UNIVERSITATEA "DUNĂREA DE JOS" GALAŢI FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ŞI ELECTRONICĂ

CATEDRA EMIE Adresa: Galati, 800146, Str. Ştiinţei, nr. 2

Nr. telefon / fax: 0236 470905 E-mail: Ion.Voncila@ugal.ro

Fenomene electrice cu impact asupra mediului

Note de curs

ION VONCILĂ

GALAŢI

2008

1

Capitolul 1

1. 1. Generalităţi privind compatibilitatea electromagnetică

Disciplina „Fenomene electrice cu impact asupra mediului” face parte dintr-un domeniu

cu o arie foarte largă – la ora actuală – ce reuneşte totalitatea proceselor, metodelor şi mijloacelor

ce caracterizează atât interacţiunea continuă a sistemelor dezvoltate pe baza câmpului

electromagnetic cu mediul ambiant cât şi soluţiile utilizate pentru atenuarea efectelor negative

ale acestei interacţiuni, domeniu ale cărei probleme specifice sunt reunite sub sintagma

„compatibilitate electromagnetică”.

Dezvoltarea fără precedent – în ultimele decenii – a ştiinţei şi tehnicii au reclamat apariţia

– pe lângă multiplele studii privind creşterea efectului util a sistemelor ce utilizează câmpul

electromagnetic pentru dezvoltarea de forţe – şi a numeroase cercetări privind apariţia de efecte

nocive ale acestor sisteme. Astfel, privind economia ca un sistem integrat, multitudinea de

subsisteme ce interacţionează continuu pentru viabilitatea acesteia – trebuie să îmbrace o

caracteristică nouă: să funcţioneze la parametrii proiectaţi şi, totodată, să perturbe cât mai puţin

funcţionarea subsistemelor din vecinătatea lor. O astfel de idee este înglobată în conceptul de

compatibilitate electromagnetică.

Prin definiţie compatibilitatea electromagnetică este disciplina care are scopul de a reda

capabilitatea de funcţionare a aparatelor sau componentelor sensibile şi de a stabili influenţele

asupra fiinţelor vii aflate în medii electromagnetice perturbatoare.

Scopul compatibilităţii electromagnetice este de a studia următoarele aspecte:

o cauzele de producere a perturbaţiilor;

o propagarea perturbaţiilor;

o mijloacele de reducere a perturbaţiilor precum şi metode de protecţie a instalaţiilor

contra perturbaţiilor;

Pentru prezentarea fenomenelor compatibilităţii electromagnetice se folosesc următoarele

noţiuni:

vector de energie;

vector de informaţie;

perturbator sau sursă – care este de regulă un element aflat la nivel energetic înalt;

element perturbat sau victimă – care este de regulă un aparat electronic purtător de

informaţie sau o fiinţă vie.

2

În ceea ce priveşte reţelele electrice, procesul de modernizare – dezvoltare se face şi prin

introducerea mijloacelor informatice şi electronice purtătoare de informaţii, dintre care

enumerăm:

• aparataj de telecomandă;

• aparataj de telecomunicaţii;

• aparataj de telemăsură;

• aparataj informatic de control şi gestiune a energiei electrice.

Sursele de perturbare - în cazul reţelelor electrice – le constituie: defectele

(scurtcircuitele), descărcările atmosferice, în special loviturile de trăznet, regimul nesimetric şi

efectul Corona în cazul reţelelor de înaltă tensiune. În toate aceste cazuri apar fenomene electrice

ce pot influenţa – în mod radical – atât aparatele electrice şi electronice cât şi fiinţele vii (mediul

biotic).

Pentru ca aparatajul foarte sensibil – folosit în cadrul reţelelor electrice – să poată asigura

controlul şi buna funcţionare a aparatajului primar, în condiţii perturbatoare, aparatura electrică

trebuie compatibilizată.

În acest scop este necesară atât găsirea modelelor care să pună în evidenţă interacţiunile

dintre perturbator şi perturbat cât şi a mijloacelor practice care să permită validarea calculelor

astfel încât să poată fi luate măsurile care se impun în fiecare caz particular al diverselor medii

perturbate.

1.2 Relaţia perturbator - perturbat

Semnalele se transmit de la un emiţător spre unul sau mai multe receptoare printr+un

sistem de transmisie care poate fi de tip difuz (unde hertziene) sau de tip canalizat (canale

hertziene): cabluri telefonice, fibre optice etc.

Legătura între sursele de perturbaţie şi echipamentele perturbate se realizează prin mediul de cuplaj (fig.1.1).

Fig. 1.1 Modul de transmitere al perturbaţiilor de la sursă la receptor

SURSA DE

PERTURBATII (EMITATOR)

MEDIU DE CUPLAJ

SISTEM PERTURBAT (RECEPTOR)

3

Un sistem electric poate fi afectat de o perturbaţie electromagnetică prin patru căi şi

anume:

cuplaj galvanic (conducţie);

cuplaj inductiv;

cuplaj capacitiv;

cuplaj prin radiaţie.

În tabelul 1 sunt prezentate – pentru exemplificare – atât cazuri de surse de perturbaţie şi

elemente perturbate cât şi mediile particulare de cuplaj (legătură) dintre acestea.

Tabelul 1

Surse perturbatoare Mediu de cuplaj Echipament perturbat

Emiţătoare de comunicaţie

Emiţătoare radar

Emiţătoare de radionavigaţie

Oscilatoare locale

Motoare electrice

Contactoare

Ruptoare

Tuburi fluorescente

Aparate industriale, medicale

etc.

Linii de energie electrică

Manevre de comutare ale

aparatajului primar din reţelele

electrice

Descărcări atmosferice

Distanţa în spaţiu (aer)

Materiale absorbante

Filtre

Cuplaje prin mase

Cuplaje între cabluri vecine

Conductoare de alimentare

Receptoare de comunicaţie

Receptoare radio de

telecomunicaţii

Receptoare de telemăsură

Receptoare de radio, TV

Ordinatoare şi periferice

Detectoare

Captatoare

Amplificatoare analogice

Echipament electric din reţele

electrice

Elementele perturbatoare – după cum rezultă din tabelul 1 – pot fi de origine naturală şi

artificială. Perturbaţiile artificiale, la rândul lor, pot fi:

- intenţionate;

- neintenţionate.

Din categoria celor intenţionate enumerăm: bruiajul electromagnetic, bruiajul radio,

impulsuri electromagnetice de origine nucleară etc..

4

Perturbaţii neintenţionate se produc – de exemplu - de către curenţii de scurtcircuit care

determină inducerea de tensiuni sau curenţi în circuitele electronice şi prin curenţii slabi induşi

determină apariţia diafoniei între circuitele integrate.

În ceea ce priveşte relaţia perturbator – perturbat se disting următoarele tipuri de

interacţiuni:

Echipament electric asupra altui echipament electric

manevre în reţelele electrice;

radiaţia datorată arcului electric;

interferenţe radio.

Mediu asupra echipamentului electric

descărcări electrostatice;

lovituri de trăznet;

fulgere;

bruiaj atmosferic.

Echipament electric asupra mediului

efecte biologice asupra organismelor vii.

1.3. Etapele compatibilizării

A asigura compatibilitatea electromagnetică presupune:

a reduce perturbaţiile sursei la valori admisibile;

a dota aparatele, echipamentele şi sistemele cu un grad de imunitate rezonabil;

a asigura la instalarea aparatelor, echipamentelor şi sistemelor măsurile necesare.

Referitor la metodele de compatibilizare ale sistemelor perturbatoare se disting două

etape şi anume:

- calculul cu ajutorul modelului;

- măsurările experimentale.

Dacă metoda de calcul este validată de măsurătorile experimentale, efectele diferitelor

mijloace de intervenţie pot fi testate cu ajutorul modelelor alese. Soluţia cea mai eficace va fi

pusă în operă şi verificată încă o dată prin măsurare.

Etapele calculului cu ajutorul modelului sunt:

- stabilirea schemei echivalente;

- calculul numeric al fenomenelor tranzitorii.

În ceea ce priveşte eficienţa este importantă alegerea momentului de aplicare a măsurilor

5

de compatibilizare. În cazul unui aparat, de exemplu, care va sta sigur în condiţii de mediu

perturbat, cel mai bun moment este în stadiul de proiectare al produsului. Această abordare dă

cele mai bune rezultate atât din punct de vedere tehnic cât şi economic.

Alegerea mijloacelor economice admisibile se face plecând de la stabilirea bilanţului

între costul pentru imunizare şi câştigul obţinut prin compatibilizare. Câştigul este adesea greu

de cifrat ca şi riscurile consecinţelor necompatibilizării. Conform legii, responsabili pentru

eventualele neajunsuri produse, sunt: proiectantul, constructorul şi cel ce pune instalaţia în

exploatare. Exemplu: faţada metalică a unei clădiri reflectă undele electromagnetice perturbând

transmisiile TV; constructorul trebuie să schimbe fie faţada, fie să plătească un nou releu TV.

Este un deziderat pentru viitor din care rezultă un vast câmp de acţiune pentru inginerii

chemaţi să construiască noile prototipuri de aparate.

În momentul de faţă multe echipamente nu au condiţii de a lucra în medii perturbate sau

de a răspunde severităţii normelor. În aceste condiţii alegerea momentului de aplicare a

măsurilor de compatibilizare trebuie făcută de la caz la caz.

6

Capitolul 2

2.1. Moduri de cuplare a circuitelor electrice

Modurile de cuplare între sursa de perturbaţie şi elementul perturbat pot fi clasificate în

conformitate cu următoarele criterii:

După natura perturbaţiei şi a suportului pe care acestea se propagă, avem:

o propagarea tensiunii sau curentului pe cale galvanică, unde suportul este un

material de conductivitate ridicată;

o propagarea câmpului electromagnetic pe un suport neconductor (aer, izolant de

altă natură) sau conductor (blindaje metalice).

În acest din urmă caz, cuplajul poate fi:

• inductiv, dacă circuitul perturbator este parcurs de un curent de valoare mare care crează

un câmp magnetic de intensitate mare. Cuplajul se face prin fluxul magnetic care îmbraţişează

circuitul perturbat şi se defineşte o inductivitate mutuală între sursă şi elementul perturbat,

inductivitate ce caracterizează cuplajul (fig. 2.1);

Fig. 2.1. Cuplajul inductiv dintre două spire (ochiuri de reţea) şi posibilitatea amplificării

nedorite a efectului negativ

7

• capacitiv, dacă circuitul perturbator se găseşte la un potenţial ridicat în raport cu o

referinţă (pământul) ceea ce crează un câmp electric ridicat între sursă şi victimă. Cuplajul este

caracterizat prin capacitatea echivalentă între circuitul perturbator şi cel perturabat (fig. 2.2);

Fig. 2.2. Apariţia cuplajelor capacitive între conductoarele de transmitere a semnalelor şi

masă la un cablu plat (potenţiale diferite între conductoarele de transmitere a semnalului şi

masă)

• prin radiaţie – dacă circuitele perturbator şi perturbat sunt astfel depărtate încât

inductivitatea mutuală şi capacitatea echivalentă dintre ele sunt slabe.

După raportul dintre dimensiunile sursei, ale suportului de cuplaj şi ale victimei şi

lungimea de undă a fenomenului (λ ):

- dacă dimensiunile circuitului perturbator sunt mult mai mici decât

lungimea de undă a fenomenului ( λ⟨⟨l ) avem ceea ce se cheamă fenomene de joasă frecvenţă şi

nu este necesar să se ţină cont de propagarea fenomenelor ( l fiind lungimea circuitului iar λ

lungimea de undă);

- dacă dimensiunile au acelaşi ordin de mărime sau mai mari decât

lungimea de undă ( λ⟩l ) este necesară luarea în consideraţie a propagării fenomenului. Această

categorie de fenomene se va numi, în continuare, de înaltă frecvenţă.

Între lungimea de undă a fenomenului (λ ) şi frecvenţa ( f ) sa există următoarea relaţie

de legătură, de inversă proporţionalitate: [ ]mf

8103 ⋅=λ .

8

Fig. 2.3.. Modul de propagare a perturbaţiilor în raport cu distanţa faţă de sursă (emiţător)

Cuplajele inductive şi capacitive, prezentate mai sus, apar în cazul fenomenelor de joasă

frecvenţă, în imediata vecinătate a sursei perturbatoare. Spunem că aceste cuplaje se manifestă în

câmp apropiat (fig.2.3.). În cazul fenomenelor de înaltă frecvenţă, când apare cuplajul prin

radiaţie, discutăm de o manifestare în câmp depărtat (fig. 4.). În cazul cuplajului prin radiaţie

apare o particularitate: câmpurile E şi H care se manifestă distinct la frecvenţe joase, se

combină, practic, într-o undă plană pentru care raportul HEZ = - numit impedanţa undei –

depinde, doar, de caracteristicile mediului de propagare 0ε - permitivitatea absolută a vidului,

respectiv, 0μ - permeabilitatea magnetică absolută a vidului. Mai mult, această impedanţă are, în

câmp depărtat o valoare constantă (egală cu impedanţa caracteristică a vidului), respectiv:

[ ]Ω==== 3771200

0 πεμ

HEZ .

După maniera în care perturbaţia atinge victima, avem:

- cuplaj de mod comun (fig. 2.4.);

- cuplaj de mod diferenţial (fig.2.5.).

Cuplajul de mod comun (prin impedanţă comună) apare atunci când două ochiuri ale unei

reţele au un tronson comun (o latură comună) a cărei impedanţă nu poate fi neglijată (fig.2.4.).

Curentul ce trece prin ochiul 1 (O1) va genera o cădere de tensiune în ochiul 2 (O2), motiv

pentru care va apare şi o circulaţie de curent prin laturile acestui ochi. În modul acesta receptorul

R va fi perturbat (pentru o fiinţă vie termenul de victimă este deosebit de adecvat, în acest caz).

9

Fig. 2.4. Cuplaj prin impedanţă comună (de mod comun)

Fig. 2.5. Cuplaj de mod diferenţial

În cazul cuplajelor de mod diferenţial nu mai există o legătură conductoare între emiţător

şi receptor. Interacţiunea dintre perturbator şi perturbat se manifestă, practic, prin fenomene

specifice cuplajelor de câmp apropiat.

2.2. Cuplajul galvanic al circuitelor electrice

Acest cuplaj este răspunzător – la scară macroscopică – de majoritatea fenomenelor

electrice cu puternic impact asupra mediului (atât asupra aparatelor cât şi a mediului biotic), din

cadrul reţelelor electrice.

Un astfel de cuplaj are loc când legătura galvanică există între sistemul perturbator şi

sistemul perturbat. În acest caz curentul creat de sursa de perturbaţie se scurge prin legătură spre

elementul perturbat.

2.2.1. Semnale electrice perturbatoare ale cuplajului galvanic

Se pot distinge mai multe cazuri tipice de semnale electrice perturbatoare care se propagă

pe cale galvanică:

• curenţi tranzitorii în circuitele de putere generaţi de:

- anclanşarea sau declanşarea întreruptoarelor, contactoarelor, disjunctoarelor şi arderea

fuzibilelor;

10

- lovituri de trăznet directe sau indirecte asupra unei linii aeriene sau asupra unei instalaţii

electrice exterioare (transformator, disjunctor).

• curenţi tranzitorii în circuitele de transmisie a informaţiei sau electronice generaţi de:

- cuplaj prin câmp electromagnetic al unei perturbaţii externe datorate unui circuit de putere

(linie de energie parcursă de un curent puternic) sau al unei lovituri de trăznet în apropiere;

- cuplaj prin impedanţă de masă comună între două sau mai multe circuite electrice.

• curenţi tranzitorii în circuitele de legare la pământ.

• curenţi deformaţi de consumatori ce au caracateristici neliniare în reţelele industriale.

Elementele ce au caracteristici neliniare pot fi: instalaţiile de reglaj ale electronicii de putere;

lămpile cu descărcări în gaze; micile aparate cu redresor încorporat.

Tipic pentru cuplajul galvanic este perturbaţia unui microprocesor care controlează

funcţionarea unui utilaj (maşină unealtă) prin curenţi sub formă de impuls în legăturile de

pământ. Toate elementele acestei instalaţii: ecran, claviatură, memorie, unitatea de disc ca şi

maşina unealtă sunt alimentate de la aceeaşi reţea de 220 V c.a. (50 Hz). În montajul iniţial toate

masele sunt legate la carcasele diferitelor unităţi care sunt puse la pământul reţelei. Închiderea şi

deschiderea contactelor în timpul funcţionării maşinii unelte generează supratensiuni tranzitorii

care sunt injectate în pământul reţelei, de unde urcă prin masele electronice în microprocesor,

perturbându-l. Pătrunderea perturbaţiilor în aparatura electronică sensibilă poate fi evitată

decuplând pământul maşinii unelte de la cel al ansamblului microprocesor şi introducând un

transformator de decuplare (separare) în alimentarea maşinii unelte. În plus, în scopul evitării

formării de bucle de pământ în care fluxurile parazite produse de funcţionarea maşinii unelte ar

putea circula, trebuie deconectate masele de la carcasă, cu excepţia unuia dintre aparate.

Alegerea aparatelor a căror legătură se va deconecta de la masă se va face ţinându-se cont de

valorile capacităţilor parazite; se vor deconecta, astfel, aparatele care au capacitatea parazită cea

mai mare (între două plecări care rămân conectate), deoarece – la înaltă frecvenţă – această

impedanţă va fi mai redusă.

2.2.2. Modelarea matematică a cuplajului galvanic

Calculul curentului cuplajului galvanic trebuie făcut ţinând cont de frecvenţa

fenomenului perturbator.

La joasă frecvenţă calculul se face cu ajutorul teoriei circuitelor (metodele discutate la

disciplina de Electrotehnică) iar la înaltă frecvenţă este necesar să se ţină cont de propagarea

fenomenelor tranzitorii.

A. La joasă frecvenţă

Dacă lungimea undei fenomenului perturbator este mult mai mare decât dimensiunile

circuitului perturbat (de exemplu, la 50 Hz, km6000=λ ) este posibilă efectuarea calculelor

11

folosind schemele cu parametri concentraţi şi constanţi (rezistenţe, inductivităţi, capacităţi) –

fig. 2.6.

Fig. 2.6. Exemplu de circuit electric cu parametri concentraţi şi constanţi

Cum problemele de perturbaţii la 50 Hz se întâlnesc cel mai adesea în cazul reţelelor de

alimentare cu energie de joasă tensiune, mărimea principală care intervine în aceste calcule este

impedanţa reţelei, în general greu de cunoscut şi dificil de determinat. Exemplul din fig.7 indică

soluţia care trebuie folosită în practică (în cadrul măsurătorilor), respectiv utilizarea reţelelor

artificiale ai căror parametri sunt daţi (ele sunt construite ca atare).

B. La înaltă frecvenţă

Dacă lungimea de undă a fenomenului perturbator devine comparabilă circuitelor

perturbate (de exemplu la 100 MHz, m3=λ ) este necesar să se ţină cont de propagarea

curentului în liniile care constituie cuplajul galvanic între sursă şi elementul perturbat.

În acest caz, circuitele trebuie modelate cu ajutorul elementelor repartizate (rezistenţe,

inductivităţi, capacităţi, raportate la unitatea de lungime).

În ceea ce priveşte modelarea matematică a celorlalte cuplaje de transmitere a

perturbaţiilor (atât la joasă frecvenţă – câmp apropiat cât şi la înaltă frecvenţă – câmp depărtat),

problemele sunt mult mai complicate (mai ales cele legate de radiaţiile electromagnetice) astfel

încât ele nu fac obiectul prezentului curs, rămânând ca tratarea lor să se facă, doar, pentru

specialiştii în domeniu.

ZN

CK

250μH L1

250μH N

250μH PE

ZN

CK

UP2 UP1

Reţea Reţea artificială Obiect de incercat

Bobine de decuplare – izolează obiectul de încercat în raport cu frecvenţele înalte care arputea pătrunde din reţeaua de alimentare

Condensatoare de cuplaj – creează o cale directă pentru curentul perturbator către impedanţele normate ale reţelei

12

Capitolul 3

3.1. Perturbaţii electromagnetice în reţelele de joasă tensiune

3.1.1. Clasificarea perturbaţiilor în reţelele de joasă tensiune

Se înţelege prin perturbaţii electromagnetice în reţelele de joasă tensiune, perturbaţiile de

diferite forme şi durate care se produc în reţelele electrice de distribuţie de joasă tensiune.

Frecvenţa acestora poate fi cuprinsă între zero (componenta continuă) şi câteva sute de

kHz sau câţiva MHz.

Clasificarea perturbaţiilor electromagnetice din reţelele de joasă tensiune este redată în

tabelul 2.

Tabelul 2

Nr.crt. Tipul perturbaţiei Frecvenţa Perioada

1 Componenta continuă de

tensiune/curent

0 0

2 Fluctuaţie lentă (0-1) Hz ⟩ 1 s

3 Fluctuaţie rapidă (1-50) Hz (0,02-1) s

4 Nesimetria sistemului trifazat 50 Hz 20 ms

5 Armonici de tensiune/curent (50-2500) Hz (0,4-20) ms

6 Microîntreruperi şi goluri de tensiune (0,1-10) kHz (0,1-9,9) ms; ⟩ 10 ms

7 Supratensiuni (0,1-30) kHz (1-2500) ms

În cadrul acestui capitol vor fi tratate, pe scurt, toate aceste categorii de perturbaţii.

13

3.1.2. Componenta continuă de tensiune/curent

Într-o reţea electrică cu tensiune sinusoidală o componentă continuă rezultă dintr-o

valoare medie nenulă. Este cunoscut faptul că tensiunea sinusoidală din sistemul energetic are o

valoare medie egală cu zero (fig. 8).

Pentru un semnal (o tensiune) de forma:

tUtu m 11 sin)( ω= (3.1.)

unde: mU1 este amplitudinea maximă a sinusoidei (indicele 1 semnifică faptul că este vorba de

armonica de ordinul întâi numită şi armonică fundamentală);

11 2 fπω = - este pulsaţia armonicii fundamentale ( 1f fiind frecvenţa, respectiv 50 Hz), valoarea

medie a tensiunii – pe o perioadă, π2=T – se determină cu relaţia:

0)sin(21)(1

0

2

011 === ∫ ∫

T

mmed tdtUdttuT

Uπ

ωπ

. (3.2)

Se poate uşor reţine acest rezultat ţinând cont de interpretarea geometrică a integralei ca

arie închisă de curba specificată. În cazul nostru, integrala pe o perioadă a semnalului sinusoidal

presupune existenţa celor două arii mărginite de curba tensiunii, notate cu 1A , respectiv, 2A . Se

constată, din grafic (fig. 3.1.) că există următoarea particularitate: 12 AA −= . Ca urmare, valoarea

integralei, pe o perioadă, obţinută ca sumă a celor două arii este: ( ) 01121 =−+=+ AAAA .

Fig. 3.1. Variaţia tensiunii în reţelele de joasă tensiune şi joasă frecvenţă (50 Hz)

În cazul în care semnalul de tensiune nu mai are o formă sinusoidală (fig.3.2 şi 3.3) nici

valoarea medie a acestui semnal - pe o perioadă – nu va mai fi egală cu zero. În fig. 3.2. suma

celor două arii, ce reprezintă valoarea integralei semnalului de tensiune dată de relaţia (3.2) –

deci, valoarea medie a tensiunii redresate – este: 0121 ≠=+ AAA , deoarece 02 =A .

14

Fig. 3.2. Semnal nesinusoidal prin receptor obţinut cu un redresor monofazat

monoalternanţă

a) redresor cu diodă; b) forma tensiunii redresate

Dacă la bornele receptorului (sarcinii) există o tensiune, prin acesta va trece un curent.

Pentru cazul simplu al unui receptor pur ohmic (un rezistor), acest curent va avea aceeaşi formă

de variaţie cu tensiunea aplicată şi va fi în fază cu aceasta. O astfel de situaţie este exemplificată

în fig. 3.3 pentru schemele de redresare monofazată bialternanţă (când semnalele obţinute sunt

tot nesinusoidale). De data aceasta valoarea medie a curentului prin sarcină, pe o perioadă – pe

aceeaşi interpretare ca mai sus - este: 02 121 ≠=+ AAA , deoarece 12 AA = .

Extrapolând, putem spune că orice semnal nesinusoidal de tensiune este însoţit de un

semnal nesinusoidal de curent.

Fig. 3.3. Diverse tipuri de redresoare monofazate bialternanţă forma de undă a curentului

prin sarcină (semnal nesinusoidal)

15

Analiza semnalelor nesinusoidale se face cu ajutorul seriei Fourier (prin descompunerea

semnalului nesinusoidal într-o sumă de semnale sinusoidale). În cazul mărimilor (tensiuni,

curenţi) obţinute de la instalaţiile de redresare (monofazate, dar şi trifazate), la descompunerea în

serie Fourier se obţin şi componente continue ale semnalelor livrate sarcinii (de frecvenţă zero),

componente ce provoacă mari neplăceri în sistemul energetic în care sunt racordate aceste

instalaţii.

În fig. 3.5 este prezentată apariţia unei componente continue în curba curentului rotoric

în cazul alimentării unui motor de c.c. cu excitaţie separată (în primul rând a circuitului său

rotoric) de la un redresor monofazat monoalternanţă (fig. 3.4.).

Fig. 3.4. Schema de principiu de alimentare a unui motor de curent continuu prin intermediul

unor redresoare necomandate monofazate

Fig. 3.5. Armonicile din curba curentului rotoric pentru un motor de curent continuu alimentat

prin intermediul unor redresoare necomandate monofazate

O situaţie asemănătoare este prezentată în fig. 3.7, dar pentru cazul alimentării circuitului

rotoric – al aceluiaşi motor – de la un redresor trifazat (fig. 3.6).

16

Fig. 3.6. Schema de principiu de alimentare a unui motor de curent continuu prin intermediul

unor redresoare necomandate trifazate

Fig. 3.7. Armonicile din curba curentului rotoric pentru un motor de curent continuu alimentat

prin intermediul unor redresoare necomandate trifazate

Existenţa componentei continue de tensiune atrage, după sine, apariţia unei componente

continue de curent. După cum s-a constatat în fig. 3.2 sistemul de redresare se află, de fapt, în

secundarul unui transformator electric. Iată, de ce, primele neplăceri ale existenţei acestor

componente continue (de curent, în ultimă instanţă) se răsfrâng asupra transformatoarelor

electrice. Desigur, şi alte elemente de circuit plasate în sistemul energetic au de suferit datorită

existenţei acestei componente continue.

Componenta continuă de curent generează un câmp magnetic suplimentar şi, ca urmare,

acţionează asupra ciclului de histerezis a circuitelor magnetice (a transformatoarelor mici, a

inductivităţilor cu miez ale filtrului de imunizare la înaltă frecvenţă etc.). Ciclul de histerezis

este, de fapt deplasat – datorită componentei continue – în sens crescător valorilor lui H

(intensitatea câmpului magnetic).

17

Funcţionarea majorităţii aparatelor şi echipamentelor folosite în staţii şi posturi de

transformare este influenţată de calitatea curentului redresat, apreciată prin raportul dintre

componenta activă (valoarea curentului continuu ce străbate sarcina) şi valoarea maximă a

curentului (valoarea maximă a curentului sinusoidal livrat de sursa de curent alternativ

monofazat). De exemplu, redresorul monofazat monoalternanţă provoacă 30 % componentă

activă în raport cu valoarea maximă a curentului. Iată de ce se recomandă utilizarea unor

sisteme de redresare cu un număr mai mare de pulsuri pe o perioadă (bialternanţă, trifazat în

punte cu 6 pulsuri etc.).

3.1.3. Fluctuaţii lente

Aceste fluctuaţii apar datorită schimbării valorii maxime a tensiunii sinusoidale în

intervale de timp mai mari de o secundă. Ele se produc datorită variaţiei permanente a sarcinii la

consumatori şi al reglajului tensiunii în centrale şi staţii şi au efecte negative asupra alimentării

consumatorilor. Punerea în evidenţă a acestor variaţii ale tensiunii se poate face prin măsurători

pe o durată mare: o zi, o săptămână, o lună etc.. Pentru a determina efectele asupra

consumatorilor, astfel de măsurători trebuie făcute în diferite perioade ale anului în care

consumurile de energie electrică se schimbă semnificativ.

În general, aceste fluctuaţii lente generează doar efecte economice şi nu fac obiectul

acestui curs.

3.1.4. Fluctuaţii rapide

Fluctuaţiile rapide constau în modificarea valorii maxime a tensiunii sinusoidale pentru o

durată de 20 ms până la ordinul unei secunde (fig. 3.8.). Fluctuaţiile rapide de tensiune

antrenează o degradare a calităţii tensiunii în reţelele de distribuţie, cu consecinţe nefavorabile

asupra funcţionării normale a unor categorii de receptoare.

18

Fig. 3.8. Definiţii legate de variaţiile de tensiune (conform CEI 555-3)

Efectele negative cele mai pronunţate ale fluctuaţiilor rapide de tensiune sunt

următoarele:

• variaţii bruşte şi repetate ale fluxului luminos emis de lămpile de iluminat care produc o

oboseală fiziologică a ochiului omenesc (efect flicker);

• deformarea imaginii televezoarelor;

• deranjamente în funcţionarea aparatelor de radio;

• deranjamente în funcţionarea aparaturii electrice şi a microprocesoarelor.

3.1.4.1. Efectul de flicker

Prin „flicker” se înţelege senzaţia de jenă fiziologică a ochiului omenesc datorită variaţiei

fluxului luminos emis de sursele de lumină. Consecinţele acestui fenomen au ca efect scăderea

productivităţii muncii., mărirea probabilităţii de eroare a personalului şi consecinţele negative

asupra sistemului vizual.

Senzaţia de jenă fiziologică produsă de flicker asupra ochiului este resimţită în cazul

fluctuaţiilor de frecvenţă cuprinse în domeniul ( )Hz201− , devenind maximă în cazul fluctuaţiei

de Hz10 când pragul de perceptibilitate corespunde unei amplitudini de 0,3 %. Senzaţia de jenă

acumulată într-un interval de timp se evaluează cu ajutorul unei mărimi, numită doză de flicker,

proporţională cu pătratul amplitudinii fluctuaţiei şi cu durata acesteia.

Variaţiile fluxului luminos se datoresc fluctuaţiei valorii eficace a tensiunii, care pot fi:

periodice, cu frecvenţă de ( )Hz255,0 − ;

salturi bruşte de foarte joasă frecvenţă.

19

Experienţele efectuate asupra ansamblului constituit dintr-o lampă cu incandescenţă şi

sistemul vizual al unui observator când tensiunea are fluctuaţii sinusoidale au scos în evidenţă

următoarele:

o senzaţia de jenă resimţită de observator este funcţie de pătratul amplitudinii

fluctuaţiei şi de intervalul de timp cât persistă această perturbaţie;

o la amplitudine constantă, jena maximă este resimţită când frecvenţa fluctuaţiei

este de Hz10 care are un prag de perceptibilitate de max%3,0 U⋅ ;

o este posibil să se obţină aceiaşi senzaţie de jenă la o fluvctuaţie de frecvenţă „ f ”

şi amplitudine „ fa ” ca în cazul fluctuaţiei de Hz10 cu amplitudine „ 10a ”. În acest caz avem:

ff aga ⋅=10 , (3.3)

în care fg este o funcţie de frecvenţă (fig.3.9.)

Fig. 3.9. Amplitudinea semnalelor în banda ( )Hz250 −

o dacă fluctuaţiile de tensiune rezultă din suprapunerea mai multor fluctuaţii

sinusoidale de amplitudini şi frecvenţe diferite, flickerul provocat este echivalent celui

corespunzător unei fluctuaţii de Hz10 .

Amplitudinea, în acest caz, se determină cu relaţia:

∑=

⋅=n

ifii gaa

1

2210 (3.4)

o fluctuaţiile de tensiune provoacă aceiaşi senzaţie de jenă în timp la egalitatea

integralelor de tipul:

∫=T

dtaA0

210 (3.5)

în care:

10a - amplitudinea fluctuaţiei de Hz10 echivalentă fluctuaţiei reale [%];

T - durata perturbaţiei [minute];

A - doza flickerului.

20

o dacă se dispune de variaţia dozei flickerului în timp, pentru ca flickerul să fie

suportabil este necesar ca aceasta să fie situată sub o curbă limită biologică admisă.

Curba limită este formată din segmente de dreaptă paralele cu dreptele 1A şi 2A . Dreapta

1A reprezintă dozele de flicker cumulate pentru o fluctuaţie de Hz10 şi amplitudine max%3,0 U⋅ .

Dreapta 2A reprezintă dozele de flicker cumulate pentru o fluctuaţie de Hz10 şi amplitudine de

max%2,0 U⋅ . Durata corespunzătoare segmentelor paralele cu dreapta 1A este de 15 minute, iar a

segmentelor paralele cu dreapta 2A este de 10 minute.

Deoarece diferitele sisteme perturbatoare existente au o funcţionare ciclică, este indicat

să se traseze curba cumulată a flickerului mediu pentru, aproximativ, durata unui schimb, 6 sau 8

ore.

3.1.4.2. Perturbaţii radiofonice

Perturbaţiile aparatelor de radio şi televiziune se produc fie prin intermediul tensiunii

reţelei de alimentare fie prin circuitele de antenă ale acestora. Perturbaţiile radiofonice se

evaluează, de obicei, cu ajutorul unor receptoare, cu care se măsoară într-o gamă largă de

frecvenţă intensitatea câmpului electric în [ ]mV /μ .

Perturbaţiile radiofonice iau naştere, de obicei, concomitent cu apariţia luminiscenţii şi a

zgomotului în cazul descărcărilor.Din cercetările efectuate – în imediata apropiere a liniilor de

220, 400 şi 750 kV - a rezultat că aceste perturbaţii cresc odată cu sporirea puterii pierdute.

Raportul dintre perturbaţiile radiofonice şi puterea determinată imediat sub conductor, se

micşorează mult la mărirea distanţei.

Observaţiile au scos în evidenţă că dacă intensitatea câmpului creat de instalaţia

emiţătoare depăşeşte de 40 ori intensitatea perturbaţiilor, efectul perturbator este neglijabil, iar

în cazul unei depăşiri de numai 10 ori, este insuportabil.

3.1.4.3. Măsuri pentru combaterea fluctuaţiilor rapide

Măsurile necesare se pot împărţi în două categorii:

a) la consumator;

b) în reţeaua de alimentare (la sursă).

a) La consumator

Reducerea efectelor produse de fluctuaţiile rapide de tensiune constă în utilizarea

stabilizatoarelor. Protecţia cu stabilizatoare reduce efectul de flicker de la 15 % la valori

admisibile de (3-7) %.

Limitele admise ale perturbaţiilor din reţelele de alimentare sunt stabilite prin normele

europene A.S.E. - E.N. 50006.

21

b) În reţeaua de alimentare

Metodele şi mijloacele mai importante pentru combaterea fluctuaţiilor de tensiune care se

iau în reţelele de alimentare pot fi grupate în două categorii:

1. Îmbunătăţirea schemei reţelei de alimentare a consumatorilor cu şocuri de putere

reactivă.

În acest scop se pot folosi următoarele soluţii:

- mărirea puterii de scurtcircuit a reţelei prin realizarea unor linii

suplimentare de legare cu sistemul energetic;

- alimentarea receptoarelor ce produc flicker la o treaptă de tensiune

superioară în scopul creşterii puterii de scurtcircuit pe bara de consum;

- alimentarea consumatorilor care dau şocuri prin linii cu compensare

longitudinală.

2. Utilizarea surselor de compensare a puterii reactive cu reglare rapidă.

În cadrul acestei metode se folosesc următoarele mijloace:

- compensatoare sincrone de construcţie specială, capabile să urmărească

fidel variaţia cererii de putere reactivă;

- surse statice de compensare cu reactoare rapid reglabile.

3.1.5. Nesimetria sistemului trifazat

În raport cu tipul sistemului de tensiuni electromotoare (simetric sau nesimetric) şi cu

tipul receptorului trifazat (echilibrat sau dezechilibrat), în practică pot exista următoarele situaţii

(tabelul 3):

Tabelul 3

Nr. crt. Fiind date Rezultă

Sistemul de tensiune Receptorul Sistemul de

curenţi

Regimul

circuitului

1 simetric echilibrat simetric simetric

2 simetric dezechilibrat nesimetric nesimetric

3 nesimetric echilibrat nesimetric nesimetric

4 nesimetric dezechilibrat nesimetric nesimetric

Circuitele de alimentare nesimetrice produc efecte negative asupra unităţilor de disc ale

calculatoarelor şi asupra maşinilor rotative.

Nesimetriile tensiunilor şi curenţilor din reţelele de joasă tensiune se înlătură prin

echilibrarea fazelor.

22

3.1.6. Armonicile de tensiune/curent

Acestea sunt componentele sinusoidale situate între (50-2500) Hz, în care poate fi

descompusă unda deformată a reţelei. Deformarea undei de tensiune atrage, după sine,

deformarea undei de curent. Cele mai importante efecte negative sunt generate de curenţii

nesinusoidali (deformaţi), ce conţin armonici superioare armonicii fundamentale (armonica de

ordinul 1 de frecvenţă 50 Hz) (fig. 3.10, 3.11).

Fig. 3.10. Curbă deformată de curent (curba trasată cu linie continuă)

Fig. 3.11. Fundamentala cu armonicile de rang trei şi de rang cinci

Descompunerea undei nesinusoidale în componente sinusoidale se face cu ajutorul seriei

Fourier. Analiza se realizează – în ultimă instanţă – cu ajutorul spectrului de armonici.

Tipuri de echipamente care generează armonici

Curenţii armonici sunt generaţi de sarcini neliniare. Acestea includ:

• Sarcini monofazate, de exemplu:

surse de putere în comutaţie (Swiched mode power supplies – SMPS);

balasturi electronice pentru lămpile fluorescente;

unităţi mici de alimentare neîntreruptă (Uninterruptible power supplies – UPS);

23

• Sarcini trifazate, de exemplu:

acţionări cu viteză variabilă;

unităţi mari UPS.

Sarcini monofazate

Majoritatea echipamentelor electronice moderne utilizează surse în comutaţie (SMPS).

Acestea diferă de sursele mai vechi în care tradiţionalul transformator coborâtor şi redresorul

sunt înlocuite cu o redresare directă comandată a alimentării pentru a încărca o baterie de

condensatoare, din care curentul continuu pentru sarcină se obţine, printr-o metodă adecvată, la

bornele de ieşire, la tensiunea şi valoarea cerută a curentului. Avantajul – pentru producătorul de

echipamente – este că dimensiunile, costul şi greutatea sunt semnificativ reduse şi unitatea

energetică poate fi realizată practic pentru orice factor de formă cerut. Dezavantajul – în plus faţă

de celelate tipuri – este că în loc de curent continuu, sursa absoarbe, din reţeaua de alimentare,

un curent sub formă de pulsuri de curent care conţin o mare cantitate de armonici de rang trei şi

mai mari şi componente de înaltă frecvenţă armonică (fig. 3.12.). Se prevede un filtru la intrare

pentru a conduce la pământ componentele de înaltă frecvenţă din curentul de fază şi din

conductorul neutru, însă acesta nu are efect asupra curenţilor armonici care se propagă înapoi

spre alimentare.

Fig. 3.12. Spectrul armonic tipic al unui calculator personal

Unităţile UPS monofazate au caracteristici foarte asemănătoare cu echipamentele SMPS.

Pentru unităţile de mare putere a apărut în ultimul timp tendinţa realizării de echipamente

ce permit corecţia factorului de putere (Power factor corrector – PFC). Acestea au rolul de a face

ca sarcina de alimentat să apară ca o sarcină rezistivă astfel încât curentul absorbit să apară

sinusoidal şi în fază cu tensiunea aplicată.

24

Balasturi electronice pentru lămpi fluorescente

Balasturile electronice pentru lămpi fluorescente au devenit populare în ultimii ani

datorită necesităţii creşterii eficienţei. În general ele sunt doar cu puţin mai eficiente decât cele

mai bune balasturi magnetice şi, în fapt, câştigul cel mai mare rezultă la nivelul lămpii

fluorescente care este mai eficientă când este alimentată la frecvenţă ridicată decât la nivelul

balastului electronic însuşi. Avantajul lor principal este că nivelul de iluminare poate fi menţinut

pe o durată de viaţă mai mare prin controlul curenţilor din lampă, practică ce conduce, însă, la o

micşorare a randamentului global. Incovenientul principal este că generează armonici în reţeaua

de alimentare. Tipurile de lămpi denumite „cu corector de factor de putere” şi care au un

randament superior există, dar sunt mai scumpe. Lămpile de puteri mici nu sunt – de regulă –

prevăzute cu circuite de corecţie.

Lămpile fluorescente compacte sunt destinate să înlocuiască lămpile cu incadescenţă cu

filament de wolfram. Un balast miniaturizat este plasat în soclul lămpii şi controlează tubul

fluorescent cu diametrul de 8 mm. Lămpile fluorescente cu o putere de 11 W sunt destinate să

înlocuiască lămpile cu incandescenţă de 60 W şi au o durată de viaţă de 8000 ore.

Fig. 3.13. Spectrul armonic al unei lămpi fluorescente compacte tipice

Spectrul curenţilor armonici generaţi de aceste lămpi este prezentat în fig. 3.13. Aceste

lămpi sunt utilizate din ce în ce mai mult înlocuind lămpile cu incandescenţă în sectorul casnic

şi, în special, în hoteluri în care – brusc – au apărut probleme serioase datorate armonicilor.

Sarcini trifazate

Variatoarele de viteză, unităţile UPS şi convertoarele de tensiune continuă sunt de regulă

alimentate printr-o punte trifazată (fig. 3.14.), denumită şi punte cu 6 pulsuri, deoarece sunt şase

pulsuri pe o perioadă în curentul de ieşire.

25

Fig. 3.14. Punte trifazată sau punte cu şase pulsuri

O punte cu 6 pulsuri generează armonici de rang 16 ±n , adică cu unu în plus sau minus

faţă de orice multiplu de 6. În teorie, amplitudinea fiecărei armonici este invers proporţională cu

rangul armonicii. De exemplu: 20 % pentru armonica de rang 5 şi 9 % pentru armonica de rang

11 etc.. În fig. 3.15 este prezentat un spectru tipic de armonici pentru o astfel de punte.

Fig. 3.15. Spectrul de armonici determinat de o punte tipică cu 6 pulsuri

Amplitudinea armonicilor este semnificativ redusă dacă se utilizează o punte cu 12

pulsuri. În fapt este vorba de două punţi de 6 pulsuri alimentate de la înfăşurările secundare

conectate în stea şi în triunghi ale unui transformator (fig. 3.16.), determinând defazaje de 030

între tensiunile aplicate.

26

Fig. 3.16. Punte cu 12 pulsuri

Armonicile de rang n6 sunt teoretic suprimate dar, în practică, reducerea depinde de

ajustarea convertorului şi factorul tipic de reducere este între 20 şi 50. Armonicile de rang n12

rămân neschimbate (fig. 3.17.). În acest caz curentul armonic total se reduce şi, totodată,

armonicile care rămân sunt de frecvenţă superioară şi fac mai uşoară proiectarea unui filtru.

Fig. 3.17. Spectrul armonic al unei punţi tipice cu 12 pulsuri

O creştere – în continuare – a numărului de pulsuri la 24, obţinută prin folosirea în paralel

a două unităţi de 12 pulsuri cu o defazare de 015 , reduce curentul armonic total până la 4,5 %

(din curentul de alimentare). Instalaţia ultra sofisticată creşte, însă, costul, astfel încât acest tip de

echipament va fi utilizat numai când este absolut necesar pentru a se încadra în limitele impuse

de furnizor.

Probleme generate de armonici

Curenţii armonici determină probleme atât la nivelul distribuţiei cât şi la nivelul

instalaţiilor. Efectele şi soluţiile sunt foarte diverse şi vor fi tratate separat, în cadrul acestei

prezentări; măsurile adecvate pentru ca efectele să fie controlate la nivelul instalaţiilor, nu

27

asigură - în mod necesar – şi reducerea distorsiunilor determinate de reţeaua de alimentare şi

invers.

Probleme la nivelul instalaţiilor

Există mai multe probleme generale determinate de armonici:

Probleme determinate de curenţii armonici:

supraîncărcarea conductorului de nul de lucru;

supraîncălzirea transformatoarelor;

acţionarea intempestivă a întreruptoarelor;

suprasolicitarea condensatoarelor pentru corecţia factorului de putere;

efect pelicular în conductoare (distribuţia neuniformă a curentului în interiorul

conductorului; practic, densitatea de curent este mai mare la suprafaţa

conductorului şi mai mică în profunzimea acestuia).

Probleme determinate de tensiunile armonice:

deformarea curbei tensiunii;

perturbarea funcţionării motoarelor asincrone (de inducţie);

perturbaţii la trecerea prin zero a curbelor.

Probleme determinate de curenţii armonici la nivelul surselor de alimentare.

O parte din aceste probleme sunt analizate pe scurt în cele ce urmează.

Supraîncărcarea conductorului de nul de lucru

Într-un sistem trifazat, curbele de tensiune ale fiecărei faze în raport cu punctul neutru al

conexiunii în stea sunt defazate cu 0120 , astfel încât dacă fiecare fază este egal încărcată,

curentul rezultant pe neutru este zero. Dacă sarcinile nu sunt echilibrate, pe neutru se transmite

numai rezultanta sumei curenţilor de întoarcere. În trecut, instalatorii (cu aprobarea autorităţilor

de standardizare) au folosit acest fapt şi au instalat conductoare de nul de lucru cu o secţiune pe

jumătate faţă de cea de fază. Totuşi, dacă curenţii de fază, fundamentali, se anulează pentru

curenţii armonici nu rezultă aceasta, ci din contră curenţii armonici cu rang multiplu de trei se

adună în conductorul neutru. Acest efect este ilustrat în fig. 3.18.

28

Fig. 3.18. Curenţii armonici cu rang multiplu de 3 se adună în conductorul neutru

În diagrama de mai sus, curenţii de fază sunt defazaţi cu 0120 .

Armonica trei a fiecărei faze este identică, cu o frecvenţă triplă şi are, deci, o perioadă de

trei ori mai mică faţă de fundamentală. Curentul datorat armonicilor trei în neutru este

reprezentat în partea de jos a diagramei din fig. 25. În acest caz, curentul armonic - pe fază -

reprezentând 70 % din curentul pe fază va determina, la nivelul conductorului neutru, un curent

armonic total de 210 % din curentul de fază.

Măsurători efectuate în imobilele comerciale dau valori de ordinul 150 % până la 210 %

din curentul pe fază - în conductorul neutru – de multe ori cu secţiune, după cum s-a precizat – la

jumătate faţă din secţiunea conductorului activ.

Sunt unele confuzii în ceea ce priveşte rezolvarea acestei probleme de către proiectanţii

de instalaţii electrice. Soluţia simplă, acolo unde sunt utilizate cabluri monoconductoare, este să

se realizeze dublarea secţiunii neutrului fie ca două conductoare separate, fie ca un singur

conductor cu secţine mai mare. Nu este simplă situaţia în care se utilizează cabluri

multiconductoare. Dimensionarea cablurilor multiconductoare (de exemplu, este indicată în

recomandările CEI 60364-5-523) presupune că sarcina este echilibrată şi prin conductorul neutru

nu circulă curent, cu alte cuvinte, numai prin trei din patru sau cinci conductoare circulă curent şi

se încălzesc. Cum capacitatea maximă a cablului este definită numai prin cantitatea de căldură pe

care o poate disipa la temperatura maximă admisibilă, rezultă că pentru cablurile prin care

circulă curenţii armonici de rang multiplu de trei sarcina admisibilă trebuie redusă. În exemplul

prezentat anterior, prin cablu circulă cinci unităţi de curent – trei în faze şi două în neutru – deşi

el a fost dimensionat pentru trei unităţi. Sarcina lui admisibilă trebuie redusă, cu aproximativ,

60% din valoarea normal admisibilă.

29

Efecte în transformatoare

Transformatoarele sunt afectate de armonici pe două căi. În primul rând, pierderile prin

curenţi turbionari, reprezentând, aproximativ, 10 % din pierderile la sarcină nominală, cresc cu

pătratul rangului armonicii. În practică, pentru un transformator funcţionând la puterea nominală

şi care alimentează o sarcină cuprinzând echipamente informatice (IT), pierderile totale vor fi de

douză ori mai mari decât în cazul unei sarcini liniare. Rezultatul este o temperatură mult mai

ridicată care conduce la o reducere corespunzătoare a duratei de viaţă. În fapt, în aceste

circumstanţe, durata de viaţă se reduce de la, aproximativ, 40 de ani la circa 40 de zile. Din

fericire sunt puţine transformatoare încărcate la plină sarcină, dar efectul trebuie luat în

considerare când se selectează instalaţia.

Cel de-al doilea efect se referă la armonicile cu rang multiplu de trei. Ele se regăsesc în

toate fazele înfăşurării unui transformator cu conexiune triunghi, acestea având un traseu circular

în înfăşurări. Curenţii armonici cu rang multiplu de trei sunt efectiv absorbiţi de înfăşurare şi nu

se propagă spre alimentare, astfel încât transformatoarele cu înfăşurare triunghi sunt utile ca

transformatoare de izolare. De precizat că celelalte armonici, care nu au rang multiplu de trei,

trec prin înfăşurare. Curentul de circulaţie, care se închide între înfăşurări, trebuie luat în

considerare la dimensionarea transformatorului.

Probleme cauzate de tensiunile armonice

Deoarece alimentarea are impedanţă internă, curenţii armonici de sarcină determină o

distorsiune armonică a curbei de tensiune (aceasta este originea formei fluctuante a tensiunii de

alimentare, cunoscută sub numele de efect „flat topping”). Sunt două componente ale

impedanţei: cea a legăturii interne de la punctul comun de cuplare (PCC) şi cea proprie a

alimentării în PCC, de exemplu determinată de transformatorul local de alimentare. În fig. 3.19

este prezentată curba deformată.

Fig. 3.19. Deformarea curbei de tensiune cauzată de o sarcină neliniară

30

Curentul de sarcină deformat, generat de sarcina neliniară, determină o cădere de

tensiunedeformată pe impedanţa cablurilor. Tensiunea deformată rezultată se aplică tuturor

sarcinilor conectate la acelaşi circuit, producând curenţi armonici care circulă prin acestea – chiar

dacă sunt ele sunt sarcini liniare.

Soluţia de separare a circuitelor care alimentează sarcini care generează armonici, de cele

care alimentează sarcini sensibile la armonici este prezentată în fig. 3.20.

Fig. 3.20. Separarea sarcinilor liniare şi neliniare

În acest caz, circuite separate alimentează sarcinile liniare şi cele neliniare din punctul

comun de cuplare, astfel încât distorsiunea de tensiune datorată sarcinii neliniare să nu afecteze

sarcina liniară.

La analiza nivelului de distorsiune a tensiunii armonice, trebuie precizat că, atunci când

sarcina este transferată la un UPS sau un generator de rezervă, în timpul unei întreruperi,

impedanţa sursei şi distorsiunea de tensiune rezultantă sunt mult mai mari.

Dacă sunt instalate transformatoare locale, ele trebuie alese cu o impedanţă internă

suficient de mică şi cu o capacitate suficientă de evacuare a căldurii suplimentare, cu alte

cuvinte, săse aleagă un transformator supradimensionat corespunzător. De precizat că alegerea

unui transformator a cărui mărire de capacitate se asigură prin ventilare forţată nu se recomandă

deoarece temperaturile ridicate vor persista în interiorul echipamentului micşorând durata lui de

viaţă. Răcirea forţată este indicată numai pentru sistemele de rezervă (de intervenţie) şi nu voi fi

folosite niciodată pentru funcţionare în regim normal.

31

Motoarele asincrone

Tensiunile armonice produc în motoarele asincrone o creştere a pierderilor prin curenţi

Foucault, în acelaşi mod ca şi în cazul transformatoarelor. În plus, apar pierderi suplimentare

datorate generării de câmpuri armonice în stator, fiecare dintre acestea având tendinţa de a roti

rotorul maşinii cu o altă viteză, într-un sens sau altul. Curenţii de frecvenţă înaltă induşi în rotor

conduc la creşterea suplimentară a pierderilor.

Acolo unde sunt tensiuni armonice, motoarele trebuie descărcate pentru a ţine seama de

pierderile suplimentare.

Perturbaţii la trecerea prin zero a curbelor

Multe aparate electronice detectează punctul în care tensiunea de alimentare trece prin

zero, pentru a determina momentul de cuplare a sarcinii. Aceasta se face deoarece cuplarea unei

sarcini reactive la tensiunea zero nu generează fenomene tranzitorii, reducând interferenţa

electromagnetică ca şi solicitările la nivelul întreruptoarelor statice. Dacă există armonici sau

fenomene tranzitorii la nivelul alimentării, numărul de treceri prin zero creşte, ceea ce conduce la

disfuncţionalităţi. În fapt pot fi câteva treceri prin zero într-o semiperioadă.

Probleme determinate de curenţii armonici la nivelul surselor de alimentare

Când un curent armonic este absorbit de sursa de alimentare, acesta determină o cădere

de tensiune armonică proporţională cu impedanţa sursei în punctul comun de cuplare (PCC) şi cu

valoarea curentului. Deoarece reţeaua de alimentare este de regulă inductivă, impedanţa ei va fi

mai mare la frecvenţe mai mari. Evident tensiunea în PCC este deformată de curenţii armonici

produşi de alţi consumatori şi de distorsiunea inerentă transformatoarelor şi fiecare consumator

îşi aduce contribuţia sa suplimentară.

Măsuri privind limitarea armonicilor

Măsurile privind controlul curenţilor armonici emişi sunt analizate în detaliu în multe

lucrări. Acest modul cuprinde, doar, o prezentare a diferitelor opţiuni. Metodele de limitare pot fi

împărţite în trei grupe: filtre pasive, transformatoare de izolare şi reducere a armonicelor şi filtre

active. Fiecare opţiune prezintă avantajele şi dezavantajele sale, încât nu există o soluţie ideală.

Este foarte uşor să se cheltuiască mulţi bani pentru o soluţie impropie şi ineficientă. Concluzia

este că sunt necesare în prealabil studii aprofundate, iar mijloacele necesare în acest scop fac

obiectul, de asemenea, a multor lucrări de specialitate.

32

3.1.7. Microîntreruperi şi goluri de tensiune Întreruperile în alimentarea cu energie electrică, parţiale sau totale durând intervale de

timp mai mici de jumătate dintr-o perioadă a unei unde de 50 Hz se numesc microîntreruperi.

Deci microîntreruperile apar pentru dispariţii parţiale sau totale ale tensiunii de alimentare pe

intervale ( )mst 9,91,0 ÷=Δ , deoarece perioada undei sinusoidale de 50 Hz este

msT 2050/150 == .

Golurile de tensiune se definesc ca fiind căderi ale alimentării având durate mai mari de

ms10 până la câteva secunde, căderea de tensiune fiind ( ) NUu ⋅÷=Δ %10010 .

Amplitudinea golurilor de tensiune care se resimt la bornele receptoarelor depinde de mai

mulţi factori dintre care enumerăm:

o natura defectului (monofazat sau polifazat);

o impedanţa de trecere la locul defect;

o puterea de scurtcircuit în nodul considerat;

o caracteristicile surselor locale;

o puterea unitară a motoarelor sincrone şi a motoarelor asincrone;

o aportul unor receptoare în cazul scurtcircuitelor.

Amplitudinea golurilor de tensiune - resimţite de receptoare în timpul defectelor din

reţeaua de alimentare - se poate determina dacă se cunoaşte tensiunea remanentă în nodul

considerat. În acest caz amplitudinea golului de tensiune se calculează cu relaţia:

[ ]%100⋅−

=Δ

N

rN

N UUU

UU ,

unde:

NU - tensiunea în nodul considerat;

rU - tensiunea remanentă.

Durata golurilor de tensiune depinde, în principal, de rapiditatea de acţionare a

instalaţiilor de protecţie şi automatizare din sistemul de alimentare.

O grupare a duratei golurilor de tensiune se poate face fie funcţie de nivelul tensiunii, fie

funcţie de natura perturbaţiei şi de caracteristicile instalaţiilor.

În tabelul 4 sunt prezentate duratele de eliminare a defectelor din reţeaua de alimentare,

prin funcţionarea protecţiei şi automatizării.

Tabelul 4

Protecţie Treapta 110 kV 220 kV 400 kV

I 0,15 s 0,12 s 0,12 s

distanţă II (0,5-2) s (0,5-1) s (0,5-1) s

33

III (2-3) s (1-2) s (1-2) s

IV (4-5) s (4-5) s (4-5) s

I 0,1 0,1 0,1 homopolare

(secvenţă zero) II 2 1 1

Funcţie de natura perturbaţiei care intervine şi de caracteristicile instalaţiilor care

acţionează, golurile de tensiune pot avea trei tipuri de forme şi anume:

goluri de formă dreptunghiulară – caracteristice scurtcircuitelor deconectate într-o

singură treaptă;

goluri de formă exponenţială - specifice pornirii motoarelor de mare putere;

goluri compuse – reprezentând o succesiune a primelor două şi care apar în cazul

scurtcircuitelor deconectate de o protecţie funcţionând în trepte, la funcţionarea instalaţiilor de

declanşare automată a rezervei (AAR), precum şi în cazul de autopornire a motoarelor mari.

În tabelul 5 sunt prezentate efectele golurilor de tensiune asupra receptoarelor.

Tabelul 5

Caracteristicile golurilor de

tensiune

amplitudinea durata

Efectele asupra receptoarelor

NU9,0⟨ ( )s3,02,0 ÷ Perturbarea funcţionării unor aparate de comandă şi reglaj:

echipamente electronice, redresoare

( ) NU8,07,0 ÷ ( )s3,02,0 ÷ Deconectarea contactoarelor de 0,4 kV

( ) NU6,05,0 ÷ ( )s31÷ Instabilitatea motoarelor sincrone şi a compensatoarelor

sincrone

( ) NU5,04,0 ÷ ( )s5,15,0 ÷ Instabilitatea motoarelor asincrone

( ) NU4,03,0 ÷ ( )s5,03,0 ÷ Instabilitatea motoarelor sincrone

( ) NU3,00 ÷ s5,0⟩ Desprinderea motoarelor sincrone

Apariţia golurilor de tensiune influenţează funcţionarea consumatorilor alimentaţi din

nodul respectiv. Influenţa se manifestă diferit funcţie de specificul consumatorilor, de

amplitudinea şi de durata golului de tensiune.

În ceea ce priveşte aparatura sensibilă şi foarte sensibilă consecinţele sunt întreruperea

aparaturii electronice şi a ordinatoarelor.

Protecţia contra microîntreruperilor se referă atât la procedee „hardware” care se

realizează prin introducerea de capacităţi care trec peste nivelul de tensiune cât şi „software” ce

34

cuprind încărcarea şi ştergerea periodică a memoriei şi conservarea înregistrării în caz de

întrerupere.

Fig. 3.21. Schemă de alimentare de rezervă

În ceea ce priveşte căderile de tensiune (golurile de tensiune) este necesar ca între

motorul de antrenare al generatorului şi generator să existe un volant de inerţie sau o schemă de

alimentare de rezervă (fig.3.21).

3.1.8. Supratensiuni în reţelele de joasă tensiune Supratensiunile care se produc în reţelele de joasă tensiune pot avea cauze dintre cele mai

diverse, dintre acestea menţionăm anclanşarea unei baterii de condensatoare, respectiv, arderea

unei siguranţe fuzibile.

În cazul anclanşării bateriei de condensatoare, capacitatea acesteia împreună cu

inductivitatea reţelei se comportă ca un circuit rezonant L-C serie (cu frecvenţa de rezonanţă sub

1 kHz). Valoarea tensiunii tranzitorii de vârf poate ajunge la de două ori valoarea de vârf

(maxime) a tensiunii reţelei.

Alt caz întâlnit frecvent în practică este cel al arderii unei siguranţe fuzibile, în situaţia

unui scurtcircuit, când curentul nominal al siguranţei este mult depăşit.

Energia stocată în inductivitatea reţelei de joasă tensiune poate depăşi câteva sute de

jouli, fapt ce poate duce la apariţia, după arderea siguranţeo, a unei supratensiuni de ordinul

kilovolţilor (kV), tensiune ce poate distruge izolaţia anumitor echipamente. Dacă siguranţele sunt

ultrarapide, supratensiunea scade.

Atât supratensiunile datorate arderii siguranţelor cât şi cele datorate conectării bateriilor

de condensatoare sunt de tip lent.

Supratensiuni interne

Acestea sunt cele determinate de manevre (închideri sau deschideri de întreruptoare,

contactoare, disjunctoare etc.). Supratensiunile interne provoacă un şoc de tensiune sub formă de

35

impuls cu front rapid. Frecvenţa de oscilaţie sinusoidală amortizată generată este egală cu

frecvenţa proprie a reţelei ( MHzkHz 110 ÷ ). Energia este mai mică decât în cazul primelor două

exemple. Alte supratensiuni interne cu front abrupt sunt generate de amorsarea eclatoarelor, a

descărcătoarelor sau paratrăznetelor.

Supratensiuni externe

Printre cazurile externe reţelei sau circuitelor sunt loviturile de trăznet înregistrate – de

regulă – în reţelele de medie tensiune. Totuşi, acestea produc efecte distructive şi în reţelele de

joasă tensiune.

Consecinţele supratensiunilor sunt:

perturbaţii ale funcţionării aparatelor sau terminalelor;

distrugeri de computere sau izolaţie.

Protecţia contra supratensiunilor este realizată cu:

Filtre – pentru aplicarea cărora este necesară cunoaşterea spectrului de frecvenţă ale

supratensiunilor. Soluţia cu filtre nu este, în general, suficientă, mai mult chiar, dacă

acestea sunt prost adaptate la intrare, se riscă amplificarea perturbaţiilor. Soluţia cea mai

bună este supresorul (un circuit auxiliar prin care se forţează închiderea curenţilor

perturbatori) şi filtrul;

Paratrăznete şi supresoare – caz în care trebuie cunoscută energia supratensiunii, care

este, însă, greu de determinat. Pentru supratensiunile cu front rapid trebuie realizată

coordonarea supresoarelor;

Blindaje puse la pământ şi reducerea buclelor;

Stabilizatoare de tensiune în regim rezonant.

Acestea din urmă efectuează o testare statistică a rezultatelor măsurătorilor şi ori de câte ori

apare un vârf de tensiune peste tensiunea normală (o supratensiune) miezul transformatorului din

construcţia sa se saturează şi „taie” acel vârf limitând astfel tensiunea în reţea şi protejând

izolaţia echipamentelor.

36

Capitolul 4

EFECTE BIOLOGICE ALE PERTURBAŢIILOR ELECTROMAGNETICE

4.1. Cuplajul galvanic între un element perturbator şi victimă

4.1.1. Legăturile cuplajului galvanic

Legăturile cuplajului galvanic între om şi o instalaţie aflată sub tensiune pot surveni fie ca

urmare a atingerii directe, fie ca urmare a atingerii indirecte a părţilor aflate sub tensiune.

Atingerile directe au loc între om şi elementele instalaţiilor electrice în următoarele situaţii:

o sub tensiune normală de lucru;

o scoase de sub tensiune dar care au rămas încărcate cu sarcină electrică capacitivă;

o scoase de sub tensiune, însă aflate sub tensiune indusă datorită unor influenţe

electromagnetice sau electrostatice.

În cazul atingerii unui conductor a unei reţele electrice cu neutrul legat la pământ, în

circuitul creat se stabileşte un curent de forma:

0RR

UI+

= , (4.1)

în care:

I - este intensitatea curentului prin corpul uman;

U - tensiunea reţelei;

R - rezistenţa corpului omenesc;

0R - rezistenţa legăturii cu pământul.

Atingerile indirecte au loc în cazul stabilirii contactului cu elemente care, în mod normal, nu

sunt sub tensiune (cuva transportoarelor, carcasele maşinilor electrice etc.). Punerea sub tensiune a

acestora poate avea loc în mai multe feluri, şi anume:

deteriorarea izolaţiei;

ruperea unor conductoare;

37

descărcări electrice.

Dintre cazurile întâlnite - în practică - de atingeri indirecte ca urmare a a legării la pământ

a carcaselor metalice, menţionăm:

atingerea carcasei unui echipament;

manevrarea echipamentelor de comutaţie;

atingerea simultană a carcasei şi a unei părţi metalice legate la pământ.

4.1.2. Efectele curentului electric aupra corpului uman

Acţiunea curentului electric se manifestă asupra corpului omenesc sub aspecte multiple

provocând traumatisme interne şi externe.

Traumatismele externe se produc ca urmare a efectelor curentului electric: termic, mecanic,

luminos, acustic sau chimic şi se manifestă sub formă de leziuni.

Traumatismele interne sunt şocuri electrice care, acţionând asupra sistemului nervos, pot

provoca paralizii ale cordului şi plămânilor, electroliza sângelui, fibrilaţia inimii.

Fenomenele electrice joacă un rol important în multe din procesele fiziologice care au loc în

organismele vii. În plus pot influenţa în rău sau în bine funcţionarea acestora.

În primul rând trebuie să menţionăm propagarea impulsurilor nervoase. Fibra nervoasă are în

alcătuirea ei o membrană cilindrică ce conţine în interior un fluid conductor (un electrolit), iar în

exterior este înconjurată tot de un fluid conductor. Printr-un mecanism similar celui care se

manifestă în pila voltaică, între cele două fluide se menţine o diferenţă de potenţial de, aproximativ,

V1,0 . În prezenţa unui impuls nervos, membrana devine mai permeabilă pentru ionii din cele două

fluide electrolitice care o străbat şi, în consecinţă, determină o scădere locală a diferenţei de

potenţial (care se manifestă ca un fel de barieră pentru impulsul nervos). După trecerea impulsului

nervos, membrana revine la starea iniţială şi diferenţa de potenţial se restabileşte. Fenomenul de

propagare a impulsului nervos mai prezintă şi, în prezent, multe aspecte insuficient înţelese şi

explicate. Datorită naturii electrice a mecanismului de propagare a impulsurilor nervoase corpul

omenesc este foarte sensibil la acţiunea curenţilor electrici din exterior.

Un curent de ordinul a 10 mA poate provoca contracţii musculare puternice, necontrolate,

însoţite de dureri intense. La aproximativ 20 mA se manifestă dificultăţi de respiraţie şi persoana

respectivă nu mai poate da drumul conductorului care a produs şocul electric.

Un curent de 100 mA poate fi mortal deoarece afectează procesele nervoase legate de funcţionarea

inimii: sunt produse contracţii necoordonate şi necontrolate ale muşchilor inimii, fenomen cunoscut

sub denumirea de fibrilaţie a inimii. Activitatea inimii de pompare a sângelui este complet

dezorganizată şi efectul poate fi mortal. Acest efect poate fi folosit şi în mod benefic: în practica

urgenţelor medicale, în caz de stop cardiac. Se folosesc dispozitive pentru aplicarea unor tensiuni

38

mari (pe durate de timp foarte mici) vizând restaurarera mecanismului de funcţionare normală a

inimii. Acest efect asupra funcţionării inimii este legat de faptul că în miocard (muşchiul inimii) se

generează tensiuni electrice care pot atinge până la 30 mV şi care pot ajunge la suprafaţa corpului

omenesc la valori de până la 2 mV. Variaţiile tensiunii electrice care însoţesc funcţionarea inimii

pot fi măsurate cu ajutorul unui milivoltmetru pus în legătură cu electrozi plasaţi pe corpul omenesc

(de exemplu, pe torace). Reprezentarea grafică a dependenţei de timp a tensiunii care apare între

două puncte de pe suprafaţa corpului omenesc ca efect al activităţii inimii este cunoscută sub

numele de electrocardiogramă (ECG), iar aparatul utilizat este numit electrocardiograf. Prima

electrocardiogramă a fost realizată în 1889 de A. Waller. În România, electrocardiografia a fost

introdusă din 1920 de D. Danielopolu. În mod similar, reprezentarea grafică care apare între două

puncte de pe suprafaţa capului ca efect al activităţii electrice a creierului uman este cunoscută sub

numele de electroencefalogramă (EEG). Prima electroencefalogramă a fost realizată în 1924 de

psihiatrul german Hans Berger, iar în România de marele neurolog Gheorghe Marinescu în 1934.

Pericolul pe care-l prezintă curentul electric poate fi definit de zonele timp-curent în funcţie

de efectul curentului asupra organismului uman. Aceste zone sunt separate – în diagrama timp-

curent – printr-o curbă a intensităţii curentului funcţie de timp, ce corespunde limitei convenţionale

a curentului patofiziologic nepericulos şi care este dat de relaţia:

t

II 101 += [mA], (4.2)

unde:

I - este intensitatea curentului în mA, valoare efectivă;

1I - este intensitatea curentului de trecere, aproximativ egală cu 10 mA;

t - timpul în secunde.

Intensitatea curentului de trecere este cea mai mare intensitate a curentului pentru care o

persoană, ţinând în mână un element a unui aparat, poate desface mâna de pe acel element. Acest

curent variază de la persoană la persoană şi valoarea de 10 mA este o valoare medie corespunzând

condiţiilor obişnuite din practică.

4.1.3. Tensiunea de securitate

În practică, măsurile de protecţie nu se referă numai la curent ci şi la tensiunea susceptibilă

de a provoca un şoc electric.

Tensiunea de securitate este valoarea diferenţei de potenţial la care o persoană poate sta fără

pericol, adică tensiunea care provoacă în corpul acestei persoane trecerea unui curent patofiziologic

nepericulos.

39

Pentru determinarea acestei tensiuni s-a definit o curbă caracterizată de următoarele valori (Tabelul 6):

Tabelul 6 Tensiunea [V] Rezistenţa [Ω ]

25 2500 50 2000 250 1000

Valoare asimptotică 650

Această curbă este valabilă când traseul curentului în corpul omenesc merge de la mână la

mână sau de la mână la picior.

4.2. Cuplajul capacitiv între un element perturbator şi victimă

4.2.1. Influenţa unei excitaţii electrice exterioare asupra activităţii electrice a sistemului nervos

În concepţia modernă, mediul electric extern reprezintă totalitatea fenomenelor

electromagnetice care înconjoară fiinţa vie, considerată ca un corp finit supus acţiunii lor, în acelaşi

timp, generator de câmpuri electromagnetice proprii.

Corpul uman, ca orice organism viu, este supus acţiunii câmpurilor magnetice şi electrice

naturale sau artificiale, din mediul înconjurător. În funcţie de timp, frecvenţa şi mărimea lor, acestea

pot exercita o influenţă favorabilă, nefavorabilă sau, chiar, de vătămare asupra organismului.

Fiinţele vii, sub acţiunea stimulilor, sunt supuse la diferite influenţe interioare sau exterioare

care nu pot fi detectate în mod direct. Procesele naturale de viaţă se desfăşoară într-un anumit

domeniu şi numai deviaţiile pot fi considerate patologice.

Câmpurile electromagnetice pot acţiona continuu şi discontinuu asupra organismului, într-un

spectru de frecvenţe diferite, din care nu sunt percepute, în mod conştient, decât radiaţiile

electromagnetice cu lungimea de undă a luminii vizibile şi curenţii electrici de joasă şi medie

frecvenţă.

Mediul electric se manifestă, astfel, nociv, iar riscul depăşirii limitelor biologice a necesitat

delimitări cantitative şi calitative reţinând două categorii de influenţe care acţionează esenţial asupra

activităţii electrice a organismului viu:

- radiaţii electromagnetice;

- câmpuri electrice şi magnetice.

Deoarece, în preajma fiinţei umane, fenomenele care se petrec frecvent sunt cele de joasă

frecvenţă, manifestarea preponderentă este a câmpurilor electrice şi magnetice. Fenomenele

radiative (radiaţii electromagnetice) sunt specifice proceselor de înaltă frecvenţă.

40

4.2.2. Evaluări aproximative ale câmpului electric şi magnetic în staţii

Deşi tehnica actuală de calcul permite stabilirea cu multă precizie a valorilor câmpului,

totuşi pentru interpretarea fenomenelor de influenţă sunt necesare multe aproximări inevitabile. O

primă aproximaţie care trebuie făcută, este aceea de a considera câmpul electric uniform până la o

înălţime de aproximativ 3 m, ceea ce ne permite a afirma, că un om introdus sub o linie este supus

acţiunii unui câmp omogen. Acest câmp nu atinge valoarea maximă sub linie, ci sub conductoarele

exterioare, maximul obţinut fiind egal cu: 100U până la

1002,1 U⋅ [kV/m], în care U este tensiunea

liniei în [kV].

Metoda de calcul pentru trasarea variaţiei câmpului stabilită în electrostatica clasică nu

prezintă dificultăţi teoretice. Deoarece metoda necesită dezvoltări succesive, grele, vom face a doua

aproximaţie, folosind o formulă simplificată, care permite un calcul cu eroare de până la 20 % atât a

câmpurilor electrice cât şi a celor magnetice produse de linii.

Câmpul electric – componentele verticale de la sol – se determină cu relaţia:

( ) ( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+++−⋅⋅= CBJCBAUEx 2

321

34,0 [kV/m]. (4.3)

Câmpul magnetic direct – componentele orizontale de la sol – se determină cu relaţia;

( ) ( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+++−⋅⋅⋅= − CBJCBAIBx 2

321102,0 6 [T]. (4.4)

În relaţiile de mai sus, mărimile A , B , C se determină cu expresiile:

( ) 2

12

1

1

bdxbA

+−= ,

( ) 22

22

2

bdxbB

+−= ,

( ) 23

23

3

bdxb

C+−

= , (4.5)

în care:

321 ,, bbb - reprezintă diametrele celor trei conductoare de linie din sistemul trifazat;

321 ,, ddd - reprezintă distanţele conductoarelor de linie din sistemul trifazat în raport cu o axă de

simetrie, arbitrar aleasă.

4.2.3. Câmpurile sub barele staţiilor

Utilizând această metodă de calcul, s-au determinat variaţiile câmpurilor electrice şi

magnetice sub barele duble ale unei staţii de înaltă tensiune. Studiul de caz este efectuat pentru

41

liniile de 400 kV / 220 kV din staţia Roşiori (tabelul 7 – pentru intensitatea câmpului electric şi

tabelul 8 – pentru valori ale inducţiei magnetice).

Tabelul 7

Măsurare intensitate câmp electric E; frecvenţa 50 Hz

42

Tabelul 8

Măsurare inducţie magnetică B; frecvenţa 50 Hz

Tabelul 9

Valori limită pentru câmpurile electrice

Tabelul 10

Valori limită pentru câmpurile magnetice

Pentru a verifica dacă valorile găsite sunt periculoase pentru operatorul uman este necesară

comparaţia acestor valori cu cele indicate de norme. Iată, în tabelele 9 şi 10 valorile limită ale

câmpurilor electrice (tabelul 9), respectiv, magnetice (tabelul 10).

În urma efectuării măsurătorilor de câmp electric şi magnetic se constată că în staţiile

electrice de înaltă tensiune sunt multe valori ridicate ale mărimilor de referinţă pentru aceste

câmpuri, valori ce pun în pericol starea de sănătate a personalului operativ din staţia aleasă pentru

studiul de caz.

43

4.2.4. Om în picioare, pe pământ, sub bare sau sub linie

Utilizând aproximaţia descrisă la un om stând în picioare putem considera câmpul uniform

la sol în preajma omului, deci, în spaţiul ocupat de acesta.

Această observaţie ne permite să facem abstracţie de prezenţa electrozilor, conducând la

stabilirea următoarei metode de calcul:

- teoria imaginilor electrostatice ne permite să înlocuim sarcinile superficiale - dintr-un corp

conductor - cu sarcini interioare, convenabil plasate, fără a schimba nimic din sistemul de linii de

forţă de suprafeţe echipotenţiale, în exteriorul corpului.

Principiul permite, deci, să reprezentăm o suprafaţă potenţială de formă prederminată cu

sarcini punctiforme. Forma corpului omenesc – ca suprafaţă echipotenţială – poate fi obţinută, în

aceste condiţii, cu ajutorul a două sarcini punctiforme 1q şi 2q , plasate la înălţimi adecvate faţă de

sol. Astfel, dacă 1q este plasată la o înălţime mh 8,01 = , iar 2q la o înălţime mhh 6,12 12 == ,

suprafaţa echipotenţială obţinută va reproduce, aproximativ, silueta unui om de m75,1 .

Dacă, 1q şi 2q sunt sarcinile superficiale aflate la suprafaţa trunchiului şi capului, vom

deduce, în regim sinusoidal, curenţi proporţionali cu aceste sarcini electrice:

( )211 qqCI +≅ - curentul total pătrunzând prin picioare;

22 CqI ≅ - curentul din cap trecând prin gât.

4.2.5. Om sub tensiune, în imediata vecinătate a conductoarelor

Se efectuează un calcul mai exact folosind numărul sarcinilor imaginilor puse în loc mult

mai ridicat decât în cazul precedent. Această metodă ne permite, de asemenea, să determinăm

condiţiile electrice, în care se găseşte un lucrător în vecinătatea unui conductor la potenţialul

acestuia.

Analiza efectuată prin această metodă a permis obţinerea următoarelor valori pentru curenţii

induşi:

LEA 220kV: [ ]mAII corpcap 15,1980,0176,0 =+=+ ;

LEA 400kV: [ ]mAII corpcap 82,1500,1320,0 =+=+ .

Valorile găsite arată că în aceste condiţii perticulare de lucru, curentul de sarcină este

perceptibil, începând cu tensiunea de 220 kV.

În aceste cazuri, deoarece dezvoltarea formulelor este mai greoaie, se pot obţine rezultate

mult mai corecte folosind metode numerice – în diferite medii de programare, pe calculator.

Pentru calcule mai exacte a intensităţii câmpului electric şi al curentului de descărcare prin

om, în cazul atingerii părţilor metalice legate la pământ, se tratează cuplajul electrostatic ca o reţea.

44

4.3. Descărcarea electrostatică

Descărcarea electrostatică apare atunci când câmpul electric maxim atinge valoarea

câmpului disruptiv în mediul considerat. În cazul aerului şi al condiţiilor atmosferice normale:

CT 020= ; mmHgp 760= ; ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛= 311 m

gu (umiditatea), intensitatea câmpului electric de

străpungere (disruptiv) este ( )mMVEd 3= .

Se pot produce două tipuri de descărcări:

descărcări parţiale – având loc pe o parte a traseului descărcării separând cei doi electrozi

supuşi unei diferenţe de potenţial;

descărcări complete – având loc pe ansamblul traseului considerat.

Se consideră descărcare electrostatică atunci când unul sau mai multe corpuri izolante sunt

puse în relaţie galvanică cu unul sau mai multe corpuri izolante sau conductoare.

Descărcarea electrostatică poate interveni prin diverse mijloace, ca de exemplu:

ionizarea aerului;

umidificarea aerului;

utilizarea materialelor solide sau lichide parţial conductoare;

punerea la masă sau la pământ.

În cazul unui corp de descărcare izolant traiectoria traseului descărcării se realizează printr-o

capacitate, iar în cazul unui corp conductor printr-un traseu rezistiv. În fig. 4.1 este prezentat modul

în care umiditatea poate influenţa încărcarea cu sarcină electrostatică a diverselor materiale.

Încărcarea cu sarcină electrostatică a operatorului uman – ce utilizează astfel de materiale în

realizarea obiectelor de vestimentaţie (îmbrăcăminţii) – la tensiuni de (16-20) kV, îl transformă pe

acesta într-o puternică sursă de perturbaţii.

Fig. 4.1. Influenţa umidităţii asupra tensiunii de încărcare cu sarcină electrostatică – pentru diverse

materiale

45

Omul, astfel încărcat, în condiţii prielnice, se va descărca, generând un curent prin traseul de

descărcare. Un circuit de descărcare electrostatică este, în consecinţă, asimilat circuitelor clasice de

şoc.

Fenomenul de încărcare electrostatică apare în diferite ramuri ale industriei. În afară de

câteva probleme tehnologice (materialele încărcate se atrag su se resping reciproc), descărcările

electrostatice pot produce serioase dificultăţi cum ar fi: şocuri, accidente sau aprinderea unei

atmosfere inflamabile şi, de asemenea, multe probleme în microelectronică (materializate, în final,

prin distrugerea componentelor microelectronice). Încărcarea şi descărcarea corpului uman devine,

astfel, extrem de importantă.

Lumea modernă depinde – în totalitate – de electronică, în special de calculatoare şi

telecomunicaţii. Descărcările electrostatice pot cauza defecţiuni ale dispozitivelor microelectronice.

Sunt vizualizate trei tipuri diferite de DES (descărcări electrostatice):

- erori funcţionale instantanee;

- defecte instantanee ale echipamentelor;

- defecte latente ale componentelor.

Rezultatele dezvoltării miniaturizării în electronică sunt: dimensiuni mici, viteză mare şi

putere redusă. Toate acestea trebuie comparate cu parametrii scânteilor electrostatice care se pot

obţine de la corpul uman după trecerea pe o suprafaţă izolată. Potenţialul poate atinge (16-20) kV,

valoarea de vârf a curentului de şoc poate fi de (10-100) A, iar scânteia durează, doar, 10-8s.

4.3.1. Descărcarea unei persoane încărcate electrostatic Capacitatea electrică a corpului uman în raport cu mediul este de ordinul pF220 , tensiunea

pe care o poate atinge prin încărcare este de 1 până la 20 kV, funcţie de umiditatea relativă a

aerului, de tipul de încălţări, tipul de îmbrăcăminte, natura covoarelor etc.

Sarcina este inofensivă pentru om, însă foarte dăunătoare pentru echipamentele electronice

(după cum s-a precizat, şi mai sus).

Descărcarea este de tip descărcare în gaz, manifestându-se ca o scânteie între doi electrozi,

energia degajată fiind de ordinul milijoulilor.

Descărcările pot fi:

- directe;

- indirecte.

Descărcarea directă se produce în cazul în care persoana încărcată electrostatic întră în

contact direct cu şasiul sau carcasa legate la pământ.

Descărcarea indirectă se poate produce în cazul în care o persoană încărcată electrostatic se

apropie la o mică distanţă de şasiu sau o carcasă metalică legate la pământ.

46

În practica de exploatare a instalaţiilor electrice sunt trei cazuri tipice de descărcare, şi anume:

• persoana încărcată cu sarcină electrică care poate intra în contact direct sau indirect cu un

utilaj legat la pământ;

• persoana încărcată cu sarcină electrică care poate intra în contact direct sau indirect cu un

utilaj izolat;

• persoana neîncărcată cu sarcină electrică care poate intra în contact direct sau indirect cu un

utilaj încărcat cu sarcină electrică.

În oricare din cazurile prezentate mai sus, după încărcare, va apare descărcarea, uzual sub

forma unui şoc de curent, ce poate afecta grav un anumit echipament (izolaţia acestuia). Este

posibil, însă, ca descărcarea să se facă prin intermediul altei persoane, caz în care şocul de curent se

va aplica acesteia. În atenuarea amplitudinii fenomenului, un rol important îl are valoarea rezistenţei

circuitului de descărcare (indiferent de natura acestuia). Valorile rezistenţelor de descărcare -

întâlnite frecvent – sunt următoarele:

izolant prost – ΩM1 ;

corp uman adult sănătos - ( ) Ω− k31010 ;

corpul uman adult bolnav - xnΩ100 , 10⟨n ;

conductoare de scurtcircuitare – câţiva Ωm ÷ câţiva Ω .

Studiu de caz: descărcarea unei persoane încărcate cu sarcină electrostatică în diverse situaţii.

Datele de referinţă:

- tensiunea de încărcare: kVU inc 8,8= ;

- capacitatea: pFC 220= ;

- sarcina electrică: C6109,0 −⋅ ;

- inductivitatea: HL 610−= .

Valorile calculate ale parametrilor de descărcare sunt prezentate în tabelul 11.

Tabelul 11

Rezistenţa de

descărcare

[ ]ΩdR

Forma de undă a

curentului de

descărcare

Amplitudinea

curentului de

descărcare

[ ]AI

Constanta de timp

a procesului

(timpul de creştere)

[ ]sτ

Corp uman sănătos şi uscat 31050 ⋅ şoc 176,0 91002,0 −⋅

Corp uman umed 3105 ⋅ şoc 76,1 9102,0 −⋅

Corp uman rănit 2105 ⋅ şoc 6,17 9102 −⋅

Conductor de scurtcircuitare

(referinţă)

3105 −⋅ oscilant 3029

47

Se constată că pentru o tensiune constantă kVUU inc 8,8== :

dacă rezistenţa creşte, atunci:

valoarea maximă a curentului scade;

timpul de creştere scade ( [ ]sτ );

panta curentului rămâne practic constantă.

dacă inductivitatea scade (lucru ce nu este pus în evidenţă în tabelul 7):

valoarea maximă a curentului creşte;

timpul de creştere scade;

panta curentului creşte.

Situaţia prezentată în studiul de caz corespunde analizei ce trebuie efectuate – din punct de

vedere tehnic – în ceea ce priveşte variaţia de rezistenţă şi inductivitate, ameliorării blindajului unui

circuit electronic sensibil care trebuie protejat.

4.3.2. Simularea descărcărilor electrostatice Această simulare se face având la bază normele americane MIL STD 883C (standard

militar) conform cărora o capacitate de pF100 este încărcată la o tensiune variind între V250 şi

V410 , funcţie de situaţie. Francezii recomandă utilizarea unei capacităţi de pF150 (fig. 4.2.).

Fig. 4.2. Schema de principiu a unui simulator pentru descărcări electrostatice

În figură sR reprezintă rezistenţa de descărcare, iar ED este electrodul de descărcare.

Forma undei de descărcare este prezentată în fig. 4.3. Timpul de creştere este notat cu cT şi

reprezintă timpul în care amplitudinea curentului creşte de la 10 % la 90 % din valoarea maximă (

de vârf). Valoarea uzuală - în practica simulării - este: %35 ±= nsTc .

48

Fig.4.3. Forma undei de descărcare

Durata de semiamplitudine este notată cu sT şi reprezintă timpul în care curentul, în

procesul de descărcare atinge 50 % din valoarea de vârf. Uzual: %350 ±= nsTs .

Conform MIL STD 883C se definesc patru nivele pentru tensiunea de încercare (tabelul 12).

Tabelul 12

Nivelul Tensiunea de încercare [kV]

1 2

2 4

3 8

4 15

Simularea se realizează cu ajutorul pistoalelor de descărcare a căror schemă electrică este

similară cu cea prezentată în fig. 4.2.

4.3.3. Mijloace de intervenţie împotriva descărcărilor electrostatice O primă măsură este de a împiedica producerea sarcinii prin:

o eliminarea frecărilor, a influenţelor exterioare etc.;

o alegerea judicioasă a materialelor aflate în contact conform clsificărilor triboelectrice;

o reducerea rezistivităţii izolanţilor la produsele semiconductoare. Valorile recomandate sunt:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ Ω

⟨ −

mM210ρ ; ( )[ ]Ω−⟨ mRs 1001 ;

o punerea la pământ convenabilă;

o ridicarea conductivităţii aerului prin umidificare %)70( ⟩u .

O a doua măsură este folosirea de către personal a unui echipament corespunzător şi anume:

49

tălpi a căror materiale sunt din punct de vedere triboelectric aproape de caracteristicile

solului;

două tălpi din materiale diferite pentru echilibrarea sarcinilor pozitive şi negative;

echiparea cu o ţinută având fire conductoare legate la pământ.

La nivelul mediului:

- scăderea rezistenţei electrice a aerului.

La nivelul solului:

- introducerea de lubrefianţi care să reducă frecările (mare atenţiei, însă, la alunecare).

Dacă aceste soluţii nu sunt suficiente pentru a reduce apariţia sarcinii electrostatice, mai sunt

posibile :

intervenţii la circuitul de descărcare;

creşterea rezistenţei pentru diminuarea curentului maxim;

reducerea inductivităţii în vederea reducerii supratensiunii;

evitarea descărcărilor în cascadă prin asigurarea unei bune continuităţi între izolanţi şi

conductoare;

atenuarea descărcărilor statice prin filtre, filtre transversale, ferite, circuite supresoare etc.

De asemenea, se mai poate interveni asupra interfeţei dintre circuitul perturbator şi circuitul

perturbat prin intermediul cordoanelor coaxiale, teci blindate sau prin optocuploare.

50

Capitolul 5

PROTECŢIA ÎMPOTRIVA PERTURBAŢIILOR ELECTROMAGNETICE

5.1. Principii de protecţie

Principiul realizării protecţiilor contra perturbaţiilor electromagnetice, constă în eliminarea

cuplajului între perturbator şi perturbat.

Acestea se realizează prin următoarele metode:

îndepărtarea elementului perturbat de sursă. Soluţia constă în amplasarea echipamentelor

sensibile la anumite distanţe faţă de sursele de perturbare;

ortogonalizarea câmpurilor. Această soluţie presupune aşezarea elementelor sensibile astfel

încât câmpurile electrice produse de sursele perturbatoare să fie la 900 faţă de câmpurile electrice

proprii. În felul acesta pe direcţia în care sunt amplasate sursa şi elementul sensibil nu se va produce

nici o influenţă perturbatoare;

crearea de bariere. Această metodă se aplică atât la sursă (antiparazitaj) cât şi la elementul

perturbat (imunizare).

La nivelul sursei perturbatoare se folosesc următoarele metode:

- antiparazitaj la intrarea alimentării prin reţeaua electrică;

- în interiorul sistemului modificând elementele sau cuplajele interne;

- împrejmuirea sursei cu un blindaj.

La nivelul elementului perturbat:

- imunizarea se face prin aceleaşi mijloace ca la sursa perturbatoare.

Barierele pot fi realizate în următoarele variante:

- blindaje;

- puneri la pământ;

- filtraje.

51

5.2. Blindaje 5.2.1. Protecţia prin blindaje

Protecţia împotriva perturbaţilor prin blindaje se realizează pentru a înlătura sau diminua

efectele perturbaţiilor asupra elementelor sensibile.

Blindajul este constituit dintr-o anvelopă conductoare plasată în jurul componentelor

electrice sau electronice pentru a constitui o barieră împotriva influenţelor electrostatice, magnetice

sau electromagnetice. Blindajele se împart în două mari clase:

o blindaje magnetice;

o blindaje amagnetice.

Blindajul magnetic (fig.5.1) este constituit dintr-un material capabil să ofere un drum de

reluctanţă magnetică minimă – pentru liniile de câmp – ce apar în zona unei surse de câmp

magnetic (H) şi de a realiza astfel o protecţie pentru elementele aflate dincolo de peretţii săi.

Fig. 5.1. Blindaj magnetic

Prin această metodă se pot proteja, de exemplu, tuburile catodice ale osciloscoapelor de

influenţa unui transformator de alimentare. La joasă frecvenţă, peretele blindajului se realizează

dintr-un material scump denumit mumetal.

Blindajul amagnetic (fig. 5.2.) este realizat dintr-un material bun conductor, cupru sau

aluminiu. El poate fi obţinut în mai multe variante:

• pentru protecţia împotriva câmpurilor electrice este realizat sub forma unei cuşti Faraday.

Are comportarea aemănătoare unui ecran electrostatic şi nu permite apariţia unui cuplaj capacitiv

între conductoarele electrice situate de o parte şi alta a lui;

• pentru protecţia împotriva câmpurilor magnetice (fig. 5.2). Fluxul magnetic variabil va

induce tensiuni electromotoare în blindaj, respectiv, curenţi induşi ce vor genera un nou câmp

magnetic (de reacţie) care se va opune câmpului magnetic ce i-a dat naştere (inductor). Curentul

rezultant, după cum rezultă din fig. 5.2., va circula la periferia zonei în care se dezvoltă câmp. Prin

52

această metodă putem proteja transformatoarele de medie frecvenţă (câteva sute de kHz) sau de

înaltă frecvenţă (de ordinul MHz).

Fig. 5.2. Blindaj amagnetic

Dacă se utilizează la joasă frecvenţă (50 Hz), el are o eficienţă scăzută pentru fundamentală

şi, ceva mai ridicată, pentru armonicile superioare.

• pentru protecţia împotriva undelor electromagnetice. Aceste blindaje sunt eficiente numai

pentru câmpuri electrice şi magnetice din apropierea elementelor perturbatoare (câmp apropiat). În

acest caz perturbaţia radiată este (pentru o distanţă mai mare de πλ

2) este o undă electromagnetică

(λ - este lungimea de undă). În fig. 5.3. sunt indicate elementele care intevin în interacţiunea

acestei unde cu peretele blindajului. În funcţie de materialul utilizat – la realizarea blindajului –

influenţa coeficientului de reflexie şi a coeficientului de absorţie poate fi diferită.

Fig. 5.3. Distribuţia puterilor la interacţiunea blindajului cu o undă electromagnetică

53

În cazul protecţiei împotriva undelor electromagnetice este necesară definirea eficacităţii

blindajului. Eficacitatea se exprimă făcând „bilanţul” câmpurilor cu şi fără blindaj (de fapt, bilanţul

în lipsa blindajului nu are sens deoarece nu putem vorbi – pentru acest caz - decât de o compunere a

undelor incidentă şi reflectată). Pentru a putea face o comparaţie – şi a evalua, astfel, eficacitatea

blindajului – vom alege, ca referinţă, intensitatea câmpurilor electrice şi magnetice (E şiH) din

mediul considerat în lipsa blindajului.

Se definesc, în acest caz, mărimile:

Raportul câmpurilor electrice E (dB) ( )( )blindajcuE

blindajfaraE__log20= ;

Raportul câmpurilor magnetice H (dB) ( )( )blindajcuH

blindajfaraH__log20= ;

Raportul puterilor (dB)t

i

PP

log10= ,

unde iP şi tP sunt puterile undei incidente, respectiv, undei transmise.

Blindajele sunt realizate – pentru o astfel de protecţie – din metal, dar pentru cazul

frecvenţelor înalte se pot utiliza aliaje speciale sau sisteme multistrat (pereţi metalici feromagnetici

peste care se suprapun pereţi nemagnetici – din cupru sau aluminiu).

5.2.2. Criterii pentru concepţia blindajelor

În primul rând se are în vedere ca blindajul minim să fie suficient pentru asigurarea

nedistrugerii aparatajului care se găseşte în interior. Acest blindaj minim nu asigură obligatoriu şi o

funcţionare fiabilă.

În al doilea rând se are în vedere că blindajul trebuie să scadă nivelul perturbaţiilor – induse

din exterior – sub nivelul perturbaţiilor interne ale sistemului.

În al treilea rând se impune reducerea cauzelor perturbaţiilor interne.

Blindajele constau în general din teci care pot fi tubulare sau tresate.

Un criteriu de calitate al blindajului poate fi dat cu ajutorul impedanţei şi admitanţei de

transfer. Odată cu reducerea impedanţei de transfer scade nivelul cuplajului dintre perturbatorul

exterior şi conductorul central al cablului ce trebuie protejat.

Mijloacele pentru diminuarea valorii impedanţei de transfer sunt:

utilizarea de teci tubulare în loc de teci tresate;

utilizarea tecilor multiple;

ghene din materiale diferite separate sau nu prin dielectric;

ghene din acelaşi material separate sau nu prin dielectric.

54

Un mijloc foarte eficace pentru ameliorarea blindajului este construcţia de blindaje

sandwich compuse din materiale nemagnetice (Cu, Al) care îmbrăţişează un material feromagnetic.

De asemenea, eficacitatea unui blindaj este influenţată de formă (la blindajele pentru câmp

magnetic, în special). Iată, în fig. 5.4 – 5.15, modul în care forma blindajului influenţează energia

specifică în domeniul protejat de blindaj. S-a ales, ca referinţă – pentru a putea evalua eficacitatea

blindajului – mediul fără blindaj. Analiza comparativă s-a realizat pentru trei tipuri de blindaje:

circular, de formă pătratică, respectiv, de formă hexagonală (tip fagure). Pereţii blindajelor –

indiferent de formă – sunt realizaţi din acelaşi material (oţel).

Fig. 5.4. Domeniul de integrare în lipsa Fig. 5.5. Distribuţia intensităţii câmpului

blindajului (referinţă) magnetic (H) în mediul fără blindaj

Fig. 5.6. Distribuţia energiei specifice în mediul fără blindaj

În continuare sunt prezentate distribuţiile câmpului magnetic, respectiv, a energiei specifice

(energia raportată la unitatea de volum), pentru cele trei forme de blindaje precizate.

55

Fig. 5.7. Domeniul de integrare Fig. 5.8. Distribuţia intensităţii câmpului

pentru blindajul circular magnetic (H) în cazul blindajului circular

Fig. 5.9. Distribuţia energiei specifice în cazul blindajului circular

Fig. 5.10. Domeniul de integrare Fig. 5.11. Distribuţia intensităţii câmpului

pentru blindajul pătrat magnetic (H) în cazul blindajului pătrat

56

Fig. 5.12. Distribuţia energiei specifice în cazul blindajului pătrat

Fig. 5.13. Domeniul de integrare Fig. 5.14. Distribuţia intensităţii câmpului

pentru blindajul hexagonal magnetic (H) în cazul blindajului hexagonal

Fig. 5.15. Distribuţia energiei specifice în cazul blindajului hexagonal

57

Deosebit de relevante în evaluarea eficacităţii sunt şi vizualizările inducţiei magnetice din

pereţii cuplajului – ţinând cont de faptul că aceşti pereţi sunt realizaţi din oţel (material

feromagnetic). Iată în fig. 5.16, analiza comparativă a distribuţiilor inducţiei magnetice pentru cele

trei forme de cuplaje studiate.

Fig. 5.16. Distribuţia inducţiei magnetice în pereţii celor trei blindaje analizate

În fig. 5.17 este prezentată distribuţia inducţiei magnetice în mediul fără blindaj (referinţa).

Fig. 5.17. Distribuţia inducţiei magnetice în mediul fără blindaj

58

Din analiza efectuată s-au desprins următoarele concluzii:

eficacitatea blindajului este afectată de forma sa; cel mai performant este cel în

formă de fagure (de tip hexagonal);

aria ecranată (pentru dimensiuni geometrice, aproximativ, egale) este maximă tot în

cazul blindajului hexagonal.

Desigur, în afara acestui aspect al eficacităţii, în practică trebuie cântărite şi posibilitatea

realizării, manopera reclamată de realizare, uşurinţa în manevrarea sistemelor blindate etc..

5.3. Legături la pământ

Cauza principală a punerilor la pământ o constituie necesitatea asigurării personalului şi

aparatajului.

Cauzele pericolelor sunt constituite din fenomene tranzitorii care produc curenţi de nivel

ridicat.

Securitatea personalului şi aparatajului trebuie asigurată împotriva:

• efectelor loviturilor de trăznet;

• efectelor circuitelor de curenţi tari.

În primul caz, punerile la pământ asigură:

- reducerea gradientului de tensiune în structurile metalice ale clădirilor;

- securitatea personalului;

- evitarea degradării clădirilor (construcţiilor);

- evitarea distrugerii aparatelor;

- evitarea incendiilor;

- evitarea incendiilor produse la fisurarea izolatorilor.

În cel de-al doilea caz, punerile la pământ asigură:

- evitarea creşterii tensiunilor şasiului (carcasei) atunci când sunt efecte interne în aparataj;

- asigurarea securităţii personalului;

- evitarea incendiilor determinate de deteriorarea izolaţiei.

În cazul unor colivii blindate, dacă acestea sunt complet închise (mai puţin intrarea şi ieşirea

prin pereţi), punerea la pământ a acestora nu aduce nici o ameliorare pentru blindaj.

Din contră, în cazul când echipamentele nu sunt închise în colivii, o proastă legare la pământ

nu asigură buna protejare a echipamentelor la perturbaţii.

59

În general o proastă legare la pământ se manifestă printr-o impedanţă Z mare, valoare ce nu

lasă ca perturbaţia de curent I să se scurgă la pământ, în totalitate, astfel încât cea mai mare parte a

acesteia pătrunde spre echipament.

În cazul unui filtru cu rol de protecţie contra perturbaţiilor pentru frecvenţe înalte (tratat în

subcapitolul următor), curentul trece mai uşor prin capacitatea C decât prin impedanţa Z a legăturii

la pământ, astfel încât efectul de filtru este, practic, anulat.

5.4. Filtre de reţea

Filtrele de reţea permit diminuarea perturbaţiilor simetrice şi asimetrice care se propagă de-a

lungul liniilor. Sunt necesare precauţii pentru evitarea pericolului personalului de exploatare de

către curenţii capacitivi. Modul de alegere al filtrelor este prezentat în tabelul 13.

Tabelul 13

Filtrele sunt, de fapt, reţele de bobine şi condensatoare şi ele au eficacitate numai pentru

perturbaţiile conduse (de mod comun sau de mod diferenţial). Pentru celelalte medii de cuplaj -

dintre sistemul perturbator şi sistemul perturbat - trebuie utilizate alte mijloace (după cum s-a vazut

blindajele au eficacitatea cea mai ridicată pentru cuplajele capacitive şi inductive şi, chiar, pentru

cele prin radiaţie).

60

5.5. Alte metode şi mijloace de protecţie împotriva perturbaţiilor electromagnetice

Pentru protecţia contra perturbaţiilor electromagnetice, se pot utiliza şi ale metode şi

mijloace:

• reducerea buclelor;

• torsadarea cablurilor;

• pozarea în cabluri coaxiale şi tuburi metalice sau pozarea în colivii metalice;

• creşterea calităţii blindajului cablului coaxial, prin fixarea galvanică în mai multe puncte ale

coliviei sau la pământ;

• creşterea impedanţei buclei inductive prin introducerea de inele de ferită pe blindajul

cablurilor coaxiale sau bobinând câteva spire ale cablului coaxial pe un inel metalic sau de

ferită.

Dintre acestea, la scară mare, se utilizează reducerea buclelor şi torsadarea cablurilor.

Reducerea buclelor – reguli practice

a) Pentru mod comun

În cazul liniilor de transmisie, suprafaţa mare a buclelor cu returul prin sol constituie o

soluţie necorespunzătoare. Această suprafaţă se poate reduce dacă se pozează cablul direct sub sol.

O astfel de soluţie este, însă, de calitate medie. O soluţie mai bună este constituită prin fixarea unui

punct comun de punere la pământ.

b) Pentru mod diferenţial

Pricipala protecţie ce trebuie avută în vedere – în acest caz – este cea împotriva efectelor

câmpului magnetic. O soluţie foarte bună de protecţie o constituie torsadarea conductoarelor.

5.6 Analiza şi prevenirea perturbaţiilor electromagnetice

Sursele electromagnetice perturbatoare din staţii şi posturi de transformare, cu efecte nocive

asupra echipamentelor de calcul necesită găsirea de soluţii ca acestea să fie compatibile unele faţă

de altele şi faţă de acţiunile de influenţă ale mediului.

În acest scop trebuie ca echipamentele de automatizare, care lucrează cu nivele mici de

semnal, să poată fi montate în configuraţie cu echipamentele care folosesc semnale mai puternice şi

care emit perturbaţii nedorite.

Pentru funcţionarea corectă a echipamentelor electronice folosite în instalaţiile electrice şi

pentru înlăturarea efectelor perturbatoare, receptoarele sensibile trebuie să fie adaptate condiţiilor

specifice ale mediilor unde sunt montate.

Efectuarea analizei existenţei şi înlăturarea efectelor perturbaţiei presupun două etape şi

anume:

determinarea originii perturbaţiilor;

61

verificarea compatibilităţii electromagnetice CEM.

Originea perturbaţiilor

Există o multitudine de perturbaţii şi ele trebuie vizualizate ca atare:

1. perturbaţii provenite din reţelele de alimentare cu energie electrică;

2. perturbaţii provenite din impulsuri electromagnetice (IEM);

3. descărcări de sarcini electrostatice (DES);

4. câmp electric, magnetic şi electromagnetic permanent;

5. perturbaţii termice;

6. umiditate;

7. vibraţii;

8. vechimea componentelor;

9. sincronizări.

Acestea pot fi grupate astfel:

1,2,3 şi 4 sunt influenţe ale câmpului electromagnetic;

5,6,7,8 şi 9 constituie aşa-numitele probleme „hardware”.

Există în plus şi aşa-numitele probleme „software”.

Pentru analiza originii perturbaţiilor se recomandă parcurgerea următorilor paşi:

analiza surselor;

analiza cuplajelor;

analiza elementelor perturbatoare.

După stabilirea originii perturbaţiilor se trece la o verificare „hardware” şi „software” atât a

influenţelor electromagnetice produse cât şi a soluţiilor propuse pentru îndepărtarea sau atenuarea

efectelor negative ale acestor interferenţe.

Metodologia CEM

Pentru verficarea compatibilităţii electromagnetice este necesară pargurgerea următoarelor

etape:

analiza reţelei (influenţa tensiunilor lente, influenţa tensiunilor rapide, variaţia tensiunilor

tranzitorii, perturbaţiile de înaltă frecvenţă, armonicile de tensiune/curent etc.) – pentru vizualizarea

perturbaţiilor din reţea prin cuplaje conductive, dar şi inductive şi capacitive;

analiza câmpurilor incidente (câmpuri electromagnetice permanente, impulsuri

electromagnetice etc.) – pentru vizualizarea perturbaţiilor transmise prin radiaţie;

analiza pericolului descărcărilor electrostatice (umiditatea aerului, câmpul electrostatic etc.);

simularea diferitelor fenomene perturbatoare – atât pe calculator cât şi pe simulatoare fizice.

Merită remarcat faptul că majoritatea procedeelor indicate de metodolgia CEM au fost utilizate

şi în prezentarea din cadrul acestui curs, redus, totuşi, la fenomenele electrice cu impact asupra

mediului.

62

BIBLIOGRAFIE

1. Nicolae Daniel Fîţă – Impactul câmpului electromagnetic din staţia electrică 400/220 kV

Roşiori din cadrul C.N. Transelectrica S.A.. Starea de sănătate a personalului – aspect

important al sistemului electroenergetic românesc – Buletinul AGIR nr.4/2006.

2. Cuvillier J., - Cours de CEM – Notions élémentaires – IUT Nantes, 2003.

3. Ion Voncilă, Nicolae Badea, Ion Dobrotă - The influence of geometric shape upon

shielding performance - Proceedings of the 33 –rd International Scientific Symposium of

the Military Equipment and Technology Research Agency, vol. III, pag. 44 – 51, Bucharest,

may 23 – 24, 2002.

4. David Chapman – Armonici. Cauze şi efecte – Ghid de aplicare – Calitatea enegiei

electrice, Copper Development Association, 2001.

5. Hortopan Gh., - Principii de compatibilitate electromagnetică - Editura Tehnică,

Bucureşti, 1998.

6. Ignea A., - Introducere în compatibilitate electromagnetică – Editura de Vest, Timişoara,

1998.

7. Golovanov C., - Aparate electrocasnice. Probleme de compatibilitate electromagnetică -

Editura ICPE, Bucureşti, 1997.

8. Gheorghiu I., Viziteu I., - Compatibilitatea electromagnetică a reţelelor electrice - Editura

Plumb, Bacău, 1995.

9. Arie A., Negus C., Golovanov C., Golovanov N., - Poluarea cu armonici a sistemelor

electroenergetice funcţionând în regim permanent simetric – Editura Academiei Române,

Bucureşti, 1994.

10. *** Colecţie de standarde.