnd practic tensiunea V n raport cu pmntul. n realitate difer puin de acesta prin cderea de tensiune determinat de curenii capacitivi pe impedana fazei c a nfurrii transformatorului i a liniei.

V V

V

V aV a

V b

a

bcV b

V c cN G

N

b

a

V

Fig. 1.10. Diagrama fazorial a tensiunilor reelei din fig. 1.9.



n mod asemntor, tensiunea fazelor sntoase (a, b) se deplaseaz cu aceeai valoare fa de pmnt ajungnd la valorile Va i Vb. Ca valoare aceste tensiuni sunt egale cu 3V , V fiind tensiunea de faz n regim normal de funcionare.

Curenii care circul prin reeaua pasiv, datorai tensiunii V = Vc, se nchid prin capacitile fa de pmnt a fazelor liniei, prin nfurrile transformatorului i prin locul defectului (traseul acestor cureni s-a desenat cu linie ntrerupt n fig. 1.9). Aceti cureni sunt sinfazici i ncarc transformatorul cu o sarcin de secven zero, determinnd astfel o nesimetrie a tensiunilor i curenilor. Curenii care circul n reea la punerea la pmnt se determin suprapunnd peste aceti cureni de secven zero datorai tensiunii V, curenii capacitivi i curenii de sarcin de la regimul normal de funcionare.

n continuare, pentru simplificarea explicaiei, se neglijeaz curenii de sarcin astfel nct va rezulta diagrama fazorial a curenilor n reea, care este prezentat n figura 9,a.

a

bc

N3 0

I CI c b, - I c c,

I c b, I c a,

I c a,

V a

V cV bI c c,

I c a, I c b,

N G

I C V a

V bN- I c c,

- I c c, I c c,

I c a,

I c b,

a b cFig. 1.11. Situaia curenilor capacitivi nainte i dup punerea la pmnt a fazei c, obinerea curentului

capacitiv de punere la pmnt. a. condiii normale de funcionare; b. situaia cu defect; c. compunerea curenilor capacitivi pe timpul defectului.

n fig. 1.11,b se prezint compunerea curenilor capacitivi de secven zero ,c cI , determinai de tensiunea V, cu cei de la regimul normal de funcionare ( ,c aI i ,c bI ), obinndu-se astfel curenii capacitivi ' ,c aI i ' ,c bI de la regimul de punere la pmnt a fazei c.

Prin compunerea curenilor ' ,c aI i ' ,c bI se obine curentul de punere la pmnt F CI I= astfel:

( )' 32 cos30 2 2 cos30 32

= = = =F C c c cI I I I I (4)

unde Ic este curentul capacitiv al fazei n regim normal de funcionare. El are expresia:0

= cI V C (5)

n care C0 este capacitatea de secven zero (fa de pmnt) a tuturor liniilor ce sunt conectate la secundarul transformatorului din staie.

O exprimare mai exact a curentului de punere la pmnt i a tensiunilor fazelor sntoase se poate obine dac se folosete teoria componentelor simetrice. Neglijndu-se impedana de secven pozitiv Z n raport cu cea de secven zero, expresia curentului de defect devine:

00 0 , ,3 3 ( )= = + = +F F a F cI Y V V G jB I jI

Orientativ, pentru curentul de punere la pmnt se pot folosi i relaii aproximative, astfel:

300 500=

KLEA nF

U LI [A], 2 10

=

KLES nF

U LI [A]



unde U este tensiunea de serviciu a liniei (aprox. egal cu tensiunea nominal), exprimat n kV, iar L este lungimea liniilor reelei, exprimat n km.

n general se constat c valoarea curenilor capacitivi cI este mult mai mic dect cea a curenilor de sarcin ce trec prin liniile electrice, i ca urmare se poate considera c tensiunile de faz msurate fa de punctul neutru nu se modific semnificativ. n consecin, reeaua poate s funcioneze pe o perioad limitat de timp alimentnd consumatorii n condiii acceptabile dei una dintre faze este pus la pmnt.

Cu toate c tensiunile fazelor n raport cu punctul neutru N rmn aproximativ aceleai ca n funcionarea fr defect, potenialul fazelor fa de pmnt se modific; potenialul fa de pmnt al fazei puse la pmnt este nul, iar potenialul fazelor sntoase crete de 3 ori, devenind egal cu tensiunea ntre faze. n plus la apariia punerii la pmnt a fazei se formeaz un arc electric prin care circul curentul capacitiv rezultant, arc ce se stinge la fiecare trecere prin zero a curentului. Totui, n funcie de intensitatea curentului, arcul electric se poate reaprinde dup fiecare trecere prin zero a curentului; aceste reaprinderi succesive conduc la aa-zisul arc intermitent care poate provoca supratensiuni periculoase pe fazele sntoase, atingndu-se valori 3 4 ori tensiunea de faz a reelei.

Dac arcul electric intermitent i supratensiunile ce l nsoesc persist un numr mai mare de perioade este posibil ca izolaia reelei s fie strpuns, transformnd punerea la pmnt n scurtcircuit bifazat sau trifazat. Din acest motiv, trebuie luate msuri pentru protecia reelei n sensul evitrii arcului intermitent. Din cercetrile efectuate n Romnia s-a constatat c arcul electric intermitent apare atunci cnd intensitatea curentului la locul de defect depete 5-10 A, dar nu va fi mai mare de 30 A. Pentru valori mai mici dect 5 A arcul se stinge chiar de la prima trecere prin zero, astfel c reeaua poate s i reia funcionarea normal.

Pe baza acestor constatri se poate aprecia c LEA cu tensiuni nominale pn la 35 kV pot funciona cu neutrul izolat. n schimb, reelele electrice subterane de 6-10 kV pot funciona cu neutrul izolat dac curentul la locul de defect nu depete 10A.

Pentru a limita curentul de punere la pmnt n reelele electrice de medie tensiune cu neutrul izolat se practic separarea galvanic a liniilor prin secionarea barelor din staia de alimentare, fiecrei secii de bare revenindu-i un anumit numr de linii, respectiv o anumit lungime de linie conectat ntr-un nod. Prin aceasta se reuete s se asigure ncadrarea curentului capacitiv, respectiv curentului de punere la pmnt, n limitele admise.

Concluzii:Marele avantaj al reelelor electrice cu neutrul izolat const n faptul c prezint c la

punerea la pmnt a unei faze, consumatorii simetrici rmn pe mai departe alimentai, nefiind obligatorie deconectarea imediat a liniei.

Dezavantajul acestei metode de tratare a neutrului const n faptul c n cazul unei puneri la pmnt tensiunea fazelor sntoase crete cu 3 (ajungnd la valoarea tensiunii ntre faze), ceea ce poate determina strpungerea izolaiei pe fazele sntoase. n plus, n cazul n care curentul capacitiv depete valorile admisibile, spaiul arcului electric nu se mai deionizeaz la trecerea prin zero a curentului, iar defectul devenind permanent (va persista pentru mai mult timp), determinnd apariia unor supratensiuni de 4-5 ori mai mari dect tensiunile de faz.



Cap. 1.3. REELE CU NEUTRUL TRATAT PRIN BOBIN DE STINGERE

Probleme generale

Pentru limitarea curentului de punere la pmnt, n cadrul reelelor electrice se folosesc bobine de stingere de tip Petersen montate ntre neutrul transformatorului i pmnt. Aceast soluie se practic n reele electrice aeriene de medie tensiune sau la reele electrice subterane. Rolul bobinei de stingere este de a compensa curentul capacitiv de punere la pmnt al fazelor sntoase astfel nct arcul produs la locul de defect s nu fie stabil (s nu persiste).

Bobina de stingere are n componen un miez de fier, iar reactana ei poate fi modificat fie prin schimbarea numrului de spire fie prin modificarea ntrefierului; se precizeaz faptul c n regim normal de funcionare, cnd potenialul neutrului este acelai cu potenialul pmntului, prin bobina de stingere nu circul nici un curent.

Pentru determinarea curenilor suplimentari ce iau natere la punerea la pmnt a unei faze (spre exemplu c, fig. 1.12) se poate aplica teorema lui Thvenin, considerndu-se numai reeaua pasiv i tensiunea V aplicat la locul de punere la pmnt.

I C

I L

N

Z N

a

bc

G r o u n d

CC CV

I c b, I c a,0 0 0

I c c, = 0

Fig. 1.12. Reea cu neutrul tratat prin bobin de stingere.Sub aciunea tensiunii V se creeaz doi cureni:

Un curent capacitiv CI , corespunztor capacitilor liniei fa de pmnt. Aceti cureni se nchid prin capacitile fa de pmnt ale reelei i prin nfurrile transformatorului.

i un curent inductiv IL, forat prin bobina de stingere i faza pus la pmnt.

Cei doi cureni, defazai fa de tensiunea V nainte, respectiv n urm, cu aproape 90, se suprapun la locul de punere la pmnt, obinndu-se un curent rezidual Ir (fig. 1.13):

= = +F r C LI I I I (6)sau, neglijnd componentele active ale curentului, se obine:

03 +

r

VI jV C

j L (7)

Relaia (7) s-a scris lund n considerare numai reactanele celor dou circuite.

I r I LI C

V

Fig. 1.13. Diagrama fazorial a curenilor circuitelor reelei pasive din fig. 1.12.

Curentul rezidual prezint urmtoarele caracteristici:



este mult mai mic dect curentul capacitiv de punere la pmnt, deci toate efectele acestuia vor fi mult diminuate;

faza curentului rezidual este apropiat de faza tensiunii V , fapt ce va favoriza stingerea spontan a arcului electric stabilit la locul punerii la pmnt; datorit mbuntirii condiiilor de stingere, curentul rezidual poate lua valori mult mai mari (20 30 A), fr a exista pericolul de reaprindere a arcului.

Pentru a obine un avantaj maxim, adic un curent rezidual minim, bobina se va alege astfel nct curentul rezidual s fie nul, adic:

03 0 + =

VjV C

j Lrezultnd

0

13

= = =

N cL X XC(8)

Relaia (8) exprim condiia de rezonan a circuitului paralel echivalent format de cele dou ramuri: bobina de stingere i capacitile de serviciu pe frecvena pi= 2f .

De remarcat faptul c, n realitate, datorit rezistenelor diferitelor elemente ale circuitului, nu se poate obine o compensare total a curentului capacitiv i ca urmare ntotdeauna 0rI .

Problemele bobinei de stingere

Aspectele care prezint interes la tratarea neutrului prin bobina de stingere sunt: a) stabilirea valorii reactanei bobinei, b) construcia bobinei de stingere, c) legarea la reea a bobinei atunci cnd neutrul nu este accesibil.

a) Valoarea reactanei bobinei XN se stabilete avndu-se n vedere regimul de avarie al reelei (punerea la pmnt a unei faze) i regimul normal de funcionare.

Din punctul de vedere al regimului de avarie se dorete ca curentul rezidual s aib o valoare ct mai mic, la limit chiar zero. Pentru aceasta este necesar ca curentul capacitiv de punere la pmnt s fie egal cu cel care circul prin bobin, adic L CI I= , ceea ce reprezint condiia de rezonan paralel.

Dar, n regim normal de funcionare, din cauza inegalitii capacitilor fazelor, ndeosebi la LEA, depunerii neuniforme de murdrie pe izolatoare, montrii nesimetrice a transformatoarelor de msur, etc. se produce o uoar deplasare a potenialului neutrului fa de pmnt (surs de tensiune n circuitul serie; bobin - nfurri secundare transformator - capaciti homopolare linii) care va conduce la apariia unor cureni foarte mari n reea la conectarea bobinei de stingere acordat la rezonan. Din acest motiv valoarea reactanei bobinei XN se stabilete astfel nct curentul inductiv prin aceasta s nu compenseze total curentul capacitiv de punere la pmnt, adic L CI I ( 3C cI I= ). Principial se poate funciona fie cu o subcompensare, adic 3L cI I< , fie cu o supracompensare 3L cI I> . n practic se prefer o supracompensare cu 10-15%, deoarece n cazul n care s-ar adopta subcompensarea este posibil ca n exploatare, ca urmare a deconectrii unei linii alimentate din secumdatul transformatorului s se ajung la condiia de rezonan prin scderea reactanei capacitive totale a liniilor electrice. Nu la fel se pune problema n cazul reelelor subterane unde gradul de nesimetrie este foarte redus. n acest caz se poate funciona foarte aproape de rezonan.

b) Din punct de vedere constructiv, bobina de stingere este asemntoare cu un transformator monofazat, avnd nfurarea primar dispus pe un miez de fier introdus ntr-o cuv metalic i rcit cu ulei de transformator. Curentul care strbate bobina n timpul funcionrii acesteia este puin mai mare dect curentul de punere la pmnt al reelei electrice la care este montat bobina: =bob bob n CS Q V I



Deoarece bobina funcioneaz un numr redus de ore, respectiv doar atunci cnd are loc o punere la pmnt aceasta nu ajunge practic s ating temperatura de regim staionar pentru care a fost construit. Din acest motiv, n funcie de durata ct se prevede s funcioneze reeaua cu punere la pmnt, se adopt pentru nfurarea bobinei o densitate de curent mult mai mare dect cea economic. Durata prevzut pentru funcionarea cu punere la pmnt depinde de modul de exploatare al reelei electrice; astfel, odat cu semnalizarea punerii la pmnt, semnalizare realizat chiar de curentul care trece prin bobin, o echip de specialiti se deplaseaz pe teren pentru remedierea defectului. n general, se admite funcionarea reelei cu punere la pmnt un interval ntre ore si 2 ore, n funcie de importana liniei, de zona traversat, de timpul necesar detectrii i nlturrii defectului. Dac defectul nu se poate nltura atunci reeaua se deconecteaz.

Lungimea reelei electrice se poate modifica n timpul funcionrii, astfel c, pentru a modifica valoarea reactanei bobinei, poziia miezului este variabil, iar uneori nfurarea este prevzut cu prize (7...10 prize), ceea ce va permite modificarea curentului inductiv.

Pe miezul bobinei este prevzut o nfurare suplimentar folosit pentru protecia prin relee. Ea va indica prezena unei componente de secven zero (homopolar) a curentului.

c) n cazul n care neutrul transformatorului nu este accesibil (adic nfurrile acestuia sunt conectate n stea) este necesar s se foloseasc montaje speciale pentru compensarea curenilor capacitivi.

Cu toate avantajele menionate, tratarea neutrului cu bobin de stingere nu este eficient n cazul reelelor extinse, ndeosebi a celor subterane cu pierderi active mari (cum sunt cele cu izolaie de PVC de 6 kV sau 10 kV) sau la puneri la pmnt cu impedan de defect mare.

Dintre avantajele soluiei de tratare a neutrului cu bobin de stingere se pot meniona: dac pe o linie electric apare o punere la pmnt, protecia acesteia nu o

deconecteaz ci numai semnalizeaz punerea la pmnt, linia funcionnd cu defect fie pn trece vrful de sarcin sau se iau alte msuri de alimentare a consumatorilor care ar fi afectai prin scoaterea de sub tensiune a liniei electrice. n Romnia se folosete doar parial tratarea neutrului prin bobin de stingere n reelele electrice de medie tensiune;

elimin probabilitatea reaprinderii arcului electric dup stingerea acestuia la prima trecere prin zero a curentului i deci pericolul apariiei unor supratensiuni dispare;

curentul la locul de defect (curentul rezidual) este redus, cca. cteva procente din valoarea curentului capacitiv al reelei,

ameliorarea condiiilor de funcionare ale ntreruptoarelor n sensul c numrul de declanri este mult mai mic.

Dezavantajele mai importante ale acestui sistem de tratare sunt: n cazul punerii la pmnt a unei faze tensiunea fazelor sntoase fa de pmnt

cresc (pot crete) pn la valoarea tensiunii ntre faze, ceea ce impune ca izolaia s fie dimensionat pentru o tensiune de solicitare egal cu tensiunea ntre faze. n plus, spirele dinspre punctul neutru al nfurrii transformatorului trebuie s fie izolate pentru tensiunea de faz i nu apropiat de zero ca n cazul neutrului netratat, n timp ce spirele dinspre linie trebuie s fie dimensionate la valoarea tensiunii ntre faze.

costul mrit al izolaiei i echipamentului aferent; transformarea din defect monofazat n defecte polifazate, dificulti n selectarea plecrii defecte (mai ales n situaia unor puneri la pmnt cu

impedan mare de defect), complicarea instalaiilor de protecie prin relee.

Bobina de stingere se monteaz n staii diferite astfel nct valoarea lor total s satisfac condiia impus la rezonan.



Cap. 1.5. REELE CU NEUTRUL LEGAT EFECTIV

Pentru reelele electrice cu tensiuni nominale 110 kVnU punctul neutru al unui sau mai multor transformatoare din fiecare staie de transformare se leag direct la pmnt printr-o legtur net, solid. n acest caz, orice punere la pmnt a unei faze reprezint un scurtcircuit monofazat care, avnd valori mari, determin acionarea proteciei prin relee i n consecin deconectarea circuitului avariat.

Principalul avantaj al acestui sistem de tratare const n aceea c circuitul avariat este scos imediat din funciune, iar distrugerile cauzate de arcul electric sunt minime, respectiv scurtcircuitul monofazat nu se mai poate transforma ntr-un scurtcircuit bifazat sau trifazat cum era n cazul anterior.

Dezavantajul const n faptul c orice punere la pmnt a unei faze determin scoaterea din funciune a circuitului respectiv.

n plus, scurtcircuitul fiind nesimetric perturb instalaiile de telecomunicaii i semnalizri feroviare precum i transmisiile radiofonice i TV situate n vecintate, constituind principalul dezavantaj al legturii directe la pmnt.

n regim permanent situaia este identic cu cea de la cazul reelei cu neutrul izolat.Dac una dintre faze (de exemplu, faza c) este pus la pmnt, valorile curenilor capacitivi i ai tensiunilor se modific.

Din figura 14 se observ c datorit apariiei arcului electric se formeaz dou circuite prin care circul curentul de scurtcircuit. Curenii care circul prin cele dou circuite 'scI i

"scI sunt determinai de reactanele de dispersie ale transformatorului, de impedanele liniei, respectiv ale cii de nchidere prin pmnt. Acestea avnd valori mici, curentul de punere la pmnt, denumit n acest caz curent de scurtcircuit, atinge valori mari i n consecin linia cu defect va fi deconectat de proteciile prin relee.

abc

I s c V = -V c

N 2N 1

T 1 T 2l i n e e l e c t r i c

I s c

Fig. 14. Circulaia curentului de scurtcircuit monofazat ntr-o reea trifazatcu un nul legat rigid la pmnt i altul izolat.

ntruct capacitile liniei sunt mici, curentul capacitiv "scI este redus i poate fi neglijat n continuare. Spre deosebire de cazul reelelor electrice cu neutrul izolat, n reelele electrice cu neutrul legat la pmnt, curentul de punere la pmnt (de scurtcircuit) are un pronunat caracter inductiv i determin cderi importante de tensiune.

Deoarece ntre neutrul N al transformatorului i pmnt exist o legtur metalic (rigid), potenialul N al transformatorului este inut rigid (riguros) la potenialul pmntului. Din acest motiv potenialul fazelor sntoase fa de pmnt rmn la valoarea tensiunii de faz, iar faza cu punere la pmnt este practic la potenialul pmntului.

Pornind de la expresia curentului monofazat de punere la pmnt:



(1)

01

3 3

= =

+ ++

F sc

FNT

VI I Z ZY Y

i, prin faptul c exist o legtur rigid la pmnt, impedana legturii fiind 0=NZ , vom obine

00

1 1 313

= =

+NT TLN TLZ ZZ Z sau

0

3=

TLNT

ZZ

n plus, dac se neglijeaz admitanele capacitive 0Y ale liniilor, respectiv componenta curentului capacitiv de scurtcircuit i totodat se neglijeaz parametrii de secven zero ai liniei n raport cu cei ai transformatorului, rezult 0 0TL TZ Z . Deci:

(1)0 0

32 2

3 3

+ += = = ++

F scT T T T

V VI IZ Z Z Z

cu meniunea 2 2+ += TL TZ Z ZDin analiza ultimei relaii se constat c valoarea curentului de scurtcircuit depinde n

principal de conexiunea nfurrilor transformatorului i de construcia miezului magnetic al acestuia.

n majoritatea cazurilor scurtcircuitele monofazate sunt trectoare i pentru eliminarea efectelor lor se utilizeaz sistemele RAR (Reanclanare Automat Rapid) prin care, dup deconectarea defectului urmeaz o pauz de RAR i apoi linia se reconecteaz. Pauza de RAR trebuie s fie suficient de mare pentru a putea asigura stingerea arcului electric considerat trector, dar nu prea mare pentru a nu periclita sigurana reelei i stabilitatea sistemului. Deconectarea liniilor electrice poate s fie monofazat sau trifazat.

Dac impedana de secven zero a transformatorului este mai mic dect impedana de secven pozitiv a reelei, atunci curentul se scurtcircuit monofazat devine mai mare dect curentul de scurtcircuit trifazat, pentru care sunt dimensionate toate aparatele de comutaie din reea.

Din punct de vedere al tensiunilor pe faz, dac rezistena de legare la pmnt ar fi n mod ideal nul, n cazul punerii la pmnt a unei faze tensiunile fazelor sntoase fa de pmnt ar trebui s rmn neschimbat. n realitate, rezistena prizei de legare la pmnt, dei are o valoare foarte mic, produce o cdere de tensiune datorat intensitii foarte mai a curenilor de scurtcircuit monofazat. Ca urmare potenialul neutrului nu rmne egal cu zero ceea ce face ca tensiunile fazelor sntoase s creasc ntr-o oarecare msur. Din aceast cauz, se impune ca periodic s se fac verificarea prizei de pmnt deoarece nclzirea puternic a acesteia la trecerea curenilor de scurtcircuit monofazat provoac o cretere a rezistenei pmntului (prin coacere) i neutrul risc s fie legat la pmnt printr-o impedan ridicat, fr ca specialitii din exploatare s cunoasc acest lucru. Pentru a menine valoarea rezistenei se practic udarea pmntului din staie, caz n care rezistena va scdea.

Pentru a obine o rezisten mic a prizei de pmnt de ordinul zecilor de ohmi se folosesc circa 100 electrozi, fiecare avnd o rezisten de 25...30 .

n exploatare se vor avea n vedere dou lucruri: Conform recomandrilor CEI, la reelele electrice cu neutrul legat direct la

pmnt, tensiunile fazelor sntoase nu trebuie s depeasc 0,8 din tensiunea ntre faze, n cazul unui scurtcircuit monofazat.

n acelai timp, intensitatea curenilor de scurtcircuit monofazat nu trebuie s depeasc pe cea a curenilor de scurtcircuit trifazat.

Respectarea acestor condiii impune un anumit raport ntre reactana de secven zero i cea de secven pozitiv a reelei electrice, determinate la locul de scurtcircuit:



0

1 3+

XX

o valoare 0

1+

>XX

corespunde condiiei (1) (3)

Curs Tratarea Neutrului Scurt

Documents

Transcript of Curs Tratarea Neutrului Scurt