CAPITOLUL VUtilizarea protecțiilor numerice. Stabilire reglaje și parametrizare 5.1. Protecția maximală de curent 5.1.1. Metoda de operare Protecția… [610131]

CAPITOLUL VUtilizarea protecțiilor numerice. Stabilire reglaje și parametrizare 5.1. Protecția maximală de curent 5.1.1. Metoda de operare Protecția de curent este acea protecție care monitorizează (măsoară) intensitatea curentului electric într-un circuit. Această protecție este prevăzută împotriva supraintensităților generate de suprasarcini și scurtcircuite în zona de protecție sau în zonele adiacente. Protecția maximală de curent acționează atunci când intensitatea curentului electric măsurată de releu depășește o anumită valoare specificată de utilizator, valoare care se numește valoare de prag sau valoare reglată sau valoare de pornire a protecției. Principiul de operare a protecției maximale de curent este extreme de simplu și se bazează pe diferența valorii intensităților curenților de faza în sarcina și scurtcircuite trifazate sau bifazate. Curenții au valori foarte ridicate, în timp ce rezistentele de defect sunt la valori normal scăzute, ceea ce permite o declanșare sigură a funcției de protecție asociate, deasupra unui prag configurat. Prin setarea pragului de curent sau setarea timpului, este posibilă realizarea coordonării cu alte protecții. În primul caz, funcția este astfel configurată încât să fie sensibilă doar la curenți de scurtcircuit în zona de protecție (protecție cut-off), care împiedică desăvârșit folosirea ei că funcție de rezervă. În al doilea caz, funcția este astfel configurată încât să lucreze la timpi mai mari decât timpii protecției, față de care este reglată (protecție time-lag). 5.1.2. Schema de principiu În figura (5.1.) sunt prezentate schemele de principiu pentru protecția maximală de curent fără temporizare (a) și cu temporizare (b).
a) fără temporizare b) cu temporizare Fig. 5.1. Schemele de principiu a protecției maximale de curent [10] a) 1 – element de măsură 2 – element de comandă 3 – element de semnalizare b) 1 – element de măsură 2 – element de temporizare 3 – element de comandă 4 – element de semnalizare 32

Aceste două tipuri de protecții se pot utiliza împotriva supraintensităților generate de scurtcircuite în zona de protecție (a) sau de scurtcircuite în zonele adiacente sau suprasarcini (b). În al doilea caz menționat, temporizarea este necesară pentru a asigura acționarea selectivă a protecțiilor. [10] 5.1.3. Stabilirea valorilor de reglaj •Valoarea de acționare Valoarea de reglaj se stabilește în funcție de particularitățile circuitului protejat și de tipul protecției, mai jos fiind prezentat cazul stabilirii valorii de reglaj în funcție de curentul nominal al circuitului. (5.1.) (5.2.) (5.3.) Irev – valoarea de revenire a curentului In – curentul nominal Ipp – curentul de pornire al protecției Ksig – coeficient de siguranță Krev – factorul de revenire ( Krev > 1) •Valoarea pentru temporizare (5.4.) în care, ta – timpul de acționare tamax – cea mai mare valoare dintre temporizările protecțiilor maximale de curent ale elementelor racordate la barele dinspre consumatori Dt – reprezintă treapta de timp pentru asigurarea selectivității5.1.4. Diagrama logică Reprezentarea prin porți logice este foarte ușor de vizualizat. Acestea sunt foarte uzuale în industria microprocesoarelor și a microcontrolerelor, iar în ziua de azi sunt baza configurării echipamentelor numerice. Pentru a se înțelege în totalitate parțile componente ale unei diagrame (Fig. 5.8.) se vor prezenta principalele simboluri folosite în schemele logice bloc. •Semnale logice Semnal logic de intrare în schema logică bloc a unei funcții de protecție (Fig. 5.2.). Fig. 5.2. Semnal logic de ieșire în schema logică bloc a unei funcții de protecție (Fig. 5.3.). Fig. 5.3.32Irev= Ksig×In , Ksig∈(1,1…1,2) Krev= IrevIppDeci: Ipp=Ksig×InKrev = (1,1…..1,2)×In0,85 = (1,3….1,4)×In
ta=tamax+DtDt∈(0,5….0,6) sec

Semnalul intern de intrare al unei mărimi analogice într-o schemă logică bloc (Fig. 5.4.). Fig. 5.4. Semnalul binar extern de intrare în schema logică bloc (cu adresa 2701) (Fig. 5.5.). Fig. 5.5. Semnalul binar extern de ieșire în schema logică bloc (cu adresa 1114) (Fig. 5.6.).Fig. 5.6. Semnalul binar extern de ieșire folosit ca și semnal de intrare (Fig. 5.7.).Fig. 5.7.•Porți logice Semnal de intrare al unei mărimi analogice în schemele logicePoarta SAU Poarta ȘI Poarta SAU-exclusiv: ieșirea din poarta logica este activă, doar dacă una din intrări este activă) Poart de egalitate (echivalență): ieșirea din poartă este activă, doar dacă ambele intrări sunt active sau inactive în același timp Intrări dinamice: cea de sus este pozitivă, iar cea de jos este negativă Element de formare al unui semnal de ieșire analog cand la intrare sunt mai multe semnale analogice Element de temporizare reglabil cu adresele setărilor și denumirea parametrilor Element de temporizare fix32

Fig. 5.8. Diagrama logică a protecției maximale de curent fără temporizare [18]5.2. Protecția de curent de secvență homopolară5.2.1. Metoda de operare Asemenea protecției maximale de curent, această funcție îndeplinește principala funcție de protecție a liniilor de medie tensiune, dar pentru defecte de scurtcircuit homopolare. Pe lângă simplitatea principiului de funcționare, precizia ei asigură un rol important nu doar in protecția rețelei de distribuție, dar și în protecția altor echipamente din sistem. Protecția homopolară de curent prezintă o sensibilitate ridicată în detectarea defectelor, din moment ce se bazează pe valoare curentului homopolar, care este aproape zero în situația normală de sarcină, pe de altă parte dezechilibrul este motivat de asimetriile linie. Este important să luăm în considerare, în setarea funcției, curentul capacitiv de pe linie când există o punere la pământ într-un alt punct din rețea. De fapt, când apare un scurtcircuit fază-pământ pe line, curentul de defect apare în bucla stabilită prin legarea la pământ a transformatorului precum și prin proprietățile distribuite pe liniile rămase. Valoare curentului capacitiv pe fiecare linie sănătoasă atât de mare cât este alungirea acelei linii și constituie un prag minim de sensibilitate pentru detectare defectului fază-pământ. Pe linia cu defect, curentul de defect depinde de impedanța legăturii cu pământul. Dacă legarea la pământ este puternică, curentul de defect va atinge valori extreme de ridicate. Dacă există o impedanță de delimitare (rezistență sau reactanță), curentul de defect este limitat la valori mici, fiind încă posibilă deosebirea între o line cu defect și una sănătoasă. Valoarea folosită efectiv de funcție este valoarea curentul rezidual, care este de trei ori curentul de secvență zero și este obținută ușor prin însumarea celor trei curenți de fază. 32

5.2.2. Schema de principiu Protecțiile se alimentează de la un filtru de curent homopolar FCSH realizat cu secundarele transformatorului de curent (TC). Temporizările se stabilesc tot în trepte crescătoare de la consumator spre sursă, dar se consideră numai elementele legate galvanic cu linia protejată rezultând temporizări mai mici. [10] 

Fig. 5.9. Schema de principiu a protecției de curent de secvență homopolară [10]FCSH – filtru de curent de secvență homopolarăI – element de măsurăT – element de temporizare5.2.3. Stabilirea valorilor de reglaj•Valoarea de acționare
32

5.2.4. Diagrama logică
Fig.5.10. Diagrama logică a protecției de curent de secvență homopolară fără temporizare [18]5.3. Protecția la maximă tensiune5.3.1. Metoda de operare Majoritatea defectelor sunt însoțite de scăderi ale valorilor tensiunii, dar sunt și cazuri în care valorile tensiunii electrice ating nivele periculoase pentru instalația respectivă. Protecția maximală poate fi utilizată ca protecție de sine stătătoare și se prevede pentru protejarea echipamentelor împotriva deteriorării izolației ca urmare a creșterii tensiunii. Tensiunile mari pot să apară în centrale ca urmare a operării incorecte a sistemelor de excitație, a funcționării defectuoase a regulatoarelor de tensiune, în cazul separării generatoarelor de sistem sau în timpul insularizării. De asemenea, tensiunile mari pot să apară în rețele ca urmare a funcționării defectuoase a regulatoarelor de tensiune la transformatoare și a sarcinilor scăzute. Întrucât tensiunile fază-pământ sunt supuse variațiilor valorilor lor, releul de protecție folosește tensiunile fază-fază, calculate din tensiunile fază-pământ. Această operație este independentă pentru fiecare din tensiunile pe faze, chiar dacă condiții de defect asimetric sunt detectate de protecție. 
 Releul are două trepte de proteție la maximă tensiune cu timp definit, total independente. Aceste trepte pot fi reglate cu praguri de acționare și timpi diferiți, astfel încât să dea două nivele de acționare: una rapidă, pentru valori foarte ridicate de supratensiune, și alta, cu 32

acționare mai lentă, dar sensibilă la supratensiuni cu magnitudine neglijabilă. Fiecare din trepte prezintă o bandă de 4% în jurul pragului de acționare care asigură stabilitatea funcționării. 
5.3.2. Schema de principiu Schema principială a protecției maximale de tensiune este reprezentată în schema din urmatoarea figură:
Fig. 5.11. Schema de principiu a protecției maximale de tensiuneTT – transformator de tensiune1 – element de măsură (releu cu blocaj la maximă tensiune)2 – element de temporizare3 – element de comandăADR – ?5.3.3. Stabilirea valorilor de reglaj•Valoarea de acționare
Urev – valoarea de revenire a tensiunii Un – tensiunea nominală Upp – tensiunea de pornire a protecției Umaxexp – valoarea maximă a tensiunii în exploatare Ksig – coeficient de siguranță Krev – factorul de revenire •Valoarea pentru temporizare 5.3.4. Diagrama logică32Krev=1,15 , Ksig∈(1,1…1,5) Krev= UrevUpp≥UmaxexpKsig×UppDeci: Upp=UmaxexpKsig×Krev = 1,1×UnKsig×Krev = (1,1….1,5)×Un

Fig. 5.12. Diagrama logică a protecției maximale de tensiune [18]5.4. Protecția la minimă tensiune5.4.1. Metoda de operare La fel ca supratensiuni, căderile de tensiune sunt de asemenea deranjamente ale sistemului care trebuie detectate pentru a minimiza efectul lor asupra consumatorilor. Pentru aceste situații, în releele de protecție este implementată protecția la minimă tensiune. Căderile de tensiune (minimă tensiune) apar în mod normal când magnitudinea componentei fundamentale a tensiunii scade doar pe una sau mai multe faze. Cauzele lor pot fi asociate cu: -funcționarea incorectă a stabilizatorului de tensiune sau a controlului manual al comutatorului. -suprasarcină extremă; -apariția defectelor, în special între faze, împreună cu defecte localizate în amonte pe rețea. 
 Protecția la minimă tensiune este folosită în special pentru deconectarea selectivă a consumatorilor în cazul în care perturbarea apare ca rezultat al unei căderi de tensiune. Aceasta este în mod normal una din funcțiile protecției cerută pentru legarea producătorilor la rețea. În aceste circumstanțe, această funcție asigură deconectarea producătorilor când apar căderi de tensiune, indicând perturbări semnificative din sistem. 
 Datorită faptului că, tensiunile fază-pământ sunt supuse schimbărilor valorilor lor, în special pentru regimuri homopolare specifice, se folosesc tensiuni fază-fază, calculate din tensiuni fază-pământ. Calculul este independent pentru fiecare din tensiunile de pe faze, astfel fiind detectate chiar și condițiile de defect asimetrice de către funcția protecției. 
32

Releul are două trepte de proteție la minimă tensiune cu timp definit, total independente. Aceste trepte pot fi reglate cu praguri de acționare și timpi diferiți, astfel încât să dea două nivele de acționare: una rapidă, pentru valori de minimă tensiune extrem de scăzute, și alta, cu acționare mai lentă, dar sensibilă la supratensiuni cu magnitudine mică. Fiecare din trepte prezintă o bandă de 4% în jurul pragului de acționare care asigură stabilitatea funcționării. 
5.4.2. Schema de principiu Schema principială a protecției la minimă tensiune este reprezentată în schema din urmatoarea figură:
Fig. 5.13. Schema de principiu a protecției la minimă tensiuneTT – transformator de tensiune1 – element de măsură (releu cu blocaj la minimă tensiune)2 – element de temporizare3 – element de comandăADR – ?5.4.3. Stabilirea valorilor de reglaj•Valoarea de acționare
Urev – valoarea de revenire a tensiunii Un – tensiunea nominală Upp – tensiunea de pornire a protecției Uminexp – valoarea minimă a tensiunii în exploatare Ksig – coeficient de siguranță Krev – factorul de revenire •Valoarea pentru temporizare 32U>1T 2TTI 3 ADR
Krev=1,15 , Ksig∈(1,1…1,5) Krev= UrevUpp≤UminexpKsig×UppDeci: Upp=UminexpKsig×Krev = 0,95×UnKsig×Krev = (0,5….0,6)×Un

5.4.4. Diagrama logică
Fig. 5.14. Diagrama logică a protecției la minimă tensiune [18]5.5. Calculul curenților de scurtcircuit Pentru dimensionarea/verificarea echipamentelor electrice, este necesar calculul curenților de scurtcircuit în regimul de funcționare care conduce la solicitãrile maxime. Pentru reglajul protecțiilor și verificarea compatibilitãții electromagnetice sunt necesare și calcule de scurtcircuit în regim minim de funcționare. Calculul regimului de scurtcircuit trifazat metalic (prin impedanțã nulã) deși foarte rar, conduce la solicitãri maxime în rețele și se efectueazã întotdeauna în proiectare și exploatare. 32

Principalele ipoteze simplificatoare care se admit în calculele de scurtcircuit sunt: -tensiunile electromotoare ale tuturor surselor din schemã se considerã cã au aceeași valoare și fazã; -în zona în care se considerã scurtcircuitul, tensiunea în momentul anterior defectului poate fi diferitã de Un, acest aspect luându-se în considerare prin factorul de tensiune CU=1,1; -toate transformatoarele cu tensiunea de scurtcircuit mai mare de 5% se iau în considerare numai prin reactanța lor inductivã; -în cazul liniilor de medie tensiune rezistența poate fi neglijatã, cu condiția ca acest lucru sã nu majoreze substanțial valoarea curenților de scurtcircuit; -impedanța sarcinilor, de regulã, se neglijeazã; -pe durata scurtcircuitului nu se produce o schimbare în ceea ce privește numărul de circuite afectate (adică, un scurtcircuit trifazat rămâne trifazat, un scurtcircuit monofazat rămâne monofazat etc.); -ploturile transformatoarelor se consideră în poziția reală; -nu se consideră rezistența arcului. Având în vedere scopul calculului, pentru cazul proiectelor de stații electrice, de regulã, curenții se calculeazã pe barele colectoare. În oricare alte puncte (pe liniile electrice etc.), curenții de scurtcircuit rezultã mai mici decât cei calculați pe barele stațiilor. [22] Schema inițialã cuprinde mai multe niveluri de tensiune, ceea ce implicã dificultãți pentru determinarea curenților de scurtcircuit. Luând în cosiderare acest aspect se va utiliza metoda unitãților relative, ce eliminã diversele trepte de tensiune ale unei scheme, prin introducerea schemei echivalente de calcul. [22] În continuare, se vor succede etapele de calcul al curenților de scurtcircuit. 5.5.1. Reprezentarea schemei de principiu
Fig. 5.15. Schema de principiu și precizarea punctului de calcul al curenților de scurtcircuit 5.5.2.Reprezentarea schemei echivalente de calcul și calculul reactanțelor în unitãți relative 32

Se transformã schema de principiu într-o schemã cu un singur nivel de tensiune (cuplajele magnetice sunt înlocuite de cuplajele galvanice). Deoarece scurcircuitul trifazat este un regim simetric, schema echivalentã este o schemã de succesiune directã. Valoarea numericã a oricãrei mãrimi relative este raportul dintre mãrimea respectivã exprimatã în unitãți absolute și o mãrime de bazã de aceeași naturã arbitrar aleasã. Pentru calculul curenților de scurtcircuit, în schema echivalentã se aleg douã mãrimi de bazã: •puterea de bază Sb=? MV A; •tensiunea de bază Ub= 20 kV . Calculul reactanțelor ce intervin în schema echivalentã (Fig. 5.16) se face pe baza relațiilor ce urmează a fi prezentate și pe baza mãrimilor caracteristice. De asemenea, intervin datele referitoare la contribuția la scurtcircuit a sistemului energetic, la nivelul de tensiune al stației unde existã legãturã cu sistemul.
Fig. 5.16. Schema echivalentă pentru calculul curenților de scurtcircuit Reactanțele transformatoarelor: uk,i = tensiunea de scurtcircuit Sb = puterea de bază SnT,i = puterea nominală a transformatorului “i” Reactanțele liniilor electrice: Xsp= reactanța specifică li = lungimea liniei electrice 32Xt,i= uk,i×Sb100×SnT,i
Xl,i= Xsp×li×SbUnf2

Unf = valoarea nominală a tensiunii pe bara colectoare Reactanțele surselor electrice: ; Sscc,i = puterea debitată în regim de scurtcircuit de fiecare sursă Isc,i = aportul sistemului electroenergetic, în cazul unor scurtcircuite trifazate pe barele stației Reactanțele echivalente: Reactanța comună (echivalarea reactanțelor celor 2 transformatoare din figura (5.15)): 5.5.3. Reducerea schemei echivalente în raport cu punctul de defect Se face conform regulilor uzuale de transfigurare a schemelor electrice: -reactanțele se conecteazã în serie, în paralel etc.; -se aplică transfigurãrile stea-triunghi; -reactanțele aflate între douã puncte de potențial egal nu intervin în calcul, deoarece nu sunt parcurse de curentul de defect; -pentru cazul în care mai multe surse de tensiune debiteazã printr-o reactanțã comunã Xc, se poate aplica metoda coeficienților P. Metoda coeficienților P Pentru n surse de tensiune (având fiecare reactanța Xi) care debiteazã printr-o reactanțã comunã Xc, schema se poate transfigura astfel încât sursele sã debiteze direct la locul de defect (Fig. 5.17.), valorile noilor reactanțe Xi' fiind calculate cu relațiile (?) și (?).
Fig. 5.17. Schema echivalentă redusă pentru calculul curenților de scurtcircuit 32Xs,i= Sb×CuSscc,iXe,i=Xs,i+Xl,iXc= Xt1×Xt2Xt1+Xt2
Xi'=P×XiP=1+Xc×1Xi∑Sscc,i=3×Isc,i×Un,i

P = coeficient ? 5.5.4. Determinarea valorilor curenților de scurtcircuit •Curentul total de scurtcircuit este dat de suma componentelor debitate de fiecare sursã de putere din figura (5.16): •Pentru a putea analiza comportarea la scurtcircuit a unei ramuri în raport cu punctul de defect, se raporteazã reactanțele la mãrimile nominale ale locului de defect considerat, aplicându-se relația: Xe,i – reactanța echivalentã (rezultantã) în unitãți relative de bazã Xiech – reactanța echivalentã (rezultantã) în unitãți relative nominale ∑Sn – puterea rezultantã care debiteazã la locul de defect prin ramurã •Se determinã dacã ramura se comportã ca o sursã de putere infinitã (depãrtatã) sau o sursã de putere finitã (apropiatã) în raport cu punctul de defect, pe baza comparației: •Se calculează curenții de scurtcircuit cu relația: Ib = curent de bază și se calculează cu următoarea formulă:
32Iscc=Iscc,ii=1n∑kA⎡⎣⎤⎦Xechi=Xe,i×Sn∑Sb
Xechi≤sau>3Iscc,i=CU×IbXe,ikA⎡⎣⎤⎦Ib=Sb3×UnkA⎡⎣⎤⎦