Supratensiuni Temporare

Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi IaiFacultatea de Inginerie Electric Energetic, i Informatic Aplicat

LUCRARE DE LICEN

Supratensiuni Temporare

Coordonator tiinific Prof.Univ.Dr.Ing.Marcel Istrate Absolvent Lepdtescu Vasile

-

2011-

Declaraie

Prin prezenta declar c Lucrarea de licen cu titlul Supratensiuni temporare este scris de mine i nu a mai fost prezentat niciodat la o alt facultate sau instituie de nvmnt superior din ar sau strintate. De asemenea, declar c toate sursele utilizate, inclusive cele de pe Internet, sunt indicate n lucrare, cu respectarea regulilor de evitare a plagiatului: toate fragmentele de text reproduse exact, chiar i n traducere proprie din alt limb, sunt scrise ntre ghilimele i dein referina precis a sursei; reformularea n cuvinte proprii a textelor scrise de ctre ali autori deine referina precis; rezumarea ideilor altor autori deine referina precis la textul original.

Iasi, 2011 Absolvent Prenume Nume _________________________ (semntura n original)

CuprinsLUCRARE DE LICEN............................................................................................................1 Cuprins...........................................................................................................................................3

Supratensiuni temporare

4

IntroducereTehnica tensiunilor nalte reprezint o disciplin din ramura celor energetice. nglobnd o serie de aspecte legate de solicitrile izolatoarelor axate pe faze diferite ale unor proiecte tehnice de specialitate(proiectare, verificare, execuie, diagnoz, mentenan) aceast disciplin ar putea fi ridicat la rang de tiin i ntruct este abordat n special de ctre inginerii de profil din ce n ce mai mult se contopete cu noiunile de ngineria Tensiunilor nalte. Apariia ca domeniu de studiu a aprut ca o necesitate, odat cu darea n funciune a primelor instalaii de nalt tensiune, avand ca obiectiv central proiectarea, construirea, ncercarea, exploatarea i protecia dispozitivelor electroizolante, n concordan cu tensiunile nominale de funcionare (pentru regimul de lung durat), ct i cu supratensiunile posibile (corespunztoare regimului de scurt durat, de avarie). Supratensiunea reprezint orice tensiune aprut n reelele electrice a crei valoare depete valoarea maxim pentru echipament. Prin valorile lor ridicate supratensiunile pot afecta izolaia reelelor electrice, pagubele ce ar putea fi produse la aceste incidente avnd valori nsemnate n cele mai multe cazuri. Se impune aadar precizarea unor mrimi care s defineasc formele de tensiuni i supratensiuni care se ntlnesc n funcionarea normal sau n cazurile de varie a reelelor electrice. Pentru limitarea creterilor de tensiune datorit efectului capacitiv pe liniile electrice lungi, n gol, la nivelul impus trebuie s se realizeze compensarea trasversal a liniilor cu bobine. Locul de montare a bobinei se stabilete din considerente tehnico-economice. Prezena bobinelor de compensare pe liniile de 750 kV poate duce la apariia fenomenelor de rezonan cu implicaii asupra pauzei de RARM i asupra proteciei mpotriva acestor supratensiuni. Msurile necesare pentru micorarea duratei pauzei de RARM i pentru evitarea apariiei fenomenelor de rezonan se vor stabili n urma unei analize tehnico-economice, inndu-se seama de gradul de compensare, de caracteristicile sistemului (puterea de scurtcircuit), de condiiile impuse din considerente de stabilitate a sistemului etc. Pentru micorarea pauzei RARM, se pot monta pe neutrul bobinelor de reactan bobine suplimentare, avnd reactana cuprins n limitele de 170 si 360. Liniile de 400 kV i 750 kV vor fi prevzute cu o protecie maximal de tensiune, trifazat, cu temporizare independent, dac din calcule rezult c, n urma deconectrii de la un capt al liniei respective sau n alte regimuri posibile, pot s apare supratensiuni temporare mai mari dect valorile admisibile.


5

n funcie de valorile maxime ale supratensiunilor temporare rezultate din calcule (Umax.calc), protecia maximal de tensiune va fi realizat cu una sau mai multe trepte de tensiune i de timp. Protecia va comanda n primul rnd conectarea rapid a bobinelor de compensare transversal dac acestea exist n staia n care monteaz protecia. n lipsa bobinelor de compensare transversal sau dac conectarea bobinelor de compensare transversal nu conduce la scderea tensiunii sub valorile periculoase, protecia trebuie s comande declanarea de la ambele capete a liniei care provoac supratensiunea, precum i blocarea RAR. Reglajele proteciilor se coreleaz cu caracteristicile aparatajului din staiile respective, imndu-se seama i de recomandrile furnizorului de aparataj.

1. Noiuni generale despre supratensiuni


6

1.1 Definirea supratensiunilor Supratensiunea reprezint orice tensiune aprut n reelele electrice a crei valoare depete valoarea maxim pentru echipament. Se impune aadar precizarea unor mrimi care s defineasc formele de tensiuni i supratensiuni care se ntlnesc n funcionarea normal sau n cazurile de varie a reelelor electrice. Una dintre principalele probleme ale domeniului tehnicii tensiunilor nalte const n alegerea rigiditii dielectrice a echipamentelor i reelelor electrice n raport cu tensiunile care pot s apar , lund n considerare caracteristicile mijloacelor de protecie disponibile. n acest sens , pentru soluionarea n bune condiiuni a acestui deziderat , este necesar definirea corect a unor mrimi cu care se opereaz i stabilirea unor limite de variaie a acestor mrimi. 1.2 Mrimi reprezentative Definirea mrimilor care privesc solicitrile electrice ale izolaiilor sunt specificate n recomandrile CEI 71- 1 care se refer la reelele electrice trifazate . Se tie c reelele electrice din ara noastr sunt de acest tip , iar izolaia acestor reele poate fi :a.

Intern, reprezentnd izolaia prilor interioare solide, lichide sau gazoase ale Extern, contnd din distane de separare n aer i din suprafeele n contact cu

unui echipament, care nu sunt supuse influenei condiiilor atmosferice.b.

aerul al izolaiilor solide. Izolaia extern este caracteristic reelelor i echipamentelor electrice destinate s funcioneze n exterior, n care caz aceast izolaie este supus condiiilor atmosferice , polurii , etc. Izolaia extern, pentru reelele electrice sau pentru echipamentele destinate s funcioneze n interior, este supus numai n parte condiiilor atmosferice. Lund n considerare comportarea izolaiei la apariia unei descrcri electrice ea poate fi:a.

Autoregeneratoare, a crei proprieti izolante se refac dup o descrcare electric; izolaia extern este de acest fel. Neautoregeneratoare, a crei proprieti izolante se pierd sau nu se refac integral dup o descrcare electric ; izolaia intern, cu excepia celei n gaze , este neautoregeneratoare .

b.

Din punctul de vedere al modului de realizare, izolaia poate fi : a. izolaie faz-pmnt

Supratensiuni temporare b.

7

izolaia ntre faze i izolaie longitudinal caracteristic aparatajului de

comutaie n poziie deschis. Izolaia reelelor i echipamentelor electrice poate fi supus urmtoarelor solicitri de natur electric: tensiuni de frecven industrial, supratensiuni. Tensiuni de frecven industrial caracteristice pentru izolaii sunt:

Tensiunea nominal, Un reprezint valoarea efectiv a tensiunii dintre faze a reelelor i echipamentelor trifazate prin care este desemnat reeaua sau echipamentul electric respectiv.

1.

Tensiunea cea mai ridicat a reelei, Umr , dat de valoarea electric maxim a tensiunii dintre dou faze a reelei n condiii normale de funcionare a acesteia. Tensiunea cea mai ridicat pentru echipament, Um , dat de cea mai mare valoare efectiv ntre faze pentru care este proiectat echipamentul electric din punct de vedere al izolaiei acestuia.

2.

Tensiunea nominal reprezint o valoare de referin, fr s aib o semnificaie fizic precis. Din aceste considerente se recomand ca s se opereze n mai mic msur cu aceast mrime. Normativele n vigoare iau ca mrime de referin tensiunea cea mai ridicat pentru echipament, deoarece izolaia echipamentelor electrice este mai slab dect cea a reelelor electrice. n exploatare, izolaia este supus la diferite solicitri i anume:electrice , termice, mecanice, chimice. Aceste solicitri duc cu timpul la mbtrnirea izolaiei. n cazul mbtrnirii electrice a izolaiei interne , timpul de strpungere are un caracter aleatoriu, deoarece procesul de strpungere ca i procesul de mbtrnire a izolaiei reprezint procese aleatoare. Din aceste considerente, rigiditatea dielectric, n cazul aciunii de durat a tensiunii maxime pentru echipament, se caracterizeaz prin dou mrimi statistice i anume : sperana matematic i dispersia. Aceste mrimi se definesc pentru o valoare dat a lui Um .Pentru majoritatea izolaiilor ce intervin la echipamentele electrice de nalt tensiune , funcia de repartiie ce descrie cel mai bine procesul de strpungere este de tipul lognormal. Pentru diferite valori ale tensiunii aplicate se obin mai multe funcii de repartiie de tip lognormal pe baza crora se poate obine caracteristica tensiune timp, de forma prezentat n Figura 1.1, corespunztor diferitelor niveluri ale probabilitii timpului de predescrcare, ceea ce implic cunoaterea nu numai a valorii lui Mlgt dar i a lui lgt . Solicitrile electrice se refer la structurile izolante (izolatoare, izolaii n gaze, izolaii lichide) i la bornele de tensiune. Se consider urmtoarele configuraii de izolaii: trifazate, constnd din borne trifazate, o born a neutrului i o born de legare la pmnt;


8

faz pmnt, constnd dintr-o reea trifazat n care se neglijeaz bornele a dou faze, n majoritatea cazurilor aceste reele au borna neutrului legat la pmnt;

faz - faz, constnd dintr-o reea trifazat la care borna unei faze se neglijeaz; n unele cazuri borna neutrului i borna de legare la pmnt nu se iau n considerare.

1.1

Supratensiunea reprezint orice tensiune ntre conductor i pmnt sau ntre dou conductoare de faz , avnd o valoare care depete valoarea de vrf a celei mai mari valori a tensiunii cel mai ridicate pentru echipament, Um. n funcie de form i de durat, tensiunile i supratensiunile se mpart n urmtoarele clase principale:o

tensiune de frecven industrial continu : tensiune de frecven industrial care are o valoare constant a tensiunii efective i care se aplic n mod continuu unei perechi de electrozi a unei izolaii; supratensiuni temporare:supratensiuni de frecven industrial de durat relativ mare; supratensiuni tranzitorii: supratensiuni de scurt durat, de cteva milisecunde sau mai puin , oscilante sau neoscilante i care n mod obinuit se amortizeaz intens.

o o

Supratensiunile tranzitorii se mpart n: supratensiuni cu front lent; supratensiuni n mod obinuit unipolare, cu durata pn la creast 20 s < f < 5000 s i durata spatelui u 20 ms; supratensiuni cu front rapid: supratensiuni n mod obinuit unipolare, cu durata pn la creast 0,1 s f 20 s i durata spatelui u < 300 s ;


9

supratensiuni cu front deosebit de rapid: supratensiuni n mod obinuit unipolare de tip tranzitoriu; supratensiuni compuse(temporare, cu front lent, cu front rapid, cu front deosebit de rapid) care constau din dou componente de tensiune aplicate simultan ntre dou borne faz faz (sau longitudinale) i pmnt. Unele forme de supratensiuni sunt standardizate:-

tensiunea de frecven industrial standard de scurt durat, o tensiune sinusoidal avnd frecvena cuprins ntre (48- 62) Hz i durata de 60 ms; impulsul de comutaie standard; un impuls avnd timpul pn la creast de 250s i pn la o semiamplitudine de 2500 s; impulsul de comutaie compus standard; tensiunea de impuls compus avnd dou componente de valoare de creast egale i de polaritate opus.

-

-

Componenta negativ este un impuls de comutaie standard iar componenta negativ este un impuls de comutaie a crui valori ale duratei de creast i a duratei de semiamplitudine nu pot fi mai mici dect cele ale impulsului pozitiv. Se definesc de asemenea, supratensiuni reprezentative, Urp : supratensiuni propuse a produce acelai efect dielectric asupra izolaiei ca i supratensiunile de o clas dat ce apar din diferite cauze n timpul funcionrii reelelor electrice. Aceste supratensiuni au forme standardizate conform unei clase i pot fi definite printr-o valoare sau un set de valori , precum i prin frecvena distribuiei valorilor care caracterizeaz condiiile de serviciu. n cazul n care nu exist o alt indicaie , exprimat n mod precis valorile supratensiunilor exprimate n uniti relative (p.u.) se obin fcndu-se referire la tensiunea Um 2/3 , unde Umeste tensiunea este tensiunea cea mai ridicat pentru echipament.

1.2


10

n figura 1.2. se reprezint impulsul de supratensiune de comutaie standardizat cu durata pn la creast f de 250 s i cu durata semiamplitudinii u de 2500 s. Supratensiunile atmosferice sunt reprezentate printr-un impuls de trsnet standardizat (fig.1.2.). Pentru determinarea acestor mrimi se duce o secant pe frontul impulsului care trece prin punctele A i B , de coordonate 0,3 respectiv 0,9, reprezentate n uniti relative. Aceast secant determin pe abscis o origine convenional a timpului O1 iar pe paralela la abscis de ordonat 1punctul C. Paralela la abscis de ordonat 0,5 determin durata convenional a semiamplitudinii undei de impuls. Impulsul de tensiune de trsnet standardizat are valori nominale f = 1,2 s i u = 50 s cu tolerane de 30 % respective de 20 %. n cazul n care unei izolaii i se aplic o und de impuls , avnd o amplitudine suficient de mare , apare o descrcare , iar tensiunea se reduce pn la valoarea zero sau apropiat de aceast valoare, cu sau fr oscilaii; prin acesta are loc tierea undei. n practic intereseaz momentul tierii undei. Durata pn la tiere c, n cazul unui impuls de tensiune atmosferic, reprezint intervalul de timp cuprins ntre originea convenional a undei i momentul tierii acesteia.(fig. 1.3. i 1.4.) .

1.3

1.4


11

Panta convenional a tierii este raportul dintre valoarea tensiunii n momentul tierii i durata convenional a cderii de tensiune. Durata convenional a tierii tensiunii este durata egal cu 1,67 ori intervalul cuprins ntre punctele C (corespunznd la 70 % U ) i respectiv D (corespunztor la 10 % U). Pentru supratensiuni cu front deosebit de rapid, parametrii undei urmeaz s se stabileasc de ctre comitetul de aparate electrice al CEI. Proprietile dielectrice ale unei izolaii sunt caracterizate de tensiunile de inere, care pot fi mprite n dou categorii :1.

Tensiune de inere convenional n care numrul de descrcri disruptive admise Tensiunea de nere statistic n care numrul de descrcri disruptive admise se

este zero. Rezult c tensiunea de inere corespunde unei probabiliti Pt = 100 %.2.

asociaz unei probabiliti de inere specificate. n mod obinuit aceast probabilitate este Pt = 90 %. Este de specificat c tensiunea convenional , respectiv statistic de inere, se refer la izolaii autoregeneratoare. La alegerea izolaiei se iau n considerare urmtoarele mrimi:a.

Tensiunea de inere de coordonare (Utc) : valoarea tensiunii de inere a unei

configuraii date a izolaiei , corespunztor fiecrei clase de izolaii, care este conform criteriului de alegere a izolaiei. Conform acestui criteriu, alegerea unei izolaii trebuie astfel fcut nct considerndu-se cheltuielile de montare i exploatare acceptabile , probabilitatea ca avariile produse componentelor electrice , ca i probabilitatea privind ntreruperea funcionrii reelei electrice , s fie cuprins n limitele admisibile.b.

Factorul de coordonare (kc) : prin care supratensiunea reprezentativ trebuie Nivelul nominal al izolaiei : un set al tensiunilor de inere standard care Nivelul standard al izolaiei : nivelul estimat al izolaiei, avnd tensiunile de inere

multiplicat pentru a obine valoarea tensiunii de coordonare a izolaiei.c.

caracterizeaz rigiditatea dielectric a unei izolaii.d.

standard corespunztoare tensiunii Um. Valorile de inere standard sunt tabelate.


12

2. SUPRATENSIUNI INTERNE2.1 Consideraii generale privind supratensiunile de comutaie Supratensiunile de comutaie fac parte din grupa supratensiunilor tranzitorii cu front lent Sunt caracterizate de o durat care nu depete cteva milisecunde, au o form oscilatorie sau nu, n general puternic amortizat; durata frontului supratensiunii este cuprins ntre 20 s i 5000 s iar durata spatelui nu depete 20 ms. Supratensiunile de comutaie apar, n general, la modificri brute ale configuraiei unei reele electrice, fiind determinate de regimurile tranzitorii care conduc la realizarea unei noi stri a sistemului. Modificrile de configuraie pot fi datorate unor defecte n reeaua electric sau manevrelor din sistemul energetic. De asemenea pot s apar supratensiuni cu parametri asemntori celor de comutaie la cderea trsnetului pe o linie la o distan mare fa de staie; n acest caz, prin propagarea, forma iniial a supratensiunii se modific (prin aplatizarea frontului undei) ajungnd s aib un front relativ mare. La ncercrile n laborator, solicitrile determinate de supratensiunile de comutaie sunt modelate cu ajutorul impulsului de comutaie standardizat avnd durata pn la vrf de 250 s i durata semiaplitudinii egal cu 2500 de s. Supratensiunile de comutaie cele mai frecvente apar la urmtoarele tipuri de comutaie: a. b. c. d. e. staie conectarea i deconectarea n gol a liniilor electrice; eliminarea unor defecte din reeaua electric prin deconectarea cu ajutorul deconectarea brusc a sarcinii la sfritul unei linii electrice; deconectarea sarcinilor capacitive sau inductive; cderea direct a trsnetului pe linii electrice aeriene la o distan mare de

ntreruptoarelor la comanda sistemului de protecie prin relee;


13

Figura 2.1 Definirea statistic a supratensiunilor de comutaie Din punct de vedere statistic, n cazul n care nu intr n funciune descrctoare cu rezisten variabil, supratensiunile de comutaie pot fi caracterizate prin probabilitatea de depire de 2 %, U2, abaterea standard a curbei de repartiie i prin valoarea de trunchiere Ut. n analiza solicitrilor determinate de supratensiunile de comutaie ntr-o instalaie concret, se alege ca valoare maxim a tensiunii reprezentative cea mai mic valoare dintre valoarea de trunchiere i valoarea corespunztoare nivelului de protecie al descrctoarelor utilizate pentru limitarea supratensiunilor de comutaie (fig. 2.1). Unul dintre factorii principali care determin parametrii supratensiunilor de comutaie este ntreruptorul, definit prin caracteristicile sale de funcionare. 2.2 Caracteristici funcionale ale ntreruptorului de nalt tensiune Din punctul de vedere al supratensiunilor de comutaie, ntreruptorul este definit prin caracteristica ur = f(t) de refacere a rigiditii spaiului dintre contacte. Tensiunea de reamorsare n camera de stingere a unui ntreruptor este dependent de distana dintre contacte i de rigiditatea dielectric a mediului. Creterea tensiunii de reamorsare este posibil prin modificarea corespunztoarea a unuia dintre cei doi factori. Din punct de vedere practic sunt posibile urmtoarele dou soluii(Fig. 2.1): a. creterea vitezei de deplasarea contactului mobil; b. utilizarea ntreruperii multiple, realiznd astfel multiplicarea corespunztoare a vitezei electrice n raport cu viteza mecanic. Numrul camerelor de stingere care asigur ntreruperea multipl este limitat din considerente economice. n mod uzual ntreruptorul se realizeaz modular, prin conectarea n serie a mai multor elemente (camere de stingere).


14

n cazul ntreruptoarelor cu ulei, n reelele cu tensiunea nominal de 110 kV se folosesc dou module, n reelele de 220 kV patru module iar n reelelecu tensiunea nominal de 400 kV se realizeaz ntreruptoare cu 6 module. Repartiia tensiunii oscilante de restabilire, n mod egal pe camerele de stingere ale ntreruptoarelor de foarte nalt tensiune, se realizeaz att natural prin conductivitatea canalului post arc dar mai ales datorit condensatoarelor sau rezistoarelor conectate n paralel cu camerele de stingere. n cazul ntreruptoarelor cu ulei, creterea rigiditii dielectrice ntre contacte poate fi obinut prin introducerea unui jet puternic de ulei, independent de intensitatea curentului n arcul electric. n acest fel, rezult o caracteristic cu o cretere brusc a rigiditii dielectrice n etapa iniial. Tendina actual este de a utiliza ntreruptoare cu SF6 ca mediu de stingere pentru domeniul tensiunilor nalte Um > 123 kV iar n domeniul tensiunilor medii, Um = (1224) kV, ntreruptoare cu ulei puin n instalaii cu curent de scurtcircuit relativ redus (sub 15 kA), ntreruptoare cu hexafluorur de sulf n reele cu curent de scurtcircuit ridicat (1525) kA i ntreruptoare n vid, posibil de a fi utilizate n orice tip de instalaii, asigurnd funcionarea n reele cu curent de scurtcircuit de pn la 50 kA la 12 kV i 31,5 kA la 36 kV. Pentru domeniul tensiunilor medii, ntreruptoarele utilizate cu o singur camer de stingere pe pol. Creterea rigiditii dielectrice a spaiului dintre contactele ntreruptorului n procesul de deconectare a curentului de defect, dup stingerea arcului electric, este determinat de viteza de deschidere a contactelor, de amplitudinea curentului de defect ca i mediul de stingere. n acest fel, curba ur(t) de refacere a rigiditii dielectrice a spaiului dintre contacte poate fi definit numai prin cale statistic. Studiile teoretice i experimentale au pus n eviden faptul c n afara procesului de deconectare a unui scurtcircuit foarte apropiat (aa numitul defect kilometric) n locul caracteristicii ur(t) poate fi utilizat caracteristica ur0(t), determinat experimental, n lipsa curentului de scurtcircuit. Viteza de refacere a rigiditii dielectrice a spaiului dintre contactele ntreruptorului difer, n funcie de tipul acestuia. Astfel, n figura 2.2 sunt indicate dou caracteristici tipice, pentru ntreruptoare rapide (curba 1) i pentru ntreruptoare mai lente (curba 2). n ambele cazuri, dup un interval de timp, ntre contactele ntreruptorului este realizat tensiunea de inere pentru care a fost proiectat echipamentul i care corespunde standardului de coordonare a izolaiei, ns viteza diferit de restabilire a rigiditii dielectrice are o influen important asupra amplitudinii i formei supratensiunilor de comutaie. ntreruptoarele lente pot determina reaprinderi n spaiul dintre contacte, datorit faptului c viteza de cretere a supratensiunii este mai mare dect viteza de


15

refacere a rigiditii spaiului dintre contacte (punctul A din figura 2.2) ceea ce limiteaz ns valoarea maxim a supratensiunii dar determin prelungirea procesului tranzitoriu.

Figura 2.2 Reamorsarea arcului electric n ntreruptor ntreruptoarele rapide limiteaz probabilitatea reapariiei reaprinderilor dar conduc la supratensiuni ridicate Stabilirea legii de repartiie a supratensiunilor care apar n procese de comutaie necesit un mare numr de date, obinute n mod uzual n urma calculelor efectuate pe baza unui model matematic, validat prin ncercri experimentale. n cadrul modelului matematic, ntreruptorul se consider ca un element ideal, adic pe durata n care circuitul este nchis (direct sau prin arc electric) rezistena electric ntre contacte este nul iar pe durata n care circuitul este deschis, rezistena electric ntre contactele ntreruptorului este infinit. Aceasta ipotez simplificatoare este suficient de apropiat de realitate, avnd n vedere c tensiunea la bornele arcului electric poate fi de cel mult civa kilovoli, valoare neglijabil fa de supratensiunea care rezult n urma comutaiei .

Figura 2.3 Dispersia la deconectarea polilor unui ntreruptor trifazat n analiza proceselor care au loc n procesele trifazate este necesar a lua n considerare faptul c polii IA, IB i IC (figura 2.3) de pe cele trei faze ale ntreruptorului prezint o dispersie (de natur mecanic) a momentului conectrii n raport cu momentul n care se transmite comanda. De


16

asemenea, poate fi definit dispersia intervalelor de timp ntre momentele conectrii celor trei poli ai ntreruptorului trifazat. n practic, se poate considera c dispersiile la conectarea polilor ntreruptorului, ca i dispersiile ntre momentele de conectare pe cele trei faze, pot fi aproximate printr-o lege de repartiie normal. 2.3 Supratensiuni la conectarea i reconectarea liniilor electrice Reeaua electric prezint n mod obinuit elemente cu parametri uniform distribuii (linii electrice aeriene, linii electrice n cablu, nfurri de lungime mare) i elemente concentrate (condensatoare, bobine, rezistoare) astfel nct se realizeaz un mare numr de circuite oscilante, caracterizate de diferite frecvene proprii de rezonan. La funcionare normal, circuitele oscilante sunt practic scurtcircuitate de rezistena electric a receptoarelor concentrate n reea. n regimuri de pregtire a schemelor, de avarie sau postavarie, receptoarele pot fi deconectate iar circuitele oscilante pot fi importante supratensiuni n reeaua electric. n acest sens, n analiza supratensiunilor la comutaii n reea, o atenie deosebit se acord cazurilor n care receptoarele rezistive sunt deconectate. Supratensiunile la conectarea sau la reconectarea liniilor electrice aeriene sunt datorate regimului tranzitoriu care apare la ncrcarea sau rencrcarea liniei la potenialul sursei, prin nchiderea ntreruptorului la nceputul liniei.

Figura 2.4 Conectarea electric i mecanic a unui ntreruptor Pentru a pune n eviden momentul conectrii sau deconectrii, n figura 2.4 este indicat curba ur(t) de reducere a tensiunii de inere a spaiului, pe durata apropierii contactelor ntreruptorului (se consider faptul c procesul de apropiere a contactelor ncepe la momentul t = 0) i curba tensiunii ul(t) ntre contactele ntreruptorului (tensiune longitudinal). n momentul te are loc strpungerea electric a spaiului dintre contactele ntreruptorului, iar n momentul tm rezult nchiderea mecanic a ntreruptorului.


17

2.5

Analiza datelor din figura 2.4 pune n eviden faptul c momentul te la care are loc conectarea sau reconectarea electric are un caracter aleatoriu i este dependent de momentul n care se transmite comanda de nchidere a ntreruptorului ca i de forma caracteristicii ur(t). Intervalul unghiurilor n care este posibil s aib loc conectarea electric este indicat n figura 2.5. 2.4 Supratensiuni ntre faze n definirea supratensiunilor dintre faze este necesar a lua n considerare caracteristicile specifice ale izolaiei liniei i anume solicitrile critice ale acesteia i momentul n care acestea se manifest. Solicitarea critic poate fi definit suficient de exact prin unul din urmtoarele trei cazuri : a. b. c. a. b. c. valoarea maxim, pozitiv, a supratensiunilor faz-pmnt; valoarea maxim, negativ, a supratensiunilor faz-pmnt; valoarea maxim a supratensiunii dintre faze. valoarea de vrf pozitiv a fiecrei faze fa de pmnt; componenta negativ cea mai cobort a fazelor nvecinate, componenta negativ cea mai mic a fazelor nvecinate.

Cazul de solicitare este caracterizat de urmtoarele mrimi:

determinnd astfel cea mai important solicitare a izolaiei ntre faze; Cazul (b) de solicitare este caracterizat de aceleai mrimi ca i cazul (a) dar de polaritate invers. n cazul (c) mrimile caracteristice sunt: a. valoarea de vrf a supratensiunilor ntre fiecare combinaie de dou faze;b. c.

componentele pozitive i negative ale acestor supratensiuni; tensiunea ntre cea de-a treia faz i pmnt.


18

n toate cele trei cazuri, cea de-a treia componenta este redusa si deci se poate defini supratensiunea intre faze numai prin componentele pe doua faze, cea de-a treia faza fiind considerata ca se afla la potenialul zero al pmntului. Funcia de repartiie a supratensiunilor ntre faze poate fi considerat deci ca fiind dependent de dou variabile. Pe baza acestor considerente, funcia de repartiie a supratensiunilor ntre faze poate fi caracterizat de urmtoarele mrimi: 1. pentru funcia de repartiie pe faz o tensiunea cu probabilitate de depire de 2 %, Uff2; o abaterea standard f = 0,25 (Uff2 1,73); o tensiunea de trunchiere Ufft = 1,25 Uff2 0,43. 2. pentru funcia de repartiie pe ansamblul celor trei faze o tensiunea cu probabilitate de depire de 2 %, Uff2; o abaterea standard ff = 0,17 (Uff2 1,73); o tensiunea de trunchiere Ufft = 1,14 Uff2 0,24. n cazurile practice, amplitudinile supratensiunilor ntre faze pot fi estimate pe baza supratensiunilor faz-pmnt. n configuraia celor dou faze (cea de-a treia faz dup cum s-a artat mai sus, poate fi considerat ca avnd potenialul zero al pmntului i deci nu afecteaz definirea supraten-siunilor reprezentative), pentru a descrie caracteristicile izolante pot fi utilizate dou metode: 1. 2. reprezentarea componentei pozitive cu o probabilitate dat de descrcare, n reprezentarea n funcie de factorul = U -/(U + + U -) a tensiunii totale de funcie de componenta relativ a celeilalte faze; descrcare, egal cu suma celor dou componente, corespunznd unei probabiliti date de descrcare. Caracteristica izolant a unei configuraii cuprinde trei domenii. Domeniul a corespunde producerii descrcrii electrice ntre faza pozitiv i pmnt, iar componenta negativ practic nu influeneaz procesul de descrcare. n domeniul b descrcarea se dezvolt ntre cele dou faze, tensiunile de pe cele dou faze determin procesul de descrcare, iar factorul are o influen important. Domeniul c corespunde dezvoltrii descrcrii electrice ntre faza negativ pmnt. Tensiunile de descrcare n domeniile a i c, pot fi stabilite practic dac cealalt faz este meninut la potenialul zero al pmntului. n domeniul b tensiunea de descrcare depinde att de factorul ct i de configuraia cmpului electric n spaiul dintre cei doi electrozi. n principiu, exist dou configuraii tipice:


19

a. configuraii n care descrcarea ntre faz i pmnt i cea dintre faze se dezvolt din puncte diferite (de exemplu, n configuraii de electrozi, n care raza electrozilor este relativ mare n raport cu distana ntre acetia); n acest caz, descrcarea dintre faze este determinat exclusiv de tensiunea total dintre faze,; aceste configuraii pot s apar la bornele transformatoarelor trifazate sau n cazul spaiilor capsulate; b. configuraii n care descrcrile ntre faz i pmnt i cele dintre faze se dezvolt din acelai punct; n acest caz, tensiunea de descrcare este determinat de configuraia concret a cmpului electric. n cazul primului tip de configuraii, cmpul electric dintre electrozi, fiind uniform sau practic uniform, este puin influenat de prezena pmntului, iar tensiunea de descrcare corespunde practic tensiunii de apariie a descrcrii corona i poate fi determinat prin calcule de cmp electric. Celui de-al doilea tip de configuraii i corespund dou situaii concrete: o distane reduse ntre electrozi, dar cmp puternic neuniform; o distane mari n aer. n cazul distanelor reduse ntre electrozi i cmp puternic neuniform, tensiunea de descrcare este mult mai mare dect tensiunea de apariie a descrcrii corona; procesul de descrcare se dezvolt sub form de strimer (nu se poate dezvolta un lider din cauza distanei reduse dintre electrozi), iar probabilitatea de descrcare este determinat de suma componentelor de tensiune de pe cele dou faze. n general, acest caz corespunde gamei I de tensiuni. n cazul distanelor mari ntre electrozi este posibil dezvoltarea liderului ncepnd de la electrodul pozitiv, ceea ce determin ca acest electrod s aib rolu cel mai important n dezvoltarea descrcrii. Acest caz, corespunde, n general, gamei II a tensiunilor. Caracteristicile izolante ale unei configuraii faz-faz pot fi deci definite de urmtoarele mrimi: a. b. c. tensiunea de inere faz-pmnt al supratensiuni de polaritate pozitiv; tensiunea de inere faz-pmnt al supratensiuni de polaritate negativ; caracteristica de izolaie ntre faze care poate fi descris de funcia:

Supratensiunile longitudinale care rezult ntre bornele unui echipament deconectat aflat la sfritul liniei, atunci cnd au loc procese de conectare sau reconectare a liniei (cu ajutorul ntreruptorului aflat la nceputul liniei), corespund diferenei dintre tensiunea permanent (de serviciu) la una dintre borne i supratensiunea faz-pmnt la cealalt born. n cazul deconectrii unei linii cu alimentare de la ambele capete, ntr-o reea funcionnd sincron, valoarea maxim a supratensiunii de comutaie i tensiunea de serviciu au aceeai polaritate, astfel nct supratensiunea longitudinal este inferioar celei dintre faz i pmnt. n cazul conectrii sau reconectrii unei linii


20

ntre dou reele care nu sunt n sincronism, valoarea maxim a supratensiunii poate avea polaritate opus cu tensiunea de serviciu iar supratensiunea longitudinal poate depi supratensiunea fazpmnt. n cazul n care nu sunt prevzute descrctoare pentru protecia la supratensiuni de comutaie, valorile maxime ale supratensiunilor care sunt luate n considerare reprezint: a. b. pentru supratensiunile faz-pmnt, valoarea de trunchiere Ufpt ; pentru supratensiunile ntre faze, valoarea de trunchiere Ufft sau, n cazul

izolaiilor din gama II de tensiuni, o valoare de calcul determinat pe baza supratensiunilor faz-pmnt; c. pentru supratensiunile longitudinale, valoarea de trunchiere Ufpt aplicat la una dintre borne i valoarea de vrf a tensiunii permanente de serviciu, de polaritate opus, la cealalt born. n cazul n care se consider momentul conectrii (reconectrii) ca origine de timp(t = 0), fenomenele tranzitorii pe linie au loc ca i cum la nceputul liniei ar fi aplicat tensiunea E(p) de forma n cazul defectelor monofazate (circa 87 % din totalul defectelor pe linie), acioneaz n mod uzual RARM (reconectarea automat rapid monofazat), asigurnd numai deconectarea i apoi reconectarea fazei afectate de defect. Pe linia cu defect tensiunea rezidual este nesemnificativ, astfel nct procesul de reconectare determin acelei supratensiuni ca n cazul unei conectri simple. Supratensiuni importante apar la intrarea n funciune a RART (reconectarea automat rapid trifazat) atunci cnd fazele neafectate de defect prezint tensiune remanent corespunztoare, practic, valorii de vrf a tensiunii nainte de deconectare. Cele mai grele condiii privind supratensiunile pe linie apar la conectarea trifazat accidental a liniei (fr defect), ceea ce determin ca pe fiecare dintre cele trei faze tensiunile remanente s corespund valorii de vrf a tensiunii nainte de deconectare (polaritatea tensiunii reziduale depinde de momentul trecerii prin zero a curentului electric pe fiecare dintre faze). Cele mai mari supratensiuni apar la reconectare trifazat, fr rezistor de preinserie, atunci cnd sursa de alimentare are caracter inductiv iar gradul de compensare transversal a liniei este sub 50 %. De asemenea, cea mai mare dispersie a amplitudinilor supratensiunilor apare n cazul reconectrii trifazate, fr rezistor de preinserie i cnd sursa de alimentare are un caracter complex iar gradul de compensare transversal a liniei este sub 50 %. Supratensiunile care apar la nceputul liniei depind n special de impedana intern a sursei de alimentare. La limit, atunci cnd impedana intern a sursei este zero (curent de scurtcircuit de valoare infinit) , factorul de supratensiune la nceputul linie este ks0 = 1 iar abaterea medie ptratic a curbei de repartiie Valoarea tensiunii n momentul conectrii/reconectrii liniei prezint o importan deosebit asupra amplitudinii supratensiunii. Att n cazul reconectrii unei linii cu sarcin electric rezidual


21

ct i n cazul conectrii unei linii fr sarcin electric rezidual, supratensiunile au o amplitudine dependent de momentul n care are loc nchiderea ntreruptorului. Controlul momentului conectrii poate reprezenta un mijloc eficient pentru limitarea supratensiunilor la conectarea/reconectarea liniilor electrice de nalt tensiune. 2.5 Mijloace pentru limitarea supratensiunilor la conectarea i reconectarea liniilor electrice Limitarea supratensiunilor care apar la conectarea sau reconectarea liniilor electrice poate fi realizat acionnd asupra parametrilor reelei n care este conectat linia analizat, asupra configuraiei reelei sau asupra echipamentelor de comutaie. Principalele msuri care pot fi adoptate sunt: reducerea nivelului de tensiune pe bara la care va fi conectat linia, prin modificarea adecvat a raportului de transformare a transformatorului din staia electric sau prin reducerea tensiunii cu modificarea excitaiei generatoarelor din centrala electric conectat la barele staiei; creterea curentului de scurtcircuit la bara unde urmeaz a fi conectat linia; acest lucru se obine prin conectarea de linii i surse la aceast bar; conectarea pe linie (dup ntreruptorul care urmeaz a fi acionat) a bobinelor de compensare transversal sau a transformatoarelor de msurare (dac sunt de tip inductiv);

utilizarea ntreruptoarelor cu rezistor de preinserie; utilizarea ntreruptoarelor cu control al unghiului de conectare (ntreruptoare sincrone).

Prezena pe linie a unor elemente inductive (bobine de compensare transversal, transformatoare de msurare inductiv) determin ca pe durata dintre conectarea i reconectarea liniei, sarcina electric rezidual de pe linie s se reduc. Dup separarea liniei, sarcina rezidual determin o variaie oscilant a tensiunii pe linie, corespunztoare frecvenei proprii stabilit de capacitatea liniei i inductivitatea elementului inductiv conectat pe linie. n general, frecvena de oscilaie a tensiunii pe linie este mai redus fa de frecvena de oscilaie a sursei de alimentare. n acest fel, probabilitatea apariiei unor valori ridicate ale supratensiunilor la reconectarea liniilor este mai redus. Datele experimentale pun n eviden faptul c prezena pe linie a transformatoarelor inductive de msurare, prin amortizarea puternic a fenomenului oscilant, conduce la descrcarea liniei n cteva zeci de milisecunde.


22

Un mijloc eficient de reducere a supratensiunilor la conectarea sau reconectarea liniilor electrice este utilizarea ntreruptoarelor cu rezistoare de preinserie ). Conectarea ntreruptorului are loc prin nchiderea, n prima etap, a contactelor I1. n acest fel, linia este conectat la surs prin intermediul rezistorului R, pe care are loc disiparea unei pri din energia electrostatic a liniei. Avnd n vedere faptul c impedana intern a sursei de alimentare are o valoare redus i dac rezistorul R are o valoare apropiat de impedana caracteristic a liniei, descrcarea liniei prin rezistorul R are loc dup o curb aperiodic critic.

3. SUPRATENSIUNI EXTERNE3.1 Descrcri electrice n atmosfer. Fenomenele electrice din atmosfera terestr au n mare parte caracteristici electrostatice i se supun legilor specifice acestui domeniu al electrotehnicii. Astfel, apar fenomene similare ncrcrii i descrcrii condensatoarelor, ionizrii n zona vrfurilor , electrizrii prin influen, etc. Cmpul electric natural la suprafaa pmntului, determinat de sarcinile electrice ale ionosferei are o valoare medie de circa 120 130 V/m. Aceast valoare corespunde n mod obinuit zonelor de cmpie, n lipsa norilor ncrcai electric Aerul din atmosfera terestr este n permanen sub influena unor factori ionizani. Astfel, n pturile superioare ale atmosferei cel mai important factor ionizant este radiaia solar, cu lungime de und redus, iar n pturile inferioare sunt predominante radiaiile radioactive ale scoarei terestre. n toate straturile atmosferei, o pondere important n procesele de ionizare o au radiaiile cosmice. Permanena factorilor ionizani face ca n atmosfer s existe un proces continuu de producere a sarcinilor electrice: ionii de oxigen, azot i ap, astfel c exist o cantitate important de sarcini electrice: n straturile nalte ale atmosferei (ionosfer) datorit radiaiei solare n dipolii noroi, prin evaporarea apei de pe suprafaa pmntului sub la sol, datorit frecrii maselor de aer de suprafaa pmntului i a radiaiilor

influena radiaiilor infraroii solare radioactive ale acestuia.


23

Nivelul de ionizare al straturilor din atmosfera terestr se determin prin analiza reflexiei semnalelor radio de diferite lungimi de und. Unei anumite concentraii a purttorilor de sarcin i corespunde o anumit frecven la care are loc reflexia undelor radio incidente. Astfel, ionosfera ncepe la 60...90 km de pmnt cu stratul D (reflect unde lungi), urmeaz stratul E la 100...130 km de sol (reflect unde medii), stratul F1 la 180...230 km (reflect unde scurte) i stratul F2 la 300...500 km (reflect unde foarte scurte). Analiza semnalului reflectat permite astfel determinarea att a densitii ct i nlimea deasupra pmntului a stratului respectiv (prin msurarea intervalului de timp ntre semnalul incident i cel reflectat). Densitatea purttorilor de sarcin i deci nlimea la care se afl diferitele straturi ale atmosferei, prezint o serie de variaii pe parcursul zilei i depind de punctul de pe suprafaa pmntului unde se fac determinrile. Sarcinile electrice ale atmosferei sunt de diferite tipuri:

molecule din componena aerului (ioni mici sau uori) ionizate de ctre molecule de NaCl sub form de microcristale, provenite din evaporarea microparticule de praf ce plutesc n aer i sunt ncrcate cu electricitate.

radiaiile cosmice; picturilor apei marine transportate n atmosfer, ionizate(ioni mari sau grei);

Ionii uori formai sub aciunea radiaiilor cosmice sunt relativ mobili , mobilitatea lor (definit ca raportul dintre viteza ionilor i intensitatea cmpului electric n zona n care are loc deplasarea) fiind de circa 1,310-4 m2/vs, practic aceeai cu mobilitatea ionilor n aer (mobilitatea ionilor pozitivi este de aproximativ 1,0810-4 m2/vs iar a ionilor negativi de 1,2210-4 m2/vs ). datorit radiaiei cosmice concentraia ionilor uori crete cu nlimea. Ionii grei(descoperii de langevin) au mobilitatea (34)m2/vs , de cteva mii de ori mai mic fa de ionii uori i au un rol important n desfurarea fenomenelor din atmosfer, fiind nuclee de condensare pentru vaporii de ap i asigur astfel formarea ceii i a norilor. o concentraie important a ionilor grei apare deasupra oraelor i a centrelor industriale. Prezena ionilor uori, datorai radiaiilor ionizante, determin o serie de fenomene care conduc la reducerea concentraiei de ioni n atmosfer. 3.2 Cmpul aeroelectric Prezena sarcinilor electrice n atmosfer conduce la apariia cmpului electric natural al pmntului . Aeroionii din atmosfer constau din molecule de azot, oxigen i ap, ncrcate electric,


24

respectiv molecule care, sub efectul direct sau indirect al radiaiilor solare sau altor factori ionizani, au cedat sau au primit electroni din sau n structura lor. Cmpul aeroelectric este consecina existenei permanente n atmosfer a picturilor de ap ncrcate electric care, dup condensarea n straturile superioare sub form de nori, se deplaseaz n interiorul acestuia, astfel nct, n mod uzual, la partea inferioar se gsesc aglomerri de ioni negativi, iar la partea superioar se concentreaz ioni pozitivi. n acest fel, din punct de vedere electric, norii se comport ca dipoli. Fiind o consecin a existenei permanente a ionilor din atmosfera terestr , cmpul aeroelectric constituie un important factor de mediu care este prezent n interaciunile care au loc ntre elementele din atmosfer i elementele minerale, vegetale sau animale de pe suprafaa planetar. Sub aciunea cmpului electric intens, ionii capt viteze ridicate (metri / secund) iar moleculele polare tind s se orienteze paralel cu liniile de flux ale cmpului electric, ntr-o msur cu att mai mare cu ct soluia molecular este mai puin vscoas, respectiv cu ct forele intermoleculare sunt mai reduse. Prezena sarcinilor libere determin apariia ntre ele a unor fore de atracie sau respingere, respectiv genereaz cmp electric. Cmpul electric al pmntului prezint variaii periodice, de la zi la noapte sau de la var la iarn. Prezena unor vrfuri ascuite (vrfurile copacilor, catargele vaselor) determin modificarea configuraiei cmpului electric al pmntului, fiind posibil apariia unor fenomene de descrcare electric, numite focurile Sfntului Elm.

Figura 3.1 Formarea liniilor echipoteniale n cazul diferitelor obiecte la sol Temperatura atmosferei, mrime msurabil macroscopic, ca msur a ptratului vitezei medii de micare a centrului de mas a unui volum de aer, deci o msur a energiei cinetice medii, are o influen important asupra strii de ionizare a atmosferei. Variaiile spaiale (gradientul) de temperatur, determin micarea maselor de aer care antreneaz i micarea ionior n atmosfer. n


25

acest fel este posibil creterea concentraiilor ionilor din unele zone i deci creteri locale ale cmpului electric pn la 104 V / m. Pe lng variaiile cmpului electric al pmntului, indicate mai sus, au fost observate i variaii periodice sistematice, valori mai mari atunci cnd pmntul se afl mai aproape de soare (periheliu) i valori mai mici atunci cnd acesta se afl departe de soare (afeliu). 3.3 Efectele electricitii atmosferice Cmpul aeroelectric, precum i descrcrile electrice din atmosfer au efecte importante asupra organismelor vii. Variaia caracteristicilor electrice ale atmosferei, determin solicitri ale sistemelor de integrare i reglare biologice, modificarea vitezei reaciilor chimice din celule, modificarea proceselor de transfer la nivelul membranei celulelor. Depirea unor valori ale duratei i intensitii cmpului electric, la care sunt expuse organismele vii, poate conduce la perturbarea activitii sistemului nervos i apariia de afeciuni grave. Datele existente pn n prezent arat c organismul uman plasat pe o durat nedefinit,ntr-un cmp electric de 5 kV / m, nu este afectat. La valori mai mari ale cmpului electric, expunerea organismului uman trebuie limitat ca durat. n cazul apariiei descrcrilor sub form de trsnet, efectele acestuia se manifest nu numai asupra obiectelor parcurse de curentul de trsnet, dar pot fi afectate i persoane sau obiecte aflate n apropiere. Astfel pot s apar descrcri electrice ntre structurile metalice parcurse de curentul de trsnet, caracterizate de un potenial ridicat, i persoane sau obiecte din apropiere. Curentul de trsnet, care parcurge obiectele lovite, are valori foarte diferite i este indicat n mod obinuit prin curba de probabilitate de apariia unei intensiti superioare unei valori date. n mod uzual, s-au nregistrat cureni de trsnet cu amplitudini de (5 .40) kA, dar se cunosc cazuri n care curentul de trsnet a ajuns la valori de peste 300 kA. Diferena de potenial ntre nor i pmnt poate atinge (10..108) V, iar sarcina electric transportat pe canalul de trsnet poate atinge 20 C. Energia degajat pe durata trsnetului este relativ redus (1010J), datorit duratei foarte reduse a procesului (circa 100 microsecunde). Trsnetul, ca orice fenomen electric, determin aceleai efecte care apar la trecerea curentului electric printr-un material:

efectul termic al descrcrii sub form de trsnet, la materialele metalice, este efectul termic al descrcrii sub form de trsnet, atunci cnd acesta lovete

vizibil prin urme de nclzire sau topirea structurilor lovite; structuri cu conductivitate redus (copaci, stlpi din lemn, structuri din crmid etc.), determin fenomene explozive.


26

Acestea sunt determinate de intensa nclzire local a traseului parcurs i apariia unei puternice suprapresiuni determinat de evaporarea brusc a apei. La lovirea arborilor, curentul de trsnet parcurge partea umed (cu conductibilitate ridicat) a structurii acestora. n solurile cu rezisten electric mare (nisip cuaros) se produc topiri ale nisipului (se formeaz sticla), n punctul de impact al trsnetului. Efectul termic al descrcrii sub form de trsnet la lovirea unor materiale combustibile (fn, paie etc.) este nsoit de expulzarea (mprtirea) exploziv, fr aprinderea acestora, dac descrcarea este de durat redus i de mare amplitudine. Aprinderea este posibil dac descrcarea este de mic intensitate, dar de durat mare. Astfel de cazuri pot s apar datorit curentului electric care parcurge canalul ionizat al primei descrcri principale. Dimensionarea incorect a instalaiilor de protecie contra trsnetelor (soluii neeficiente pentru legarea la pmnt) poate genera importante pagube materiale datorit trecerii curentului de trsnet prin circuite de iluminat, conducte de ap, cabluri telefonice etc. Descrcrile electrice sub form de trsnet sau fulger determin variaii rapide ale configuraiei sarcinilor electrice i deci variaii rapide ale cmpului electric n zon. Acestea sunt nsoite de importante perturbaii electromagnetice, cu influene negative asupra sistemelor de transfer a informaiilor prin radio. 3.4 Caracteristicile generale ale trsnetului Din msuratorile efectuate rezult c lungimea canalului de trsnet variaz ntre 2, 14 km; n consecin, luand n considerare structura unui nor orajios, trsnetul poate fi initiat in una dintre cele trei zone de concentrari de sarcini electrice, ndeosebi pe suprafete de separatie dintre aceste zone. Existena unei acumulri de sarcina capabile sa genereze o valoare a intensitatii campului electric care sa depaseasca, local, rigiditatea dielectrica a aerului reprezinta o conditie necesara, dar nu si suficienta pentru producerea unei descarcari, deoarece odata cu aceasta conditie este necesar ca in zonele respective (nor pamant, nor obiecte de pamnt, doua zone din nor) sa existe o diferenta de potential cel putin egala cu tensiunea minima de descarcare. Valoarea tensiunii minime de descarcare variaza intre limite largi, n primul rnd deoarece lungimea traznetului, de la caz la caz, poate diferi mult. Se tie c pentru condiii normale de presiune si de temperatura si pentru campuri uniforme, valoarea intensitatii campului electric de strapungere in aer este de circa 30kv/cm. In cazul norilor, existenta picaturilor de apa sau a cristalelor de gheata, datorita carora intensitatea locala a campului electric este mare, face ca rigiditatea aerului sa devina mult mai mica ca cea de 30 kv/cm; la aceasta contribuie i faptul ca n realitate, n cazul considerat, campul nu este uniform. n interiorul unei celule orajioase pot s aib loc dou modaliti de iniiere a descrcrii:


27

iniierea descarcarii corona n zonele de la periferia distribuiilor spatiale de sarcina n

cazul in care intensitatea locala a campului electric este mai mare dect Ei estimat cu ajutorul relatiilor determinate pentru suprafete metalice n care raza electronilor se considera ca fiind egala cu raza echivalent a distributiei de sarcini spatiale iniierea descarcrii corona n jurul picturilor de ap sau a particulelor de gheaa aflate sub aciunea campului electric creat de acumularile de sarcin spaial din interiorul celulei. Prezena picaturilor de ap ntr-un mediu n care exist camp electric poate constitui o surs a descrcrii corona de ambele polaritati

3.5 Modul de desfurare n timp a unui trsnet n prima etap a descarcrii se dezvolt, n mod obinuit, de la nor la pamant un lider numit lider n trepte; explicaia const n faptul c, din fotografiile fcute, acest prim lider se dezvolta treptat pe o lungime medie de 50m, dupa care urmeaza o pauz de circa 50s. Acesta reprezinta un lider descendent. Odat cu apropierea liderului descendent de pamant, intensitatea campului electric de pe sol creste, ajungnd, la un moment dat, suficient de mare pentru a duce la apariia unui lider ascendent ce se unete cu liderul descendent, dup care urmeaz descarcarea principal. Liderul ascendent are sarcini electrice i un curent de polaritate opus liderului descendent. Convenional, polaritatea unui lider este definit n funcie de polaritatea sarcinilor lor i nu de polaritatea curentului; aceeai regul se aplica i pentru definirea polaritii de lider ascendent. Definirea polaritii intensitii campului electric se face n funcie de polaritatea norului; n consecin, n cazul unui nor de polaritate pozitiv, cmpul este considerat pozitiv. K. Berger clasific tipurile de trsnet conform cu Figura 3.2.


28

Figura 3.2 Tipuri de trsnet n funcie de polaritate

Un lider poate fi sau nu urmat de o descrcare de ntoarcere. O strpungere neurmat de o descrcare de ntoarcere este notat cu litera a, iar strpungerea urmat de o descrcare de ntoarcere, cu litera b. Rezult, n consecin urmatoarele tipuri de trsnete: a. Tip 1a Descrcare caracterizat printr-un lider negativ descendent; poate sa apara in cazul unor cmpii, fra obiecte nalte. Cum liderul nu atinge solul nu are loc descrcarea de intoarcere; b. c. d. Tip 1b Liderul descendent atinge pamantul i apare o descarcare de Tip 2a De pe o obiecte nalte se dezvolta un lider ascendent, ncrcat cu Tip 2b Starea iniial este cea corespunzatoare tipului 2a; in continuare, intoarcere de mare viteza, paote sa apar o singur descrcare sau descrcri multiple; sarcini pozitive; sarcina scursa spre sol (ca si curentul) este negativ. urmeaza descarcari successive corespunzatoare situatiei de la tipul 1b. In consecinta, liderul iniial este ascendent i pozitiv, fiind urmat de descrcri negative. e. f. g. Tip 3a Apare un lider descendent pozitiv. Liderul nu atinge pmntul, dar Tip 3b Liderul atingnd pmantul urmeaz o descrcare de ntoarcere Tip 4a De pe obiectele nalte de pe sol se dezvolt spre norul ncrcat poate s apar o descrcare intra-nor. pozitiva; cazul tipului 3b este rar. pozitiv un lider ascendent negativ; n sol se scurge un curent pozitiv.

Supratensiuni temporare h.

29

Tip 4b Liderul negativ ascendent este urmat de o descrcare spre pmnt, de

polaritate pozitiv, n mod obinuit de mare intensitate. Acest caz apare ndeosebi n regiuni de munte. S-a menionat ca n majoritatea cazurilor descarcrile atmosferice sunt de tipul 1b, astfel nct se va insista mai mult asupra acestei descrcri. Cand are loc unirea dintre liderul descendent i cel ascendent, urmeaz descarcarea de ntoarcere de-a lungul canalului liderului in trepte descendent. Viteza de descrcare este mare, durata procesului fiind de circa 70 s. Intensitatea curentului atinge, n cateva microsecunde, valori de zeci de kA, pentru ca in 20.,60s s scad la jumatate din valoarea maxima; n continuare, timp de milisecunde sau zeci de milisecunde se scurge un curent de ordinul sutelor de amperi. Urmeaz un nou lider care se dezvolt catre sol, de obicei de-a lungul canalului primului lider; acest lider, numit lider sageat, are n mod obinuit, un caracter continuu, iar viteza sa de dezvoltare este mai mare decat cea a liderului n trepte primului lider. Descrcarea de ntoarcere se deosebete de prima. Prima descrcare se caracterizeaz printr-o viteza medie mai mica, o panta de crestere a curentului mai redusa si, deci , o durat a frontului de curent mai mare, o sarcin electric total mai mare, o forma a descrcrii mai arborescent. 3.6 Parametrii curentului de trsnet Numrul de trsnete este reflectat prin indicele keraunic, Ku. Acesta reprezint numrul de zile de furtun cu descrcri electrice n decursul unui an, stabilit ca medie pe baza observaiilor metodologice pe cel puin zece ani. n Romnia valoarea medie este de 43 zile/an. Un indicator relevant este i densitatea de trsnete Dt. Cu valori ntre 3.5 i 5.5 transete/km2an. Curentul de trsnet are forma din Figura 3.3 i este caracterizat de valoarea de vrf It i de durata frontului sau panta acestuia.

Figura 3.3 Variaia curentului de trsnet la baza canalului de descrcare


30

Se remarc c valoarea pantei este mult mai mare n situaia descrcrilor multiple ntruct canalele de trsnet sunt deja ionizate. n literatur se dau relaii empirice pentru determinarea probabilitii ca valoarea curentului de trsnet sau a pantei s ating o anumit valoare. 3.7 Efectele curentului de trsnet Acesta are efecte termice, mecanice i electromagnetice:o

Efectele termice ale curentului de trsnet sunt n general neglijabile datorit duratei foarte mici. Efectele mecanice se manifest prin distrugerea obiectelor pe care cade trsnetul (copaci, stlpi, traverse din lemn, cldiri). Efectele electromagnetice sunt: o primare prin undele de supratensiune generate de lovitura direct de trsnet; o secundare datorit induciei electromagnetice i electrostatice n circuite apropiate canalului de trsnet.

o

o

3.8 Protecia mpotriva loviturilor directe de trsnet Se realizeaz cu ajutorul paratrsnetelor verticale i orizontale. Acestea preiau asupra lor curentul de descrcare asigurnd astfel protecia instalaiilor. Efectul de protecie se manifest nc din faza de lider n trepte .

Figura 3.4 Orientarea trsnetului


31

Zonele de protecie ale paratrsnetelor sunt spaii cuprins n jurul paratrsnetului n care un obiect este protejat cu un factor de risc de 10-3 mpotriva loviturilor directe de trsnet datorat orientrii trsnetului spre paratrsnet. Paratrsnetele pot fi verticale sau orizontale. Protecia mpotriva conturnrilor inverse ale echipamentului din instalaii electrice, ca urmare a loviturilor directe de trsnet, trebuie s se realizeze prin alegerea unor distane n aer, care s nu permit amorsarea unei descrcri ntre elementele legate la pmnt ale construciilor pe care sunt instalate paratrsnetele i elementele sub tensiune ale instalaiei. Paratrsnetele verticale trebuie s se realizeze prin fixarea pe vrful unui stlp a unei tije metalice de captare. n staiile electrice, paratrsnetele verticale se monteaz pe: stlpi de beton armat centrifugat; stlpi metalici, n instalaiile la care este necesar realizarea unei nlimi mari a paratrsnetului; stlpi de lemn de brad impregnat, n instalaiile provizorii. Elementul de coborre de la elementul de captare la priza de pmnt se realizeaz: la stlpii de beton armat, prin folosirea uneia din armturi, creia i se asigur la stlpii metalici, prin nsi construcia stlpului; la stlpii de lemn, prin folosirea unei benzi de oel zincat la cald, cu o seciune prin sudur continuitatea pe toat nlimea stlpului;

minim 202,5 mm2 din OL38. Pentru oelul nezincat, grosimea benzii va fi cu 50% mai mare. Paratrsnetele orizontale trebuie s se realizeze din urmtoarele materiale:conductoare funie de oel cu o seciune de 35 95 mm2, n funcie de deschiderea dintre stlpi; conductoare de oelaluminiu; benzi de oel-aluminiu; benzi de oel ntinse pe conturul cldirii; oel rotund sub form de balustrad. Este necesar o bun legare la pmnt a elementelor de captare. 3.9 Cerine impuse la alegerea schemei de protecie La alegerea unei scheme de protecie a unei instalaii electrice mpotriva undelor de supratensiune de trsnet, care se propag de pe linia electric, trebuie respectate condiiile de coordonare a izolaiei. Schemele de protecie ale staiilor trebuie s cuprind msuri de protecie de baz i msuri de protecie suplimentare pe liniile electrice aeriene, la intrarea acestora n staii. a) Protecia de baz se realizeaz cu descrctoare cu rezisten variabil. Protecia de baz trebuie s asigure protejarea integral a echipamentului din instalaie, n cazul ntreruptorului de linie nchis, mpotriva undelor de supratensiune de trsnet, care se propag de pe linie n staie, ca urmare a loviturilor de trsnet n linie. b) Protecii suplimentare pentru intrrile liniilor electrice aeriene se realizeaz prin:

Supratensiuni temporare montarea conductoarelor de protecie; montarea de paratrsnete la intrarea n staie; montarea de descrctoare cu rezisten variabil.

32

Alegerea acestor msuri este determinat de tensiunea nominal a reelei, importana i regimurile de funcionare ale instalaiei ce trebuie protejat, precum i de indicele cronokeraunic al zonei n care este amplasat instalaia. Pentru instalaiile electrice cu tensiuni nominale pn la 400 kV, inclusiv, la amplasarea descrctoarelor cu rezisten variabil din condiii de supratensiuni de trsnet, trebuie s se asigure n regimurile normale de funcionare ale instalaiei o marj de siguran de 20 %, ceea ce nseamn c trebuie s se respecte la bornele fiecrui echipament din staie urmtoarea condiie: amplitudinea maxim a supratensiunilor de trsnet de la bornele acestuia, multiplicat cu factorul convenional de siguran 1,2 la supratensiuni de trsnet, trebuie s fie mai mic sau cel mult egal cu tensiunea nominal de inere a echipamentului la impuls de tensiune de trsnet (1,2/50 s) -. Pentru celelalte regimuri de funcionare ale instalaiilor se poate admite o marj de siguran cuprins ntre 1020%. Pentru staiile de 750 kV, marja de siguran n regimurile normale de funcionare ale instalaiei este de 10%. Pentru celelalte regimuri de funcionare ale instalaiilor se poate admite n cazul acestor staii o marj de siguran cuprins ntre 510%. Pentru stabilirea schemelor de protecie la instalaiile electrice mpotriva supratensiunilor de trsnet, se va utiliza un program de calcul specializat

3.10 Comportarea liniilor electrice aeriene la aciunea supratensiunilor atmosferice. Supratensiunile atmosferice sunt produse ca urmare a impactului trsnetului n instalaiile electrice sau n apropierea acestora. Ele se includ n cadru supratensiunilor externe cu front deosebit de rapid. Dup locul de provenien se mpart n supratensiuni directe i n supratensiuni induse. Acestea pot lua valori foarte mari i de aceea au rol deosebit n coordonarea izolaiei LEA i implicit n elaborarea schemelor de protecie. Din cauza lungimii mari a liniilor electrice aeriene, acestea sunt supuse aciunii frecvente a supratensiunilor de provenien atmosferic, care solicit izolaia electric a acestora. Aceste solicitri pot determina conturnarea sau strpungerea izolaiei liniei, urmat de apariia unor scurtcircuite care n final duc la declanarea acestuia i la ntreruperea alimentrii cu energie a


33

consumatorilor. Posibilitatea apariiei acestor avarii este condiionat de raportul dintre nivelul de izolaie a liniei i valoarea pozitiv a supratensiunilor. Nivelul de izolaie al liniei este precizat de valoarea tensiunii minime de conturnare la impuls U50%, n timp ce valoarea supratensiunilor atmosferice depinde pe de o parte de mijloacele de protecie ale liniilor mpotriva supratensiunilor produse de aceste descrcri. Avnd n vedere faptul c n majoritatea cazurilor n urma strpungerii intervalelelor de izolaie de aer, respectiv a conturnrii izolaiei de faz, rigiditatea dielectric a liniei se reface, neafectnd funcionarea acesteia, rezult c mijloacele de protecie adoptate nu trebuie s asigure eliminarea n totalitate a conturnrii izolatoarelor sau strpungerii distanelor de izolaie n aer ale liniei. Acestea, cu att mai mult, cu ct o asemenea cerin ar putea fi satisfcut numai cu preul unor soluii foarte costisitoare, fie n ceea ce privete mijloacele de protecie adoptate, fie n ceea ce privete dimensionarea n ultim instan a izolaiei. n contextul celor precizate anterior, sarcina proteciei liniei const n a asigura un nivel satisfctor al numrului de deconectri, justificat din punct de vedere tehnico-economic, ceea ce presupune dimensiuni ale proteciei, coordonate cu mijloacele de protecie, acceptabile i siguran bun n funcionare a reelei. Avnd n vedere faptul c supratensiunile atmosferice care apar n lungul liniilor electrice aeriene, ajung sub form de unde cltoare pe barele staiilor, unde acionnd asupra izolaiei echipamentelor de nalt tensiune pot determina avarii grave, msurile de protecie ale liniilor trebuie elaborate cu luarea n considerare a influenei pe care acestea o au asupra condiiilor de lucru a izolaiei echipamentelor din staiile de transformare. Din acest punct de vedere o atenie deosebit trebuie acordat proteciei poriunilor de intrare n staie a liniilor.

4. SUPRATENSINI TEMPORARE4.1 Tipuri de supratensiuni Supratensiunile sunt tensiuni electrice anormale care aprnd ntr-un circuit electric ca urmare a unei perturbaii, depind tensiunea de serviciu, poate conduce la deteriorarea izolaiei ceea ce poate afecta sigurana n funcionare a sistemului. Dup sensul lor supratensiunile pot fi: o transversale creterea anormal a tensiunii ntre un conductor i pmnt sau ntre conductoare de polaritate diferit, de exemplu ntre nfurrile unui transformator i miez sau cuv sau ntre fazele unui transformator;


34

o longitudinale creteri anormale ale tensiunii ntre dou puncte aparinnd aceleiai ci de curent de exemplu ntre spirele unei nfurri ale transformatorului Dup originea lor, supratensiunile pot fi: o supratensiuni interne acestea sunt datorate modificrilor brute a strii electromagnetice sau de perturbarea circuitului datorit unor deranjamente cum ar fi punerea la pmnt, scurtcircuite sau manevre n reea; o supratensiuni externe sunt datorate cderii trsnetului pe elementele reelei electrice 4.2 Apariia supratensiunile temporare Supratensiunile temporare apar n reele electrice mai ales datorit comutaiilor n sarcin redus cum ar fi conectarea sau deconectarea liniilor n gol, a reactoarelor transversale, transformatoare cu sarcini reduse, fie datorit comutaiilor la avarii scurtcircuite, pierderea sincronismului. Aceste comutaii sunt nsoite de procese tranzitorii, de regul oscilatorii, amplitudinea oscilaiei putnd depi cu mult amplitudinea tensiunii de serviciu.

Ca urmare a comutaiei n reea se poate stabili un regim permanent care poate de asemenea s fie nsoit de supratensiuni. Deci avem supratensiuni n regim tranzitoriu i supratensiuni n regim staionar (sinusoidal). Primele se mai numesc supratensiuni de comutaie (STC), iar cele de regim staionar se mai numesc supratensiuni temporare. Pentru a evalua nivelul de supratensiune se folosete noiunea de factor de supratensiune. 4.3 Scheme echivalente utilizate pentru calculul supratensiunilor Supratensiunile interne se produc frecvent i au valori mari n reelele electrice de IT i FIT. Acestea sunt formate din linii lungi (sute de km). La MT apar mai rar. O reea tipic n acest sens este dat n figura 2.


35

n Figura 4.2 sunt reprezentate dou zone de reea legate printr-o linie lung. De obicei se folosesc linii n paralel. Pentru buna funcionare se construiesc staii intermediare. n schem sunt prevzute bobine de compensare transversal pe fiecare bar i instalaii de compensare longitudinal, format din baterii de condensatoare. Pentru a putea studia supratensiunile interne, se fac scheme echivalente pentru elementele de reea. n aceste scheme centralele se nlocuiesc printrun sistem simetric de t.e.m. i prin reactanele lor interne (directe, inverse i homopolare). 4.4 Supratensiuni datorate efectului capacitiv pe linii n gol Considerm o linie de lungime l, funcionnd n gol (figura 5). Schema echivalent este dat n Figura 6. Facem urmtoarele precizri o reactana de magnetizare a transformatorului este neliniar la supratensiuni; o pe linie apare descrcarea corona (fenomen neliniar) la supratensiuni. n prim instan nu vom ine seama de aceste fenomene, urmnd s le analizm ulterior. n ipoteza neglijrii fenomenelor neliniare, schema echivalent este cea din figura 7.


36

4.5 Influena reactanelor de compensare transversal Reactanele de compensare transversal au rolul n regim normal de funcionare s asigure reglarea tensiunii i a fluxurilor de putere reactiv n reea. n regim post avarie sau de de sincronizare acestea au rolul de a limita supratensiunile. Regimul post avarie specific este acela n care, dup un defect, linia rmne deconectat la un capt. Cele dou regimuri pleac din condiii iniiale diferite. Regimul post avarie poate fi precedat de un regim de funcionare n care t.e.m. a sursei, la nceputul liniei, este mare, deci exist pericolul unor supratensiuni mari. n regimul de sincronizare se iau msuri de limitare a t.e.m., de scdere a tensiunii la nceputul liniei. n regim normal, este posibil ca linia s fie slab ncrcat, pe linie s se transporte o putere mult sub puterea natural. n asemenea situaii n curentul pe linie predomin componenta reactiv (capacitiv), n prezena creia tensiunea spre sfritul liniei va crete. Pentru limitarea creterilor de tensiune n regimul de sincronizare se instaleaz bobine de compensare transversal. Efectul maxim se obine cnd instalm reactorul la mijlocul liniei. Avnd n vedere c prezena componentei capacitive a curentului la nceputul liniei nu este de dorit (ntruct scade stabilitatea n funcionare a generatorului prin autoexcitare), se impune instalarea unor bobine i la nceputul liniei pentru ca la bornele generatorului s fie cureni inductivi. La lungimi mari, reactoarele se pot instala i n puncte intermediare, la distane de 200- 500 km. n cazul funcionrii liniei n gol se pot nregistra supratensiuni. Pentru limitarea acestora se instaleaz de asemenea reactoare de compensare transversal, care consumnd puterea capacitiv a liniei nltura cauza care le produce. Efectul maxim, n acest caz, l au reactoarele montate la sfritul liniei ntruct ele compenseaz curentul capacitiv pe ntreaga linie. n regim normal de funcionare, exist posibilitatea de apariie a unor supratensiuni la mijlocul liniei dac linia este slab ncrcat. Instalarea unor bobine de compensare este recomandat la mijlocul liniei. Pentru a studia influena bobinelor de compensare transversal considerm o bobin amplasat arbitrar pe linie (figura 8).


37

Figura 8. Influena bobinei de compensare.

Pentru limitarea creterilor de tensiune datorit efectului capacitiv pe liniile electrice lungi, n gol, la nivelul impus trebuie s se realizeze compensarea transversal a liniilor cu bobine. Locul de montare a bobinei se stabilete din considerente tehnico-economice. Liniile de 400 kV i 750 kV vor fi prevzute cu o protecie maximal de tensiune, trifazat, cu temporizare independent, dac din calcule rezult c, n urma deconectrii de la un capt al liniei respective sau n alte regimuri posibile, pot s apare supratensiuni temporare mai mari dect valorile admisibile specificate n tabelul 1. n funcie de valorile maxime ale supratensiunilor temporare rezultate din calcule, protecia maximal de tensiune va fi realizat cu una sau mai multe trepte de tensiune i de timp. Protecia va comanda n primul rnd conectarea rapid a bobinelor de compensare transversal dac acestea exist n staia n care monteaz protecia.


38

n lipsa bobinelor de compensare transversal sau dac conectarea bobinelor de compensare transversal nu conduce la scderea tensiunii sub valorile periculoase, protecia trebuie s comande declanarea de la ambele capete a liniei care provoac supratensiunea, precum i blocarea RAR. Reglajele proteciilor se coreleaz cu caracteristicile aparatajului din staiile respective, inndu-se seama i de recomandrile furnizorului de aparataj. n cazul reelelor de 400 kV protecia mpotriva supratensiunilor temporare se realizeaz n trei trepte, cu o temporizare diferit, n funcie de valoarea supratensiunii temporare i anume: a) rapid, pentru valori mai mari de 1,4 420 / 3 kV ; b) cu temporizare de maxim 10 s, pentru valori cuprinse ntre (1,21,4) 420 / 3 kV ; c) cu temporizare de maxim 60 s, pentru valori cuprinse ntre (1,11,2) 420 / 3 kV . mic de 5 ms. 4.6 Alegerea modului de tratare a neutrului Alegerea modului de tartare a neutrului se face innd seama de urmtoarele aspecte: Nivelul supratensiunilor la defecte nesimetrice, mrime ce determin nivelul de izolaie a reelei; Nivelul curentului de scurtcircuit monofazat; Funcionarea proteciilor la defecte cu pmntul; Influena asupra liniilor de telecomunicaii Nesimultaneitatea timpilor totali de acionare a polilor ntreruptoarelor trebuie s fie mai


39

Reelele de joas tensiune funcioneaz cu neutrul legat la pmnt. Acest lucru este determinat, n principal, de protecia oamenilor mpotriva tensiunilor periculoase, aspect esenial n cazul reelelor de JT. De asemenea trebuie avut n vedere c la JT sunt multe receptoare care se alimenteaz monofazat, acest lucru necesitnd un nul de lucru. Reele de MT variantele de tratare acceptate de normative sunt mult mai variate fiind influenat de o serie de factori: tensiunea, dimensiunile, structura i caracteristicile reelei i echipamentelor: tipul reelei n cauz (reea aerian, mixt sau n cablu), dimensiunile i

arhitectura reelei (posibiliti de buclare), respectiv valoarea curentului capacitiv de punere la pmnt a reelei; starea tehnic a izolaiei (nivelurile de inere ale izolaiilor i gradul de mbtrnire a acestora, respectiv posibilitatea transformrii simplelor puneri la pmnt n duble puneri la pmnt); valorile rezistenelor parcului de prize de pmnt; condiiile de mediu n care funcioneaz liniile electrice aeriene (poluare,

vegetaie, psri etc., care conduc deseori la defecte trectoare cu punere simpl la pmnt);

exigenele consumatorilor referitoare la continuitatea i calitatea alimentrii siguran n exploatarea reelei; valori ct mai reduse ale supratensiunilor i curenilor de defect; localizarea rapid i selectiv a defectelor i deconectarea acestora fr influene reduse asupra altor reele ( reele de telecomunicaii, ci ferate etc.); asigurarea unei protecii eficiente mpotriva accidentelor de persoane i de

acestora, eliminarea ntreruperilor de scurt durat;

intervenii din partea personalului de exploatare;

animale, respectiv tensiuni de atingere i de pas sub limitele admisibile i durate ct mai reduse de apariie a unor tensiuni atingere i de pas de valori mai ridicate. Ca urmare a cercetrilor efectuate n ultimii ani, s-a hotrt o diversificare a soluiilor de tratare a neutrului reelelor electrice de distribuie de medie tensiune, n baza criteriilor i cerinelor evideniate mai sus. n acest sens, n continuare se fac recomandri pentru alegerea soluiei de tratare a neutrului acestor reele.


40

inndu-se seama de cerinele de siguran a persoanelor i a bunurilor materiale i de ameliorare a calitii alimentrii consumatorilor i exploatrii instalaiilor, precum i de starea tehnic a reelelor electrice de distribuie de medie tensiune, prin soluia de tratare a neutrului adoptat, inclusiv proteciile prin relee i automatizrile asociate, trebuie avute n vedere urmtoarele: selectarea i deconectarea ct mai rapid posibil a punerilor simple la pmnt, indiferent de tipul reelei (aeriene, mixte sau n cablu) pentru a se preveni transformarea acestor defecte n duble puneri la pmnt sau n scurtcircuite polifazate; utilizarea de soluii de tratarea a neutrului reelelor electrice de distribuie de defectelor trectoare (pasagere) fr ntreruperea alimentrii medie tensiune, inclusiv protecii prin relee i automatizri asociate, care permit att eliminarea consumatorilor ct i deconectarea defectelor monofazate permanente (persistente) n cel mai scurt timp posibil; indiferent de modul de tratare a neutrului reelei, trebuie redus la minim numrul de manevre pe perioada de identificare a liniilor cu simple puneri la pmnt i de localizare a poriunii cu defect pentru evitarea solicitrii izolaiilor la supratensiuni de comutaie i de rezonan. n cazul n care reelele electrice de medie tensiune alimenteaz consumatori speciali, la care efectele economice ale ntreruperilor n alimentare intempestive sunt importante sau se pun n pericol vieile oamenilor, soluia de tratare a neutrului acestor reele, inclusiv proteciile i automatizrile asociate, se vor stabili avnd n vedere necesitatea evitrii acestor ntreruperi. n astfel de situaii, trebuie s se aib n vedere o soluie de tratare a neutrului care s permit funcionarea reelei cu un defect monofazat la pmnt pe o durat de timp limitat, pn cnd consumatorii respectivi i pot lua msurile necesare pentru eliminarea consecinelor posibile ca urmare a ntreruperii alimentrii cu energie electric. n acest sens, n funcie de mrimea reelei (valoarea curentului capacitiv de punere la pmnt a reelei) se poate funciona cu:

reeaua cu neutrul izolat tratat prin bobin de compensare.

Soluia de funcionare cu neutrul tratat prin rezisten poate fi utilizat n cazul reelelor electrice aeriene, mixte sau n cablu cu cureni capacitivi de punere la pmnt mai mari de 10 A. n reelele electrice n cablu sau mixte, preponderent n cablu, avnd cureni capacitivi de punere la pmnt mai mari de 10 A, se va funciona n schema cu neutrul tratat prin rezisten.


41

Rezistoarele de legare la pmnt a neutrului reelei trebuie s asigure o valoare a curentului de punere la pmnt care s permit att deconectarea rapid i selectiv a liniilor afectate de puneri simple la pmnt ct i pstrarea tensiunilor de atingere i de pas i a influenelor n reelele nvecinate sub limitele admisibile normate. Soluia de funcionare cu neutrul tratat prin bobin de compensare poate fi utilizat n cazul reelelor aeriene sau mixte (preponderent aeriene) de medie tensiune la care curentul capacitiv de punere la pmnt are o valoare mai mare de 10 A, care alimenteaz consumatori care admit ntreruperi prin manevre pentru localizarea sectorului de linie cu defect permanent.

Figura 9. Schema de principiu de funcionare a soluiei ntreruptor de untare. Soluia de tratare a neutrului reelelor prin bobin de compensare impune:

Utilizarea de bobine de compensare cu un sistem de reglaj continuu automat

care s asigure, n toate situaiile, n condiii de fiabilitate ridicat, o valoare maxim a curentului de defect la locul de defect de 10 A Verificarea instalaiilor de legare la pmnt a echipamentelor din reeaua electric de distribuie de medie tensiune, care trebuie s satisfac condiiile impuse de tensiunile de atingere i de pas pe durata ct instalaiile respective sunt afectate att de punerile simple la pmnt ct i de punerile duble la pmnt. Funcionarea de durat cu punere la pmnt este limitat n timp, de regul, la durata de efectuare a manevrelor de izolare a defectului, respectndu-se limitele i condiiile stipulate n STAS 832-1979.


42

Cu excepia cazurilor speciale menionate mai sus, pentru evitarea transformrii simplelor puneri la pmnt permanente n duble puneri la pmnt se va avea n vedere utilizarea de soluii de protecii prin relee i sisteme de automatizri asociate care s permit deconectarea selectiv i rapid a punerilor simple la pmnt permanente. n acest sens se poate adopta sistemul de automatizare de conectarea automat a unui rezistor n paralel cu bobina de compensare pentru selectarea i declanarea defectelor monofazate permanente (figura 10).

Figura 10 - Schema de principiu de funcionare a soluiei de conectare automat a unui rezistor n paralel cu bobina de compensare. Soluia const n principal n funcionarea reelei de medie tensiune n regim normal de durat cu neutrul tratat prin bobin de compensare n scopul eliminrii defectelor trectoare. Scopul conectrii automate a unui rezistor pe neutrul reelei, cu o temporizare t, n paralel cu bobina de compensare este selectarea i deconectarea defectelor cu simpl punere la pmnt a reelei dac acestea nu au fost eliminate anterior prin compensarea curenilor capacitivi de ctre bobin. Reelele cu tensiune nalt i foarte nalt (110-750 kV) au neutrul legat la pmnt pe motivul reducerii supratensiunilor temporare i de comutaie. n acest caz, costul izolaiei este mare i se prefer reducerea nivelului de supratensiunilor temporare. 4.7 Reele de medie tensiune cu neutrul tratat prin bobin Cele mai multe defecte cu pmntul sunt monofazate. Tratarea neutrului prin bobin urmrete eliminarea defectelor monofazate fr deconectarea consumatorilor racordai n acea reea


43

Figura 11 Circulaia curenilor la o punere la pmnt Prin generarea unui curent inductiv, curentul de punere la pmnt, de tip capacitiv, se poate anula iar arcul de la locul de defect se poate stinge. Vom analiza procesele care au loc considerm schema din figura 11. Bobina este modelat printr-o reactan Lo nseriat cu o rezisten ro care modeleaz pierderile din aceasta.La o punere la pmnt pe bobin se aplic dinspre pmnt spre neutru tensiunea UR, n timp ce pe admitanele transversale ale fazelor sntoase tensiunile ntre faze USR, respectiv UTR. Curentul rezultant la locul de defect, ntre faza R i pmnt va fi:


44

Minimul se obine atunci cnd q=1, adic are loc o rezonan ntre reactana bobinei i capacitatea de secven homopolar a liniilor de MT racordate la bara de MT. Rezult c valoarea curentului la locul de defect, de la faza R ctre pmnt, are valori cu att mai mici cu ct gradul de acord al bobinei de stingere se apropie de 1. Efectul de stingere a arcului este important pentru LEA. n cazul LEC, mai ales a celor din PVC, care au tg mare (gp mare), efectul bobinei n ceea ce privete stingerea arcului este discutabil. Reglarea bobinei se face n regim normal prin msurarea (cu un aparat sensibil) a curentului prin bobin. Acesta nu este chiar zero ntruct tensiunile pe cele trei faze nu sunt perfect simetrice i, de asemenea, admitanele liniilor racordate la bar nu sunt perfect simetrice. Graficul acestei expresii este dat n figura 12.

Figura 12 Variaia raportului I0/IC n funcie de gradul acord al bobinei de stingere Dac scriem tensiunea Un n regim normal, n funcie de parametrii reelei, avem:


45

Acest curent va fi maxim atunci cnd partea real a numitorului va fi minim: adic la condiia de acord

Rezult c reglajul la acord se obine atunci cnd curentul prin bobin (de valori foarte mici) are un maxim. Pentru supracompensare, se va mri nc puin ntrefierul bobinei. De precizat c la rezonan crete i tensiunea de deplasare a neutrului care nu trebuie s depeasc (10-15)% din tensiunea de faz. n ceea ce privete nivelul supratensiunilor n cazul defectelor nesimetrice, avnd n vedere valoarea mare a reactanei hompolare, nivelul acestora este de 1.73 (3) n cazul punerilor la pmnt monofazate i 1.5 n cazul scurtcircuitelor bifazate cu punere la pmnt.


46

5. Exemplu de cazAnaliza nivelului supratensiunilor temporare ntr-o reea de foarte nalt tensiune. Se va efectua o analiz parametric asupra urmtoarelor regimuri generatoare de supratensiuni:

funcionarea liniilor lungi n gol; regimul permanent de scurtcircuit nesimetric; funcionarea temporar cu numr incomplet de faze.

Analiza se realizeaz utiliznd aplicaia software denumit STENS, realizat de ctre colectivul de autori al prezentei lucrri, pe baza modelelor matematice ale circuitelor cu elemente lineare. Aplicaia software permite efectuarea calculelor att n ipoteza neglijrii pierderilor n elementele circuitului, ct i n ipoteza considerrii acestora. n plus, n cazul supratensiunilor temporare datorate efectului capacitiv se poate analiza i influena descrcrii corona asupra nivelului supratensiunilor. Principala component a analizei va fi efectuar n ipoteza simplificatoare a neglijrii pierderilor n toate elementele reelei. n etapa final, se va face o analiz a influenei pe care o are considerarea pierderilor lineare asupra nivelului supratensiunilor, pentru toate cele trei regimuri generatoare de supratensiuni, ns numai pentru cteva scheme tipice. Schema monofilar complet a reelei este dat n fig. 3.1, utilizatorul putnd, ns, opta pentru efectuarea analizei n oricare dintre cele zece cazuri particulare tipice.

Cazuri tipice: 1. G + L1 2. G + L1 + R1 3. G + L1 + RS 4. G + L1 + R1 + RS 5. G + L1 + L2

6. G + L1+ L2 + R1 7. G + L1+ L2 + RS 8. G + L1+ L2 + R1 + RS 9. G + L1+ L2 + R1 + R2 10. G + L1+ L2 + R1 + R2 + RS

Fig. 5.1Schema monofilar a reelei i cazurile particulare tipice care pot fi abordate prin intermediul aplicaiei software STENS

Supratensiuni temporare Elemente de utilizare a programului STENS

47

Programul STENS este destinat analizei asistate de calculator a supratensiunilor din sistemele electroenergetice, avnd realizate componente pentru calculul urmtoarelor categorii de supratensiuni: Temporare: o datorate efectului capacitiv o datorate scurtcircuitelor nesimetrice o datorate nesimetriilor longitudinale Aceste categorii de supratensiuni pot fi analizate n condiiile neglijrii tuturor pierderilor din elementele reelei, considerrii pierderilor lineare n transformatoare i linii electrice aeriene, iar n cazul supratensiunilor datorate efectului capacitiv poate fi fcut o analiz i asupra influenei descrcrii corona asupra nivelului supratensiunilor i lungimii de rezonan a liniei. De comutaie o la conectarea unei linii electrice o la reconectarea unei linii electrice

De trsnet - pentru calculul numrului specific de deconectri a liniilor electrice aeriene. n aceast etap a utilizrii aplicaiei, se va utiliza doar componenta de calcul a supratensiunilor temporare, ce va fi aleas din meniul START al programului.

Dup alegerea modulului de program pentru analiza supratensiunilor temporare, sunt afiate etapele algoritmului de calcul, i anume: alegerea tensiunii nominale a reelei; alegerea tipului schemei; introducerea parametrilor schemei; ntocmirea schemei echivalente; calculul supratensiunilor datorate efectului capacitiv (cod 1); calculul supratensiunilor datorate scurtcircuitelor nesimetrice (cod 2); calculul supratensiunilor datorate comutrii nesimultane a fazelor (cod 3). Odat cu introducerea codului corespunztor, utilizatorul opteaz pentru analiza unui anumit regim generator de supratensiuni temporare. Nu este obligatorie pstrarea unei anumite secvene n analiza regimurilor enumerate, n ipoteza n care utilizatorul opteaz pentru analiza unui regim nesimetric, programul fcnd, implicit, calcule pentru determinarea variaiei tensiunii de-a liniilor reelei n regimul anterior producerii nesimetriei, date necesare n calculele de determinare a creterii absolute a tensiunii n diferite noduri ale reelei.


48

Dac utilizatorul opteaz pentru analiza supratensiunilor datorate efectului capacitiv, poate face aceast analiz n condiiile neglijrii pierderilor (cod 1), considerrii pierderilor lineare (cod 2), dar i a celor determinate de descrcarea corona pe liniile reelei (cod 3). Dac utilizatorul opteaz pentru analiza unui regim nesimetric, n urmtoarea etap nu poate opta dect pentru studiul corespunztor codurilor 1 i 2. Dup alegerea ipotezei de calcul, se introduc datele referitoare la: o tensiunea nominal a reelei Un [kV];o

configuraia reelei unul dintre cazurile particulare care pot deriva din schema general, aa cum sunt artate acestea n fig. 3.1;

o puterea de scurtcircuit a subsistemului electroenergetic - Ssc [MVA];o

nodul din schem unde este declarat aceast putere de scurtcircuit utilizatorul poate declara aceast putere n amonte sau n aval de autotransformator, declararea unei puteri de ordinul a 100000 MVA n aval de autotransformator nsemnnd, practic, efec-tuarea unei analize pentru cazul sursei de putere infinit;

o parametrii autotransformatoarelor:

tensiunea nominal a fiecreia dintre cele trei nfurri - Un, i [kV]; puterea nominal corespunztoare fiecrei nfurri Sn, i [MVA]; cele trei tensiuni de scurtcircuit - Usc, i [%]; curentul de mers n gol - I0,% [%].

Dac utilizatorul opteaz pentru efectuarea analizei n condiiile considerrii pierderilor, programul cere s se introduc i urmtoarele: pierderile active la funcionare n scurtcircuit Psc [kW]; pierderile n fier PFe [kW]. parametrii electrici ai liniilor: o o o lungimea l [km]; inductivitatea lineic L [mH/km]; capacitatea lineic C [nF/km].

Dac utilizatorul a optat pentru efectuarea unei analize n condiiile considerrii pierde-rilor, trebuie introduse i urmtoarele date de intrare: - rezistena lineic R [/km]; - factorul de pierderi dielectrice a izolaiei liniei tg [%]. Dac schema aleas are n structura sa dou linii, toi parametrii indicai anterior se in-troduc, n mod separat, pentru fiecare dintre cele dou linii, permind introducerea de date pentru linii diferite constructiv, ns, evident, de aceeai tensiune nominal.


49

Dup introducerea valorilor parametrilor electrici ai fiecrei linii, programul calculeaz i afieaz parametrii caracteristici ai liniilor respective, astfel:o o o

impedana caracteristic Z0 [] (Zc - complex dac se consider pierderile lineare); constanta de faz [rad/km]; constanta de atenuare [km-1] numai dac s-a optat pentru varianta cu pierderi.

Atunci cnd se face analiza unui regim nesimetric, dup afiarea valorilor parametrilor caracteristici, se introduc parametrii de secven homopolar; dac schema aleas are n structura sa dou linii, aceti parametri se introduc pentru fiecare dintre ele, pe pagini distincte. Dup introducerea parametrilor electrici de pe secvena homopolar, programul afieaz parametrii caracteristici, pe aceast secven. Dup afiarea valorilor parametrilor caracteristici ai liniilor electrice ale reelei, dac schema aleas iniial avea n structura sa cel puin un reactor de compensare transversal, urmeaz introducerea parametrilor acestor reactoare, astfel: tensiunea nominal a reactorului de compensare transversal UnR [kV]; puterea nominal a acestuia - SnR [MVA].

Datorit caracterului declarat didactic al aplicaiei software, dup finali-zarea introducerii datelor referitoare la parametrii elementelor componente ale schemei analizate, sunt afiate toate reactanele ale schemei electrice echivalente. Dac regimul ales anterior este unul nesimetric, sunt afiate i valorile reactanelor din schema de secven homopolar. n cazul n care utilizatorul a ales s analizeze supratensiunile temporare datorate nesimetriilor transversale, dup afiarea parametrilor schemei echivalente, trebuie introduse date suplimentare

Supratensiuni Temporare

Documents

Transcript of Supratensiuni Temporare