CAPITOLUL 2

DEFECTE ŞI REGIMURI ANORMALE ÎN INSTALAŢIILE ELECTROENERGETICE

2.1. TIPURI DE DEFECTE ŞI REGIMURI ANORMALE

2.1.1. Defecte

Defectele cel mai des întâlnite în instalaţiile electrice sunt scurtcircuitele.Ele pot fi scurtcircuite polifazate (trifazate, bifazate, sau bifazate la pământ), când este străpunsă izolaţia între două sau trei faze, şi scurtcircuite monofazate când este străpunsă izolaţia între o fază şi pământ. Scurtcircuitele monofazate au loc în reţelele cu curenţi mari de punere la pământ, în care neutrele transformatoarelor de putere sunt legate direct la pământ. Scurtcircuitele polifazate sunt însoţite de curenţi de valori foarte mari în comparaţie cu cei nominali, provocând în instalaţiile electroenergetice importante efecte electrodinamice şi termice, precum şi scăderi sensibile ale tensiunilor până la pierderea stabilităţii sistemului.

În reţelele de medie tensiune, în care punctele neutre ale transformatoarelorsunt izolate sau legate la pământ prin bobină de stingere, străpungerea izolaţiei între o fază şi pământ este însoţită de curenţi mici, impedanţele din circuit având valori mari.

Punerea unei faze la pământ în aceste tipuri de reţele provoacă însă, creşterea tensiunii fazelor sănătoase în raport cu pământul, iar această creştere conduce la suprasolicitarea izolaţiei şi la pericolul străpungerii acesteia şi într-un alt punct de pe celelalte faze, defectul trecând astfel în dublă punere la pământ ; aceasta reprezintă de fapt un scurtcircuit bifazat prin pământ care trebuie lichidat de protecţia prin relee.

Pentru proiectarea protecţiilor prin relee este necesar a se calcula curenţii de defect în cazul scurtcircuitelor trifazate, bifazate, monofazate şi bifazate la pămâmt.

Curentul de scurtcircuit trifazat se calculează pentru stabilirea reglajelor şi verificarea selectivităţii protecţiilor prin relee.

Curentul de scurtcircuit bifazat se calculează pentru verificarea sensibilităţii protecţiei prin relee.

Curentul de scurtcircuit monofazat se calculează pentru stabilirea valorilor de pornire ale protecţiilor împotriva defectelor monofazate, în reţelele cu curenţi mari de punere la pământ. Tot în acest scop este necesar şi calculul curentului de

scurtcircuit bifazat la pământ, deoarece în unele cazuri aceste defecte pot conduce la valori ale componentei de secvenţă homopolară mai mari decât în cazul scurtcircuitului monofazat, folosindu-se în acest caz valoarea curentului de scurtcircuit bifazat la pământ.

Un alt defect care poate apărea în instalaţiile electroenergetice, îl constituieîntreruperea unei faze, care poate provoca apariţia curenţilor de secvenţă inversă în generatoarele sincrone şi încălzirea bobinajelor acestora. De asemenea, în cazul funcţionării îndelungate a unei linii în două faze este necesară şi verificarea influenţei asupra liniilor de telecomunicaţii [13, 31].

2.1.2. Regimuri anormale Principalele regimuri anormale întâlnite în instalaţiile electrice sunt:

supraintensităţile, scăderile de tensiune, scăderea frecvenţei, pendulările şi creşterile de tensiune.

Supraintensităţile sunt provocate de scurtcircuite exterioare elementuluiprotejat, fie de apariţia unor suprasarcini. Supraintensităţile nu determină o deconectare imediată a elementului protejat, însă ele nu pot fi admise pe o perioadă nedeterminată întrucât provoacă supraîncălziri şi deci uzura izolaţiei şi a contactelor, etc.

Scăderile de tensiune sunt provocate de scurtcircuite exterioare zoneiprotejate, acestea ducând la valori reduse ale tensiunilor remanente la barele staţiilor apropiate de defect. Aceste regimuri anormale de funcţionare au influenţă în special asupra motoarelor electrice, acestea reducându-şi turaţia sau chiar se pot opri, repornirea lor fiind apoi dificilă la revenirea tensiunii.

Scăderea frecvenţei în reţea are drept consecinţă funcţionarea anormală amecanismelor şi utilajelor antrenate de motoarele electrice.

Pendulările, respectiv pierderea stabilităţii sistemului pot apărea din cauzaunor scurtcircuite lichidate prea târziu, a depăşirii puterii transportate printr-o linie de interconexiune, etc., care provoacă ieşirea din sincronism a centralelor funcţionând în paralel.

Curenţii de egalizare care circulă în timpul pendulărilor prin liniile de legătură dintre centrale, au perioada T = 0,2…2 sec. şi pot depăşi mult valorile curenţilor de pornire a protecţiilor, fiind astfel posibile acţionări neselective. Se impune astfel utilizarea unor dispozitive speciale de blocaj, acestea comportându-se în mod diferit la pendulări - când blochează protecţia – şi la scurtcircuite pe linia respectivă – când permite acţionarea corectă a protecţiei, datorită unor deosebiri care există între caracterul variaţiilor curenţilor, tensiunilor şi puterilor în cele două cazuri.

Creşterile de tensiune sunt provocate, de exemplu, de creşterea turaţiei unuihidrogenerator sau de alimentarea unui consumator cu reactanţă capacitivă [13, 31].

2.2. PARTICULARITĂŢILE CALCULULUI CURENŢILOR DE SCURTCIRCUIT PENTRU PROIECTAREA PROTECŢIILOR

19

Pentru proiectarea instalaţiilor de protecţie şi reglarea acestora în timpul exploatării, trebuiesc cunoscute valorile curenţilor de scurtcircuit. Pentru alegerea curenţilor de pornire şi verificarea performanţelor protecţiilor rapide sunt necesare valorile curenţilor de scurtcircuit la t = 0, care corespunde valorilor supratranzitorii ale curenţilor de scurtcircuit, iar pentru verificarea performanţelor protecţiilor temporizate, sunt necesare valorile staţionare ale curenţilor de scurtcircuit (determinarea valorilor de pornire la aceste protecţii se face funcţie de curenţii nominali sau de sarcină maximă).

Pentru calculul curenţilor de scurtcircuit în vederea alegerii curenţilor de pornire şi verificării performanţelor protecţiile rapide se admit o serie de simplificări printre care menţionăm:

a) Se neglijează rezistenţele elementelor componente ale sistemului energetic, rezistenţa arcului electric, rezistenţa de contact dintre conductoarele în scurtcircuit, rezistenţa de punere la pământ;

b) Se neglijează de asemenea curenţii de magnetizare ai transformatoarelor, saturaţia circuitelor magnetice, admitanţele liniilor electrice, defazajele dintre tensiunile de la extremităţile echipamentului;

c) Punerea în paralel a tuturor surselor care alimentează defectul, întrucât pe durata de 0,1 sec.(timpul propriu de acţionare al protecţiei rapide), nu se poate manifesta amortizarea diferită a componentei tranzitorii a curentului de scurtcircuit;

d) Datorită timpului propriu foarte mic de acţionare a protecţiilor rapide, funcţionarea protecţiilor nu este influenţată de componenta aperiodică a curentului de scurtcircuit, calculul curentului de pornire efectuându-se în funcţie de valoarea supratranzitorie a componentei periodice a curentului de defect.

e) Se admite neglijarea contribuţiei motoarelor electrice ale consumatorilor la valoarea curenţilor de scurtcircuit.

În cazul protecţiilor temporizate, selectivitatea este asigurată prin alegerea treptelor de temporizare şi de aceea curenţii de pornire nu se aleg funcţie de curenţii de scurtcircuit la limitele zonei protejate, ci în funcţie de curenţii nominali sau de sarcină maximă. Calculul curenţilor de scurtcircuit ar fi totuşi necesar pentru verificarea sensibilităţii acestor tipuri de protecţii, întrucât în expresia coeficientului de sensibilitate intervin valorile minime posibile ale curentului de defect, iar valoarea curentului la un anumit timp este mai mică decât cea supratranzitorie [13].

2.3 SCURTCIRCUITE TRIFAZATE ŞI BIFAZATE

2.3.1 Scurtcircuitul trifazat

20

Prin scurtcircuit trifazat se înţelege contactul mecanic sau prin rezistenţa arcului electric între cele trei faze ale unei instalaţii. Se mai numeşte şi scurtcircuit simetric, deoarece în cazul în care se produce prin rezistenţe egale, atât curenţii cât şi tensiunile îşi păstrează simetria, cu toate că valorile lor se schimbă faţă de cele din regimul normal, anterior defectului.

În fig. 2.1a este prezentată schema echivalentă a unei reţele cu un scurtcircuit trifazat. Dacă se presupune că impedanţele Z ale tuturor elementelor cuprinse între sursă şi defect sunt egale şi că tensiunile pe fază Uf sunt egale şi simetrice, atunci curenţii de scurtcircuit sunt simetrici şi egali. Valoarea efectivă a componentei lor periodice este:

În momentul apariţiei scurtcircuitului, impedanţa scade brusc la valoarea ZΣ iar

curenţii de scurtcircuit care circulă între sursă şi locul de defect pot atinge valori mari.

Scurtcircuitul trifazat metalic fiind un scurtcircuit simetric, diagrama fazorială a curenţilor de defect şi a tensiunilor are forma din fig. 2.1b.

(a) (b)

Fig. 2.1 Schema echivalentă (a) şi diagrama fazorială (b) pentru scurtcircuit trifazat

Valoarea unghiului φk este determinată de raportul dintre reactanţa echivalentă XΣ şi rezistenţa echivalentă RΣ a porţiunii de reţea dintre sursă şi defect

Valorile unghiului φk depind de tipul şi parametrii liniei. Pentru liniile aeriene acest unghi poate să varieze între 200 şi 800, iar pentru liniile de medie tensiune în cablu, între 100 şi 200.

Pentru verificarea performanţelor protecţiilor este necesară cunoaşterea tensiunii remanente la locul de montare a acestora; devine astfel necesară cunoaşterea variaţiei tensiunii remanente de-a lungul elementelor dintre sursă şi defect (fig.2.2c).

21

UR

USUT

IKR

IKS

IKT φk

φk

φkIKS

IKT

ZΣ

IKRURZΣ=RΣ+jXΣ

ZΣ

K

US

UT

Considerând un defect trifazat metalic în punctul K (fig.2.2a), tensiunile pe fază şi între faze în punctul K vor fi nule (fig.2.2b), crescând apoi liniar către sursă, tensiunea remanentă între faze într-un anumit punct al reţelei fiind dată de relaţia

(2.3)în care: x0 este reactanţa specifică a liniei,

l – distanţa dintre defect şi punctul în care se calculează tensiunea remanentă.

Tensiunile remanente sunt deci proporţionale cu distanţa l, coeficientul de proporţionalitate fiind determinat de reactanţa specifică a liniei şi valoarea curentului.

Între t.e.m. E şi tensiunea remanentă în punctul A, există relaţia: (2.4)

în care X” este reactanţa supratranzitorie a generatorului [5, 8].

2.3.2 Scurtcircuitul bifazat

Scurtcircuitul bifazat este determinat de contactul metalic sau prin arc dintre două conductoare a două faze, în acest caz neexistând simetrie între curenţi şi tensiuni.

22

K

IT

IR

IS

IT

IR

IS

IS

IR

IT

A B CGS

URB

USB

UTB

URA

USA

UTA

IR

IS

IT

ER

ES

ET

E

UKA

UKB

Fig. 2.2 Scurtcircuit trifazat: schema electrică (a), diagramele fazoriale ale mărimilor în diferite puncte (b), variaţia tensiunii de la locul defectului la sursă (c)

c)

b)

a)

L1 L2

Presupunându-se un scurtcircuit bifazat de exemplu între fazele S şi T, într-un punct K (fig. 2.3a, adoptând convenţional ca sens pozitiv al curenţilor sensul spre defect), au loc următoarele relaţii (cu neglijarea curenţilor de sarcină):

(2.5) (2.6)

(2.7)

Curentul de scurtcircuit ISK de pe faza S fiind egal şi de sens contrar cu cel de pe faza T, ITK are valoarea:

Curentul de scurtcircuit bifazat produs în aceeaşi reţea este mai mic decât curentul de scurtcircuit trifazat raportul dintre ei fiind

Diagrama fazorială a curenţilor şi tensiunilor este reprezentată în fig. 2.3b.La locul scurtcircuitului tensiunea între fazele defecte S şi T este zero

(sa presupus scurtcircuitul metalic), tensiunile de fază US’ = UT’ = 1/2 US =1/2 UT , iar tensiunea fazei R este normală (OS’=US’ = OS sin 300 =1/2 US).

(a) (b)

Fig. 2.3 Schema echivalentă (a) şi diagrama fazorială (b) pentru scurtcircuitul bifazat

Din fig. 2.3b se observă că tensiunile dintre faza sănătoasă şi fazele defecte au valorile

URS’ = URT’ = UR + US’ = US + 0,5 US = 1,5 US =1,5/1,73 URS = 0,87 URS

Deci la locul defectului tensiunea dintre faza sănătoasă şi fazele defecte este puţin mai mică decât în situaţia normală de funcţionare.

23

ISK

ITK

ZΣ

URZΣ=RΣ+jXΣ

ZΣ

K

US

UT UT’ US’

USUT

ISK

ITK

UR

oURS’ =URT’

sc

sc

R

T S

T’ S’

Pe măsură ce ne apropiem de sursa de alimentare, adică ne îndepărtăm de locul defectului, tensiunile US şi UT cresc iar defazajul dintre ele creşte de asemenea de la 00 la 1200. Astfel, tensiunile pe fazele S şi T la staţie (la începutul liniei) sunt date de relaţiile:

US = US’ + (RΣ + jXΣ) (2.10)

UT = UT’ + (RΣ + jXΣ)

Curenţii de scurtcircuit în cele două conductoare defecte sunt egali în valoare absolută, însă de sensuri contrare şi defazaţi faţă de tensiunea UST care-i generează, cu unghiul , definit ca la scurtcircuit trifazat.

Pentru calculul curentului de scurtcircuit bifazat se alcătuieşte schema de secvenţă directă şi inversă; curentul de scurtcircuit bifazat conţine componenta de secvenţă directă şi inversă, iar tensiunile în afara componentei de secvenţă directă conţine şi componenta de secvenţă inversă determinată de căderile de tensiune datorate componentei de secvenţă inversă a curentului [5, 8].

2.4 SCURTCIRCUITUL MONOFAZAT

Acest tip de defect apare în reţelele care au neutrul legat direct la pământ sau prin rezistenţă de valoare mică.

(a) (b)

Fig. 2.3 Schema echivalentă (a) şi diagrama fazorială la sursă în cazul scurtcircuitului monofazat (b)

În cazul unui scurtcircuit monofazat metalic, de exemplu pe faza T în punctul K (fig. 2.3a) dintr-o reţea cu curenţi mari de punere la pământ, curenţii din celelalte două faze vor fi nuli (neglijând curenţii de sarcină) deci:

(2.11) (2.12)

iar tensiunea fazei defecte va fi nulă în punctul de punere la pământ (2.13)

24

ITK

U ZΣ

UR ZΣ=RΣ+jXΣ

ZΣ

US

UT

I(1)K ZP

USUT

IKT

UR

K

După cum se vede din figură bucla de scurtcircuit este formată din impedanţa fazei ZΣ şi impedanţa circuitului prin pământ Zp. Tensiunea care produce curentul de scurtcircuit este tensiunea pe faza defectă Uf = UT şi deci curentul de defect are valoarea

Curentul de scurtcircuit este în general un curent reactiv defazat mult în urma tensiunii care îl determină; în cazul defectului printr-un arc de rezistenţă apreciabilă, el are şi o componentă activă.

Curentul de scurtcircuit monofazat IT este defazat cu faţă de tensiunea fazei T. Tensiunile fazelor R şi S îşi păstrează valorile în lungul liniei, întrucât au fost neglijaţi curenţii de sarcină.

Curentul de scurtcircuit monofazat se calculează cu ajutorul schemei echivalente compusă din reactanţele de secvenţă directă, inversă şi homopolară; o caracteristică a acestor defecte o constituie apariţia mărimilor de secvenţă homopolară – curentul I0 şi tensiunea U0. Astfel

IR + IS + IT =3I0

(2.15) UR +US + UT =3U0

unde U0 este valoarea maximă la locul defectului şi scade în lungul liniei până la valoarea zero la sursă [8].

2.5 PUNERI LA PĂMÂNT ÎN REŢELELE CU CURENŢI MICI DE PUNERE LA PĂMÂNT

2.5.1 Puneri la pământ în reţele cu neutrul izolat

Punerea la pământ este un defect care constă în crearea unei legături accidentale, între pământ şi o fază a unei reţele care nu are în nici un punct al ei o legătură netă la pământ.

În cazul punerii unei faze la pământ, faza T (fig. 2.4) potenţialul pământului devine egal cu al fazei T, iar tensiunile fazelor R şi S faţă de pământ devin UR0 , respectiv US0 de valoare mai mare de ori faţă de UR, respectiv US din regimul normal şi defazate între ele cu 600 faţă de 1200 înaintea punerii la pământ.

25

UR IR

US

UT

IP

IP

IR IS IT = 0

ISN

UN0 US

URUR0

U0=UN0= -UT

IP

IS

N

(a) (b) Fig. 2.4 Schema electrică (a) şi diagrama fazorială (b) în cazul reţelelor cu neutrul izolat

Prin capacităţile fazelor R şi S circulă curenţi determinaţi de UR0 şi US0 care se

vor însuma prin locul punerii la pământ şi se vor închide prin faza defectă.

Curentul de punere la pământ Ip se determină astfel:

Dar

UR0 +US0 = -3UT = 3U0 (2.17)

unde U0 este tensiunea de secvenţă homopolară, U0 = - UT

Relaţia de mai sus devine:

Înlocuind în (2.18) pe Zc cu

relaţia de mai sus devine

Ip = 3 I0 = j3ωCU0 (2.20)

iar în valori absolute

Ip =3 I0 =3ωCU0 (2.21)

Rezultă că curentul de secvenţă homopolară I0 care apare în cazul punerii la

pământ este un curent capacitiv, fiind defazat cu 900 înaintea tensiunii de secvenţă homopolară U0, conform schemei echivalente din fig. 2.5.

26

IP

UT0T(0)

UTIR

CCC

I0

U0

Fig. 2.5 Schema echivalentă pentru mărimile de secvenţă homopolară

Cel mai adesea în cazul reţelelor aeriene, punerea la pământ nu este netă, ci are loc printr-un arc electric cu o oarecare rezistenţă, RD. În acest caz potenţialul fazei puse la pământ diferă de cel al pământului prin căderea de tensiune în arc. Tensiunea U0 nu mai este egală şi de sens contrar cu tensiunea pe fază a fazei defecte, ci este întotdeauna mai mică decât aceasta. Pentru stabilirea valorii curentului de punere la pământ, vom ţine seama de faptul că, curentul care se închide prin locul de defect este suma celor trei curenţi capacitivi determinaţi de tensiunile faţă de pământ ale celor trei faze, în acest caz şi faza defectă având o tensiune faţă de pământ şi deci un curent corespunzător (fig.2.6).

Curentul de punere la pământ este dat de relaţia [8],

(2.22)

Din analiza celor de mai sus rezultă că o punere la pământ în cazul echipamentelor alimentate dintr-o reţea cu neutrul izolat, poate fi evidenţiată prin următoarele mărimi specifice:

tensiunea de deplasare a neutrului UN0;

tensiunile de fază UR, US, UT;

tensiunea de secvenţă homopolară U0;

curentul de secvenţă homopolară I0.

Aceste mărimi stau la baza realizării protecţiilor împotriva punerilor la pământ în reţelele cu neutrul izolat [5, 8].

2.5.2 Puneri la pământ în reţele cu neutrul tratat prin bobină de stingere

În reţelele întinse, cu capacităţi mari faţă de pământ (în special cele în cablu),

27

URIR

UUS

UT

IP

IP

IR IS IT

ISN

UN0 RD

Fig.2.6. Curenţii în cazul unei puneri la pământ prin rezistenţă într-o reţea cu neutrul izolat

curentul de defect, în cazul unei puneri la pământ, poate atinge valori mari, care devin periculoase pentru instalaţii şi constituie o suprasarcină pentru reţea şi în plus determină creşterea tensiunii faţă de pământ a celorlalte două faze şi prin aceasta creşte pericolul apariţiei unei noi defecţiuni. Majoritatea defectelor care apar în liniile aeriene sunt trecătoare ; o punere la pământ prin conturnarea izolaţiei poate dispărea definitiv la stingerea arcului.

Din aceste motive se utilizează mijloace care să reducă la minimum curentul de punere la pământ în reţelele în care neutrul nu este legat direct la pământ, creând condiţii pentru stingerea arcului şi dispariţia defectului. În acest scop se utilizează, metoda tratării neutrului reţelelor prin bobine de stingere. Aceasta se conectează între neutrul sursei (generator sau transformator) şi pământ (fig. 2.7).

Curentul prin bobină, IL, este defazat cu 900 în urma tensiunii U0 dintre neutru şi pământ, iar suma curenţilor capacitivi ai fazelor sănătoase, IC este defazat cu 900

înaintea tensiunii de secvenţă homopolară U0. Prin locul punerii la pământ, circulă suma acestor doi curenţi defazaţi între ei cu 1800; în cazul în care IL = IC, curentul de punere la pământ şi curentul de secvenţă homopolară sunt nuli, Ip = I0 = 0.

Ţinând seama de cele prezentate mai sus, schema echivalentă a unei reţele compensate cu o punere la pământ este prezentată în fig. 2.8.

28

CCC

I0

U0

IC

IL

L

Fig. 2.8. Schema echivalentă a unei reţele compensate cu o punere la pământ pe o fază

URIR

US

UT

ICIP

IP

IR IS IT = 0

ISN

UN0

o

IL

U0

IL

U0

ILIC

U0

IC

IL

Fig. 2.7 Schema electrică şi diagramele fazoriale în cazul

reţelelor cu neutrul tratat prin bobină de stingere

Compensarea totală a curentului capacitiv se obţine pentru

XL = XCe (2.23)

Unde XL = ωL

XCe = XC /3 = 1/3ωC

Dacă această condiţie este satisfăcută, IL = - IC , deci curentul capacitiv este compensat de către curentul inductiv prin bobină şi la locul defectului nu circulă curent.

Practic nu se realizează condiţia de rezonanţă, datorită faptului că, capacităţile faţă de pământ variază cu lungimea liniilor în funcţiune iar bobina de stingere nu este niciodată o reactanţă pură ci prezintă totdeauna o anume rezistenţă. Din acest motiv, prin locul de defect - chiar dacă bobina de stingere este perfect acordată - circulă întotdeauna o componentă activă I0 de valoare redusă care nu se poate anula niciodată şi care este proporţională cu rezistenţa bobinei şi independentă de rezistenţa de defect (fig.2.9) [5, 8].

29

ILIC I0

U0

Fig. 2.9. Diagrama fazorială în cazul neutrului tratat cu bobină de stingere