Stabilirea Conditiilor Optime de Realizare a Protectiei In Instalatiile Electrice de Joasa Tensiune

Politehnica

Stabilirea Conditiilor Optime de Realizare a Protectiei In Instalatiile Electrice de Joasa Tensiune

Byadmin ianuarie 1, 2024

PROIECT DE DIPLOMĂ

STABILIREA CONDIȚIILOR OPTIME DE REALIZARE A PROTECȚIEI ÎN INSTALAȚIILE ELECTRICE DE JOASĂ TENSIUNE

CUPRINS

INTRODUCERE

CAPITOLUL I. Prezentarea dispozitivelor electrice de protecție

I.1 Siguranțe fuzibile

I.1.1 Principiul de funcționare a siguranței fuzibile

I.2 Relee de protecție

I.2.1 Relee termobimetalice

I.2.2 Relee electromagnetice

I.2.3 Relee de inducție

I.3 Relee de timp

I.4 Declanșatoare

CAPITOLUL II. Condiții optime de realizare a protecției instalațiilor electrice de joasă tensiune

II.1 Solicitări și tipuri de protecții în instalații electrice de joasă tensiune

II.1.1 Protecția rețelelor electrice. Condițiile de realizare a protecției

II.1.2 Protecția receptoarelor. Condițiile de realizare a protecției.

II.1.3 Tipurile de protecții diferențiale și condițiile de realizare a protecției.

II.2 Asigurarea selectivității de protecție.

II.2.1 Generalități despre selectivitate

II.2.2 Asigurarea selectivității între diferite aparate de protecție.

II.3 Pașii și criteriile de alegere a dispozitivelor de protecție și comutație.

II.3.1 Generalități despre alegerea aparatelor.

II.3.2 Protecția receptoarelor și a diferitelor circuite. Alegerea protecției optime.

II.3.3 Protecția coloanelor. Alegerea protecției optime.

CAPITOLUL III. Realizarea practică.

CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

INTRODUCERE

Proiectul de diplomă cu tema Stabilirea condițiilor optime de realizare a protecției în instalațiile electrice de joasă tensiune se referă la realizarea unui circuit experimental cu care putem simula defectele dintr-un circuit și putem demonstra ușor funcționarea dispozitivelor de protecție prezentate în lucrare.

În primul rând, lucrarea prezintă, conform primului capitol, dispozitivele electrice de protecție utilizate pentru protecția rețelelor și receptoarelor electrice. Prezentarea acestora este necesară pentru a forma o imagine completă despre aceste aparate de protecție.

Acest capitol prezintă generalități despre principiul de funcționare a acestora și construcția lor, toate acestea fiind ilustrate și cu figuri explicative.

În al doilea rând, lucrarea prezintă, conform capitolului al doilea, condițiile optime de realizare a protecției în instalațiile electrice de joasă tensiune.

Acest capitol constituie partea cea mai importantă a lucrării. Aici vom găsi descrise, pe scurt, solicitările la care pot fi supuse instalațiile electrice de joasă tensiune și modalitățile de protecție a acestora ce cuprinde descrierea generală a următoarelor: protecției rețelelor electrice, protecției receptoarelor, protecției coloanelor și a diferitelor circuite.

Pe lângă aceste informații, capitolul mai prezintă relații de calcul referitoare la asigurarea selectivității între diferite dispozitive de protecție și alegerea corespunzătoare a acestora.

Ultimul capitol al lucrării prezintă montajul realizat în cadrul proiectului, pentru a putea demonstra o parte din cele descrise în prezenta lucrare.

CAPITOLUL I. Prezentarea dispozitivelor electrice de protecție.

Rolul aparatelor electrice de protecție este de a proteja atât echipamentul electric cât și consumatorii și generatoarele electrice în regim de avarie.

Siguranțe fuzibile.

Siguranța fuzibilă este un aparat de conexiune și protecție a cărui funcție este de a întrerupe circuitul în care este conectată aceasta și de a întrerupe curentul, atunci când acesta depășește un anumit timp de o valoare dată, prin topirea unuia sau mai multor elemente fuzibile, destinate și proiectate în acest scop.

Siguranța fuzibilă este unul dintre cele mai vechi aparate de protecție, care au apărut încă din primele momente ale dezvoltării electrotehnicii. Acțiunea unei siguranțe se bazează pe topirea fuzibilului în caz de suprasarcini și de scurtcircuite. Fuzibilul siguranței constituie punctul slab al circuitului, care trebuie să se topească înaintea conductoarelor, a înfășurărilor mașinilor sau a transformatoarelor, adică înainte ca, printr-un circuit, curentul să poată atinge o valoare periculoasă pentru izolații.

Siguranța fuzibilă se caracterizează printr-o construcție foarte simplă și robustă, care are încorporat ca element de protecție un fir rotund sau o bandă conductoare, montate în serie cu obiectul de protejat. În cazul curenților de scurtcircuit și la suprasarcini mari, metalul din care este confecționat fuzibilul, având cea mai redusă stabilitate termică din întreg circuitul, se topește și întrerupe circuitul, realizând protecția acestuia.

Siguranțele fuzibile se folosesc atât în instalațiile electrice de joasă tensiune cât și în cele de medie și înaltă tensiune deși, din punct de vedere constructiv, ele diferă foarte mult în domeniul de utilizare, însă funcția de protecție rămânând aceeași.

Figura 0.1 Siguranțe fuzibile cu filet cu diferiți curenți nominali [3].

Principiul de funcționare al siguranței fuzibile.

Siguranța fuzibilă are două regimuri de funcționare: regimul când curentul care o străbate este mai mic decât curentul minim de topire (I<I min topire) și regimul tranzitoriu condiționat de curenții de scurtcircuit sau de suprasarcină, curenți ce depășesc curentul minim de topire (I > I min topire).

Figura 0.2 Caracteristica generală de funcționare a siguranței fuzibile [3].

Elementul fuzibil este înglobat într-o masă de nisip de cuarț și se topește la depășirea I min topire, apărând arcul electric, a cărui stingere este determinată de preluarea căldurii de către granulele de nisip.

Din momentul în care firul ajunge în stare lichidă, masa de lichid nu mai păstrează forma geometrică a firului, fiind supusă deformării cauzate de forțele electrodinamice în buclă parcurse de curent și de forțele Lorentz în masa de lichid.

Fuzibilul se topește după care se evaporă, trecând astfel din starea solidă în starea lichidă iar apoi în starea de vapori.

Procesul de schimbare al acestor stări diferă esențial după cum se efectuează, încet sau repede, adică dacă fuzibilul siguranței se topește la intensitate mică a curentului de suprasarcină sau la intensitate mare a unui curent de scurtcircuit.

Se constată că pe durata 0…t1 are loc încalzirea elementului fuzibil, conform curbei din figură, până la temperatura de 1 corespunzătoare temperaturii de topire (1=top). Durata t1 este de 1…5 ns și ca urmare se poate considera că într-un interval atât de scurt nu există schimb de căldură cu mediul ambiant, procesul fiind adiabatic.

În intervalul t1-t2, materialul fuzibilului se topește în întregime, iar temperatura se pastrează constantă în timpul procesului de topire la valoarea de 1=top. În acest interval există atât metal solid cât și lichid, care ocupă ipotetic forma geometrică a elementului în stare solidă.

În intervalul de timp t2-t3, metalul lichid se încălzește de la temperatura 1 la temperatura 2, când se ajunge la temperatura de vaporizare (2=vap), după care ar urma formarea arcului electric.

Intervalul de timp scurs între momentul apariției curentului de scurtcircuit și momentul apariției arcului electric se numește durată de prearc.

Caracteristic pentru funcționarea la scurtcircuit a siguranțelor fuzibile este procesul de limitare a curentului electric ca durată și amplitudine. După topirea completă a elementului fuzibil și deci după apariția arcului electric, curentul mai crește puțin, deoarece rezistența arcului este încă mică.

Relee de protecție.

Releele de protecție protejează instalațiile electrice împotriva solicitărilor apărute în regimul de avarie, prin transmiterea unor semnale electrice ce determină izolarea locului defect prin intermediul aparatelor de comutație.

Clasificarea releelor de protecție se poate face după mai multe criterii, și anume [3]:

După principiul de funcționare al mecanismului motor:

relee termice;

electromagnetice;

de inducție;

magnetoelectrice;

electrodinamice;

electronice.

După mărimea pe care o protejează:

relee de curent;

relee de tensiune;

relee de putere;

relee de impedanță;

relee de frecvență;

relee de timp;

relee de temperatură.

După felul în care este realizată acțiunea față de o anumită valoare a mărimii de intrare:

relee maximale, care acționează dacă mărimea protejată depășește o anumită valoare;

relee minimale, care acționează când mărimea protejată scade sub o anumită valoare (sau dispare);

relee direcționale, care acționează dacă se schimbă sensul mărimii protejate (de exemplu sensul de circulație al puterii);

După modul în care acționează asupra aparatelor de comutație:

relee directe, la care elementul de protecție acționează direct asupra aparatului de comutație;

relee indirecte: acțiunea la aceste relee este transmisă cu ajutorul unor contacte din circuitul electric auxiliar al aparatului de comutație.

După modul de conectare în circuit:

relee primare: la aceste relee înfășurarea este parcursă de mărimea din circuitul de protejat;

relee secundare: înfășurarea acestora se alimentează din secundarul transformatorului de măsură. Prin primarul transformatorului trece curentul din circuitul protejat.

În funcție de valoarea timpului de acționare, definit ca timpul din momentul apariției semnalului de intrare care acționează asupra elementului sensibil al releului și până în momentul acționării releului, releele se clasifică după cum urmează:

relee fără inerție (ultrarapide), când ta<10ms;

relee rapide, când ta<5*10-2s;

relee normale, când 0,15s>ta>5*10-2s;

relee lente, când 1s>ta>0,15s;

relee temporizate, când ta>1s.

Relee termobimetalice.

Releele sunt aparate de protecție care, acționând asupra unui aparat de comutație, produc întreruperea alimentării unui consumator, la o anumită temperatură a elementului sensibil al releului. Elementul sensibil îl constitue bimetalul.

Releele termobimetalice sunt relee de curent și se utilizează mai ales pentru protecția mașinilor electrice, împotriva încălzirilor excesive ca urmare a funcționării mașinilor la suprasarcini de lungă durată.

Curentul de suprasarcină al motorului încalzește mecanismul bimetalic al releului iar când temperatura atinge valoarea maximă admisă, releul termobimetalic trebuie să acționeze asupra unor contacte care provoacă deconectarea motorului de la rețea.

Rezistența de încălzire a releelor bimetalice se poate arde înainte ca acestea să poată să acționeze la curenții de scurtcircuit, deci din această cauză aceste relee nu asigură protecție împotriva scurtcircuitelor. Din această cauză releele bimetalice sunt asociate întotdeauna cu releele electromagnetice, în cazul protecției motoarelor, sau cu siguranțe fuzibile.

Figura 0.3 Relee bimetalice cu încălzire directă [3].

– bandă bimetalică fără pretensionare, b) – bandă bimetalică cu pretensionare

Principiul de funcționare al releelor termobimetalice [3].

Construcția lamelei bimetalice este simplă: lamela este constituită din două straturi de metal îmbinate împreună prin lipire sau sudură. Fiecare bucată de metal are un anumit coeficient de dilatare. Rezultă din această construcție curbarea capătului liber al bimetalului atunci când acesta se încălzește din cauza curenților ce-l străbat. Curbarea capătului liber este cu atât mai accentuat cu cât diferența dintre coeficienții de dilatare este mai mare.

Metalul care are coeficientul de dilatare mai mic este considerat ca fiind componentul pasiv iar celălalt care are coeficientul de dilatare mai mare este considerat ca fiind componentul activ. Pentru realizarea bimetalelor sunt folosite aliaje din fier-nichel, aceste aliaje constituind componenta pasivă. Pentru realizarea componentei active a bimetalului se folosesc aliajele din cupru cu zinc, staniu sau nichel.

În concluzie, îmbinarea celor două metale realizează un contact mobil care își poate schimba forma în mod automat, în funcție de temperatură.

Un avantaj al bimetalului față de alte dispozitive de dilatare îl constituie faptul că capătul liber al lamelei este mult mai mare decât capătul care se poate obține printr-o simplă dilatare. Bimetalul este un exemplu foarte lamelei bimetalice este simplă: lamela este constituită din două straturi de metal îmbinate împreună prin lipire sau sudură. Fiecare bucată de metal are un anumit coeficient de dilatare. Rezultă din această construcție curbarea capătului liber al bimetalului atunci când acesta se încălzește din cauza curenților ce-l străbat. Curbarea capătului liber este cu atât mai accentuat cu cât diferența dintre coeficienții de dilatare este mai mare.

Metalul care are coeficientul de dilatare mai mic este considerat ca fiind componentul pasiv iar celălalt care are coeficientul de dilatare mai mare este considerat ca fiind componentul activ. Pentru realizarea bimetalelor sunt folosite aliaje din fier-nichel, aceste aliaje constituind componenta pasivă. Pentru realizarea componentei active a bimetalului se folosesc aliajele din cupru cu zinc, staniu sau nichel.

În concluzie, îmbinarea celor două metale realizează un contact mobil care își poate schimba forma în mod automat, în funcție de temperatură.

Un avantaj al bimetalului față de alte dispozitive de dilatare îl constituie faptul că capătul liber al lamelei este mult mai mare decât capătul care se poate obține printr-o simplă dilatare. Bimetalul este un exemplu foarte bun pentru a arăta cât de simplu se poate transforma energia termică în energie mecanică.

Relee electromagnetice.

Releele electromagnetice au ca element sensibil un electromagnet, ca element comparator fiind un resort antagonist iar ca element executor fiind unul sau două contacte (ND și N.I). Când parametrul de intrare depășește valoarea reglată, se învinge tensiunea resortului antagonist și are loc acționarea instantanee a contactelor.

Relee electromagnetice maxime de curent.

Aceste relee sunt relee cu acțiune instantanee, destinate protecției instalațiilor electrice împotriva suprasarcinilor sau scurtcircuitelor. Armătura mobilă îl constituie elementul constructiv caracteristic al releului maximal de curent RC care este de forma literei Z și se execută din tablă de oțel foarte subțire și ușoară, pentru a micșora timpul de acționare. Ea se saturează repede la valori mici ale curentului din înfășurare, astfel încât factorul de revenire al releului crește și, implicit, și sensibilitatea releului.

Curentul de supravegheat parcurge înfășurările, înfășurări care pot fi legate în serie sau în paralel, aflate pe miezul feromagnetic al electromagnetului. Dacă curentul depășește valoarea reglată, fixată pe scara de reglaj, armătura se rotește rapid, învingând tensiunea resortului antagonist și închizând contactele mobile peste cele fixe, lănsând un semnal în circuitul comandat. Reglarea curentului de acționare se face printr-o pârghie, schimbându-se tensionarea resortului antagonist. De asemenea, prin legarea în serie sau în paralel a înfășurărilor se poate dubla domeniul de reglaj. Timpul de acționare al acestor relee este de câteva sutimi de secundă (aproximativ 0.05 s) și nu poate fi reglat; caracteristica de protecție a releului fiind una independentă.

Dacă valoarea curentului la care releul acționează este Ia iar valoarea curentului la care releul revine este Ir, atunci factorul de revenire al acestor relee rezultă din relația
.

Cu cât acest factor de revenire este mai aproape de 1 cu atât releul este mai sensibil.

Figura 0.4 Releu electromagnetic maximal de curent RC2 [3].

Părțile componente ale releului sunt următoarele:

1 – miezul feromagnetic;

2 – bobina;

3 – armătura mobilă;

4 – resortul antagonist;

5 – butonul de reglaj al arcului;

6, 7 – șuruburi de reglaj care stabilesc pozițiile limită ale armăturii mobile.

Cu ajutorul comutatorului de reglaj 8 se schimbă domeniul de reglaj care modifică numărul de spire al bobinei releului.

Brațul armăturii mobile acționează, prin intermediul piesei izolante 9, sistemul de contacte 10.

Indicatorul de funcționare 11 poate fi anulat de anulatorul 12.

Figura 0.5 Relee maximale de curent, relee maximale de tensiune și relee minimale de tensiune [3].

Relee electromagnetice de tensiune.

Aceste relee pot funcționa [3] ca și relee maximale de tensiune (RT-1) sau ca și relee minimale de tensiune (RT-2) și au aceeași formă constructivă ca și releele de curent RC (Figura 0.4), cu deosebirea că înfașurarea lor este formată dintr-un număr mare de spire subțiri și legându-se în paralel cu instalația de protejat.

Releele maximale de tensiune acționează prin atragerea armăturii mobile dacă tensiunea depășește valoarea reglată, pe când releele minimale de tensiune acționează prin eliberarea armăturii mobile dacă tensiunea scade sub valoarea reglată sau la dispariția tensiunii.

Releele maximale de tensiune au contactul normal deschis și se prezintă în schemele electrice ca și în Figura 0.5 iar releele minimale de tensiune au contactul normal închis.

Factorul de revenire Kr = Ur/Ua este subunitar la releele maximale și supraunitar la releele minimale de tensiune.

Releele electromagnetice de protecție sunt mai frecvent folosite la protecția motoarelor electrice, deoarece scăderea tensiunii determină creșterea curentului absorbit.

Relee de inducție.

Releele de inducție [3], Ferraris sau Wattmetrice cum li se mai spun, sunt foarte răspândite în instalațiile de producție, în special ca elemente de bază a protecțiilor maximale de curent cu o caracteristică dependentă și ale protecțiilor direcționale; ele folosindu-se de asemenea și în protecțiile de distanță.

Funcționarea releelor de inducție se bazează pe acțiunea reciprocă dintre fluxurile magnetice variabile în timp create de mărimile electrice aplicate releului și curenții induși de acesta în elementul mobil al acestuia (discul sau rotorul cilindric).

Rezultă că ele pot fi folosite numai în curent alternativ.

Ca și contoarele electrice, pentru realizarea cuplului de rotație Mrot, releele de inducție folosesc cel puțin două fluxuri magnetice alternative, decalate în spațiu și defazate în timp.

Curenții turbionari induși în sistemul mobil creează, împreună cu fluxurile, cuplurile de rotație necesare acestuia.

Se deosebesc două tipuri de relee de inducție, și anume:

releu de inducție cu rotor disc (cu o singură înfășurare);

releu cu rotor cilindric care se mai numește și releu cu circuit profilat (cu două înfășurări).

Relee de timp.

Releele de timp nu intervin în mod direct în protecția instalațiilor electrice dar sunt folosite în schemele electrice de protecție, acționare și automatizări alături de aparatele electrice de comutație și protecție.

După un anumit timp aceste relee trimit un semnal în circuitul de ieșire din momentul aplicării sau întreruperii tensiunii din circuitul lor de intrare.

Alte relee de timpmai pot fi, ca exemplu, releele de timp cu temporizare la revenire, care determină un semnal în circuitul de ieșire după un anumit interval de timp din momentul întreruperii semnalului de intrare și, respectiv, cele de timp cu temporizare la acționare, care determină un semnal în circuitul de ieșire după un anumit interval de timp care este reglabil din momentul aplicării semnalului de intrare [3].

Figura 0.6 Modul de reprezentare al releelor de timp în schemele electrice [3].

K1T – releu de timp cu temporizare la acționare și contact normal deschis;

K2T – releu de timp cu temporizare la acționare și contact normal închis;

K3T – releu de timp cu temporizare la revenire și contact normal deschis;

K4T – releu de timp cu temporizare la revenire și contact normal închis.

Modul de reprezentare în schemele electrice al acestor relee este prezentat în Figura 0.6., astfel:

K1T: releu de timp cu temporizare la acționare având contacte normal deschise (12-14) care se închid după un anumit timp din momentul aplicării semnalului de intrare la borne (0-1);

K2T: releu de timp cu temporizare la acționare având contacte normal închise (11-13) care se deschid după un anumit timp din momentul aplicării semnalului de intrare la borne (0-1);

K3T: releu de timp cu temporizare la revenire având contacte normal deschise (12-14) care se deschid după un anumit timp din momentul dispariției semnalului de intrare (0-1);

K4T: releu de timp cu temporizare la revenire având contacte normal închise (11-13) care se închid după un anumit interval de timp din momentul dispariției semnalului de intrare.

Declanșatoare.

Declanșatoarele sunt aparate de protecție care, sub acțiunea unei mărimi electrice de intrare, acționează printr-un impuls mecanic asupra zăvorului întrerupătoarelor automate, provocând dezăvorârea acestora.

Declanșatoarele pot fi clasificate [3] ca fiind directe ori indirecte, după cum urmează mai jos:

Directe: când declanșatoarele sunt parcurse de mărimea electrică supravegheată, bobina fiind parcursă de curent;

Indirecte: în acest caz bobina declanșatorului se alimentează prin intermediul transformatoarelor (de tensiune ori de curent) sau traductoarelor.

După mărimea supravegheată, declanșatoarele se clasifică în următoarele două categorii [3]:

declanșatoare maximale de curent, care pot fi: cu acțiune instantanee, cu acțiune temporizată dependentă de curent sau cu acțiune temporizată independentă de curent;

declanșatoare de tensiune, care pot fi: declanșatoare minimale de tensiune, declanșatoare maximale de tensiune sau declanșatoare de tensiune nulă.

Majoritatea întrerupătoarelor sunt prevăzute cu declanșatoare minimale de tensiune, care trebuie puse inițial sub tensiune pentru a permite acționarea întreruptorului și în al cărui circuit de alimentare se află înseriat butonul de oprire manuală a întreruptorului.

Declanșatoarele maximale de curent cu acțiune temporizată dependente de curent sunt formate din lamele bimetalice, care se curbează în timp cu o viteză ce depinde de intensitatea supracurentului și de capătul lor liber care acționează asupra zăvorului întreruptorului.

Declanșatoarele maximale de curent cu acțiune instantanee sunt de tip electromagnetic, având același principiu de funcționare ca și al releelor electromagnetice maximale de curent, cu deosebirea că semnalul de ieșire este un semnal mecanic ce acționează asupra zăvorului întreruptorului.

Principiul de funcționare al declanșatoarelor este similar cu al releelor electrice de protecție echivalente cu deosebirea că mărimea de ieșire a declanșatorului este de natură mecanică (forță de dezăvorâre).

În multe cazuri se folosesc declanșatoare combinate, electromagnetice și termice.

Declanșatoarele maximale de curent combinate cu acțiune temporizată dependentă de curent, pot acționa temporizat în cazul suprasarcinilor și instantaneu dacă curentul depășește valoarea reglată.

Declanșatoarele maximale de curent care necesită o caracteristică temporizată dar nu dependentă de curent folosesc micromotoare sincrone pentru a realiza temporizarea în regim de suprasarcină.

Declanșatoarele de tensiune sunt electromagnetice. Ele au ca element un motor electromagnet monofazat de tip clapetă.

După funcția îndeplinită în circuit, declanșatoarele sunt de două feluri, astfel:

declanșatoare minimale de tensiune;

declanșatoare maximale de tensiune.

Declanșatorul din figura următoare funcționează ca declanșator de tensiune nulă sau minimală, în funcție de reglarea resortului antagonist 6.

Figura 0.7 Declanșator de tensiune electromagnetică [3].

armătură fixă;

suport declanșator;

ax;

armătură mobilă;

bobina electromagnetului;

resort antagonist;

percutor.

În regim normal de funcționare, armătura mobila 4 este atrasă. La scăderea tensiunii, sub acțiunea resortului antagonist 6, armătura mobilă este eliberată și acționează prin percutorul 7 asupra zăvorului întreruptorului, declanșându-l.

Figura 0.8 Varianta constructivă de declanșator de tensiune [3].

Există și declanșatoare electronice care sunt alcătuite din relee electronice ce acționează prin intermediul unor relee intermediare cu rol de element executor al declanșatorului.

Condițiile optime de realizare a protecției instalațiilor electrice de joasă tensiune.

Solicitări și tipuri de protecții în instalații electrice de joasă tensiune.

Suprasarcinile practic inseamnă că receptoarele electrice sunt solicitate mai puternic.

Aceste solicitări se regăsesc puterilor mai mari decât celor nominale ori peste durata normală de acționare, din motive tehnologice ori datorită abaterii tensiunii de alimentare la bornele receptorilor. Matematic vorbind, suprasarcinile pot fi exprimate în felul următor și anume în relația de mai jos, Ic fiind curentul cerut:

1). Următoarele aparate intră în regim de suprasarcină, când tensiunea de serviciu

crește peste valoare nominală: lămpile cu incandescență și receptoarele electrochimice la cuptoarele electrice echipate cu rezistoare sau la cuptoarele de inducție;

2). Următoarele aparate pot intra în regim de suprasarcină când tensiunea de alimentare scade sub valoarea nominală: motoarele electrice și lămpile cu descărcări.

Conductele pot fi solicitate în regim de suprasarcină când curenții depășesc curentul admisibil ICadm. Încălzirea excesivă conduce la deteriorarea izolației iar șansele producerii scurtcircuitelor între fază, nul și/sau masă crește.

Scurtcircuitele constau în scăderea valorii impedanței echivalente a circuitelor.

Valoarea scurcircuitelor poate să ajungă la o valoare de cateva zeci de ori mai mare decât curentul nominal. Curentții de scurcircuit solicită puternic rețeaua electrică și receptoarele. Din această cauză, în timpul proiectării rețelei, trebuie aproximată valorea maximă a curentului de scurcircuit la care rețeaua poate să reziste.

Protecția împotriva curenților de scurtcircuit se referă deci la protecții ale rețelelor, tronsoanelor sau liniilor, deoarece numai acestea sunt puternic solicitate.

Următoarele protecții suplimentare (destinate receptoarelor) sunt necesare înafară de protecție la scurcircuit:

– protecție contra lipsei de tensiune sau a scăderilor acesteia (goluri de tensiune);

– protecție contra creșterii exagerate a turației, pentru cazul în care această mărire ar putea provoca pagube mari, aplicându-se de obicei la motoarele de curent continuu cu excitație în serie;

– protecție contra funcționării în două faze.

Protecțiile diferențiale sunt utilizate în circuitele de receptori și pentru coloane pentru a proteja operatorul care lucrează cu echipamentul [2].

Un alt pericol pentru instalațiile electrice de joasă tensiune constă în propagarea supratensiunilor de scurtă durată și a impulsurilor de tensiune, care trebuiesc limitate din posturile de transformare.

Protecția rețelelor electrice. Condițiile de realizare a protecției.

Rețelele electrice de joasă tensiune sunt protejate prin siguranțe fuzibile și întrerupătoaare automate cu relee sau declanșatoare electromagnetice.

n Figura II.1 sunt reprezentate situațiile în care, conform referinței [2], aflăm unde trebuie montate dispozitivele de protecție. În figura respectivă, pentru simplificare, toate aparatele de protecție sunt simbolizate cu simbolul siguranței fuzibile.

Astfel, condițiile sunt următoarele:

a) la începutul fiecărui circuit electric se plasează dispozitivul de protecție, adică:

– circuitul care face legătura între bornele secundare ale transformatorului și barele de joasă tensiune, aparatul F1 (Figura II.1 a);

– la plecările din tablourile de distribuție avem:

*siguranțele F2 … F4, aflate la plecarea din TG;

*F5 și F6, la tabloul TP;

*F7, F8 și F1, fiind montate la plecările din TS2;

*F10 și F11, montate la plecările din TU;

*F12, situat de la începutul liniei, notate cu LP1 (Figura II.1 a);

*F1, situat de la plecare din tabloul general TG în linia LP principală (Figura II.1 b).

– pe circuitele de receptor, (cum sunt siguranțele F4,F7,F10,F11,F13 și respectiv F14 (Figura II.1 a);

– pe circuitele de comandă, protecție ori măsură și semnalizare, exemplu siguranța F9 (Figura II.1 a), excepție fiind în cazul în care siguranțele circuitelor (de exemplu F8) sunt corespunzătoare și pentru aceste circuite.

Un singur aparat de protecție poate proteja mai multe conductoare în paralel, dar trebuie să se asigure o distribuție uniformă a curenților pe toate conductoarele în paralel și să se îndeplinească cerințele impuse în legătură cu intensitatea maximă admisă a curenților în conductele respective.

b) Oriunde într-un circuit unde se reduce valoarea curentului maxim admisibil al conductoarelor, trebuie montate siguranțe fuzibile noi cum ar fi de exemplu siguranțele F13 și F14 (Figura II.1 a), precum și a celor reperate prin F2…F5 (Figura II.1 b). Există însă o excepție de la această cerință și anume în momentul când un dispozitiv de protecție, din amonte de acel punct, protejează și secțiunea cea mai mică din ramificație (de exemplu în rețeaua din Figura II.1 b), siguranța F2 poate lipsi dacă siguranța F1 îndeplinește condiția de protecție pentru tronsonul liniei principale cu secțiunea s2;

c) trebuie plasată siguranța fuzibilă după fiecare punct după care curentul maxim se reduce la distanțe de cel mult 3 m dacă ramificația este asigurată cu o protecție mărită împotriva influențelor externe și nu este amplasată și în apropierea unor materiale combustibile (siguranțele F5, Figura II.1 b).

Figura II.1 Condițiile de protecție împotriva scurtcircuitelor cu ajutorul dispozitivelor electrice [1].

Figura II.2 Protecția în cazul legării circuitului la rețeaua furnizorului [1].

În schemele TT și TN, în cazul în care secțiunea conductorului neutru inferioară celei de fază, trebuie prevăzută o protecție împotriva supracurenților și pe acest conductor. Această protecție trebuie să asigure întreruperea conductoarelor de fază, dar nu în mod obligatoriu, respectiv la decuplarea conductorului neutru.

La schemele de tip IT, având conductor neutru distribuit, trebuie prevăzută o detecție la supracurent care să asigure decuplarea conductoarelor de fază și de neutru.

În Figura II.2, sunt ilustrate unde trebuie montate dispozitivele de protecție:

– Dacă lungimea coloanei până la TD (tabloul de distribuție) este mai mare de 20 m, trebuie montat un dispozitiv de protecție la ieșirea dintr-un contor, notat cu P1, al unei întreprinderi care furnizează energie electrică, (siguranțele F1, Figura II.2 a);

– La consumatorii care sunt alimentați direct din rețeaua de joasă tensiune a furnizorului și au o putere instalată totală mai mare de 8 kW, care trebuie protejate cu un dispozitiv de proteție montat la intrarea în tablourile de distribuție (siguranțele F3, Figura II.2 b);

– la intrarea în tablourile de lumină sau de forță, dacă au mai mult de 5 circuite și sunt alimentate din rețeaua de JT (siguranțele F2, Figura II.2 b).

În cazul în care puterea instalată este între 5-8 kW, cu mai puțin de 5 circuite, necesitatea aparatelor de protecție este determinată de către proiectant.

Figura II.3 Distribuția protecției comune în cazul alimentării mai multor receptoare [1].

În Figura II.3 [1] este ilustrat cazul în care putem avea o protecție comună mai multor receptoare.

În următoarele situații putem realiza protecția în acest fel, astfel:

– dacă puterea instalată nu depășește 3 kW (Figura II.3 a) monofazat și 8 kW (Figura II.3 b) trifazat, excepție fiind unde puterea instalată este limitată la 1,5 kW și în cazul în care puterea instalată în apartament este de până la 9 kW;

– în cazul în care sunt alimentate receptoare a căror putere totală nu depășește 15 kW (Figura II.3 c). n acest caz, ca să putem alege dispozitivele de protecție, trebuie să ținem cont de funcționarea simultană a receptoarelor.

Se va determina un coeficient de simultaneitate a sarcinilor în regim normal și la pornire. După stabilirea acesteia, fiecare motor va fi echipat cu aparatele de protecție corespunzătoare.

Detecția de supracurent este necesară la toate conductoarele active care trebuie să asigure protecția conductorului în care s-a întâmplat supracurentul, dar nu trebuie deconectat în mod obligatoriu și celorlalte conductoare de fază a circuitului respectiv.

Figura II.4 Cazuri interzise de montare a aparatelor de protecție [1]:

F1, F2 – sunt obligatorii; F3 … F5 – pot fi obligatorii sau interzise;

M1 – motor având neutrul accesibil; N – conductor de nul, conductor PEN sau nul de protecție.

Pe PE si PEN, a căror întrerupere nu este permisă, montarea dispozitivelor de protecție este interzisă. În Figura II.4 sunt prezentate cele două cazuri interzise prin aparatele F3 și F5.

În plus, montarea aparatelor de protecție împotriva curenților de scurtcircuit este interzisă în următoarele situații:

– detecția de supracurent nu trebuie să fie prevăzută pe una dintre faze, dacă acesta poate provoca întreruperea tuturor conductoarelor de fază dacă în amonte există protecție diferențială. Aceasta este valabilă pentru shema TT, asupra circuitelor care sunt alimentate între fazele circuitului, în care conductorul neutru nu este distribuit;

– pe acele conducte electrice care conectează transformatoarele, redresoarele, bateriile de acumulatoare sau mașinile generatoare;

– pe circuitele care alimentează electromagneți de menținere sau de ridicare, de excitație ale mașinilor electrice, a circuitelor secundare ale transformatoarelor de curent și așa mai departe, la care întreruperea alimentării constituie un pericol;

– în cazul în care dacă impedanța unei surse de alimentare limitează curentul la o valoare mai mică decât curentul maxim admisibil al acestora (de exemplu: motoare termice, generatoare electrice antrenate sau transformatoare de sudare);

– La schema IT, dacă conductorul neutru este protejat la scurtcircuit cu un aparat amplasat în amonte sau cu un aparat de protecție diferențială al cărui curent diferențial nominal IΔn îndeplinește condiția dată de relația următoare, atunci detecția la supracurent nu este importantă,

unde ICadm este curentul admisibil în conductorul neutru;

– La schemele TT și TN, nu sunt necesare detecțiile de supracurenți pe conductorul neutru, nici dacă secțiunea acestuia este mai mică decât a conductoarelor de fază, dacă sunt îndeplinite condițiile următoare:

* cu ajutorul unui aparat de protecție al conductoarelor de fază, conductorul

neutru este protejat împotriva scurtcircuitelor;

* curentul maxim prin conductorul neutru în regim normal este mai mic decât

valorea curentului maxim admisibil în conductor;

Tot la aceste tipuri de scheme (TT și TN) trebuie menținut faptul că dacă secțiunea conductorului de neutru este egală cu aceea a conductoarelor de fază (excepție făcând instalațiile electrice din locuințe) atunci nu este obligatoriu să instalăm detecție de supracurenți și nu este necesară nici montarea unui aparat de decuplare pe conductorul neutru.

La instalațiile monofazate la care nu este întreținută instalația de către un personal calificat (instalații monofazate din construcțiile de locuințe sau alte construcții), este obligatoriu montarea aparatelor de protecție și pe conductorul de nul, dar numai pe acele circuite care pleacă din tablourile din apartament. În aceste cazuri conductoarele nu pot fi utilizate pentru protecție și astfel ele trebuie să aibă izolație ca și conductorul de fază.

La circuitele de receptor pentru curenții de scurtcircuit/suprasarcină care sunt prevăzute cu aparate de protecție distincte, caracteristicile dispozitivelor trebuie a fi coordonate în așa fel încât energia lăsată de acestea să treacă prin dispozitivul de protecție împotriva scurtcircuitelor și să fie mai mică decât cea pe care o poate suporta, fără deteriorări.

În general, pentru protecția circuitelor împotriva scurtcircuitelor se recomandă utilizarea siguranțelor fuzibile, care se montează pe toate fazele instalației. Siguranțele sunt fabricate într-o gamă foarte largă de curenți nominali, până la 1000 A. Aceste dispozitive sunt ieftine și sigure.

Protecția împotriva scurtcircuitelor prin întreruptoare automate de JT cu relee sau declanșatoare electromagnetice se utilizează [2] în cazurile următoare:

– atunci când este necesară protecția circuitului împotriva unui curent mai mare de 1000 A;

– atunci când este importantă repunerea în funcțiune (manuală sau automată) a receptorului alimentat din porțiunea respectivă a circuitului;

– atunci când aparatul de protecție trebuie comandat cu ajutorul altor echipamente;

– atunci când receptorul sau consumatorul intră des în regim de suprasarcină;

– atunci când rețeaua de JT funcționează buclat.

Aceste aparate (întreruptoare automate), deși sunt echipate cu relee, declanșatoare electromagnetice ori relee sau declanșatoare termice, întotdeauna necesită reglarea protecției la suprasarcină.

Protecția receptoarelor. Condițiile de realizare a protecției.

Releul termic trebuie să posede o caracteristică de funcționare care asigură acționarea contactorului înainte ca pericolul de distrugere a receptorului să apară. O altă caracteristică importantă este că releul termic nu trebuie să acționeze la curenți de scurtă durată care apar în timpul funcționării receptoarelor.

În următoarele două situații nu este obligatorie utilizarea protecției împotriva suprasarcinilor [2]:

– când nu există pericolul de apariție a unei suprasarcini;

– când se alimentează motoare electrice prin circuite separate cu puteri mai mici de 1100 W și dacă nu este posibilă supraîncărcarea lor.

Pe acele circuite în care lipsesc aparatele de protecție la suprasarcină, siguranțele fuzibile ar trebui să aibă o caracteristică lentă de funcționare [2].

Este recomandabil să fie prevazut cu protecție contra funcționarii în două faze acel circuit pe care avem motoarele electrice cu puteri mai mici de 1100 W și ale căror circuite sunt protejate numai cu siguranțe fuzibile. Această protecție trebuie aplicată și receptoarelor a căror funcționare este imposibilă fără alimentarea trifazată.

Protecția împotriva golurilor de tensiune sau tensiunii minime este utilizată în următoarele cazuri [2]:

– la acele motoarele electrice care nu sunt pornite prin conectare la rețea, ci cu ajutorul aparatelor de conectare manuală;

– la acele motoare electrice la care autopornirea nu este permisă;

– la motoarele electrice cu pornire automată.

Aparatele de protecție împotriva golurilor de tensiune sau de tensiune minimă se montează pentru fiecare motor. Este permisă utilizarea unui singur aparat pentru mai multe motoare dacă sunt pornite în mod direct și suma puterilor lor nominale nu depășește 15000 W sau pot fi pornite și cu aparate speciale însă acestea trebuie aduse înapoi în starea inițială de pornire când lipsește tensiunea de alimentare.

Tipuri de protecții diferențiale și condițiile de realizare a protecției.

Dispozitivele diferențiale de protecție pot fi clasificate în funcție de comportarea la următoarele declanșări:

– cu funcționare temporizată, în jur de valorile 10÷50 ms, care sunt de tip G și respectiv S, astfel tensiunea de impuls poate trece fără declanșări nedorite;

– fără temporizare: existând riscul de declanșare la tensiuni de impuls.

Acestea pot fi clasificate și în funcție de caracteristica de funcționare, astfel având:

– dispozitiv diferențial de tip AC, aparatul declanșează pentru curenți diferențiali, numai sinusoidale care, la rîndul lor, cresc lent sau ele sunt aplicate brusc;

– dispozitiv general de tip A, fiind asigurată și declanșarea:

– la curenți diferențiali alternativi sinusoidali;

– la curenți diferențiali continui pulsatorii;

– la curenți diferențiali continui pulsatorii, având o componentă continuă de 6 mA.

– dispozitiv diferențial de tip B, declanșarea se asigură:

– pentru curenți diferențiali alternativi și sinusoidali;

– pentru curenți diiferențiali continui pulsatorii;

– pentru curenți diferențiali continui pulsatorii, având o componentă continuă de 6 mA;

– pentru curenți diferențiali care pot apărea din cauza circuitelor redresoare cum ar fi:

*redresor de simplă alternanță cu o sarcină capacitivă, adică care produce curent continuu de tip neted;

*redresor trifazat cu simplă alternanță sau punte redresoare trifazată cu dublă

alternanță;

*punte redresoare cu dublă alternanță între fazele circuitului, cu sau fără nici un control de unghi de fază, independent de polaritate, la curenții cărora se aplică brusc sau au o creștere lentă.

Este recomandată instalarea aparatelor diferențiale de protecție în tabloul electric. Aparatele diferențiale de protecție cu sensibilitate mai mare pot fi montate și în corpul prizelor.

DDR selectiv, de tip S, este admis a fi utilizat ca și un dispozitiv care comandă și protejează asupra instalației electrice.

Figura II.5 Schema radială a proteției diferențiale [1].

Trebuie asigurată selectivitatea protecției pe verticală, în 2 sau 3 trepte, ultimul caz fiind prezentat în Figura II.5.

Pentru a asigurara selectivitatea trebuie să fie îndeplinită condiția următoare:

unde este curentul de declanșare a aparatului de protecție din amonte și este curentul de declanșare a aparatului de protecție din amonte al aparatului de protecție din aval, adică în A. Timpul de declanșare a aparatului din amonte trebuie să fie superior celui din aval.

Asigurarea selectivității de protecție.

Generalități despre selectivitate.

Între aparatele de protecție trebuie să fie asigurată selectivitatea de protecție adică în cazul unui defect pe circuit să acționeze protecția cea mai apropiată de locul defectului izolându-se astfel numai partea respectivă a circuitului, restul receptoarelor fiind în continuare alimentate.

Selectivitatea protecției, între două aparate de același tip sau de tipuri diferite, trebuie să fie asigurată astfel încât acestea să realizeaze:

– protecții similare, contra curenților de scurtcircuit sau contra curenților de suprasarcină;

– protecții diferite, una să realizeze protecția împotriva scurtcircuitelor iar cealaltă împotriva suprasarcinilor.

Dacă aparatele sunt de același tip și de aceeași fabricație, curenții nominali ai fuzibililor și respectiv timpii de declanșare ai întreruptoarelor automate trebuie să crească dinspre receptor spre sursă.

Dacă aparatele nu sunt de același tip și de aceeași fabricație, atunci selectivitatea se realizează prin examinarea caracteristicilor de declanșare.

Asigurarea selectivității între diferite aparate de protecție.

a) Selectivitatea între siguranța fuzibilă și releul termic. Trebuie realizată astfel încât fiecare dispozitiv la rândul său să acționeze în domeniul corespunzător de supracurenți, la scurtcircuit ori suprasarcină. Pentru o calibrare mai ușoară se examinează caracteristicile de protecție.

n Figura II.6 este ilustrat circuitul care este prevăzut cu o siguranță, notată cu F1 și un releu termic, notat cu F2, care acționează contactorul K1 (Figura II.6 a) și caracteristicile de protecție fiecărui aparat (Figura II.6 b).

Figura II.6 Asigurarea selectivității între cele două aparate de protecție [1].

Caracteristicile se intersectează în punctul A. Examinând caracteristicile observăm că F2 (linia din stânga) acționează în domeniul suprasarcinii iar F1 (linia din dreapta) în domeniul scurtcircuitelor (Figura II.6 b).

Observăm că la valoarea Isc din figură avem o diferență t între cele două caracteristici, diferență ce trebuie să fie de t 0,04 s. Dacă am folosi o siguranță cu un curent nominal prea mare, t ar fi mai mică, ceea ce nu asigură selectivitatea la scurtcircuit și s-ar putea să se întâmple faptul că releul acționează, ceea ce poate să ducă la deteriorarea releului termic.

Tabelul de mai jos indică valoarea curentului nominal al fuzibilelor care trebuie respectate atunci când releele termice de tip TSA sunt utilizate pentru protecții la suprasarcină.

Analizând datele din tabel observăm că selectivitatea între o siguranță cu putere de rupere medie si un releu termic este asigurată dacă curenții respectă condiția dată de relația următoare:

Tabelul II.1 Valorile curenților nominali ale fuzibilelor și curentului de reglaj al releului termic TSA [1].

Tabelul II.2 are scopul de a arăta corelația între valori, dar dacă siguranța este de tip MPR, adică cu mare putere de rupere, atunci avem:

Tot timpul se va alege curentul nominal minim al siguranței care respectă relația II.4, respectiv II.5.

b) Selectivitatea între două siguranțe fuzibile F1 și F2, care sunt conectate în serie, este asigurată dacă îndeplinește condițiile prezentate în Figura II.7, având curenții nominali Inf1>Inf2 și diferențe de timp care corespund cu valorile indicate în Figura II.7 b.

Figura II.7 Asigurarea selectivității între siguranțele fuzibile [1].

În cazul siguranțelor fuzibile care sunt conectate în serie este cel mai frecvent întâlnit.

Pentru a rezolva mai rapid problema selectivității, fără să fie studiate caracteristicile de protecție timp-curent se recomandă că, între două siguranțe conectate în serie, curentul nominal al fuzibilelor să fie cel puțin din 2 în 2 trepte pe o scară adusă la normal, dacă sunt cu topire lentă iar dacă siguranțele sunt cu topire mai rapidă atunci sunt din treaptă în treaptă. Corelația dintre aceste valori nominale este prezentată în Tabelul II.3.

Trebuie evitată montarea siguranțelor cu topire mai rapidă înaintea celor care sunt cu topire lentă.

Tabelul II.3. Corelația între curenții nominali ai siguranțelor fuzibile de același fel, pentru a asigurara selectivitatea [1].

c) Selectivitatea între întreruptorul automat și siguranța fuzibilă, caz ilustrat în Figura II.8. Doar atunci este asigurată selectivitatea, dacă caracteristicile nu se intersectează și au diferența de t 0,04 s. De exemplu, dacă siguranța fuzibilă F2 este prea mare (ilustrată cu linie întreruptă în Figura II.8 b), apare un triunghi hașurat, care se numește triunghi de neselectivitate.

Figura II.8 Figură explicativă a selectivității între cele două aparate [1].

Caracteristica Q1 este compusă din două porțiuni deoarece este echipată cu declanșatoare (sau relee) termice și electromagnetice: pe AB acționeaza declanșatorul (sau releul) termic, iar pe CD – declanșatorul (sau releul) electromagnetic. La nivelul tablourilor generale apare acest caz.

d) Selectivitatea între siguranța fuzibilă F1 și întreruptorul automat Q1. Este asigurată selectivitatea dacă punctul de intersecție al celor două caracteristici (Figura II.9b), se situează la curentul IA , care este mai mare decât Isc din aval și în plus între cele două puncte există un interval de t 0,05 s.

Figura II.9 Asigurarea selectivității între cele două aparate: siguranță și întreruptor automat [1].

Este întâlnită mai rar această variantă de corelație, fiind mai frecvent utilizată în instalațiile electrice din clădirile de locuit și similare acestora, unde sunt utilizate microîntreruptoare automate pentru protecția circuitelor.

Tabelul II.4 următor prezintă corelația dintre curenții nominali ai siguranțelor fuzibile și a întreruptoarelor automate mici pentru a asigura selectivitatea:

Tabelul II.4 Relația între valorile curenților nominali ai siguranțelor fuzibile și a întreruptoarelor automate mici care sunt conectate în serie, pentru realizarea selectivității [1].

e) Selectivitatea între cele două întreruptoare de tip automate, notate Q1 și respectiv Q2. Dacă sunt înseriate ca în schema din Figura II.10 de mai jos, având In1>In2 , atunci selectivitatea este asigurată în domeniul suprasarcinii; în schimb putem observa că în domeniul scurtcircuitelor declanșatoarele electromagnetice acționează simultan, deci neselectiv.

Figura II.10 Selectivitatea se realizează analizând caracterisicile de protecție a două întreruptoare automate [1].

Pentru a obține selectivitatea, timpul de acționare a lui Q1 trebuie temporizat cu treapta de timp următoare: t 0,15 s.

Această situație prezentată apare la nivelul unui TG, la care se racordează TD asimetric încărcată. Temporizarea lui Q1 se poate evita dacă se repartizează cât mai uniform sarcinile pe TD, ceea ce practic duce la înlocuirea întreruptorului Q2 cu o siguranță fuzibilă.

Pașii și criteriile de alegere a dispozitivelor de protecție și comutație.

Generalități despre alegerea aparatelor.

După ce a fost stabilită schema generală de alimentare urmează pasul de alegere a aparatelor de protecție și comutație.

Conform condițiilor descrise în subcapitolul III.1, se realizează schema de alimentare după care se aleg aparatele de protecție și comutație.

Alegerea aparatelor se face în felul următor: se începe cu circuitele care conțin receptoare apoi se continuă cu circuitele de utilaj, după acestea urmând rețeaua de alimentare pentru a încheia partea de JT a celulei transformator.

În timpul alegerii aparatelor nu pot fi luate în considerare toate condițiile și solicitarile, deoarece câteva dintre solicitări nu pot fi stabilite decât după terminarea primei etape de alegere (se referă la regimurile de funcționare normal și de suprasarcină). Deci condițiile care se referă la stabilitatea termică și dinamică la curenții de scurtcircuit, se grupează pentru a fi rezolvate în a doua etapă de verificare, după ce au fost calculați curenții de scurtcircuit.

Pe baza următoarelor considerente se aleg aparatele pentru regimul normal de funcționare:

– rolul aparatului la locul de montare și modul de acționare;

– tipurile de categorii în care se încadrează încăperile, spațiile ori niște zone, din punct de vedere al caracteristicilor mediului ori a pericolului de electrocutare sau al unui pericol de incendiu;

– aparatele trebuie să fie omologate;

– caracteristicile nominale să aibă valori identice în raport cu mărimile care trebuie satisfăcute într-un regim de funcționare normal.

Condiția poate fi scrisă sub forma relației următoare:

unde:

* Xn reprezintă caracteristicile electrice, nominale, ale aparatului;

* X reprezintă o solicitare electrică, care e corespunzătoare locului de montare, aceasta fiind o tensiune U și curent I, iar frecvența rețelei f, frecvența de conectare fc , și așa mai departe.

Protecția receptoarelor și a diferitelor circuite. Alegerea protecției optime.

În Figura II.11 sunt prezentate variantele de echipare a circuitelor cu aparatele de protecție și comutație.

Există 4 situații posibile:

– pentru un receptor M1A cu un regim care poate funcționa la suprasarcină (Figura II.11 a), circuitul trebuie să cuprindă separatorul Q1A și siguranța F1A pentru a proteja circuitul împotriva scurtcircuitelor, F2 fiind releul termic utilizat pentru protecția la suprasarcină și K1A reprezentând contactorul care asigură întreruperea circuitului în cazul suprasarcinii atunci când primește comandă de la releul termic.

Figura II.11 Echiparea circuitelor cu aparatele de protecție [1].

– pentru un receptor M1B, având o putere mai mică și o posibilitate de apariție a regimului de suprasarcină, se poate renunța la separatorul Q1A din motive economice (Figura II.11 b). În cazul în care trebuie efectuată reparația circuitului, întreruperea se poate realiza îndepărtând fuzibilul din soclul de siguranță, după ce contactele K1B au fost deschise. În cazul în care comutația circuitului se realizează mai rar și M1B funcționează simultan cu alte receptoare, contactorul K1B poate fi înlocuit cu un întreruptor manual, urmând ca F2B să aibă legat contactul de protecție în circuitul de comandă al contactorului comun;

– la receptoarele E1C, nu este posibil regimul de suprasarcină (Figura II.11 c), deci din circuit putem exclude releul termic, rămânând doar siguranțele F1C și întreruptorul manual Q1C, acesta din urmă având rolul de realizare a comutației. La receptoarele de iluminat sau prize, siguranțele F1C pot fi înlocuite prin întreruptoare automate mici;

– Circuitul receptorului care este protejat cu un întreruptor automat Q2D (Figura II.1111 d), mai cuprinde un întreruptor manual Q1D, având rolul de separator de bare.

Siguranțele fuzibile, întreruptoarele automate și separatoarele se montează în tabloul de distribuție, iar contactoarele și întreruptoarele manuale pot fi montate după necesități, fie în tablou fie lângă receptor.

n continuare se prezintă organizarea aparatelor de protecție după felurile protecțiilor asigurate împreună cu relațiile de calcul. Principalele mărimi care sunt caracteristice aparatelor care intervin în alegerea lor și sunt trecute pe lângă fiecare aparat sunt reprezentate în Figura II.1111.

Dimensionarea protecției la suprasarcină.

Releul termic se alege în funcție de curentul de serviciu Ist , curent ce trebuie să fie mai mare decât curentul cerut pe circuitul respectiv:

Ic reprezentând un curent cerut al receptorului care este protejat.

.Curentul Irt , denumit curent de reglaj, este limitat de domeniul reglajului posibil al releului termic. În general, curentul de reglaj trebuie să îndeplinească relația:

reglajul fiind cât mai apropiat de curentul nominal al receptorului acestuia.

Posibilitatea de reglaj este limitată de construcția aparatului. Acest domeniu este în general:

unde krt este un coeficient efectiv de .reglare, redat de relația următoare:

în care ksr se numește coeficientul domeniului de reglare, care are următoarele valori posibile pentru releele termice de tip TSA:

,

iar kt reprezintă coeficientul de corecție în funcție de temperatura mediului ambiant, având în general valoarea kto = 1 atunci când temperatura mediului ambiant se încadrează în intervalul tao = (10 … 35)oC și valorile conform temperaturilor în afara intervalului respectiv. De asemenea, kto = 1, dacă temperatura este variabilă în cursul zilei și dacă releul termic și receptorul sunt în aceeași încăpere.

Ținând cont de relațiile II.8 – II.10, relația finală de alegere a Ist , care conține condiția de solicitare de durată iar posibilitatea de reglare este:

Deci în final putem concluziona faptul că curentul de reglaj al releului termic se stabilește cu relația următoare (pe baza relațiilor II.8 si II.9):

Domeniul de reglaj al declanșatoarelor termice a întreruptoarelor USOL și a celor de tip K si ale întreruptoarelor OROMAX, este:

iar pentru declanșatoarele termice de tipul H (folosite pentru OROMAX):

valorile coeficienților de corecție [1] pentru aceste declanșatoare nu se indică în mod explicit, considerandu-se ca fiind suficientă această precizare a domeniului reglajului diferitelor temperaturi.

Dimensionarea protecției la scurtcircuit.

Dimensionarea protecției la scurtcircuit se realizează prin stabilirea curentului nominal al siguranței fuzibile ori a unor curenți de serviciu și respectiv de reglaj pentru declanșatoarele sau releele electromagnetice.

a) Circuit echipat cu siguranțe fuzibile.

Curentul nominal al fuzibilului Inf se determină pe baza condițiilor următoare:

– siguranțele fuzibile, indiferent că sunt lente sau rapide, trebuie să suporte curentul absorbit în regim nominal de către consumator:

– siguranțele fuzibile nu trebuie să întrerupă circuitul la apărarea curentului de pornire, curent care se exprimă în cazul siguranțelor rapide cu relația:

în care c reprezinta coeficientul de siguranță .la pornire, și este:

egal cu 2,5 – pentru porniri rare și ușoare (durata de pornire fiind mai mică de 5 s);

c [1,6…2] – fiind pentru motoare care pornesc greu și durează mai mult (timpul de pornire fiind cuprins între 5…10 s) sau pentru motoarele cu porniri ușoare însă dese;

c =1,5 – fiind pentru porniri grele (durata pornirii fiind de > 10 s).

.ndeplinirea condițiilor enumerate mai sus presupune și îndeplinirea condiției referitoare la acțiunea supracurenților de scurtă durată;

Pentru a asigura selectivitatea protecției între două aparate (siguranțe fuzibile și relee termice) în cazul protecției la scurtcircuit și protecției la suprasarcină, trebuie stabilit curentul nominal al fuzibilului, astfel [1]:

unde ktf reprezintă coeficientul de selectivitate, între RT și SF, cu următoarele valori:

*3 – pentru siguranțe cu medie putere de rupere;

* 2,5 – pentru siguranțe MPR.

b) Circuit echipat cu întreruptor automat.

Curentul Is al releului sau declanșatorului este identic cu cel al releului termic, deoarece acestea sunt fabricate de obicei sub forma blocurilor.

Ca și în cazurile precedente, curentul de reglaj Ire al aparatului electromagnetic de protecție trebuie să elimine posibilitatea de declanșare la curenții de pornire:

unde Ip fiind curent de pornire al consumatorului alimentat prin circuitul protejat; și kpe- coeficient de siguranță la pornire, având valori (1,2 … 1,4) pentru relee și (1,4 … 1,6) pentru declanșatoare.

Astfel, reglarea posibilă ce poate fi efectuată, este dată de relația:

unde Is reprezintă curent de serviciu pentru blocul de dispozitiv de protecție; iar kre este coeficientul domeniului de reglaj, cu mai multe. valori. .distincte ori un domeniu întreg de valori, valori care depind de tipul aparatului de protecție.

În lista de mai jos găsim coeficienți ai domeniilor de reglaj a aparatelor de protecție:

*între [3…6] – pentru relee ale AMT sau CAR;

*între [3…10] – pentru DITA;

*coeficientul {10}; sau între {4, 10} – pentru USOL 100 / 250;

*între [2…4]; sau [5…10] – pentru USOL 500 / 800;

*coeficienți {6, 7, 8} cu declanșator H – pentru OROMAX;

*între [3…6], [4…10] sau [4…12] având declanșator Ksi – pentru OROMAX;

*între [1,5…3] – pentru întreruptoare automate de curent continuu.

Pentru ca condițiile enumerate mai sus să fie îndeplinite, curentul de serviciu trebuie să îndeplinească criteriul dat de relația următoare:

În plus, acesta mai trebuie să satisfacă și relația finală dedusă pentru protecția la suprasarcină, astfel:

Alegerea perfectă constă în găsirea unui întreruptor automat al cărei curent Is să satisfacă ambele relații II.20 si II.21.

Reglajul protecției la suprasarcină se face la fel ca la releele termice, folosind relațiile anterioare II.8, II.9 și II.12.

Referitor la coeficientul domeniului de reglare, valorile pot fi:

ksr .= [0,8 … 1]

ksr .= [0,5 … 1] – pentru. OROMAX.

Curentul reglajului de protecție la scurtcircuit este determinat cu ajutorul relației:

alegându-se cea mai mică valoare pentru kre , care satisface relația. Dacă există doar o .singură valoare. a .coeficientului. domeniului. de reglaj .kre. , atunci relația II.22 este folosită doar pentru verificare.

Alegerea aparatelor de comutație.

Pincipalele caracteristici ale contactoarelelor și întreruptoarelor automate sunt curentul InK și curentul InQ al contactelor principale, astfel având relația următoare:

unde:

In este curentul nominal al consumatorului și se alege în funcție de capacitatea și frecvența de conectare și deconectare pentru două regimuri de funcționare; regimul normal și regimul suprasolicitărilor sau accidental. Se mai alege și în funcție de tensiunea de serviciu a bobinei. Toate caracteristicile enumerate sunt necesare pentru a asigura funcționarea neîntreruptă a receptorului.

Alegerea separatoarelor se face pe baza tensiunii și a curentului nominal, valori care trebuie să fie cel puțin egale cu valoarea maximă a curentului absorbit de către circuit. În cazul separatoarelor cu un curent mai mare de 1 kA, la care .furnizorul. indică. Valorile. .maxime admise .ale curenților de stabilitate termică și dinamică, trebuie efectuată verificarea lor la scurcitcuit.

Alegerea întreruptoarelor neautomate se face pe baza tensiunii și curentului nominal, dar mai trebuie să avem în vedere valoarea curenților de conectare și deconectare în regimul normal de funcționare. Manevrarea acestor aparate nu este permisă în cazul unui scurtcircuit.

Aceste dispozitive de protecție trebuie montate astfel încât să nu poată fi deschise sau închise sub efectul vibrațiilor sau să nu fie sub tensiune când ele trebuie deschise. Încă un criteriu este întreruperea simultană a tuturor fazelor.

Pentru curenți mai mici de 64 Amperi pot fi utilizate întreruptoare cu pârghie sau pachet, ținând cont de gabaritul aparatului și de protecția omului. Cele de tip pachet au curent de rupere mare și gabarit redus. ntreruptoarele cu pârghie sunt utilizate în special împotriva atingerilor accidentale directe.

Se recomandă ca aparatele utilizate pentru conectarea lămpilor fluorescente să aibă un curent nominal de 10 Amperi.

Protecția coloanelor. Alegerea protecției optime.

În Figura II.12 sunt prezentate diferite variante de echipare a coloanelor cu aparate electrice de protecție :

– a) vedem o coloană protejată, la începutul liniei fiind separatorul de bare Q1A, fiind urmat de siguranța fuzibila F1A și în final la capătul coloanei, la intrarea în TD, încă un separator Q2A (Figura II.12 A);

– b) la fel ca și la punctul a), doar cu diferența că întreruptorul Q1A lipsește la plecarea din TG (Figura II.12 b);

– c) vedem o coloană protejată prin:

*Q2C care este un întreruptor automat ce realizează protecția la scurtcircuit și la suprasarcină,

*mai observăm separatorul Q1C aflat la plecare din TG și Q3C la intrarea în TD alimentat (Figura II.12 c).

Figura II.12 Echiparea corespunzătoare a unor coloane cu aparate de protecție [1].

Avantajul utilizării întreruptoarelor este că ele pot fi folosite ca și separatoare.

Variantele de echipare prezentate în Figura II.1212 fac legătura între TB (Tabloul General) și TP (Tabloul Principal), între TP și TS (Tabloul Secundar) sau între coloanele magistrale și TS.

Primele două variante, a) și b), sunt recomandate a fi utilizate pentru circuitele de utilaj, existând însă o diferență și anume faptul că montarea întreruptoarelor notate cu Q2A și Q1B nu este necesară din cauză că tablourile utilajelor sunt prevăzute de obicei cu aceste dispozitive.

În subcapitolul II.1 au fost prezentate și alte variante de scheme de distribuție a coloanelor, (Figura II.11 și Figura II.22), la care observăm că dispozitivele de protecție împotriva scurtcircuitelor au fost montate la intrarea în tablouri, adică la capătul coloanei, ținând cont de sensul real al curentului electric.

Alegerea dispozitivelor de comutație care protejează coloanele se realizează pe baza condițiilor descrise în subcapitolul II.3.1 si II.3.2. Particularitățile acestea apar doar la o dimensionare a protecțiilor.

a) Protecția față de scurtcircuit constituie protecția principală a coloanelor.

Dacă se realizează protecția cu ajutorul siguranțelor fuzibile (Figura II.12 a și b), curentul nominal al acestora trebuie să îndeplinească relațiile următoare:

Similare relațiilor II.15, II.16, dar pe lângă care se mai adaugă relația cu care se poate exprima selectivitatea cu siguranța fuzibilă maximă din aval:

unde: InfplM este curentul nominal, siguranțele din aval având valoarea cea mai mare, siguranțe care sunt situate cu un număr k, numit număr de ordine, pe scara curenților nominali ai fuzibilelor. În concluzie, relația II.26 stabilește de fapt condiția de selectivitate între două siguranțe fuzibile conectate în serie. Adică între curenții nominali a două siguranțe fuzibile conectate în serie să existe o diferență de cel puțin 2 trepte pe scara curenților nominali ai fuzibilelor.

Relația II.25 ne arată că numai componenta Ivt (curentul de vârf) se reduce odată ce a fost împărțită cu coeficientul c. Ținând cont de expresiile curentului de vârf, relația II.25 poate fi particularizată în felul următor:

când k receptoarele pornesc simultan, respectiv:

dacă pornește motorul pentru care (Ip – In) are valoarea maximă.

În mod similar, se alege la declanșatoare și relee curentul de serviciu Is a acestora cu o mică diferență și anume: în locul curentului de pornire se folosește curentul de vârf:

coeficienții notați cu kpe și kre au aceleași valori ca și în subcapitolele II.3.1, II.3.2.

Reglajul releelor electromagnetice este stabilit în același mod la valoarea dată de relația următoare:

unde kre poate să ia o singură valoare la mai multe valori dintr-un domeniu mai larg și se verifică să nu realizeze declanșarea la curentul de vârf cu relația următoare:

verificându-se și la condiția de selectivitate cu aparatul aflat în aval, cu ajutorul relației:

Ultima relație stabilește diferențele dintre timpii de declanșare a dispozitivelor de protecție, conectate în serie, astfel încât să aibă valori minime.

În cazul în care dispozitivul de protecție din aval este o siguranță fuzibilă este necesar ca ∆tscmin = 0,04 s, iar dacă acesta e un întreruptor de tip automat, atunci ∆tscmin = 0,15 s (acesta se poate regla prin temporizare).

Reglarea protecției la scurtcircuit (conform relațiilor II.29, II.30 și II.32, trebuie efectuată astfel încât să fie cât mai aproape posibil de limita inferioară.

Reglarea protecției la suprasarcină trebuie efectuată numai la coloanele protejate

împotriva scurtcircuitelor realizate cu ajutorul întreruptoarelor automate (Figura II.12 c).

În acest caz, adică în cazul coloanelor, releul termic se reglează conform relației următoare:

relație care de fapt stabilește domeniul curenților de suprasarcină pe coloană.

Reglajul posibil al aparatului este descris în paragraful lII.3.2B.

În cazul coloanelor, se poate obține curentul de reglaj analizând intersecția domeniilor date de relația II.8 și relația II.9. Recomandarea este valabilă dacă reglajul se realizează cât mai aproape de limita inferioară, ceea ce este stabilită de relația II.8.

Doar după analiza condițiilor de selectivitate se poate stabili permanent protecția coloanelor, în raport cu aparatele de protecție cele mai mari, plecând de la tablourile de distribuție alimentate.

În general se recomandă să fie urmată ordinea prezentată mai jos pentru a realiza în condiții optime protecția coloanelor:

1-circuite de utilaj;

2-coloane secundare;

3-coloane principale și magistrale (care sunt prevăzute pe schema de distribuție);

4-protecția celulelor transformator.

CAPITOLUL III. Realizarea practică.

Partea practică a lucrării constă în realizarea unui circuit cu care putem simula apariția unui scurtcircuit și putem vedea funcționarea unui aparat de protecție destinat pentru a proteja receptoarele ori rețelele electrice.

Componentele utilizate pentru realizarea circuitului sunt următoarele:

Întreruptor automat, de tip XBS C4 6000, 4 A, 230/400 V:

Figura 0.1 Întreruptor.

Ampermetru analogic, cu o valoare cuprinsă între 0 și 10 A:

Figura 0.2 Ampermetru.

Două rezistențe electrice, descrise după cum urmează:

– Prima rezistență are puterea de 800 W;

– A doua rezistență are puterea de 1000 W:

Figura 0.3 Rezistențele electrice.

Două întrerupătoare simple, care suportă un curent de maximum 6 Amperi:

Figura 0.4 Întrerupătoarele.

Circuitul de test s-a realizat conform schemei electrice din Figura 0.4:

Figura 0.4 Schema electrică a circuitului de test.

Funcționarea circuitului electric:

Circuitul din Figura 0.4 conține următoarele componente electrice:

un întreruptor automat de tip XBS C4, notat cu S1, fiind capabil să întrerupă circuitul dacă curentul crește peste valoarea curentului nominal al întreruptorului automat de rupere care are valoarea de 4 A;

un ampermetru, notat cu U1, cu care putem monitoriza valoarea curentului care trece prin circuitul existent;

două întrerupătoare simple, care suportă un curent de maximum 6 Amperi, notate cu S2 și S3, cu ajutorul cărora putem cupla fiecare rezistență în parte din circuit, pentru a simula creșterea curentului în circuit;

două rezistențe electrice, notate cu R1 și R2, prima având o putere maximă de 800W iar cea de-a doua având o putere maximă de 1000 W.

Fiecărei rezistențe în parte i se va aplica tensiunea rețelei în momentul cuplării, astfel că, utilizând două relații de bază, putem calcula foarte ușor rezistența acestora:

Calculul pentru rezistența R1 de 800 W, obținând următoarele valori:

Calculul pentru rezistența R2 de 1000 W, în urma căruia obținem următoarele valori:

În urma acestui experiment efectuat se demonstrează faptul că la acționarea întrerupătorului S2, rezistența R1 se cuplează iar ampermetrul ne indică faptul că circuitul electric este parcurs de un curent cu o valoare de 3,5 Amperi, circuitul putând-o astfel suporta, nefiind supus unui posibil pericol.

La acționarea și celui de-al doilea întrerupător concomitent cu primul, notat cu S3, se cuplează și cea de-a doua rezistență, notată cu R2, rezultând astfel creșterea intensității curentului în circuit la valoarea de 7,8 Amperi indicată de ampermetru, din care observăm intrarea întreruptorului în rol prin separarea circuitului de la alimentarea electrică, stabilindu-se astfel protecția circuitului electric.

Acest rezultat s-a datorat depășirii intensității de rupere a siguranței, siguranța având un curent de rupere de 4 A, ea fiind supusă la un curent de 7,8 A, din care reiese importanța protecției în instalațiile electrice în cazul cuplării accidentale a unor consumatori de o mai mare putere, care ar deteriora circuitul electric, nesuportând o valoare așa de mare.

În momentul cuplării și celei de-a doua rezistențe, notate cu R2, valoarea circuitului se modifică deoarece cele două rezistențe sunt în paralel.

Cu relația următoare calculăm rezistența echivalentă:

Știind rezistența totală a circuitului, vom calcula curentul total absorbit de la rețea:

Rezultă deci, cuplarea ambelor rezistențe, ceea ce va determina un curent de valoarea 7,82 A, fiind suficient de mare pentru declanșarea întreruptorului pentru a simula separarea circuitului de la alimentarea cu energie electrică în cazul în care este supus la trecerea unui curent pe care nu îl poate suporta.

CONCLUZII

Din cele descrise în prezenta lucrare cu tema Stabilirea condițiilor optime de realizare a protecției în instalațiile electrice de joasă tensiune, se poate trage concluzia că procedura de proiectare a unei instalații electrice este foarte complexă și există mulți factori foarte importanți care trebuie luați în vedere în timpul alegerii dispozitivelor electrice de protecție.

Alegerea necorespunzătoare a acestor dispozitive poate să ducă pe termen scurt la schimbarea frecventă a elementelor de protecție din rețea, iar pe termen lung poate să producă pagube financiare foarte mari deoarece alegerea necorespunzătoare a protecțiilor solicită puternic atât conductoarele cât și receptoarele.

Alegerea corespunzătoare a echipamentelor de protecție este bine cunoscută în întreaga lume, deoarece inginerii cercetători au stabilit cu mult timp în urmă condițiile optime de realizare a protecției în instalațiile electrice.

Dacă acești pași importanți sunt urmați cu foarte mare atenție, se poate realiza o instalație electrică de joasă tensiune care asigură protecția completă a unei rețele electrice.

Trebuie deci, în primă fază de proiectare a unui circuit electric să se realizeze o schemă simplă a instalației electrice după care, pentru fiecare receptor în parte se va alege protecția recomandată.

După stabilirea protecției optime a fiecărui receptor ori consumator, se va continua cu alegerea dispozitivelor de protecție, pornind de la ultimul receptor și mergând către tabloul de distribuție, iar apoi către tabloul general.

După ce au fost alese toate aparatele de protecție pe două nivele de alimentare consecutive se va verifica condiția selectivității, iar apoi se va continua în mod similar proiectarea instalației electrice până se va ajunge la tabloul general.

BIBLIOGRAFIE

D. Comsa, V. Maier, M. Chindriș – “Proiectarea instalațiilor electrice industriale”, Editura Didactică și pedagogică, București, 1983;

“ÎNCERC”. Normativ privind proiectarea și executarea instalațiilor electrice la consumatori, cu tensiuni pâna la 1000 V, I. 7-78, București, 1978;

Popescu Lizeta – “Echipamente electrice”, Volumul II, Editura Alma Mater Sibiu, 2008;

Josef Kunc, “Instalații electrice pas cu pas”, Colecția Meșterul priceput, Editura Casa, Oradea, 2010;

R. Dromereschi, V. Gavril, L. Ionescu, “Instalații electrice”, Colecția Poți face și singur, Editura M.A.S.T, 2007;

Cristina Gabriela Saracin, “Instalații electrice”, Editura Matrix Rom, 2009;

Dragoș Ionel Cosma, Florin Mareș, “Circuite electrice”, București, 2000;

Sorin Morancea, “Instalații electrice industriale”, Editura Corvin;

K. G. Jackson, “Electricitate-Întrebări și răspunsuri”, Editura tehnică, București, 1975.