Lucrare de Disertație [302846]

Universitatea Tehnică “Gh. Asachi “ [anonimizat]: [anonimizat]:

Grupa: 6602 Conf. dr. ing Pleșca Adrian Traian

Anul 2017

Memoriu justificativ

Mașinile electrice asincrone au devenit în ultimii ani elemente de execuție indispensabile în sistemele de acționare electrică din cele mai diverse domenii de activitate umană. [anonimizat].

Având în vedere că diversitatea construcțiilor și a [anonimizat], care cuprind aproape toate mașinile (cu excepția micromașinilor și a [anonimizat], [anonimizat].). [anonimizat], cât și din punctul de vedere al principiilor construcției.

[anonimizat], are loc mereu un proces de transformare a energiei mecanice în energie electrică (generatorul) sau invers, a energiei electrice în energie mecanică (motorul).

Proiectarea mașinilor electrice beneficiază în zilele de astăzi de metodologii precum modele analitice (ce au la bază calculele numerice ), [anonimizat] o serie de fenomene complexe ce au loc în mașină.

Proiectantului de mașini electrice îi revine sarcina de a proiecta mașina astfel încât aceasta să aibă un randament cât mai bun posibil satisfăcând condițiile de funcționare în domeniul pentru care este întrebuințată.

Mi-am ales acest studiu tocmai pentru a face o [anonimizat] o mărime geometrică a mașinii, dar au loc schimbări ale frecvenței de alimentare și a numărului de perechi de poli.

Introducere

Mașinile electrice reprezintă principalul consumator de energie electrică al economiei mondiale ocupâd un loc important în viața omului. Ele cuprind aproape toate domeniile de activitate ale omului în diverse ramuri cum ar fi: industrie, transport, comerț, agricultură, medicină, [anonimizat].

[anonimizat] o [anonimizat], însușirile lor electromagnetice satisfăcând foarte bine cerințele de dezvoltare ale tehnicii moderne.

Proiectarea unei mașini electrice presupune a determina prin calcul sau a alege pe baza unei experiențe profesionale toate elementele care duc la definirea alcătuirii constructive a mașinii, [anonimizat] a părților componente din ansamblul mașinii.[anonimizat]. Pe lângă toate acestea mașina trebuie să corespundă condițiilor de utilizare în acționări electrice.

Făcând o comparație între particularitatea mașinii electrice față de alte mașini (de exemplu față de mașinile cu abur sau cele hidraulice), toate mașinile neelectrice necesită numai materiale constructive, „agentul motor” (gazul, apa, etc.) având o greutate importantă, dar în raport cu mașina, reprezintă un corp străin. „Agentul motor” din mașinile electrice este constituit de fluxul magnetic și de curentul electric; acestea nu au greutate proprie, însă necesită: primul,mase grele de fier, iar celălalt o masă de cupru și mai grea. Necesitatea materialelor active, pe lângă cele constructive, nu dau posibilitatea reducerii radicale a greutății mașinii electrice. Micșorând greutatea materialelor active, crește inducția și densitatea de curent, ceea ce duce la mărirea pierderilor și la supraîncălzirea mașinii.

Având în vedere faptul că proiectantul de mașini electrice este pus în situația în care trebuie să gasească soluții pentru proiectarea unei mașini fiindu-i impuse păstrarea anumitor dimensiuni și schimbând anumite date de proiectare, acestuia îi revine sarcina de a proiecta mașina astfel încât aceasta să aibă un randament cât mai bun posibil satisfăcând condițiile de funcționare în domeniul pentru care este întrebuințată.

De aceea în acest studiu mi-am propus să văd cum sunt influențate dimensiunile geometrice ale mașinii și caracteristicile acesteia, făcând proiectare la frecvențe de alimentare diferite, precum și la număr de perechi de poli diferiți.

Capitolul 1

1.1 PREZENTAREA SISTEMULUI

Exhaustorul de gaze arse centrifugal, dublu aspirant, cu acționare electrică, este un utilaj care are rolul de a crea un tiraj artificial pentru vehicularea gazelor fierbinți prin camerele de absorbție, conductele colectoare de gaze arse, electrofiltrele de epurare gaze arse, tubulatura de aspirație și tubulatura de refulare aferenta, în atmosferă, prin coșul de fum.

Acționarea acestui exhaustor se realizează cu ajutorul unui motor sincron ce are urmatoarele date nominale : P= 5 MW, U=6 kV, I= …..

Introducere

Prezentarea sistemului

Sistemul este compus din două componente mari:

dulapul de automatizare

consola operator.

1.1 Dulapul de automatizare asigură alimentarea, citirea mărimilor din proces, comenzi în proces.

Este împărțit în doua module funcționale:

alimentare și acționări

automatizare, realizat cu automatul Siemens și modulele aferente

Acționările

În dulapul de automatizare sunt cuprinse: alimentările, relee de comandă și forță, relee pentru comenzi pe manual pentru clapa aspirație, clapa refulare, pompa ulei 1 și pompa ulei 2.

Automatizarea

Culegerea datelor din proces:

-mărimile analogice sunt preluate cu ajutorul a două multicanale cu intrare 4-20mA care comunică prin modus-rtu. Intrarea în multicanal este setata la 4000 pentru 4mA și 20000 pentru 20mA. Prin aceasta setare se poate citi (afla prin calcule simple) valoarea curentului pe fiecare bucla de semnal unificat, lucru necesar la depanare.

-mărimile energetice sunt preluate din SEPAM (sepam 23 corespunzător celulei de 6kVcare alimentează motorul ) prin comunicație modbus-rtu.

-comunicația (schimbul de informații) cu dulapul de excitație se face prin semnale digitale pentru comenzi și stări precum și prin comunicație profibus prin care se preiau stări (nu se dau comenzi)

-Semnalele analogice sunt grupate pe cele doua multicanale.

Multicanalul 1

Multicanalul 2

SEPAM23

Informații digitale, de stare ale protecție celulei, preluate din SEPAM

Informații analogice, preluate din SEPAM

Adaptorul modbus-rtu la profinet

Pentru citirea datelor de la multicanale si SEPAM, vom folosi un automat S7-1200 cu cartela de comunicatie seriala.

Consola operator

Este compusă dintr-un calculator și un monitor LCD. Pe calculator rulează softul siemens de scada – WINCC.

HMI-interfața cu operatorul

-“OPERATOR” oferă datele necesare operatorului pentru a conduce procesul. Oferă comenzi de trecere către alte ecrane pentru detalierea informațiilor în cazul apariției unui eveniment.

-”ELECTRIC” este ecran dedicat pentru electricieni, unde are acces la informațiile necesare depanării unui eveniment.

-”ALARME” detalierea alarmele apărute, cele curente precum și istoricul de alarme

-”ANALOGICE” mărimile analogice legate în primul multicanal. Se poate seta domeniul și stabili limitele de avertizare și avarie

-”ANALOGICE2” mărimile analogice achiziționate de al doilea multicanal. Se poate seta domeniul și stabili limitele de avertizare și avarie.

-”ISTORIC” istoricul mărimilor din proces. În ecranul operator mai sunt trei butoane de istoric.

-”RETEA COMUNICATIE” starea comunicațiilor modbus și profibus

-”CONVERTIZOR EXCITATIE” stările citite de la dulapul convertizor excitație prin comunicație profibus

Comenzi generale:

ELECTRIC

Este ecranul folosit de electricieni pentru a diagnostica eventualele probleme apărute.

În ecran se disting mai multe zone:

zona de monitorizare a siguranțelor

zona de monitorizare a acționarilor

zona de date de la sepam

zona de monitorizare a celulei și a excitației

zona de comenzi pentru operații de schimbare parola sau modificări software

În cazul apariției unei probleme pe alimentarea mecanismelor, motivul căderii întrerupătorului este afișat în clar în alarme și pe desen se colorează în rosu cauza declanșării

În acest desen sunt afișate toate mărimile citite din sepam-ul corespunzător celulei 23.

În stînga sunt citirile parametrilor analogici, curent, tensiune, frecventa, puteri, factor de putere.

Al doilea curent este 0 deoarece modul de conectare a sepam-ului este cu numai doua transformatoare de curent.

În partea dreapta sunt afișate protecțiile, cauzale pentru care sepam-ul a declanșat și starea acestuia. Dacă este activa o protecție, pătrățelul corespunzător devine rosu.

Sunt active semnalele “SEPAM NOT RESET” și “PIERDERE EXCITATIE”.

Aici avem reprezentata alimentarea motorului. Starea întrerupătorului celulei de 6kV “a0” este afișat și în cazul în care este închis apare și un pătrățel verde, pentru a fi mai vizibila starea lui.

Pentru partea de excitație este afișat întrerupătorul de conectare a excitației sau de scurtcircuitarea a rotorului. Întrerupătorul de alimentare a excitației QT este static (desenul nu se schimba în funcție de starea întrerupătorului)

În cazul în care avem o comanda pe contactorii de forța pentru clapete sau pompele de ulei și aceștia nu răspund la comanda, apare semnalul de avarie electrica. Acest semnal trebuie șters (confirmat) de operator. În cazul apariției lui pătrățelul devine rosu. Cit timp este activa alama sunt blocate comenzile de acționare a mecanismelor. Resetarea semnalului se face prin apăsarea butonului.

Este ecranul operatorului, unde se afla toate informațiile și comenzile necesare conducerii procesului.

Fiecare element care afișează informații are asociat un text explicativ “tooltip” care apare în momentul cînd cursorul mouse-ul sta deasupra elementului respectiv.

Pentru semnalizarea unor evenimente care trebuie cunoscute de operator (depășirea pragurilor, apariția unui eveniment) este acționata o hupa pentru semnalizarea sonoră

Mărimile energetice ale motorului, care sunt măsurate în stator. Curentul statoric, tensiunea pe bare, puterea activa, reactiva și factorul de putere.

Motorul este gri dacă este în staționare Are conturul verde dacă este cuplat întrerupătorul de 6kV (celula 22 de 6kV), este verde dacă este pornita și excitația

Informațiile despre excitație sunt afișate numeric pentru curent și tensiune.

Starea convertizorului de excitație este afișată grupat.

În această parte de ecran se găsesc în informații referitoare la starea întrerupătorului de 6kV, starea celulei, și protecția tehnologica.

În partea de sus sunt informații despre întrerupătorul de 6kV, dacă este cuplat sau decuplat.

Dedesubt sunt afișate informații despre îndeplinirea condițiilor de cuplare a celulei. Dacă totul este în regula apare pătrățelul verde “CONDITII CUPLARE”.

Dacă toate condițiile tehnologice sunt îndeplinite atunci va apare scris ”PROTECTIE TEHLOGICA” pe fundal verde, altfel va fi pe fundal rosu.

Condițiile tehnologice ce trebuie îndeplinite în funcționare sunt:

presiunea uleiului de ungere sa fie peste valoarea de alarma

temperatura ancoselor motorului sa nu depășească valoarea de alarma

temperatura lagărelor sa nu depășească valoarea de alarma

La pornire se adaugă condițiile

clapa de aspirație trebuie sa fie închisă

clapa de refulare trebuie sa fie închisă

ușa boxa motor trebuie sa fie închisă

Retea de comunicatie

În aceasta pagina se vad rețelele de comunicatie și starea elementelor din rețea În partea dreapta sunt elemente terminale pe rețea modbus-rtu care trec prin adaptorul nettap. Ca stare acestea sunt verzi cînd comunica și roșii cînd am eroare comunicatie.

Imediat în stînga lor sunt dispozitivele conectate pe profibus. Aici avem doua semnalizări. Dacă centrul este rosu avem lipsa comunicatie cu dispozitivul respectiv Dacă clipește cu rosu marginea pătratului atunci avem eroare de scriere citire cu respectivul dispozitiv.

În partea de sus dreapta este comunicația cu dispeceratul, care este activa sau inactiva. Către dispecerat se transmite :

temperatura lagăr inele motor

temperatura lagăr cuplaj motor

temperatura lagăr cuplaj ventilator

temperatura lagăr axial ventilator

presiune ulei ungere

putere activa

putere reactiva

factor de putere

2. Protecții clasice ale motoarelor electrice de curent alternativv

2.1 Protecția diferențială longitudinala

Acest tip de protecție se utilizează împotriva scurtcircuitelor polifazate în stator, cu două ramuri diferențiale în loc de trei așa cum se prezintă în figura de mai jos:

Condițiile de funcționare a acestei protecții sunt:

1. Să nu acționeze în regim normal de funcționare al motorului când acesta este încărcat la sarcină normală;

2. Să acționeze la cel mai mic curent de scurtcircuit, de regulă la un scurtcircuit bifazat în zona protejată, zonă delimitată de ramurile protecției diferențiale cuprinse între cele două transformatoare de măsură de curent. În acest sens se va calcula curentul de scurtcircuit pe fază la un scurtcircuit bifazat, ținându-se seama de aportul surselor din amonte și a impedanței (reactanței) căilor de curent dintre sursele existente și poziția geografică a motorului protejat;

2.2 Protecția de minimă tensiune

Are rolul de a preveni încălzirea motoarelor, asigurarea autopornirii celor mai importante, urmărindu-se deconectarea celor de importanță mai redusă, în perioada golurilor de tensiune și a microîntreruperilor tensiunii de alimentare.

Golul de tensiune este definit ca fiind scăderea amplitudinii sau a valorii eficace a tensiunii în rețelele electrice, într-un anumit punct al acesteia, cuprinsă între o valoare minim sesizabilă de regulă 0,2Un și valoarea nominală, având o durată de maxim 3 secunde. Peste această durată până la cca. 10 secunde variația de tensiune poartă denumirea de microîntrerupere.

Pe durata golurilor de tensiune în sistem acționează numai automatica de sistem de prevenire a avariilor care asigură revenirea tensiunii la valoarea normală. În cazul în care procesele tehnologice complexe nu admit o întrerupere mai mare de 3 secunde, atunci este nevoie de luarea unor măsuri speciale la nivelul consumatorului pentru păstrarea continuității în alimentarea acestuia.

Rezultă deci că protecția de minimă tensiune poate acționa pe durata microîntreruperilor în alimentare, coordonată cu automatizarea cunoscută sub denumirea de AAR – anclanșarea automată a rezervei – care poate asigura menținerea continuității în alimentarea cu energie electrică a consumatorilor, cu consecințe favorabile asupra menținerii în funcțiune a proceselor tehnologice.

În figura … se prezintă schema unei protecții de minimă tensiune a unui grup de patru motoare realizată în două trepte de tensiune și timp.

Treapta 1 – este realizată cu relee de minimă tensiune 1, releul de timp 2, releul de semnalizare 3 și releul intermediar 4.

Treapta 2 – este realizată cu releele de medie tensiune 5, releul de timp 6, releul de semnalizare 7 și releul intermediar 8.

Motoarele M1, M2 sunt deconectate în treapta 1 de releul intermediar 4 iar motoarele M3, M4 sunt deconectate în treapta 2 de releul intermediar 8.

Reglajul releelor de minimă tensiune 1 și 5 se face după aptitudinea termică globală așa cum se arată în figura 3.5.

3.3 Protecția maximală de curent temporizată împotriva suprasarcinilor.

Schema electrică a acestei protecții se prezintă în figura 3.7 ea, comandă deconectarea motorului în cazul când curentul prin releul 1 depășește valoarea reglată.

3.4 Protecția împotriva punerilor monofazate la pământ

Pentru motoarele electrice de medie tensiune în funcție de puterea și importanța lor în procesul tehnologic, funcționând în rețele electrice cu neutrul izolat se poate utiliza o protecție simplă de curent sau o protecție direcțională, având la bază schema monofilară din figura 3.10.a , care reprezintă o rețea de medie tensiune cu neutrul izolat, la care s-a realizat un defect monofazat pe faza R a circuitului motorului M2, iar în figura 3.10.b se prezintă principalele mărimi electrice ce caracterizează defectul monofazat în rețeaua din figura 3.10.a

Din analiza figurii 3.10 a,b rezultă că protecția împotriva punerii monofazate la pământ poate fi realizată ca o protecție maximală de curent, criteriul maximal fiind asigurat dacă numărul plecărilor de pe bara de medie tensiune este cel puțin trei de lungimi egale, sau printr-o protecție direcțională avându-se la bază figura 3.10 b, din care rezultă că în rețelele cu neutrul izolat, defazajul între tensiunea de referință și curentul de dezechilibru primar de defect are caracter inductiv în timp ce între aceeași mărime 3U0 și curentul de dezechilibru primar pe plecările sănătoase , are caracter capacitiv.

2.5 Protectia contra iesirii din sincronism

Protecția motoarelor de curent alternativ

Aceste protecții sunt utilizate la :

Defecte interne :

Scurtcircuite polifazate

Puneri la pămât

Scurtcircuite între spirele aceleiași faze

Regimuri anormale de funcționare

Supraintensități datorate suprasarcinilor

Întreruperea unei faze de alimantare

Scăderea tensiunii în rețea

Tipuri de protecții :

Protecția diferențială longitudinala (scurtcircuite interne)

Protecția maximală de curent netemporizată (scurtcircuite interne)

Protecția homopolară împotriva punerilor la pământ

Protecția la tensiune minimă

Protecția motoarelor sincrone împotriva ieșirii din sincronism

1.Protecția împotriva scurtcircuitelor în motoare

Această protecție se realizeză pe toate fazele (intrare/ieșire).Desen+explicatie

2.Protecția maximală rapidă și temporizată

Protecția maximal care protejează la scurcircuit nu se temporizează. Curentul de pornire a protecției se desensibilizează în raport cu curentul de pornire sau autopornire al motorului, precum și în raport cu curentul debitat de motor în rețea la scurtcircuit.desen+expl

3.Protecția împotriva suprasarcinilor

Pentru suprararcini sau conditii grele de pornire si autopornire,protectiile se temporizeaza.desen+expl

4.Protecția homopolara împotriva punerilor la pământ

Se instalează dacă curentul de defect sau residual depașește 5 A.Se realizează cu filtre de curent de secvență homopolară FCSH sau trafo de secvență homopolară, care comandă declanșarea.desen+expl

5.Protectia de minima tensiune

Rolul acesteia este de a deconecta temporizat motorul electric la scăderea tensiunii pentru eliminarea la autopornire a accidentelor umane,tehnologice. Se realizează cu relee de minimă tensiune, în două trepte :

0,7 Un, cu temporizare 0,5 sec

0,5 Un, cu temporizare 5-10 sec.

Desen+explic

6.Protectia contra ieșirii din sincronism

Varianta 1:

În cazul pendularilor apare o componentă alternativă în circuitul rotoric.

Protecția se realizează prin relee de curent sau tensiune.

Varianta 2:

În timpul pendularilor se modifică defazajul dintre tensiunea statorică și curentul rotoric.

Desen+explic

7,8. Protecția contra pornirii prelungite și numar de porniri depașite.

Analizor pentru întreruptoare

Dintre aparatele de comutație, întrerupătorul de înaltă tensiune este cel mai important aparat, atât din punct de vedere constructiv și funcțional, cât și din punct de vedere al costului. Întrerupătorul de înalta tensiune se poate defini ca un aparat destinat închiderii și deschiderii circuitelor electrice când acestea sunt parcurse, fie de curenți normali de lucru, fie de curenți anormali de lucru, cum sunt cei de suprasarcină sau de scurtcircuit. Din acest motiv trebuie asigurată o mentenanță predictivă cu ajutorul analizorului pentru întreruptoare.

Măsurarea sincronizării

Măsurătorile simultane într-o singură fază sunt importante în situații în care mai multe contacte sunt conectate în serie. Aici , întrerupătorul devine un divizor de tensiune, atunci când deschide un circuit. Dacă diferențele de timp sunt prea mari, tensiunea devine prea mare pe un contact, iar toleranța pentru cele mai multe tipuri de întrerupătoare este sub 2 ms.

Curenții bobinei

Curenții bobinei pot fi măsurați în mod regulat pentru a detecta eventualele probleme mecanice și/sau electrice ale bobinei de acționarea cu mult înainte de apariția lor ca și defecte reale. Curentul maxim al bobinei (dacă i se permite curentului să atingă valoarea sa cea mai mare) este o funcție direct a rezistenței bobinei și tensiunii de acționare. Acest test arată dacă o înfășurare a fost sau nu scurt-circuitată.

Măsurarea rezistenței dinamice (DRM)

Metoda de testare DRM este foarte potrivită pentru testarea de diagnosticare. Testele sunt efectuate prin injectarea de curent continuu, aproximativ 250 A sau mai mare, prin disjunctor și măsurarea căderii de tensiune și a curentului în timp ce disjunctorul este operat. Analizorul disjunctorului calculează apoi și prezintă grafic rezistența în funcție de timp.

Secvența de funcționare

Raportarea unei înregistrari (desenul sa fie lizibil)

Acest format este folosit pentru a raporta o singură înregistrare cu parametrii săi într-un format de tabel. Sunt disponibile șabloane de raportare care se potrivesc la toate disjunctoarele și planurile de testare.

Verificarea timpilor la anclansare/declansare

Scheme tipice de protecție a instalațiilor electrice

Definirea si obiectivele protecției prin relee

Protecția prin relee (PR) a unei instalații electroenergetice (EE) reprezintă un ansamblu de aparate și dispozitive destinate să asigure în mod automat deconectarea instalației în cazul apariției unui defect sau a unui regim anormal de funcționare periculos pentru instalație.

Separarea automată a instalației de defecte urmărește:

-să împiedice dezvoltarea defectului și extinderea efectelor asupra altor instalații din SEN;

-să restabilească în cel mai scurt timp un regim normal de funcționare.

Conditii impuse functionarii protectiei prin relee

Rapiditatea este necesară pentru ca o avarie să rămână fără urmari asupra funcționării instalațiilor neavariate – se are în vedere atât integritatea instalației cât și menținerea stabiliății dinamice. Protecția trebuie să acționeze rapid pentru a limita efectele termice ale curenților de scurtcircuit, scăderea tensiunii, pierderea stabilității sistemului electric. Timpul de lichidare (eliminare) a unui defect se compune din timpul propriu de lucru al protectie ( =0,02…0.04 s), timpul de temporizare reglat și timpul de declanșare a întreruptorului ( =0,04…0,06 s). Pentru protecțiile clasice timpul minim de deconectare din momentul aparitiei scurtcircuitului va fi =0,06…0,10 s. Aceste valori sunt suficiente pentru instalațiile electroenergetice. Deci rapiditatea se obtine prin utilizarea unor echipamente de calitate (performante).

Selectivitatea reprezintă proprietatea unei protecții de a deconecta numai elementul (echipamentul, tronsonul) pe care a apărut defectul, restul instalației (sistemului) rămânând sub tensiune.Protecția trebuie să comande declanșarea celor mai apropiate întreruptoare de la locul defectului. Selectivitatea se poate realiza pe baza de timp (prin temporizări), pe baza de curent sau prin direcționare. În funție de particularitățile instalației și de importanța consumatorului se va adopta prioritatea între rapiditate și selectivitate.

De exemplu, în rețeaua de joasă tensiune, începând de la tabloul general din postul de transformare și până la ultimul receptor, sunt montate diferite aparate de protecție (întreruptoare automate cu declanșatoare, siguranțe fuzibile, relee termice) alese în funcție de cerințele impuse de porțiunea respectivă a rețelei.

Deoarece curentul de defect parcurge toate elementele serie de pe calea de curent de la sursa de alimentare (transformator) pană la locul defectului, el poate influența și alte aparate decât cele care trebuie să elimine defectul produs.

De aceea este necesară corelarea caracteristicilor de protecție pentru asigurarea selectivității protecției, adică să functioneze numai aparatul de protecție de pe tronsonul cu defect, restul instalației rămânând sub tensiune.

Selectivitatea între elementele de protecție se va face comparând caracteristicile timp-curent, astfel încât timpul de prearc al siguranței din amonte să fie mai mare decat timpul total al siguranței din aval sau timpul de declansare al intretruptorului.

Selectivitatea la scurtcircuit se determină comparând valorile de prearc al siguranței din amonte să fie mai mare decât al siguranței din aval sau al aparatului protejat.

Pentru aparatele de protecție se poate calcula pentru curentul limită termic și timpul impus. Selectivitatea sigurantelor fuzibile poate fi analizata si din punct de vedere al stabilitatii dinamice a aparatelor de comutatie la scurtcircuit. De exemplu, in ansamblul siguranta-contactor-relee termice, siguranta asigura protectia la scurtcircuit, iar releele termice protecția la suprasarcina. Curentul limitat (taiat) de siguranta trebuie sa fie suportat de contactor.

Functionarea selectiva a protectiei se verifica in mod riguros prin suprapunerea caracteristicilor de protectie ale dispozitivelor care lucreaza in serie.

Vor rezulta diferente de timp intre timpii de actionare la aceleasi valori ale curentului. Selectivitatea este asigurata atunci cand diferentele de timp sunt suficiente.

Siguranța presupune actionarea protectiei numai cand este necesar, fara functionari intempestive, adica atunci cand nu au aparut defecte in instalatia protejata. Siguranta presupune o protectie bine proiectata (alegerea tipului schemei reglajului si calculul acestuia) si echipamente cu fiabilitate ridicata. Acestea se pot obtine printr-un grad crescut de integrare, folosind microprocesoare specializate.

Sensibilitatea constă în sesizarea tuturor defectelor și regimurilor anormale de funcționare chiar dacă acestea se deosebesc foarte puțin de regimul normal de funcționare. Ea se apreciază printr-un coeficient de sensibilitate a căror valoare este stabilită prin normative. Pentru ca o protecție să fie sensibilă trebuie ca elementele componente schemei să consume o putere cât mai redusă pentru acționare.

Independenta de schema de conexiuni protectia unei instalatii trebuie astfel proiectata incat sa actioneze corect, independent de configuratia schemei de conexiuni a sistemului electric la momentul respectiv (de numarul surselor in functiune si pozitia cuplelor). Corectitudinea functionarii protectiei se asigura verificand selectivitatea in regim maxim si sensibilitatea in regim minim.

Eficienta economica -cu toate ca in general costul echipamentelor de protectie este mic in comparatie cu costul instalatiilor protejate, cheltuielile de investitii si de exploatare vor fi comparate cu daunele produse in cazul nefunctionarii protectiei. De aceea, nu este indicat sa se faca economii la acest capitol. Pe langa aceste calitati, la alegerea instalatiilor de protectie se vor mai avea in vedere: gabaritul, elasticitatea in modificarea caracteristicilor de actionare, tipizarea (modularea) subansamblelor, invariabiliatea parametrilor reglati si a caracteristicilor indiferent de conditiile de functionare (vibratii, temperatura variabila, variatia regimului de functionare al instalatiei protejate). Proiectarea instalatiilor de protectie trebuie sa aiba ca obiectiv pastrarea continuitatii in alimentarea cu energie electrica a consumatorilor, chiar in cazul aparitiei unor defecte in sistem.

Evoluția protecțiilor prin relee

3.3 Tipuri de protectii. Principii tehnice

3.3.1 Protectia maximala de curent

Scurtcircuitele sunt caracterizate prin creșteri ale curenților față de regimul normal. Protecțiile de curent sunt în general protecții maximale de curent și acționează atunci când valorile curenților depășesc anumite valori prestabilite. Ele se realizează cu relee de curent ce pot fi conectate:

• direct în circuitul primar protejat purtând denumirea de relee primare;

• indirect prin intermediul transformatoarelor de măsură de curent , numite relee secundare.

În figura 1.2 se prezintă protecția de curent cu un releu secundar. Protecția de curent acționează , releul de curent I își închide contactul normal deschis atunci când curentul primar Ip , în sensul creșterii devine:

(1.1)
unde Ipp se numește curent de pornire al protecției. Curentul de pornire al protecției este un curent primar , căruia îi corespunde în secundar un curent de pornire al releului Ipr care este un curent secundar , al cărui mărime se determină cu relația:

(1.2)
unde nTC este raportul de transformare al transformatorului de măsură de curent TC.

Protecția de curent își revine , releul de curent deschizându-și contactul când curentul primar , în sensul descreșterii devine:

(1.3)

În expresia (1.3) Irev.p este curentul de revenire al protecției.

Curentului de revenire primar îi corespunde un curent de revenire al releului Irev.r , fiind un curent secundar determinat cu relația:

(1.4)

Caracteristicile de acționare ale unui releu de curent cu contact normal deschis (cnd) și normal închis (cnî) sunt prezentate în figura 1.3 , a , b , unde y indică starea contactului releului.

Se definește coeficientul de revenire krev al releelor maximale și al protecției maximale de curent cu expresia:

(1.5)

Condiția de sensibilitate a protecției impune un coeficient krev cât mai apropiat de unitate , iar siguranța în funcționare impune să fie subunitar. Releele maximale electromagnetice de curent au un coeficient de revenire mediu krev = 0,85 , iar cele electronice krev = 0,99.

În figura 1.4 se prezintă modul de stabilire a valorilor Ipp , Irev.p în raport cu regimul normal și de scurtcircuit.

Fig. 1.4. Stabilirea valorilor Ipp , Irev.p în raport cu domeniul regimului normal și de scurtcircuit pentru protecția maximală de curent.

În figura 1.4 este indicat modul în care trebuie să fie stabilite , în general , valorile curenților Ipp , Irev.p în raport cu , curentul nominal In și de sarcină maximă Isar.max pe de o parte și în raport cu curentul de scurtcircuit minim Isc.min pe de altă parte adică:

(1.6)

De asemenea , pentru ca o protecție să-și revină după lichidarea unui defect pe un element vecin , de către protecția acelui element , sunt necesare și condițiile:

(1.7)

Prin introducerea unui coeficient de siguranță , relațiile (1.7) devin:

(1.8)

Prin luarea în considerare a relației (1.8) , expresia (1.5) ia forma:

(1.9)

Relațiile (1.9) constituie expresiile uzuale pentru calculul parametrilor de pornire ale protecției maximale de curent.

Pentru identificarea unor defecte nesimetrice se folosesc protecții de curent de secvență inversă (împotriva defectelor bifazate) și protecții de curent de secvență homopolară (împotriva defectelor monofazate).

Protecția de curent de secvență inversă este constituită din transformatoare de măsură de curent , filtru de curent de secvență inversă și releu de curent așa cum se prezintă în figura 1.5.

3.3.2 Protecția de tensiune

Scurtcircuitele polifazate sunt însoțite de scăderea tensiunii între fazele pe care s-a produs defectul iar scurtcircuitele monofazate conduc la reducerea tensiunii fazei respective. Protecția de minimă tensiune poate sesiza aceste defecte și în plus nu acționează în cazul regimurilor de suprasarcina.

Scurtcircuitele nesimetrice sunt însoțite de apariția componentei de secvență inversă a tensiunii (scurtcircuite bifazate) și a componentei de secvență homopolară (scurtcircuitele monofazate).

Protecția maximală de tensiune de secvență inversă sau homopolară poate sesiza apariția unor asemenea defecte

3.3.2.1 Protecția de minima tenisune

Această protecție se realizează cu relee de minimă tensiune conectate în secundarul transformatorului de măsură de tensiune , așa cum se indică în schema din figura 1.12.

Fig. 1.12. Reprezentarea protecției de minimă tensiune (a) și caracteristica de acționare a releului de minimă tensiune cu contact normal închis.

Protecția de minimă tensiune își revine (releul de tensiune își deschide contactul) atunci când tensiunea , în sensul creșterii , atinge valoarea Urev.p – tensiunea de revenire a protecției , respectiv.

(1.17)

Tensiunii de revenire a protecției îi corespunde tensiunea de revenire a releului , Urev.r , a cărei valoare este dată de relația:

(1.18)

unde – raportul de transformare al transformatorului de măsură a tensiunii.

Caracteristica de acționare a unui releu de minimă tensiune cu contact normal închis este prezentată în figura 1.12 b , unde y reflectă starea contactului de ieșire.

Coeficientul de revenire al releelor minimale de tensiune este dat de relația:

(1.19)

Releele de minimă tensiune se realizează într-un mod asemănător cu releele maximale de curent. Astfel pentru releele electromagnetice se obține , iar pentru cele electronice .

În figura 1.13 se prezintă domeniul valorilor tensiunii în regim normal și de scurtcircuit.

Fig. 1.13. Domeniul valorilor tensiunii în regim normal și de scurtcircuit.

Din figura 1.13 se observă domeniile corespunzătoare regimului normal , respectiv

(1.20)
și cele pentru regimul de scurtcircuit , pentru care

(1.21)

Tensiunea de pornire și cea de revenire trebuie să îndeplinească condițiile:

(1.22)

Dacă în (1.21) se consideră că:

(1.23)
unde din (1.18) și (1.22) rezultă relația de calcul a tensiunii de pornire ca având forma:

(1.24)

Protecția de minimă tensiune nu se utilizează ca protecție de sine stătătoare , ci în combinație cu protecția maximală de curent pentru creșterea sensibilității acesteia.

5.3.2.2 Protecția maximală de tensiune

Permite identificarea unor defecte nesimetrice , cum ar fi punerile monofazate la pământ în rețelele de medie tensiune cu neutrul izolat sau tratat prin bobină de stingere , în care releul maximal de tensiune este conectat în secundarul în triunghi deschis al transformatorului de măsură de tensiune al barei respective , având rol de filtru de tensiune de secvență homopolară , figura 1.14 b sau în prima înfășurare secundară a acestui transformator pentru protecția de secvență inversă a generatoarelor sincrone , figura 1.14 a.

Fig. 1.14. Protecții maximale de tensiune de secvență inversă (a) , homopolară (b) și caracteristica releului maximal de tensiune cu c.n.d. (c).

În cazul acestei protecții se pot defini:

Tensiunea de pornire a protecției , este valoarea la care , în sensul creșterii tensiunii , protecția acționează:
(1.25)

Tensiunea de pornire a releului:
(1.26)

Tensiunea de revenire a protecției , , este valoarea la care , în sensul scăderii tensiunii , protecția își revine:
sau (1.27)

Tensiunea de revenire a releului:
(1.28)

Coeficientul de revenire:
(1.29)

Caracteristica de acționare a unui releu maximal de tensiune cu contact normal deschis este prezentată în figura 1.14 c.

Releele maximale de tensiune se pot realiza pe aceleași principii ca și cele maximale de curent. Pentru releele maximale de tensiune electromagnetice , , iar pentru cele electronice .

În figura 1.15 se prezintă domeniile de tensiune de secvență inversă sau homopolară în regim normal și de scurtcircuit nesimetric.

Fig. 1.15. Domeniile tensiunii de secvență inversă sau homopolară în regim normal și de scurtcircuit nesimetric.

Pentru stabilirea valorii tensiunii de pornire a protecțiilor maximale de tensiune de secvență inversă sau homopolară conform figurii 1.15 trebuie adoptate condițiile:

sau (1.30)
care conduc la relațiile:

sau (1.31)
unde .

Dacă se ține seama de (1.28) se poate scrie:

sau (1.32)

Prin luarea în considerare a relațiilor (1.28), (1.32) devine:

(1.33)
unde .

5.3.3 Protecția direcțională

Această protecție se utilizează în combinație cu alte protecții – de curent sau de impedanță , pentru localizarea defectului pe liniile cu alimentare bilaterală. Pentru a evidenția principiul protecției direcționale se consideră figura 1.16 care are în structura sa două linii , alimentate de centralele C1 , C1.

Fig. 1.16. Schema electrică și diagramele fazoriale corespunzătoare regimului normal (a) și de defect în K1 (b).

Se consideră defazajul φ al curentului față de tensiune , ce corespunde sensului convențional al curentului de la bară spre linie , în timp ce defazajul φ + π corespunde sensului convențional al curentului de la linie spre bară.

Figura 1.16 a corespunde regimului normal , iar regimului de scurtcircuit în punctul K1 îi corespunde figura 1.16 b. Diagramele fazoriale corespund curentului și tensiunii pe o fază. Din analiza diagramelor fazoriale corespunzătoare celor două situații rezultă:

în regimul normal , pentru fiecare linie curentul de la o extremitate circulă de la bară spre linie – defazajul φ – , iar curentul de la cealaltă extremitate circulă de la linie spre bară – defazajul φ+ π ;

în cazul scurtcircuitului în punctul K1 pe linia L1 , figura 1.16 b , curenții și circulă de la bară spre linie , defazaj φK , iar curenții de la linie spre bară – defazaj φK+ π , iar de la bară spre linie , defazaj φK .

Se constată că prin controlul sensurilor de circulație ale curenților și sau al defazajelor lor față de tensiunea , respectiv poate fi localizat defectul în K1 , utilizându-se relee direcționale.

Aceste relee numite și relee de putere – de sens al puterii , nu de valoarea acesteia – se conectează în circuit ca în figura 1.17 b , ce corespunde cazului particular al releului de putere activă cu și .

Releele direcționale în construcția clasică pot fi electromecanice (de inducție) sau statice (electronice). Un releu direcțional de inducție conține în principal un circuit magnetic cu două bobine , de curent și tensiune și un rotor din aluminiu în care apare un cuplu de acționare de forma:

(1.34)

5.3.4 Protecția diferențială longitudinală

Funcționare protecției diferențiale se bazează pe compararea mărimilor electrice de același tip de la extremitățile elementului protejat sau în circuite identice conectate în paralel , compararea făcându-se atât din punct de vedere al amplitudinilor cât și din punct de vedere al defezajelor.

Cele două posibilități de aplicare a principiului diferențial determină două tipuri de protecții diferențiale: longitudinală când se compară mărimile de la intrare și ieșire din elementul protejat și transversală când se compară mărimi identice ce funcționează în paralel.

În cazul primului tip de protecție , în regim normal de funcționare sau la scurtcircuit exterior , curenții de la intrarea și ieșirea din elementul protejat sunt egali și în fază – excepție face transformatorul pentru care această protecție are anumite particularități , așa cum se prezintă în figura 1.28.

Protecția diferențială longitudinală.

Se folosește împotriva scurtcircuitelor polifazate cu întindere teritorială redusă datorită necesității unor conductoare de legătură între extremități , cum sunt generatoarele , transformatoarele și liniile de lungimi reduse.

Acest tip de protecție se realizează în două variante și anume:

cu circulația curenților;

cu echilibrarea tensiunilor.

Ambele scheme funcționează pe principiul comparării în modul și fază a curenților de la începutul și sfârșitul elementului protejat , extremitățile care delimitează zona protejată. În acest scop , la extremitățile menționate , pe fiecare fază se montează transformatoare de măsură de curent , cât mai apropiate de întrerupătoarele elementului protejat. Cele două transformatoare de curent de pe fiecare fază , se aleg și se conectează astfel încât în regimul normal sau de scurtcircuit exterior , curenții secundari ale transformatoarelor de măsură de curent să fie egale și în fază.

Dacă curenții primari în regimul normal de funcționare sunt egali

, (1.60)

iar transformatoarele de măsură de curent TCA , TCB cu caracteristici de magnetizare identice , teoretic , curenții secundari sunt egali și în fază.

(1.61)

iar prin releu va circula curentul

(1.62)

Dacă în regim normal și la defecte exterioare , curenții primari nu sunt egali și în fază , pentru a asigura egalitatea curenților secundari în modul și fază se aleg în mod corespunzător rapoartele de transformare a transformatoarelor de măsură de curent ale montajului diferențial precum și modul de conectare al înfășurărilor secundare ale acestora.

La defecte în zona protejată , punctul K2 , valorile curenților primari de la extremitățile elementului protejat nu mai sunt aceleași , iar sensul curentului de la extremitatea B se inversează.

(1.63)

Curentul prin releu are valoarea:

(1.64)
și are o valoare ridicată întrucât și sunt în opoziție de fază , iar diferența lo din (1.64) devine egală cu suma curenților secundari:

(1.65)
unde este curentul de scurtcircuit primar total raportat la secundar.

În cazul când elementul protejat este alimentat numai din sursa A,

, și (1.66)

În condițiile reale , transformatoarele de măsură de curent TCA , TCB , funcționează cu erori ceea ce face ca în regim normal și la defecte exterioare,

(1.67)
deci

(1.68)
prin releul de curent circulă curentul de dezechilibru raportata la secundar,

(1.69)
de care trebuie să se țină seama în alegerea curentului de pornire al releului și al protecției , respectiv:

(1.70)

Evoluția construcției releelor de protecție.Funcția de protecție

Utilizarea largă a releelor de protecție, ce a impus realizarea lor industrială, s-a impus la începutul secolului al XX-lea, în 1902 fiind folosite pentru protecția unei linii electrice, relee maximale electromagnetice de curent. Principiile de realizare a protecției de curent au fost extinse pentru obținerea unor protecții mai bine adaptate pentru anumite situații de defect și anume protecția diferențială, ce propune compararea unor mărimi electrice identice (curenți), aceasta fiind propusă în anul 1905.

Dezvoltarea electronicii a condus la primele încercări de realizare a releelor statice (electronice) după 1940. S-au propus de asemenea releele cu comutație magnetică, cu combinații de transformatoare, modulatoare sau amplificatoare magnetice, însă utilizarea acestora era limitată de dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare, a căror miniaturizare și perfecționare continuă a condus la obținerea unor protecții cu performanțe superioare releelor din generațiile anterioare.

Procedeele numerice de tratare a semnalelor, de eșantionare sau/și de memorare a acestora (tensiuni, curenți…), dezvoltarea calculatoarelor numerice, au oferit, dupa 1960 o alternativă nouă pentru tehnicile analogice, care erau folosite anterior în realizarea releelor de protecție și a sistemelor complexe de protecție.

Noile realizări de relee și protecții digitale și-au probat calitățile și au fost acceptate deplin în tehnica inginerească, existând astfel corespondentul digital în realizarea tuturor tipurilor de relee de protecție, necesare în instalațiile electrice. Performanțele acestora au evoluat, fiind capabile să anticipeze valorile periculoase ale unor mărimi electrice ( curent, tensiune), prin evaluarea derivatei acestor mărimi, astfel încât a devenit posibilă chiar asigurarea protecției în schemele cu semiconductoare.

După apariția microprocesoarelor și a microcontrolerelor, cu posibilități deosebite de procesare a datelor, s-a trecut la un nou concept în realizarea sistemelor de protecție a instalațiilor electrice, realizându-se la scară largă protecții numerice.

Schema de protecție cu microcontroler sau cu microprocesor, asigură prelucrarea logică a mărimilor, ducând la posibilitatea identificării situațiilor de defect și de a genera o comanda convenabilă de protecție, ce ține seama și de restricțiile memorate de sistemul numeric de protecție astfel realizat.

Mărimile de intrare pot fi curenți, tensiuni normalizate, de tip analogic sau numeric, în concordanță cu capacitatea microprocesorului considerat. Uneori asemenea scheme numerice de protecție pot fi atașate la mai multe elemente protejate, a căror stare este evaluată într-o succesiune dată, prin lectura mărimilor de intrare specifice, ce permit luara unei decizii convenabile de protecție, chiar și aceea a deconectării conform unei caracteristici de protecție t (I) de tip dependent, înscrisă în memoria protecției.

În figura ……. este prezentată schema de principiu a declanșatorului electronic echipat pe un întrerupător automat de joasă tensiune, cu avantaje legate de adaptrea aparatului de comutație la condițiile de exploatare : gama largă de reglaj a valorilor curentului, repunere imediată în funcționare după deconectare, posibilitatea de a eșalona caracteristica de protecție dependentă în mai multe trepte, selectivitate sporită în deconectarea unor defecte, etc.

se

TC

si

TT se

si

DA

Fig…. Schema de principiu a declanșatorului electronic

Alimentara declanșatorului electronic se realizează cu semnale tipizate, obținute de la un transformator de curent TC, respectiv de la un transformator de tensiune TT. În blocul ,,m’’ se prelucrează semnalul provenit de la TC (redresare, comparare), după care semnalul rezultat este trimis pe canalul ,,1’’ care realizează caracteristica de protecție dependentă, dar și pe canalul ,,2’’, ce realizează caracteristica de protecție independent, pentru curenți de ( 2-12)IR, unde IR reprezintă curentul de reglaj al protecției, respectiv pe canalul ,,3’’, ce realizează caracteristica de protecție de tip independent neregrabil pentru curenți de defect intenși, 24 IR.

Cele 3 canale, dispun împreuna de un etaj final de declanșare ,,d’’, de un etaj pentru blocarea reînchiderii după o declanșare ,,b’’ și de un etaj de anulare a blocajului ,,ab’’, completate cu blocuri de semnalizare internă ,,si’’. Pentru alimentarea cu energie a schemei declanșatorului electronic este folosit transformatorul de tensiune TT.

Schema de principiu a unui releu numeric, în care sunt precizate elementele de bază care intră în componența acestuia, este redata in figura…..

U I

Fig……Schema de principiu a unui releu numeric

Între aceste elemente componente ale releelor numerice semnalăm: elementele de izolare galvanic a intrărilor și a ieșirilor, cu separare galvanică între circuitul protejat și releul numeric (folosind transformatoare sau comenzi optice de exemplu), filtre speciale, elementul de eșantionare-memorare pilotate cu o bază de timp proprie (ceas),convertorul analogic/numeric, procesorul, completate cu cele trei tipuri de memorii ( RAM, ROM și EPROM).

Fiecare dintre aceste elemente, proprii unor structuri numerice logice, se poate realiza pe baza unor principii funcționale speciale, având performanțe care se reflectă în performanțele ansamblului, în acest caz releul numeric de protecție.

Pornind de la asemenea structuri se pot realiza protecții numerice sau digitale complexe, care răspund cerințelor precizate prin funcția de protecție, adaptată obiectului protejat.

Echipamente de comutație

Întrerupătoare de medie tensiune cu SF6

Introducere

Principiul auto-expansiunii-tehnica de rupere

Această tehnică este rezultatul unei experiențe de mulți ani în domeniul tehnologiei SF6

și a tehnologiei majore. Combină efectul expansiunii termice cu tehnica arcului rotativ pentru a crea condiții de suflare și de stingere a arcului. Rezultatul este reducerea energiei stocate și eroziunea contactului arc, adică creșterea rezistenței mecanice și electrice.

Secvența de operare a unei camere de rupere cu auto-expansiune a cărei partea mobilă este acționată de mecanismul de acționare mecanică are loc în etapele:

Fig. 1:Întrerupătorul este închis.

Fig. 2:La deschiderea contactelor principale (a), curentul este dirijat în circuitul de frânare (b).

Fig. 3: La separarea contactelor de arc, apare un arc electric în volumul de expansiune (c). Acest arc se rotește sub efectul câmpului magnetic creat de bobina (d) prin care curge curentul de rupere. Suprapresiunea generată de creșterea temperaturii gazului în volumul de expansiune (c) determină un flux gazos care suflă arcul în interiorul contactului arc tubular (e) și are ca rezultat stingerea de arc atunci când curentul trece prin punctul zero.

Fig. 4: Întrerupătorul este deschis.

Fig…. Arc electric într-o cameră de rupere automată

Comparație între tipuri de întrerupatoare

SEPAM