Curs tratarea neutrului scurt

Tratarea neutrului în reţelele electrice 1

TRATAREA NEUTRULUI ÎN REŢELELE ELECTRICE

Cap. 1.1. INTORDUCERE

1.1.1. Definiţii şi fenomene de bază

Alegerea modului de tratare (legare) a neutrului transformatoarelor din reţelele electrice de diferite tensiuni, care alcătuiesc sistemul electroenergetic, constituie una din problemele de proiectare cele mai importante, pe de o parte datorită numărului mare de parametri care trebuie luaţi în considerare, iar pe de altă parte, în special datorită dificultăţii de obţinere a unei formulări tehnico-economice corespunzătoare, care să poată îngloba toţi aceşti parametri.

Prin tratarea neutrului se urmăreşte ca în cazul punerii la pământ a unei faze să se asigure lichidarea rapidă şi sigură a arcului electric ce ia naştere în aceste cazuri, pentru a evita deconectarea liniei sau transformarea incidentului într-o avarie (scurtcircuit între două sau trei faze şi pământ). Prin urmare tratarea neutrului reţelelor electrice constituie unul din factorii care condiţionează siguranţa în alimentarea cu energie electrică a consumatorilor.

Neutrul electric al unui sistem trifazat echilibrat de succesiune pozitivă corespunde centrului de greutate al triunghiului echilateral alcătuit din tensiunile dintre faze (Uab, Ubc, Uca) (fig 1.1). Într-o reţea electrică alimentată prin secundarul unui transformator cu conexiunea stea, de exemplu, acest neutru există şi defineşte cele trei tensiuni de fază reprezentate prin fazorii Va, Vb, Vc. El se poate verifica cu ajutorul montajului electric dat în figura 1.1,b. Dacă cele trei lămpi cu incandescenţă sunt identice, atunci ele au la borne o tensiune de 230 V iar punctul lor comun se află la potenţialul neutrului electric N.

a b

Fig. 1.1. Definirea neutrului N pentru o reţea trifazată.

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

Termenul de “tratare a neutrului” semnifică de fapt o situaţie mai generală şi are în vedere situaţia neutrului şi în cazul când între acesta şi pământ nu se interpune nici o impedanţă fizică.

Din punct de vedere a situaţiei relative a neutrului faţă de pământ, recomandările Comisiei Electrotehnice Internaţionale (CEI) prevăd următoarele tipuri de reţele (fig. 1.2):

– reţele cu neutrul izolat;– reţele cu neutrul legat direct la pământ (rigid - efectiv), prin rezistenţă sau prin

reactanţă;– reţele cu neutrul tratat prin sistem rezonant (bobină de compensare).

Ş.l.drd.ing. Lucian Toma


a. b. c.

Fig.1.2. Situaţii relative ale neutrului reţelelor electrice faţă de pământ:a) reţea cu neutrul izolat; b) reţea cu neutrul legat; c) reţea cu neutrul tratat prin sistem rezonant.

Se menţionează că nu întotdeauna neutrul reţelei este accesibil. În aceste cazuri se creează un “neutru artificial” folosind transformatorul Bauch, bobina specială pentru tratarea neutrului (BPN) sau înfăşurarea primară a unui transformator de servicii proprii (TSP).

Independent de modul de tratare a neutrului, un fenomen foarte important în reţelele electrice care poate să ducă la întreruperea în alimentarea cu energie electrică a consumatorilor constă în punerea la pământ a unei faze, provocată de regulă de conturnarea izolaţiei liniei datorată supratensiunilor atmosferice sau interne. Fenomenele care se desfăşoară în continuare sunt dependente de tratarea neutrului şi ele afectează mărimea potenţialului neutrului reţelei în raport cu pământul, valoarea curentului de defect la pământ şi a tensiunilor fazei defecte respectiv a fazelor sănătoase, durata de menţinere a arcului electric prin care s-a realizat punerea la pământ, condiţiile de revenire la regimul normal de funcţionare etc.

Totodată, este necesar ca, la punerea la pământ a unei faze, curentul de scurtcircuit monofazat ce apare să fie mai mic decât cel trifazat.

Tratarea neutrului a fost o problemă mult discutată în evoluţia şi dezvoltarea reţelelor electrice datorită numeroşilor factori ce trebuiesc luaţi în considerare la aplicarea uneia din soluţii, precum şi a implicaţiilor pe care le atrage după sine adoptarea acesteia.

Dintre factorii ce trebuie luaţi în considerare din punct de vedere al reţelei se pot menţiona:

– mărimea curentului de defect;– mărimea supratensiunilor;– realizarea constructivă a liniei;– localizarea selectivă a defectului;– eliminarea automată a defectului;

iar din punct de vedere al consumatorilor alimentaţi de aceasta:– alimentarea fără întrerupere;– compatibilitatea cu alimentarea proceselor industriale aferente altor consumatori.La cele de mai sus trebuie adăugată experienţa de exploatare dobândită în timp şi

tradiţia existentă în acest domeniu.

1.1.2. Potenţialul neutrului reţelei în raport cu pământul

Potenţialul fazelor reţelei poate fi măsurat în raport cu neutrul reţelei sau în raport cu pământul. În primul caz tensiunile fazelor (Va, Vb, Vc) sunt furnizate de sursa de putere: generatorul sincron sau secundarul transformatorului de alimentare a reţelei electrice. Aceste tensiuni sunt practic egale în amplitudine şi asigură un sistem simetric de succesiune pozitivă. Pe de altă parte, potenţialul neutrului în raport cu pământul depinde de valoarea admitanţelor fazelor liniei faţă de pământ , unde . În cazul în care reţeaua este simetrică iar regimul de funcţionare este normal, cele trei admitanţe transversale sunt egale,



deci sau şi . Astfel, potenţialul neutrului în raport cu pământul este dat de relaţia:

(1)

Prin urmare, potenţialul neutrului reţelelor care funcţionează în regim normal este nul (identic cu acela al pământului, care este zero) indiferent de modul de tratare a neutrului (adică de valoarea impedanţei ZN).

a. b.Fig. 1.3. Reţea simetrică cu neutrul tratat funcţionând în regim normal: a) evidenţierea admitanţelor liniei faţă

de pământ; b) diagrama fazorială a tensiunilor fazelor faţă de punctul neutru.

În realitate, din diverse cauze, potenţialul punctului neutru al unei reţele electrice este diferit de potenţialul pământului. Astfel, dacă capacităţile faţă de pământ ale fazelor şi rezistenţele de izolaţie ale acestora nu sunt identice, atunci se creează o oarecare nesimetrie a reţelei care se caracterizează printr-o deplasare a punctului neutru în raport cu pământul.

Dacă se consideră punerea la pământ a unei faze, de exemplu faza c (fig.1.4), admitanţa corespunzătoare acelei faze devine nulă iar potenţialul neutrului în raport cu pământul depinde de mărimea impedanţei de tratare a neutrului Z. Dacă această impedanţă are valoare mare sau nu există ( ), atunci potenţialul neutrului ia valoarea tensiunii de fază furnizate de sursa de putere iar dacă impedanţa Z este mică sau nulă potenţialul neutrului are o valoare mică sau nulă. În prima situaţie tensiunile fazelor sănătoase cresc la valoarea tensiunii între faze solicitând izolaţia reţelei; în a doua, apare un curent mare de scurtcircuit care solicită căile de curent ale reţelei.

Fig. 1.4. Schema echivalentă a unei reţele trifazată cu punere la pământ monofazată.

Deci, în funcţie de mărimea şi caracterul impedanţei ZN, punctul P (care reprezintă potenţialul pământului) se poate deplasa în orice poziţie în interiorul triunghiului abc, iar corespunzător potenţialul lui N poate lua orice valoare între 0 şi V. Aceeaşi situaţie se poate întâmpla dacă se consideră , iar admitanţele , , au valori diferite.

Ca urmare se poate afirma că atât în regim normal de funcţionare, cât şi în acela de defect monofazat provocat de o punere la pământ a uneia dintre faze, potenţialul neutrului nu este identic cu acela al pământului.



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

Defectul monofazat introduce o nesimetrie transversală a reţelei electrice, a cărei funcţionare se poate analiza folosind metoda componentelor simetrice. În acest sens, reţeaua reală poate fi descompusă în trei reţele de secvenţă: pozitivă, negativă şi zero (Fig. 1.6).

La producerea unui defect monofazat, curenţii de secvenţă zero apar doar dacă există o cale de întoarcere, adică, dacă există o conexiune fizică între punctul neutru şi pământ. Dacă punctul neutru al reţelei este tratat prin rezistor sau bobină, trebuie introdusă o impedanţă în reţeaua de secvenţă zero în serie cu impedanţa de secvenţă zero.

; ;

a. b.

c.

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

curenţi capacitivi în componente de secvenţă.

Pentru a echilibra reţelele de secvenţă, se defineşte, de asemenea, reţeaua de secvenţă negativă, care este de fapt reţeaua de secvenţă directă pasivizată.

Ecuaţiile dintre tensiunile de fază şi cele de secvenţă sunt:

Rezultă:

cu menţiunea că ecuaţiile sunt raportate la faza c. Un sistem similar de ecuaţii se poate scrie şi pentru cureţi.

Cunoscând faptul că, curenţii de secvenţă sunt egali, , curentul de defect se deduce din:

(2)



sau, dacă se ia în considerare impedanţa de defect şi cunoscând că , expresia (2) devine:

(3)

unde: este tensiunea electromotoare corespunzătoare secţiunii cu defect, dar în lipsa defectului. Cu alte cuvinte, aceasta este tensiunea de fază a fazei c;

– impedanţa echivalentă a reţelei de secvenţă pozitivă, văzută de la locul defectului;

– impedanţa echivalentă a reţelei de secvenţă negativă, văzută de la locul defectului;

– impedanţa echivalentă a reţelei de secvenţă zero, văzută de la locul defectului.Evident, una dintre cele mai importante probleme în calcularea curentului de defect

este formarea reţelelor de secvenţă, dar în special cea de secvenţă zero.

a.

b.

Fig. 1.7. Schema de calculul a curentului de defect monofazat, într-o reţea de medie tensiune: a. Circuitul trifazat; b. Schema echivalentă monofazată de secvenţă zero.

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

Pe baza acestei expresii se realizează schema echivalentă din Figura 1.8. Această schemă ne arată că, curentul de defect are două componente: una datorată admitanţei reţelei faţă de pământ şi una datorată admitanţei prin care neutrul este legat la pământ .

Fig. 1.8. Schema echivalentă pentru calculul curentului de punere la pământ monofazat.



1.1.5. Consideraţii privind alegerea metodei de tratare a neutrului

Principalele elemente care determină alegerea unei soluţii de tratare a neutrului reţelelor electrice sunt:

– performanţele cerute în materie de calitatea alimentării consumatorilor şi de asigurare a continuităţii alimentării acestora;

– posibilitatea extinderii reţelei;– caracteristicile reţelei şi echipamentelor:natura reţelei în cauză (reţea aeriană, în

cablu sau mixtă), structura reţelei, gradul de îmbătrânire a izolaţiei, valoarea curenţilor de defect admisibili, condiţiile de mediu în care funcţionează liniile electrice aeriene:

– siguranţa în exploatare;– valorile supratensiunilor şi a curenţilor de defect care pot apare;– posibilitatea realizării unor sisteme de protecţie selective şi rapide sau a unor

automatici corespunzătoare;– gradul de pregătire a personalului de întreţinere a instalaţiilor (din circuitele

primare şi secundare);– economicitatea soluţiei şi necesitatea realizării unor tipuri de echipamente noi.

Supratensiunile tranzitorii şi temporare de valori mari pot deteriora izolaţiile echipamentelor, iar curenţii de defect de valori mari pot conduce la tensiuni de atingere şi de pas periculoase, peste valorile admise prin norme. De asemenea, dacă curentul de alimentare a defectului depăşeşte valoarea de 3-5 A, arcul electric nu are condiţii întotdeauna de deionizare şi de autostingere şi se poate transforma defectul monofazat în defecte polifazate, având ca efect supratensionarea întregii reţele.

Un alt element care contribuie în mod esenţial la amplificarea consecinţelor, îl constituie duratele de eliminare a defectului şi de separare a elementului defect. Aceste durate depind de modul ales de tratare a neutrului reţelei şi de protecţiile şi automatizările utilizate, putând fi de ordinul zecilor de minute şi chiar orelor în cazul reţelelor cu neutrul izolat sau tratat prin bobină de compensare sau de ordinul fracţiunilor de secundă sau cel mult de ordinul secundelor în cazul în care este posibil ca defectul să fie eliminat prin protecţii şi automatizări (în cazul reţelelor cu neutru tratat prin impedanţe de valori relativ mici).

Durata de eliminare a defectului este cu atât mai importantă cu cât valorile supratensiunilor în reţea sunt mai mari şi cu cât izolaţia echipamentelor are un nivel de ţinere mai coborât în raport cu tensiunea nominală a reţelei sau cu cât această izolaţie este mai îmbătrânită. De asemenea, supunerea izolaţiilor la supratensiuni tranzitorii şi temporare de valori mari, pe timp îndelungat, conduce şi la îmbătrânirea prematură a acestora.

Normele NTE impun tratarea neutrului reţelelor electrice de medie tensiune în cazul în care curentul capacitiv la defect monofazat în reţeaua legată galvanic depăşeşte valoarea de 10A atunci când nu sunt racordate galvanic la reţea generatoare şi atunci când se depăşeşte valoarea de 5A, când la această reţea sunt racordate galvanic generatoare electrice.

Tratarea neutrului nu are nici o influenţă asupra curenţilor şi tensiunilor în regim normal de funcţionare a reţelelor electrice care au o structură şi o sarcină simetrică. În cazul unor regimuri nesimetrice însă comportarea reţelei este influenţată de modul de tratare a neutrului. Curenţii de defect, supratensiunile şi tensiunile care rezultă sunt influenţate de modul de tratare a neutrului reţelei, acestea având implicaţii mai mici sau mai mari asupra dimensionării echipamentelor şi instalaţiilor, securităţii persoanelor şi calităţii alimentării consumatorilor.

Dublele puneri monofazate la pământ, denumite pe scurt şi defecte duble, sunt scurtcircuite monofazate la pământ produse în locuri (puncte) distincte şi pe faze diferite ale unei reţele trifazate. În marea majoritate a cazurilor acestea se produc în reţelele electrice cu neutrul izolat sau legat la pământ printr-o bobină de compensare.



Cap. 1.2. REŢELE CU NEUTRUL IZOLAT

Din punct de vedere istoric, reţelele au funcţionat la început cu neutrul izolat. Pentru astfel de reţele un defect pe o fază nu atrage imediat întreruperea funcţionării reţelei electrice, putându-se funcţiona o perioadă de timp până la identificarea locului de defect şi înlăturarea defectului. Pe măsură ce reţelele s-au extins, tensiunea lor nominală a crescut şi ca urmare au crescut şi capacităţile reţelei faţă de pământ. Prezenţa capacităţilor în reţeaua electrică permite un schimb de energie între faza defectă şi fazele sănătoase, iar intensitatea curentului la locul de defect este cu atât mai mare cu cât capacităţile au valori mai ridicate, adică, cu cât reţeaua electrică, legată galvanic, este mai extinsă.

Se consideră reţeaua cu neutrul izolat din figura 1.9. Capacităţile liniei faţă de pământ s-au notat cu C0

şi ele s-au presupus egale pentru fiecare fază iar cu Il,a, Il,b şi Il,c curenţii de sarcină; ei alcătuiesc un sistem simetric. Acelaşi lucru se poate spune şi despre curenţii capacitivi de încărcare a capacităţilor naturale faţă de pământ, Ic,a, Ic,b, Ic,c. Ca urmare potenţialul neutrului reţelei VN va fi identic cu acela al pământului.

Dacă una din faze ajunge la pământ, spre exemplu faza c (fig. 1.9), atât valorile tensiunilor cât şi cele ale curenţilor se modifică.

Fig. 1.9. Reţea cu neutrul izolat.

Se constată că în regim cu defect, neutrul N al transformatorului se va găsi faţă de pământ la tensiunea Vαβ care este chiar tensiunea faţă de pământ a fazei c în regim normal de funcţionare.

Astfel, considerând reţeaua pasivă care prezintă pe legătura de punere la pământ -, tensiunea electromotoare Vαβ = –Vc, potenţialul bornei c devine practic egal cu cel al pământului, iar neutrul reţelei se deplasează în poziţia N (fig. 1.10) având practic tensiunea Vαβ în raport cu pământul. În realitate diferă puţin de acesta prin căderea de tensiune determinată de curenţii capacitivi pe impedanţa fazei c a înfăşurării transformatorului şi a liniei.

Fig. 1.10. Diagrama fazorială a tensiunilor reţelei din fig. 1.9.



În mod asemănător, tensiunea fazelor sănătoase (a, b) se deplasează cu aceeaşi valoare faţă de pământ ajungând la valorile Va′ şi Vb′. Ca valoare aceste tensiuni sunt egale cu , V fiind tensiunea de fază în regim normal de funcţionare.

Curenţii care circulă prin reţeaua pasivă, datoraţi tensiunii Vαβ = –Vc, se închid prin capacităţile faţă de pământ a fazelor liniei, prin înfăşurările transformatorului şi prin locul defectului (traseul acestor curenţi s-a desenat cu linie întreruptă în fig. 1.9). Aceşti curenţi sunt sinfazici şi încarcă transformatorul cu o sarcină de secvenţă zero, determinând astfel o nesimetrie a tensiunilor şi curenţilor. Curenţii care circulă în reţea la punerea la pământ se determină suprapunând peste aceşti curenţi de secvenţă zero datoraţi tensiunii Vαβ, curenţii capacitivi şi curenţii de sarcină de la regimul normal de funcţionare.

În continuare, pentru simplificarea explicaţiei, se neglijează curenţii de sarcină astfel încât va rezulta diagrama fazorială a curenţilor în reţea, care este prezentată în figura 9,a.

a b cFig. 1.11. Situaţia curenţilor capacitivi înainte şi după punerea la pământ a fazei c, obţinerea curentului

capacitiv de punere la pământ. a. condiţii normale de funcţionare; b. situaţia cu defect; c. compunerea curenţilor capacitivi pe timpul defectului.

În fig. 1.11,b se prezintă compunerea curenţilor capacitivi de secvenţă zero ,

determinaţi de tensiunea Vαβ, cu cei de la regimul normal de funcţionare ( şi ),

obţinându-se astfel curenţii capacitivi şi de la regimul de punere la pământ a fazei c.

Prin compunerea curenţilor şi se obţine curentul de punere la pământ astfel:

(4)

unde Ic este curentul capacitiv al fazei în regim normal de funcţionare. El are expresia:

(5)

în care C0 este capacitatea de secvenţă zero (faţă de pământ) a tuturor liniilor ce sunt conectate la secundarul transformatorului din staţie.

O exprimare mai exactă a curentului de punere la pământ şi a tensiunilor fazelor sănătoase se poate obţine dacă se foloseşte teoria componentelor simetrice. Neglijându-se impedanţa de secvenţă pozitivă Z în raport cu cea de secvenţă zero, expresia curentului de defect devine:

Orientativ, pentru curentul de punere la pământ se pot folosi şi relaţii aproximative, astfel:

[A], [A]



unde U este tensiunea de serviciu a liniei (aprox. egală cu tensiunea nominală), exprimată în kV, iar L este lungimea liniilor reţelei, exprimată în km.

În general se constată că valoarea curenţilor capacitivi este mult mai mică decât cea a curenţilor de sarcină ce trec prin liniile electrice, şi ca urmare se poate considera că tensiunile de fază măsurate faţă de punctul neutru nu se modifică semnificativ. În consecinţă, reţeaua poate să funcţioneze pe o perioadă limitată de timp alimentând consumatorii în condiţii acceptabile deşi una dintre faze este pusă la pământ.

Cu toate că tensiunile fazelor în raport cu punctul neutru N rămân aproximativ aceleaşi ca în funcţionarea fără defect, potenţialul fazelor faţă de pământ se modifică; potenţialul faţă de pământ al fazei puse la pământ este nul, iar potenţialul fazelor sănătoase creşte de 3 ori, devenind egal cu tensiunea între faze. În plus la apariţia punerii la pământ a fazei se formează un arc electric prin care circulă curentul capacitiv rezultant, arc ce se stinge la fiecare trecere prin zero a curentului. Totuşi, în funcţie de intensitatea curentului, arcul electric se poate reaprinde după fiecare trecere prin zero a curentului; aceste reaprinderi succesive conduc la aşa-zisul arc intermitent care poate provoca supratensiuni periculoase pe fazele sănătoase, atingându-se valori 34 ori tensiunea de fază a reţelei.

Dacă arcul electric intermitent şi supratensiunile ce îl însoţesc persistă un număr mai mare de perioade este posibil ca izolaţia reţelei să fie străpunsă, transformând punerea la pământ în scurtcircuit bifazat sau trifazat. Din acest motiv, trebuie luate măsuri pentru protecţia reţelei în sensul evitării arcului intermitent. Din cercetările efectuate în România s-a constatat că arcul electric intermitent apare atunci când intensitatea curentului la locul de defect depăşeşte 5-10 A, dar nu va fi mai mare de 30 A. Pentru valori mai mici decât 5 A arcul se stinge chiar de la prima trecere prin zero, astfel că reţeaua poate să îşi reia funcţionarea normală.

Pe baza acestor constatări se poate aprecia că LEA cu tensiuni nominale până la 35 kV pot funcţiona cu neutrul izolat. În schimb, reţelele electrice subterane de 6-10 kV pot funcţiona cu neutrul izolat dacă curentul la locul de defect nu depăşeşte 10A.

Pentru a limita curentul de punere la pământ în reţelele electrice de medie tensiune cu neutrul izolat se practică separarea galvanică a liniilor prin secţionarea barelor din staţia de alimentare, fiecărei secţii de bare revenindu-i un anumit număr de linii, respectiv o anumită lungime de linie conectată într-un nod. Prin aceasta se reuşeşte să se asigure încadrarea curentului capacitiv, respectiv curentului de punere la pământ, în limitele admise.

Concluzii:Marele avantaj al reţelelor electrice cu neutrul izolat constă în faptul că prezintă că la

punerea la pământ a unei faze, consumatorii simetrici rămân pe mai departe alimentaţi, nefiind obligatorie deconectarea imediată a liniei.

Dezavantajul acestei metode de tratare a neutrului constă în faptul că în cazul unei puneri la pământ tensiunea fazelor sănătoase creşte cu 3 (ajungând la valoarea tensiunii între faze), ceea ce poate determina străpungerea izolaţiei pe fazele sănătoase. În plus, în cazul în care curentul capacitiv depăşeşte valorile admisibile, spaţiul arcului electric nu se mai deionizează la trecerea prin zero a curentului, iar defectul devenind permanent (va persista pentru mai mult timp), determinând apariţia unor supratensiuni de 4-5 ori mai mari decât tensiunile de fază.



Cap. 1.3. REŢELE CU NEUTRUL TRATAT PRIN BOBINĂ DE STINGERE

Probleme generale

Pentru limitarea curentului de punere la pământ, în cadrul reţelelor electrice se folosesc bobine de stingere de tip Petersen montate între neutrul transformatorului şi pământ. Această soluţie se practică în reţele electrice aeriene de medie tensiune sau la reţele electrice subterane. Rolul bobinei de stingere este de a compensa curentul capacitiv de punere la pământ al fazelor sănătoase astfel încât arcul produs la locul de defect să nu fie stabil (să nu persiste).

Bobina de stingere are în componenţă un miez de fier, iar reactanţa ei poate fi modificată fie prin schimbarea numărului de spire fie prin modificarea întrefierului; se precizează faptul că în regim normal de funcţionare, când potenţialul neutrului este acelaşi cu potenţialul pământului, prin bobina de stingere nu circulă nici un curent.

Pentru determinarea curenţilor suplimentari ce iau naştere la punerea la pământ a unei faze (spre exemplu c, fig. 1.12) se poate aplica teorema lui Thévenin, considerându-se numai reţeaua pasivă şi tensiunea V aplicată la locul de punere la pământ.

Fig. 1.12. Reţea cu neutrul tratat prin bobină de stingere.Sub acţiunea tensiunii V se creează doi curenţi:

– Un curent capacitiv , corespunzător capacităţilor liniei faţă de pământ. Aceşti curenţi se închid prin capacităţile faţă de pământ ale reţelei şi prin înfăşurările transformatorului.

– şi un curent inductiv IL, forţat prin bobina de stingere şi faza pusă la pământ.

Cei doi curenţi, defazaţi faţă de tensiunea V înainte, respectiv în urmă, cu aproape 90, se suprapun la locul de punere la pământ, obţinându-se un curent rezidual Ir (fig. 1.13):

(6)sau, neglijând componentele active ale curentului, se obţine:

(7)

Relaţia (7) s-a scris luând în considerare numai reactanţele celor două circuite.

Fig. 1.13. Diagrama fazorială a curenţilor circuitelor reţelei pasive din fig. 1.12.

Curentul rezidual prezintă următoarele caracteristici:



– este mult mai mic decât curentul capacitiv de punere la pământ, deci toate efectele acestuia vor fi mult diminuate;

– faza curentului rezidual este apropiată de faza tensiunii V, fapt ce va favoriza stingerea spontană a arcului electric stabilit la locul punerii la pământ; datorită îmbunătăţirii condiţiilor de stingere, curentul rezidual poate lua valori mult mai mari (20 – 30 A), fără a exista pericolul de reaprindere a arcului.

Pentru a obţine un avantaj maxim, adică un curent rezidual minim, bobina se va alege astfel încât curentul rezidual să fie nul, adică:

rezultând

(8)

Relaţia (8) exprimă condiţia de rezonanţă a circuitului paralel echivalent format de cele două ramuri: bobina de stingere şi capacităţile de serviciu pe frecvenţa .

De remarcat faptul că, în realitate, datorită rezistenţelor diferitelor elemente ale circuitului, nu se poate obţine o compensare totală a curentului capacitiv şi ca urmare întotdeauna .

Problemele bobinei de stingere

Aspectele care prezintă interes la tratarea neutrului prin bobina de stingere sunt: a) stabilirea valorii reactanţei bobinei, b) construcţia bobinei de stingere, c) legarea la reţea a bobinei atunci când neutrul nu este accesibil.

a) Valoarea reactanţei bobinei XN se stabileşte avându-se în vedere regimul de avarie al reţelei (punerea la pământ a unei faze) şi regimul normal de funcţionare.

Din punctul de vedere al regimului de avarie se doreşte ca curentul rezidual să aibă o valoare cât mai mică, la limită chiar zero. Pentru aceasta este necesar ca curentul capacitiv de punere la pământ să fie egal cu cel care circul prin bobină, adică , ceea ce reprezintă condiţia de rezonanţă paralelă.

Dar, în regim normal de funcţionare, din cauza inegalităţii capacităţilor fazelor, îndeosebi la LEA, depunerii neuniforme de murdărie pe izolatoare, montării nesimetrice a transformatoarelor de măsură, etc. se produce o uşoară deplasare a potenţialului neutrului faţă de pământ (sursă de tensiune în circuitul serie; bobină - înfăşurări secundare transformator - capacităţi homopolare linii) care va conduce la apariţia unor curenţi foarte mari în reţea la conectarea bobinei de stingere acordată la rezonanţă. Din acest motiv valoarea reactanţei bobinei XN se stabileşte astfel încât curentul inductiv prin aceasta să nu compenseze total curentul capacitiv de punere la pământ, adică ( ). Principial se poate funcţiona fie cu o subcompensare, adică , fie cu o supracompensare . În practică se preferă o supracompensare cu 10-15, deoarece în cazul în care s-ar adopta subcompensarea este posibil ca în exploatare, ca urmare a deconectării unei linii alimentate din secumdatul transformatorului să se ajungă la condiţia de rezonanţă prin scăderea reactanţei capacitive totale a liniilor electrice. Nu la fel se pune problema în cazul reţelelor subterane unde gradul de nesimetrie este foarte redus. În acest caz se poate funcţiona foarte aproape de rezonanţă.

b) Din punct de vedere constructiv, bobina de stingere este asemănătoare cu un transformator monofazat, având înfăşurarea primară dispusă pe un miez de fier introdus într-o cuvă metalică şi răcită cu ulei de transformator. Curentul care străbate bobina în timpul funcţionării acesteia este puţin mai mare decât curentul de punere la pământ al reţelei electrice la care este montată bobina:



Deoarece bobina funcţionează un număr redus de ore, respectiv doar atunci când are loc o punere la pământ aceasta nu ajunge practic să atingă temperatura de regim staţionar pentru care a fost construit. Din acest motiv, în funcţie de durata cât se prevede să funcţioneze reţeaua cu punere la pământ, se adoptă pentru înfăşurarea bobinei o densitate de curent mult mai mare decât cea economică. Durata prevăzută pentru funcţionarea cu punere la pământ depinde de modul de exploatare al reţelei electrice; astfel, odată cu semnalizarea punerii la pământ, semnalizare realizată chiar de curentul care trece prin bobină, o echipă de specialişti se deplasează pe teren pentru remedierea defectului. În general, se admite funcţionarea reţelei cu punere la pământ un interval între ½ ore si 2 ore, în funcţie de importanţa liniei, de zona traversată, de timpul necesar detectării şi înlăturării defectului. Dacă defectul nu se poate înlătura atunci reţeaua se deconectează.

Lungimea reţelei electrice se poate modifica în timpul funcţionării, astfel că, pentru a modifica valoarea reactanţei bobinei, poziţia miezului este variabilă, iar uneori înfăşurarea este prevăzută cu prize (7...10 prize), ceea ce va permite modificarea curentului inductiv.

Pe miezul bobinei este prevăzută o înfăşurare suplimentară folosită pentru protecţia prin relee. Ea va indica prezenţa unei componente de secvenţă zero (homopolară) a curentului.

c) În cazul în care neutrul transformatorului nu este accesibil (adică înfăşurările acestuia sunt conectate în stea) este necesar să se folosească montaje speciale pentru compensarea curenţilor capacitivi.

Cu toate avantajele menţionate, tratarea neutrului cu bobină de stingere nu este eficientă în cazul reţelelor extinse, îndeosebi a celor subterane cu pierderi active mari (cum sunt cele cu izolaţie de PVC de 6 kV sau 10 kV) sau la puneri la pământ cu impedanţă de defect mare.

Dintre avantajele soluţiei de tratare a neutrului cu bobină de stingere se pot menţiona: dacă pe o linie electrică apare o punere la pământ, protecţia acesteia nu o

deconectează ci numai semnalizează punerea la pământ, linia funcţionând cu defect fie până trece vârful de sarcină sau se iau alte măsuri de alimentare a consumatorilor care ar fi afectaţi prin scoaterea de sub tensiune a liniei electrice. În România se foloseşte doar parţial tratarea neutrului prin bobină de stingere în reţelele electrice de medie tensiune;

elimină probabilitatea reaprinderii arcului electric după stingerea acestuia la prima trecere prin zero a curentului şi deci pericolul apariţiei unor supratensiuni dispare;

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

ameliorarea condiţiilor de funcţionare ale întreruptoarelor în sensul că numărul de declanşări este mult mai mic.

Dezavantajele mai importante ale acestui sistem de tratare sunt: în cazul punerii la pământ a unei faze tensiunea fazelor sănătoase faţă de pământ

cresc (pot creşte) până la valoarea tensiunii între faze, ceea ce impune ca izolaţia să fie dimensionată pentru o tensiune de solicitare egală cu tensiunea între faze. În plus, spirele dinspre punctul neutru al înfăşurării transformatorului trebuie să fie izolate pentru tensiunea de fază şi nu apropiată de zero ca în cazul neutrului netratat, în timp ce spirele dinspre linie trebuie să fie dimensionate la valoarea tensiunii între faze.

costul mărit al izolaţiei şi echipamentului aferent; transformarea din defect monofazat în defecte polifazate, dificultăţi în selectarea plecării defecte (mai ales în situaţia unor puneri la pământ cu

impedanţă mare de defect), complicarea instalaţiilor de protecţie prin relee.

Bobina de stingere se montează în staţii diferite astfel încât valoarea lor totală să satisfacă condiţia impusă la rezonanţă.



Cap. 1.5. REŢELE CU NEUTRUL LEGAT EFECTIV

Pentru reţelele electrice cu tensiuni nominale punctul neutru al unui sau mai multor transformatoare din fiecare staţie de transformare se leagă direct la pământ printr-o legătură netă, solidă. În acest caz, orice punere la pământ a unei faze reprezintă un scurtcircuit monofazat care, având valori mari, determină acţionarea protecţiei prin relee şi în consecinţă deconectarea circuitului avariat.

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

Dezavantajul constă în faptul că orice punere la pământ a unei faze determină scoaterea din funcţiune a circuitului respectiv.

În plus, scurtcircuitul fiind nesimetric perturbă instalaţiile de telecomunicaţii şi semnalizări feroviare precum şi transmisiile radiofonice şi TV situate în vecinătate, constituind principalul dezavantaj al legăturii directe la pământ.

În regim permanent situaţia este identică cu cea de la cazul reţelei cu neutrul izolat.Dacă una dintre faze (de exemplu, faza c) este pusă la pământ, valorile curenţilor capacitivi şi ai tensiunilor se modifică.

Din figura 14 se observă că datorită apariţiei arcului electric se formează două circuite prin care circulă curentul de scurtcircuit. Curenţii care circulă prin cele două circuite şi

sunt determinaţi de reactanţele de dispersie ale transformatorului, de impedanţele liniei, respectiv ale căii de închidere prin pământ. Acestea având valori mici, curentul de punere la pământ, denumit în acest caz curent de scurtcircuit, atinge valori mari şi în consecinţă linia cu defect va fi deconectată de protecţiile prin relee.

Fig. 14. Circulaţia curentului de scurtcircuit monofazat într-o reţea trifazatăcu un nul legat rigid la pământ şi altul izolat.

Întrucât capacităţile liniei sunt mici, curentul capacitiv este redus şi poate fi neglijat în continuare. Spre deosebire de cazul reţelelor electrice cu neutrul izolat, în reţelele electrice cu neutrul legat la pământ, curentul de punere la pământ (de scurtcircuit) are un pronunţat caracter inductiv şi determină căderi importante de tensiune.

Deoarece între neutrul N al transformatorului şi pământ există o legătură metalică (rigidă), potenţialul N al transformatorului este ţinut rigid (riguros) la potenţialul pământului. Din acest motiv potenţialul fazelor sănătoase faţă de pământ rămân la valoarea tensiunii de fază, iar faza cu punere la pământ este practic la potenţialul pământului.

Pornind de la expresia curentului monofazat de punere la pământ:



şi, prin faptul că există o legătură rigidă la pământ, impedanţa legăturii fiind , vom obţine

sau

În plus, dacă se neglijează admitanţele capacitive ale liniilor, respectiv componenta curentului capacitiv de scurtcircuit şi totodată se neglijează parametrii de secvenţă zero ai liniei în raport cu cei ai transformatorului, rezultă . Deci:

cu menţiunea Din analiza ultimei relaţii se constată că valoarea curentului de scurtcircuit depinde în

principal de conexiunea înfăşurărilor transformatorului şi de construcţia miezului magnetic al acestuia.

În majoritatea cazurilor scurtcircuitele monofazate sunt trecătoare şi pentru eliminarea efectelor lor se utilizează sistemele RAR (Reanclanşare Automată Rapidă) prin care, după deconectarea defectului urmează o pauză de RAR şi apoi linia se reconectează. Pauza de RAR trebuie să fie suficient de mare pentru a putea asigura stingerea arcului electric considerat trecător, dar nu prea mare pentru a nu periclita siguranţa reţelei şi stabilitatea sistemului. Deconectarea liniilor electrice poate să fie monofazat sau trifazat.

Dacă impedanţa de secvenţă zero a transformatorului este mai mică decât impedanţa de secvenţă pozitivă a reţelei, atunci curentul se scurtcircuit monofazat devine mai mare decât curentul de scurtcircuit trifazat, pentru care sunt dimensionate toate aparatele de comutaţie din reţea.

Din punct de vedere al tensiunilor pe fază, dacă rezistenţa de legare la pământ ar fi în mod ideal nulă, în cazul punerii la pământ a unei faze tensiunile fazelor sănătoase faţă de pământ ar trebui să rămână neschimbată. În realitate, rezistenţa prizei de legare la pământ, deşi are o valoare foarte mică, produce o cădere de tensiune datorată intensităţii foarte mai a curenţilor de scurtcircuit monofazat. Ca urmare potenţialul neutrului nu rămâne egal cu zero ceea ce face ca tensiunile fazelor sănătoase să crească într-o oarecare măsură. Din această cauză, se impune ca periodic să se facă verificarea prizei de pământ deoarece încălzirea puternică a acesteia la trecerea curenţilor de scurtcircuit monofazat provoacă o creştere a rezistenţei pământului (prin coacere) şi neutrul riscă să fie legat la pământ printr-o impedanţă ridicată, fără ca specialiştii din exploatare să cunoască acest lucru. Pentru a menţine valoarea rezistenţei se practică udarea pământului din staţie, caz în care rezistenţa va scădea.

Pentru a obţine o rezistenţă mică a prizei de pământ de ordinul zecilor de ohmi se folosesc circa 100 electrozi, fiecare având o rezistenţă de 25...30 Ω.

În exploatare se vor avea în vedere două lucruri: Conform recomandărilor CEI, la reţelele electrice cu neutrul legat direct la

pământ, tensiunile fazelor sănătoase nu trebuie să depăşească 0,8 din tensiunea între faze, în cazul unui scurtcircuit monofazat.

În acelaşi timp, intensitatea curenţilor de scurtcircuit monofazat nu trebuie să depăşească pe cea a curenţilor de scurtcircuit trifazat.

Respectarea acestor condiţii impune un anumit raport între reactanţa de secvenţă zero şi cea de secvenţă pozitivă a reţelei electrice, determinate la locul de scurtcircuit:



o valoare corespunde condiţiei

o valoare apare din considerentul că tensiunile şi pe fazele sănătoase să

nu depăşească 0,8 din tensiunea între faze (nu apar supratensiuni pe fazele sănătoase)

În practica de exploatare aceste condiţii se realizează legând direct la pământ numai punctele neutre ale unora din transformatoare, celelalte rămânând izolate. În general, se recomandă ca în fiecare instalaţie electrică de înaltă tensiune se existe cel puţin un transformator cu neutrul legat direct la pământ.


Curs tratarea neutrului scurt

Documents

Transcript of Curs tratarea neutrului scurt