Metode de Tratarea Neutrului In Instalatiile Electrice de Tensiune Medie din Centrale Si Statiile Electrice

Metode de tratarea neutrului in instalatiile electrice de tensiune medie din centrale si statiile electrice

1.1.1. Definiții și fenomene de bază

Alegerea modului de tratare (legare) a neutrului transformatoarelor din rețelele electrice de diferite tensiuni, care alcătuiesc sistemul electroenergetic, constituie una din problemele de proiectare cele mai importante, pe de o parte datorită numărului mare de parametri care trebuie luați în considerare, iar pe de altă parte, în special datorită dificultății de obținere a unei formulări tehnico-economice corespunzătoare, care să poată îngloba toți acești parametri.

Prin tratarea neutrului se urmărește ca în cazul punerii la pământ a unei faze să se asigure lichidarea rapidă și sigură a arcului electric ce ia naștere în aceste cazuri, pentru a evita deconectarea liniei sau transformarea incidentului într-o avarie (scurtcircuit între două sau trei faze și pământ). Prin urmare tratarea neutrului rețelelor electrice constituie unul din factorii care condiționează siguranța în alimentarea cu energie electrică a consumatorilor.

Neutrul electric al unui sistem trifazat echilibrat de succesiune pozitivă corespunde centrului de greutate al triunghiului echilateral alcătuit din tensiunile dintre faze (Uab, Ubc, Uca) (fig 1.1). Într-o rețea electrică alimentată prin secundarul unui transformator cu conexiunea stea, de exemplu, acest neutru există și definește cele trei tensiuni de fază reprezentate prin fazorii Va, Vb, Vc. El se poate verifica cu ajutorul montajului electric dat în figura 1.1,b. Dacă cele trei lămpi cu incandescență sunt identice, atunci ele au la borne o tensiune de 230 V iar punctul lor comun se află la potențialul neutrului electric N.

a b

Fig. 1.1. Definirea neutrului N pentru o rețea trifazată.

Neutrul fizic este reprezentat prin punctul comun de conectare al înfășurărilor unui generator legate în stea sau ale secundarului unui transformator legat în stea sau în zigzag. Acest neutru poate fi scos la borne sau nu, poate fi distribuit sau nu. Când este distribuit de el se leagă un conductor neutru.

Termenul de “tratare a neutrului” semnifică de fapt o situație mai generală și are în vedere situația neutrului și în cazul când între acesta și pământ nu se interpune nici o impedanță fizică.

Din punct de vedere a situației relative a neutrului față de pământ, recomandările Comisiei Electrotehnice Internaționale (CEI) prevăd următoarele tipuri de rețele (fig. 1.2):

rețele cu neutrul izolat;

rețele cu neutrul legat direct la pământ (rigid – efectiv), prin rezistență sau prin reactanță;

rețele cu neutrul tratat prin sistem rezonant (bobină de compensare).

Fig.1.2. Situații relative ale neutrului rețelelor electrice față de pământ:

a) rețea cu neutrul izolat; b) rețea cu neutrul legat; c) rețea cu neutrul tratat prin sistem rezonant.

Se menționează că nu întotdeauna neutrul rețelei este accesibil. În aceste cazuri se creează un “neutru artificial” folosind transformatorul Bauch, bobina specială pentru tratarea neutrului (BPN) sau înfășurarea primară a unui transformator de servicii proprii (TSP).

Independent de modul de tratare a neutrului, un fenomen foarte important în rețelele electrice care poate să ducă la întreruperea în alimentarea cu energie electrică a consumatorilor constă în punerea la pământ a unei faze, provocată de regulă de conturnarea izolației liniei datorată supratensiunilor atmosferice sau interne. Fenomenele care se desfășoară în continuare sunt dependente de tratarea neutrului și ele afectează mărimea potențialului neutrului rețelei în raport cu pământul, valoarea curentului de defect la pământ și a tensiunilor fazei defecte respectiv a fazelor sănătoase, durata de menținere a arcului electric prin care s-a realizat punerea la pământ, condițiile de revenire la regimul normal de funcționare etc.

Totodată, este necesar ca, la punerea la pământ a unei faze, curentul de scurtcircuit monofazat ce apare să fie mai mic decât cel trifazat.

Tratarea neutrului a fost o problemă mult discutată în evoluția și dezvoltarea rețelelor electrice datorită numeroșilor factori ce trebuiesc luați în considerare la aplicarea uneia din soluții, precum și a implicațiilor pe care le atrage după sine adoptarea acesteia.

Dintre factorii ce trebuie luați în considerare din punct de vedere al rețelei se pot menționa:

mărimea curentului de defect;

mărimea supratensiunilor;

realizarea constructivă a liniei;

localizarea selectivă a defectului;

eliminarea automată a defectului;

iar din punct de vedere al consumatorilor alimentați de aceasta:

alimentarea fără întrerupere;

compatibilitatea cu alimentarea proceselor industriale aferente altor consumatori.

La cele de mai sus trebuie adăugată experiența de exploatare dobândită în timp și tradiția existentă în acest domeniu.

1.1.2. Potențialul neutrului rețelei în raport cu pământul

Potențialul fazelor rețelei poate fi măsurat în raport cu neutrul rețelei sau în raport cu pământul. În primul caz tensiunile fazelor (Va, Vb, Vc) sunt furnizate de sursa de putere: generatorul sincron sau secundarul transformatorului de alimentare a rețelei electrice. Aceste tensiuni sunt practic egale în amplitudine și asigură un sistem simetric de succesiune pozitivă. Pe de altă parte, potențialul neutrului în raport cu pământul depinde de valoarea admitanțelor fazelor liniei față de pământ , unde . În cazul în care rețeaua este simetrică iar regimul de funcționare este normal, cele trei admitanțe transversale sunt egale, deci sau și . Astfel, potențialul neutrului în raport cu pământul este dat de relația:

(1)

Prin urmare, potențialul neutrului rețelelor care funcționează în regim normal este nul (identic cu acela al pământului, care este zero) indiferent de modul de tratare a neutrului (adică de valoarea impedanței ZN).

a. b.

Fig. 1.3. Rețea simetrică cu neutrul tratat funcționând în regim normal: a) evidențierea admitanțelor liniei față de pământ; b) diagrama fazorială a tensiunilor fazelor față de punctul neutru.

În realitate, din diverse cauze, potențialul punctului neutru al unei rețele electrice este diferit de potențialul pământului. Astfel, dacă capacitățile față de pământ ale fazelor și rezistențele de izolație ale acestora nu sunt identice, atunci se creează o oarecare nesimetrie a rețelei care se caracterizează printr-o deplasare a punctului neutru în raport cu pământul.

Dacă se consideră punerea la pământ a unei faze, de exemplu faza c (fig.1.4), admitanța corespunzătoare acelei faze devine nulă iar potențialul neutrului în raport cu pământul depinde de mărimea impedanței de tratare a neutrului Z. Dacă această impedanță are valoare mare sau nu există (), atunci potențialul neutrului ia valoarea tensiunii de fază furnizate de sursa de putere iar dacă impedanța Z este mică sau nulă potențialul neutrului are o valoare mică sau nulă. În prima situație tensiunile fazelor sănătoase cresc la valoarea tensiunii între faze solicitând izolația rețelei; în a doua, apare un curent mare de scurtcircuit care solicită căile de curent ale rețelei.

Fig. 1.4. Schema echivalentă a unei rețele trifazată cu punere la pământ monofazată.

Deci, în funcție de mărimea și caracterul impedanței ZN, punctul P (care reprezintă potențialul pământului) se poate deplasa în orice poziție în interiorul triunghiului abc, iar corespunzător potențialul lui N poate lua orice valoare între 0 și V. Aceeași situație se poate întâmpla dacă se consideră , iar admitanțele , , au valori diferite.

Ca urmare se poate afirma că atât în regim normal de funcționare, cât și în acela de defect monofazat provocat de o punere la pământ a uneia dintre faze, potențialul neutrului nu este identic cu acela al pământului.

1.1.4. Aplicarea metodei componentelor simetrice la calculul curentului de punere la pământ a unei faze

Defectul monofazat introduce o nesimetrie transversală a rețelei electrice, a cărei funcționare se poate analiza folosind metoda componentelor simetrice. În acest sens, rețeaua reală poate fi descompusă în trei rețele de secvență: pozitivă, negativă și zero (Fig. 1.6).

La producerea unui defect monofazat, curenții de secvență zero apar doar dacă există o cale de întoarcere, adică, dacă există o conexiune fizică între punctul neutru și pământ. Dacă punctul neutru al rețelei este tratat prin rezistor sau bobină, trebuie introdusă o impedanță în rețeaua de secvență zero în serie cu impedanța de secvență zero.

Fig. 1.6. Schema de principiu utilizată pentru calculul curentului de defect folosind metoda componentelor simetrice: a. Reprezentarea defectului; b. Conectarea rețelelor de secvență; c. Descompunerea sistemului de curenți capacitivi în componente de secvență.

Pentru a echilibra rețelele de secvență, se definește, de asemenea, rețeaua de secvență negativă, care este de fapt rețeaua de secvență directă pasivizată.

Ecuațiile dintre tensiunile de fază și cele de secvență sunt:

Rezultă:

cu mențiunea că ecuațiile sunt raportate la faza c. Un sistem similar de ecuații se poate scrie și pentru cureți.

Cunoscând faptul că, curenții de secvență sunt egali, , curentul de defect se deduce din:

(2)

sau, dacă se ia în considerare impedanța de defect și cunoscând că , expresia (2) devine:

(3)

unde: este tensiunea electromotoare corespunzătoare secțiunii cu defect, dar în lipsa defectului. Cu alte cuvinte, aceasta este tensiunea de fază a fazei c;

– impedanța echivalentă a rețelei de secvență pozitivă, văzută de la locul defectului;

– impedanța echivalentă a rețelei de secvență negativă, văzută de la locul defectului;

– impedanța echivalentă a rețelei de secvență zero, văzută de la locul defectului.

Evident, una dintre cele mai importante probleme în calcularea curentului de defect este formarea rețelelor de secvență, dar în special cea de secvență zero.

Fig. 1.7. Schema de calculul a curentului de defect monofazat, într-o rețea de medie tensiune: a. Circuitul trifazat; b. Schema echivalentă monofazată de secvență zero.

expresia (3), a curentului de defect, devine:

Pe baza acestei expresii se realizează schema echivalentă din Figura 1.8. Această schemă ne arată că, curentul de defect are două componente: una datorată admitanței rețelei față de pământ și una datorată admitanței prin care neutrul este legat la pământ .

1.1.5. Considerații privind alegerea metodei de tratare a neutrului

Principalele elemente care determină alegerea unei soluții de tratare a neutrului rețelelor electrice sunt:

performanțele cerute în materie de calitatea alimentării consumatorilor și de asigurare a continuității alimentării acestora;

posibilitatea extinderii rețelei;

caracteristicile rețelei și echipamentelor:natura rețelei în cauză (rețea aeriană, în cablu sau mixtă), structura rețelei, gradul de îmbătrânire a izolației, valoarea curenților de defect admisibili, condițiile de mediu în care funcționează liniile electrice aeriene:

siguranța în exploatare;

valorile supratensiunilor și a curenților de defect care pot apare;

posibilitatea realizării unor sisteme de protecție selective și rapide sau a unor automatici corespunzătoare;

gradul de pregătire a personalului de întreținere a instalațiilor (din circuitele primare și secundare);

economicitatea soluției și necesitatea realizării unor tipuri de echipamente noi.

Supratensiunile tranzitorii și temporare de valori mari pot deteriora izolațiile echipamentelor, iar curenții de defect de valori mari pot conduce la tensiuni de atingere și de pas periculoase, peste valorile admise prin norme. De asemenea, dacă curentul de alimentare a defectului depășește valoarea de 3-5 A, arcul electric nu are condiții întotdeauna de deionizare și de autostingere și se poate transforma defectul monofazat în defecte polifazate, având ca efect supratensionarea întregii rețele.

Un alt element care contribuie în mod esențial la amplificarea consecințelor, îl constituie duratele de eliminare a defectului și de separare a elementului defect. Aceste durate depind de modul ales de tratare a neutrului rețelei și de protecțiile și automatizările utilizate, putând fi de ordinul zecilor de minute și chiar orelor în cazul rețelelor cu neutrul izolat sau tratat prin bobină de compensare sau de ordinul fracțiunilor de secundă sau cel mult de ordinul secundelor în cazul în care este posibil ca defectul să fie eliminat prin protecții și automatizări (în cazul rețelelor cu neutru tratat prin impedanțe de valori relativ mici).

Durata de eliminare a defectului este cu atât mai importantă cu cât valorile supratensiunilor în rețea sunt mai mari și cu cât izolația echipamentelor are un nivel de ținere mai coborât în raport cu tensiunea nominală a rețelei sau cu cât această izolație este mai îmbătrânită. De asemenea, supunerea izolațiilor la supratensiuni tranzitorii și temporare de valori mari, pe timp îndelungat, conduce și la îmbătrânirea prematură a acestora.

Normele NTE impun tratarea neutrului rețelelor electrice de medie tensiune în cazul în care curentul capacitiv la defect monofazat în rețeaua legată galvanic depășește valoarea de 10A atunci când nu sunt racordate galvanic la rețea generatoare și atunci când se depășește valoarea de 5A, când la această rețea sunt racordate galvanic generatoare electrice.

Tratarea neutrului nu are nici o influență asupra curenților și tensiunilor în regim normal de funcționare a rețelelor electrice care au o structură și o sarcină simetrică. În cazul unor regimuri nesimetrice însă comportarea rețelei este influențată de modul de tratare a neutrului. Curenții de defect, supratensiunile și tensiunile care rezultă sunt influențate de modul de tratare a neutrului rețelei, acestea având implicații mai mici sau mai mari asupra dimensionării echipamentelor și instalațiilor, securității persoanelor și calității alimentării consumatorilor.

Dublele puneri monofazate la pământ, denumite pe scurt și defecte duble, sunt scurtcircuite monofazate la pământ produse în locuri (puncte) distincte și pe faze diferite ale unei rețele trifazate. În marea majoritate a cazurilor acestea se produc în rețelele electrice cu neutrul izolat sau legat la pământ printr-o bobină de compensare.

1.2. REȚELE CU NEUTRUL IZOLAT

Din punct de vedere istoric, rețelele au funcționat la început cu neutrul izolat. Pentru astfel de rețele un defect pe o fază nu atrage imediat întreruperea funcționării rețelei electrice, putându-se funcționa o perioadă de timp până la identificarea locului de defect și înlăturarea defectului. Pe măsură ce rețelele s-au extins, tensiunea lor nominală a crescut și ca urmare au crescut și capacitățile rețelei față de pământ. Prezența capacităților în rețeaua electrică permite un schimb de energie între faza defectă și fazele sănătoase, iar intensitatea curentului la locul de defect este cu atât mai mare cu cât capacitățile au valori mai ridicate, adică, cu cât rețeaua electrică, legată galvanic, este mai extinsă.

Se consideră rețeaua cu neutrul izolat din figura 1.9. Capacitățile liniei față de pământ s-au notat cu C0 și ele s-au presupus egale pentru fiecare fază iar cu Il,a, Il,b și Il,c curenții de sarcină; ei alcătuiesc un sistem simetric. Același lucru se poate spune și despre curenții capacitivi de încărcare a capacităților naturale față de pământ, Ic,a, Ic,b, Ic,c. Ca urmare potențialul neutrului rețelei VN va fi identic cu acela al pământului.

Dacă una din faze ajunge la pământ, spre exemplu faza c (fig. 1.9), atât valorile tensiunilor cât și cele ale curenților se modifică.

Fig. 1.9. Rețea cu neutrul izolat.

Se constată că în regim cu defect, neutrul N al transformatorului se va găsi față de pământ la tensiunea Vαβ care este chiar tensiunea față de pământ a fazei c în regim normal de funcționare.

Astfel, considerând rețeaua pasivă care prezintă pe legătura de punere la pământ -, tensiunea electromotoare Vαβ = –Vc, potențialul bornei c devine practic egal cu cel al pământului, iar neutrul rețelei se deplasează în poziția N (fig. 1.10) având practic tensiunea Vαβ în raport cu pământul. În realitate diferă puțin de acesta prin căderea de tensiune determinată de curenții capacitivi pe impedanța fazei c a înfășurării transformatorului și a liniei.

Fig. 1.10. Diagrama fazorială a tensiunilor rețelei din fig. 1.9.

În mod asemănător, tensiunea fazelor sănătoase (a, b) se deplasează cu aceeași valoare față de pământ ajungând la valorile Va′ și Vb′. Ca valoare aceste tensiuni sunt egale cu , V fiind tensiunea de fază în regim normal de funcționare.

Curenții care circulă prin rețeaua pasivă, datorați tensiunii Vαβ = –Vc, se închid prin capacitățile față de pământ a fazelor liniei, prin înfășurările transformatorului și prin locul defectului (traseul acestor curenți s-a desenat cu linie întreruptă în fig. 1.9). Acești curenți sunt sinfazici și încarcă transformatorul cu o sarcină de secvență zero, determinând astfel o nesimetrie a tensiunilor și curenților. Curenții care circulă în rețea la punerea la pământ se determină suprapunând peste acești curenți de secvență zero datorați tensiunii Vαβ, curenții capacitivi și curenții de sarcină de la regimul normal de funcționare.

În continuare, pentru simplificarea explicației, se neglijează curenții de sarcină astfel încât va rezulta diagrama fazorială a curenților în rețea, care este prezentată în figura 9,a.

a b c

Fig. 1.11. Situația curenților capacitivi înainte și după punerea la pământ a fazei c, obținerea curentului capacitiv de punere la pământ. a. condiții normale de funcționare; b. situația cu defect; c. compunerea curenților capacitivi pe timpul defectului.

În fig. 1.11,b se prezintă compunerea curenților capacitivi de secvență zero , determinați de tensiunea Vαβ, cu cei de la regimul normal de funcționare ( și ), obținându-se astfel curenții capacitivi și de la regimul de punere la pământ a fazei c.

Prin compunerea curenților și se obține curentul de punere la pământ astfel:

(4)

unde Ic este curentul capacitiv al fazei în regim normal de funcționare. El are expresia:

(5)

în care C0 este capacitatea de secvență zero (față de pământ) a tuturor liniilor ce sunt conectate la secundarul transformatorului din stație.

O exprimare mai exactă a curentului de punere la pământ și a tensiunilor fazelor sănătoase se poate obține dacă se folosește teoria componentelor simetrice. Neglijându-se impedanța de secvență pozitivă Z în raport cu cea de secvență zero, expresia curentului de defect devine:

Orientativ, pentru curentul de punere la pământ se pot folosi și relații aproximative, astfel:

[A], [A]

unde U este tensiunea de serviciu a liniei (aprox. egală cu tensiunea nominală), exprimată în kV, iar L este lungimea liniilor rețelei, exprimată în km.

În general se constată că valoarea curenților capacitivi este mult mai mică decât cea a curenților de sarcină ce trec prin liniile electrice, și ca urmare se poate considera că tensiunile de fază măsurate față de punctul neutru nu se modifică semnificativ. În consecință, rețeaua poate să funcționeze pe o perioadă limitată de timp alimentând consumatorii în condiții acceptabile deși una dintre faze este pusă la pământ.

Cu toate că tensiunile fazelor în raport cu punctul neutru N rămân aproximativ aceleași ca în funcționarea fără defect, potențialul fazelor față de pământ se modifică; potențialul față de pământ al fazei puse la pământ este nul, iar potențialul fazelor sănătoase crește de ori, devenind egal cu tensiunea între faze. În plus la apariția punerii la pământ a fazei se formează un arc electric prin care circulă curentul capacitiv rezultant, arc ce se stinge la fiecare trecere prin zero a curentului. Totuși, în funcție de intensitatea curentului, arcul electric se poate reaprinde după fiecare trecere prin zero a curentului; aceste reaprinderi succesive conduc la așa-zisul arc intermitent care poate provoca supratensiuni periculoase pe fazele sănătoase, atingându-se valori 34 ori tensiunea de fază a rețelei.

Dacă arcul electric intermitent și supratensiunile ce îl însoțesc persistă un număr mai mare de perioade este posibil ca izolația rețelei să fie străpunsă, transformând punerea la pământ în scurtcircuit bifazat sau trifazat. Din acest motiv, trebuie luate măsuri pentru protecția rețelei în sensul evitării arcului intermitent. Din cercetările efectuate în România s-a constatat că arcul electric intermitent apare atunci când intensitatea curentului la locul de defect depășește 5-10 A, dar nu va fi mai mare de 30 A. Pentru valori mai mici decât 5 A arcul se stinge chiar de la prima trecere prin zero, astfel că rețeaua poate să își reia funcționarea normală.

Pe baza acestor constatări se poate aprecia că LEA cu tensiuni nominale până la 35 kV pot funcționa cu neutrul izolat. În schimb, rețelele electrice subterane de 6-10 kV pot funcționa cu neutrul izolat dacă curentul la locul de defect nu depășește 10A.

Pentru a limita curentul de punere la pământ în rețelele electrice de medie tensiune cu neutrul izolat se practică separarea galvanică a liniilor prin secționarea barelor din stația de alimentare, fiecărei secții de bare revenindu-i un anumit număr de linii, respectiv o anumită lungime de linie conectată într-un nod. Prin aceasta se reușește să se asigure încadrarea curentului capacitiv, respectiv curentului de punere la pământ, în limitele admise.

Concluzii:

Marele avantaj al rețelelor electrice cu neutrul izolat constă în faptul că prezintă că la punerea la pământ a unei faze, consumatorii simetrici rămân pe mai departe alimentați, nefiind obligatorie deconectarea imediată a liniei.

Dezavantajul acestei metode de tratare a neutrului constă în faptul că în cazul unei puneri la pământ tensiunea fazelor sănătoase crește cu (ajungând la valoarea tensiunii între faze), ceea ce poate determina străpungerea izolației pe fazele sănătoase. În plus, în cazul în care curentul capacitiv depășește valorile admisibile, spațiul arcului electric nu se mai deionizează la trecerea prin zero a curentului, iar defectul devenind permanent (va persista pentru mai mult timp), determinând apariția unor supratensiuni de 4-5 ori mai mari decât tensiunile de fază.

1.3. REȚELE CU NEUTRUL TRATAT PRIN BOBINĂ DE STINGERE

Pentru limitarea curentului de punere la pământ, în cadrul rețelelor electrice se folosesc bobine de stingere de tip Petersen montate între neutrul transformatorului și pământ. Această soluție se practică în rețele electrice aeriene de medie tensiune sau la rețele electrice subterane. Rolul bobinei de stingere este de a compensa curentul capacitiv de punere la pământ al fazelor sănătoase astfel încât arcul produs la locul de defect să nu fie stabil (să nu persiste).

Bobina de stingere are în componență un miez de fier, iar reactanța ei poate fi modificată fie prin schimbarea numărului de spire fie prin modificarea întrefierului; se precizează faptul că în regim normal de funcționare, când potențialul neutrului este același cu potențialul pământului, prin bobina de stingere nu circulă nici un curent.

Pentru determinarea curenților suplimentari ce iau naștere la punerea la pământ a unei faze (spre exemplu c, fig. 1.12) se poate aplica teorema lui Thvenin, considerându-se numai rețeaua pasivă și tensiunea V aplicată la locul de punere la pământ.

Fig. 1.12. Rețea cu neutrul tratat prin bobină de stingere.

Sub acțiunea tensiunii V se creează doi curenți:

Un curent capacitiv , corespunzător capacităților liniei față de pământ. Acești curenți se închid prin capacitățile față de pământ ale rețelei și prin înfășurările transformatorului.

și un curent inductiv IL, forțat prin bobina de stingere și faza pusă la pământ.

Cei doi curenți, defazați față de tensiunea V înainte, respectiv în urmă, cu aproape 90, se suprapun la locul de punere la pământ, obținându-se un curent rezidual Ir (fig. 1.13):

(6)

sau, neglijând componentele active ale curentului, se obține:

(7)

Relația (7) s-a scris luând în considerare numai reactanțele celor două circuite.

Fig. 1.13. Diagrama fazorială a curenților circuitelor rețelei pasive din fig. 1.12.

Curentul rezidual prezintă următoarele caracteristici:

este mult mai mic decât curentul capacitiv de punere la pământ, deci toate efectele acestuia vor fi mult diminuate;

faza curentului rezidual este apropiată de faza tensiunii V, fapt ce va favoriza stingerea spontană a arcului electric stabilit la locul punerii la pământ; datorită îmbunătățirii condițiilor de stingere, curentul rezidual poate lua valori mult mai mari (20 – 30 A), fără a exista pericolul de reaprindere a arcului.

Pentru a obține un avantaj maxim, adică un curent rezidual minim, bobina se va alege astfel încât curentul rezidual să fie nul, adică:

rezultând

(8)

Relația (8) exprimă condiția de rezonanță a circuitului paralel echivalent format de cele două ramuri: bobina de stingere și capacitățile de serviciu pe frecvența .

De remarcat faptul că, în realitate, datorită rezistențelor diferitelor elemente ale circuitului, nu se poate obține o compensare totală a curentului capacitiv și ca urmare întotdeauna .

Problemele bobinei de stingere

Aspectele care prezintă interes la tratarea neutrului prin bobina de stingere sunt: a) stabilirea valorii reactanței bobinei, b) construcția bobinei de stingere, c) legarea la rețea a bobinei atunci când neutrul nu este accesibil.

a) Valoarea reactanței bobinei XN se stabilește avându-se în vedere regimul de avarie al rețelei (punerea la pământ a unei faze) și regimul normal de funcționare.

Din punctul de vedere al regimului de avarie se dorește ca curentul rezidual să aibă o valoare cât mai mică, la limită chiar zero. Pentru aceasta este necesar ca curentul capacitiv de punere la pământ să fie egal cu cel care circul prin bobină, adică , ceea ce reprezintă condiția de rezonanță paralelă.

Dar, în regim normal de funcționare, din cauza inegalității capacităților fazelor, îndeosebi la LEA, depunerii neuniforme de murdărie pe izolatoare, montării nesimetrice a transformatoarelor de măsură, etc. se produce o ușoară deplasare a potențialului neutrului față de pământ (sursă de tensiune în circuitul serie; bobină – înfășurări secundare transformator – capacități homopolare linii) care va conduce la apariția unor curenți foarte mari în rețea la conectarea bobinei de stingere acordată la rezonanță. Din acest motiv valoarea reactanței bobinei XN se stabilește astfel încât curentul inductiv prin aceasta să nu compenseze total curentul capacitiv de punere la pământ, adică (). Principial se poate funcționa fie cu o subcompensare, adică , fie cu o supracompensare . În practică se preferă o supracompensare cu 10-15, deoarece în cazul în care s-ar adopta subcompensarea este posibil ca în exploatare, ca urmare a deconectării unei linii alimentate din secumdatul transformatorului să se ajungă la condiția de rezonanță prin scăderea reactanței capacitive totale a liniilor electrice. Nu la fel se pune problema în cazul rețelelor subterane unde gradul de nesimetrie este foarte redus. În acest caz se poate funcționa foarte aproape de rezonanță.

b) Din punct de vedere constructiv, bobina de stingere este asemănătoare cu un transformator monofazat, având înfășurarea primară dispusă pe un miez de fier introdus într-o cuvă metalică și răcită cu ulei de transformator. Curentul care străbate bobina în timpul funcționării acesteia este puțin mai mare decât curentul de punere la pământ al rețelei electrice la care este montată bobina:

Deoarece bobina funcționează un număr redus de ore, respectiv doar atunci când are loc o punere la pământ aceasta nu ajunge practic să atingă temperatura de regim staționar pentru care a fost construit. Din acest motiv, în funcție de durata cât se prevede să funcționeze rețeaua cu punere la pământ, se adoptă pentru înfășurarea bobinei o densitate de curent mult mai mare decât cea economică. Durata prevăzută pentru funcționarea cu punere la pământ depinde de modul de exploatare al rețelei electrice; astfel, odată cu semnalizarea punerii la pământ, semnalizare realizată chiar de curentul care trece prin bobină, o echipă de specialiști se deplasează pe teren pentru remedierea defectului. În general, se admite funcționarea rețelei cu punere la pământ un interval între ½ ore si 2 ore, în funcție de importanța liniei, de zona traversată, de timpul necesar detectării și înlăturării defectului. Dacă defectul nu se poate înlătura atunci rețeaua se deconectează.

Lungimea rețelei electrice se poate modifica în timpul funcționării, astfel că, pentru a modifica valoarea reactanței bobinei, poziția miezului este variabilă, iar uneori înfășurarea este prevăzută cu prize (7…10 prize), ceea ce va permite modificarea curentului inductiv.

Pe miezul bobinei este prevăzută o înfășurare suplimentară folosită pentru protecția prin relee. Ea va indica prezența unei componente de secvență zero (homopolară) a curentului.

c) În cazul în care neutrul transformatorului nu este accesibil (adică înfășurările acestuia sunt conectate în stea) este necesar să se folosească montaje speciale pentru compensarea curenților capacitivi.

Cu toate avantajele menționate, tratarea neutrului cu bobină de stingere nu este eficientă în cazul rețelelor extinse, îndeosebi a celor subterane cu pierderi active mari (cum sunt cele cu izolație de PVC de 6 kV sau 10 kV) sau la puneri la pământ cu impedanță de defect mare.

Dintre avantajele soluției de tratare a neutrului cu bobină de stingere se pot menționa:

dacă pe o linie electrică apare o punere la pământ, protecția acesteia nu o deconectează ci numai semnalizează punerea la pământ, linia funcționând cu defect fie până trece vârful de sarcină sau se iau alte măsuri de alimentare a consumatorilor care ar fi afectați prin scoaterea de sub tensiune a liniei electrice. În România se folosește doar parțial tratarea neutrului prin bobină de stingere în rețelele electrice de medie tensiune;

elimină probabilitatea reaprinderii arcului electric după stingerea acestuia la prima trecere prin zero a curentului și deci pericolul apariției unor supratensiuni dispare;

curentul la locul de defect (curentul rezidual) este redus, cca. câteva procente din valoarea curentului capacitiv al rețelei,

ameliorarea condițiilor de funcționare ale întreruptoarelor în sensul că numărul de declanșări este mult mai mic.

Dezavantajele mai importante ale acestui sistem de tratare sunt:

în cazul punerii la pământ a unei faze tensiunea fazelor sănătoase față de pământ cresc (pot crește) până la valoarea tensiunii între faze, ceea ce impune ca izolația să fie dimensionată pentru o tensiune de solicitare egală cu tensiunea între faze. În plus, spirele dinspre punctul neutru al înfășurării transformatorului trebuie să fie izolate pentru tensiunea de fază și nu apropiată de zero ca în cazul neutrului netratat, în timp ce spirele dinspre linie trebuie să fie dimensionate la valoarea tensiunii între faze.

costul mărit al izolației și echipamentului aferent;

transformarea din defect monofazat în defecte polifazate,

dificultăți în selectarea plecării defecte (mai ales în situația unor puneri la pământ cu impedanță mare de defect),

complicarea instalațiilor de protecție prin relee.

Bobina de stingere se montează în stații diferite astfel încât valoarea lor totală să satisfacă condiția impusă la rezonanță.

1.5. REȚELE CU NEUTRUL LEGAT EFECTIV

Pentru rețelele electrice cu tensiuni nominale punctul neutru al unui sau mai multor transformatoare din fiecare stație de transformare se leagă direct la pământ printr-o legătură netă, solidă. În acest caz, orice punere la pământ a unei faze reprezintă un scurtcircuit monofazat care, având valori mari, determină acționarea protecției prin relee și în consecință deconectarea circuitului avariat.

Principalul avantaj al acestui sistem de tratare constă în aceea că circuitul avariat este scos imediat din funcțiune, iar distrugerile cauzate de arcul electric sunt minime, respectiv scurtcircuitul monofazat nu se mai poate transforma într-un scurtcircuit bifazat sau trifazat cum era în cazul anterior.

Dezavantajul constă în faptul că orice punere la pământ a unei faze determină scoaterea din funcțiune a circuitului respectiv.

În plus, scurtcircuitul fiind nesimetric perturbă instalațiile de telecomunicații și semnalizări feroviare precum și transmisiile radiofonice și TV situate în vecinătate, constituind principalul dezavantaj al legăturii directe la pământ.

În regim permanent situația este identică cu cea de la cazul rețelei cu neutrul izolat.

Dacă una dintre faze (de exemplu, faza c) este pusă la pământ, valorile curenților capacitivi și ai tensiunilor se modifică.

Din figura 14 se observă că datorită apariției arcului electric se formează două circuite prin care circulă curentul de scurtcircuit. Curenții care circulă prin cele două circuite și sunt determinați de reactanțele de dispersie ale transformatorului, de impedanțele liniei, respectiv ale căii de închidere prin pământ. Acestea având valori mici, curentul de punere la pământ, denumit în acest caz curent de scurtcircuit, atinge valori mari și în consecință linia cu defect va fi deconectată de protecțiile prin relee.

Fig. 14. Circulația curentului de scurtcircuit monofazat într-o rețea trifazată
cu un nul legat rigid la pământ și altul izolat.

Întrucât capacitățile liniei sunt mici, curentul capacitiv este redus și poate fi neglijat în continuare. Spre deosebire de cazul rețelelor electrice cu neutrul izolat, în rețelele electrice cu neutrul legat la pământ, curentul de punere la pământ (de scurtcircuit) are un pronunțat caracter inductiv și determină căderi importante de tensiune.

Deoarece între neutrul N al transformatorului și pământ există o legătură metalică (rigidă), potențialul N al transformatorului este ținut rigid (riguros) la potențialul pământului. Din acest motiv potențialul fazelor sănătoase față de pământ rămân la valoarea tensiunii de fază, iar faza cu punere la pământ este practic la potențialul pământului.

Pornind de la expresia curentului monofazat de punere la pământ:

și, prin faptul că există o legătură rigidă la pământ, impedanța legăturii fiind , vom obține

sau

În plus, dacă se neglijează admitanțele capacitive ale liniilor, respectiv componenta curentului capacitiv de scurtcircuit și totodată se neglijează parametrii de secvență zero ai liniei în raport cu cei ai transformatorului, rezultă . Deci:

cu mențiunea

Din analiza ultimei relații se constată că valoarea curentului de scurtcircuit depinde în principal de conexiunea înfășurărilor transformatorului și de construcția miezului magnetic al acestuia.

În majoritatea cazurilor scurtcircuitele monofazate sunt trecătoare și pentru eliminarea efectelor lor se utilizează sistemele RAR (Reanclanșare Automată Rapidă) prin care, după deconectarea defectului urmează o pauză de RAR și apoi linia se reconectează. Pauza de RAR trebuie să fie suficient de mare pentru a putea asigura stingerea arcului electric considerat trecător, dar nu prea mare pentru a nu periclita siguranța rețelei și stabilitatea sistemului. Deconectarea liniilor electrice poate să fie monofazat sau trifazat.

Dacă impedanța de secvență zero a transformatorului este mai mică decât impedanța de secvență pozitivă a rețelei, atunci curentul se scurtcircuit monofazat devine mai mare decât curentul de scurtcircuit trifazat, pentru care sunt dimensionate toate aparatele de comutație din rețea.

Din punct de vedere al tensiunilor pe fază, dacă rezistența de legare la pământ ar fi în mod ideal nulă, în cazul punerii la pământ a unei faze tensiunile fazelor sănătoase față de pământ ar trebui să rămână neschimbată. În realitate, rezistența prizei de legare la pământ, deși are o valoare foarte mică, produce o cădere de tensiune datorată intensității foarte mai a curenților de scurtcircuit monofazat. Ca urmare potențialul neutrului nu rămâne egal cu zero ceea ce face ca tensiunile fazelor sănătoase să crească într-o oarecare măsură. Din această cauză, se impune ca periodic să se facă verificarea prizei de pământ deoarece încălzirea puternică a acesteia la trecerea curenților de scurtcircuit monofazat provoacă o creștere a rezistenței pământului (prin coacere) și neutrul riscă să fie legat la pământ printr-o impedanță ridicată, fără ca specialiștii din exploatare să cunoască acest lucru. Pentru a menține valoarea rezistenței se practică udarea pământului din stație, caz în care rezistența va scădea.

Pentru a obține o rezistență mică a prizei de pământ de ordinul zecilor de ohmi se folosesc circa 100 electrozi, fiecare având o rezistență de 25…30 Ω.

În exploatare se vor avea în vedere două lucruri:

Conform recomandărilor CEI, la rețelele electrice cu neutrul legat direct la pământ, tensiunile fazelor sănătoase nu trebuie să depășească 0,8 din tensiunea între faze, în cazul unui scurtcircuit monofazat.

În același timp, intensitatea curenților de scurtcircuit monofazat nu trebuie să depășească pe cea a curenților de scurtcircuit trifazat.

Respectarea acestor condiții impune un anumit raport între reactanța de secvență zero și cea de secvență pozitivă a rețelei electrice, determinate la locul de scurtcircuit:

o valoare corespunde condiției

o valoare apare din considerentul că tensiunile și pe fazele sănătoase să nu depășească 0,8 din tensiunea între faze (nu apar supratensiuni pe fazele sănătoase)

În practica de exploatare aceste condiții se realizează legând direct la pământ numai punctele neutre ale unora din transformatoare, celelalte rămânând izolate. În general, se recomandă ca în fiecare instalație electrică de înaltă tensiune se existe cel puțin un transformator cu neutrul legat direct la pământ.

CAPITOLUL 2

INSTALATII DE LEGARE LA PAMANT- BAZELE TEORETICE PENTRU CALCUL SI PROIECTARE

Informațiile de bază privind caracteristicile sistemelor de legare la pământ sunt prezentate în acest capitol. Această secțiune oferă un ghid de proiectare, legate de chestiuni practice privind calcule și probleme de proiectare.

Principalele aspecte luate în considerare sunt:

♦ Rezistența de legare la pământ pentru diferite forme constructive ale prizelor;

♦ Materialul utilizat pentru realizarea electrozilor prizei de pământ;

♦ Coroziunea electrozilor prizei de pământ.

În acest capitol sunt prezentate definițiile de bază și relațiile pentru calculul prizei de pământ

și repartiția de potențial pentru un electrod ideal semisferic. Metode silmilare permit formularea de relații pentru alte configurații de electrozi. Totuși, toate aceste relații pleacă de la ipoteza falsă că solul are o structură omogenă și este nelimitat. Mai mult, rezistivitatea ρ a solului se modifică în funcție de conținutul de umiditate și deci în funcție de sezonul din an.

Din această cauză, rezistența prizei de pământ calculată cu aceste relații nu poate fi considerată ca fiind exactă. Pe de altă parte, în practică, nu este necesar un nivel ridicat de acuratețe atunci când se calculează sau când se măsoară rezistența prizei de pământ. Acest parametru are numai o influență indirectă asupra funcționării rețelei electrice și echipamentelor, ca și asupra protecției contra șocurilor electrice. În standardele actuale și în ghidurile majorității țărilor, valoarile maxim admise ale rezistenței prizei de pământ nu sunt specificate, dar este recomandată numai valoarea minim posibilă.

Astfel, rezistențele prizelor de pământ calculate cu relațiile indicate mai jos, trebuie considerate aproximative și, în practică, o incertitudine de ± 30% poate fi considerată ca acceptabilă. Din această cauză, nu este rațional să fie deduse relații exacte, special pentru prize sub formă de rețea sau pentru sisteme complexe de prize. Un avantaj al relațiilor deduse pentru configurații de electrozi simpli este acela că permit o observare clară a relației dintre rezistența prizei de pământ și geometria electrozilor.

Desigur, este totdeauna recomandată utilizarea celor mai exacte relații disponibile. Totuși, în practică, deși se utilizează relații în proiectarea sistemelor de legare la pământ, cele mai exacte informații privind rezistența prizei de pământ se obțin, în prezent, prin măsurători în teren. Principalul subiect luat în considerație aici este calculul rezistenței prizei de pământ și repartiția potențialului pe suprafața solului, pentru diferite tipuri de prize de pământ. Formele tipice de prize de pământ sunt:

♦ priză de suprafață simplă, sub forma de bandă plasată orizontal sau conductoare rectilinii sau în cerc;

♦ priză verticală, cu electrozi de lungime suficientă pentru a traversa straturi de sol cu diferite conductivități; aceasta are o utilizare particulară atunci când straturile de suprafață au o conductivitate redusă comparativ cu straturile profunde, sau când există o limitare semnificativă a ariei suprafeței în care se realizează priza de pământ;

♦ priză sub formă de rețea, realizată în mod uzual ca o rețea plasată orizontal, la o adâncime redusă față de suprafața solului;

♦ cablu cu efect de priză de pământ − cablu a cărui manta metalică expusă, ecran sau armătură asigură o conectare la pământ, cu o rezistență electrică similară unei prize de pământ cu benzi metalice;

♦ priză de pământ de fundație − cuprinde părți metalice incluse în beton, care este în contact cu pământul pe suprafețe mari.

♦ pământul de protecție

♦ pământul funcțional în rețelele electrice

♦ protecția la trăsnete.

Sistemul de pământ de protecție asigură interconectarea sau legarea la pământ a tuturor părților metalice (părți conductoare expuse și externe) pe care o persoană sau un animal ar putea să le atingă. În condiții normale, fără defecte, nu există diferențe de potențial între aceste părți, dar în condiții de defect pot să apară diferențe de potențial periculoase determinate de trecerea curenților de defect. Funcția sistemului de legare la pământ este de a proteja viața contra șocurilor electrice, cerința fundamentală fiind ca potențialul VE al pământului în cazul unui probabil curent de scurtcircuit IE să nu depășească valoarea admisă a potențialului de atingere VF:

VE ≤ VF (1)

În acest fel, rezistența maxim admisă R a prizei de pământ este:

(2)

în care IE este curentul de scurtcircuit monofazat, în cele mai nefavorabile condiții.

În instalațiile industriale, precum și în posturile de transformare, prizele de pământ ale sistemelor de înaltă și joasă tensiune sunt de multe ori comune, determinat de aria disponibilă limitată. În instalațiile cu neutrul izolat (IT) pământul de protecție trebuie realizat ca un sistem comun cu pământul de protecție al părții de înaltă tensiune, independent de tipul conectării la pământ a neutrului rețelei (adică izolat sau cu bobină de compensare).

Pământul funcțional se referă la necesitatea ca un număr de puncte ale rețelei electrice să fie conectate la sistemul de legare la pământ pentru a asigura funcționarea corectă. Un exemplu tipic este conectarea la pământ a punctului neutru al unui transformator. Pământul pentru protecția la trăsnete trebuie să conducă curentul de trăsnet la pământ. Curenții de trăsnet pot atinge valori de vârf ip foarte mari și pot să determine valori foarte ridicate ale potențialului VE al prizei de pământ, care se calculează cu relația următoare:

(3)

în care

L este inductivitatea prizei de pământ și a conductoarelor principale de legare la pământ

RP − rezistența de impuls a prizei de pământ

În funcție de curentul de trăsnet și de caracteristicile prizei de pământ, poatențialul VE poate atinge valori foarte ridicate, până la sute sau chiar mii de kV. Deoarece aceste valori sunt mult mai mari decât tensiunile de serviciu ale rețelei electrice, trăsnetul determină de multe ori descărcări inverse sau supratensiuni induse în rețeaua electrică. Astfel, o protecție completă a instalațiilor contra trăsnetelor necesită prevederea unui sistem de descărcătoare sau eclatoare de protecție.

Rezistența electrică și distribuția de potențial pe suprafața solului pentru construcții tipice de prize de pământ

O priză de pământ de suprafață, simplă, cuprinde bare metalice, rotunde sau dreptunghiulare, sau conducte, plasate orizontal sub suprafața solului, la o adâncime dată t așa cum se vede în figura 1.

În mod uzual lungimea acestor elemente este l, mult mai mare decât t. Se face ipoteza că distribuția potențialului pe suprafața solului, determinată de priza de pământ, în direcția x, perpendiculară pe lungimea l este dată de următoarea relație:

Alte notații sunt indicate în figura 1. Valoarea relativă V* a potențialului este:

în care V* este valoarea relativă a potențialului pe suprafața solului.

Figura 1 − Distribuția potențialului pe suprafața solului, perpendicular pe direcția electrodului

Distribuția potențialului pe suprafața solului, conform relațiilor (4 și 4a) este indicată în figura 1, pentru valori particulare ale dimensiunilor electrodului prizei. Rezistența prizei de pământ pentru un electrod cilindric simplu plasat în sol poate fi determinată din relația:

În mod obișnuit priza orizontală este realizată cu bare cu secțiune rectangulară, cu lățime (b) de 30⋅⋅⋅40 mm și grosime (c) de 4⋅⋅⋅5 mm. În acest caz, valoarea efectivă a diametrului echivalent de poate fi calculată din relația:

care poate fi introdusă în relația (5). În unele referințe bibliografice se propune să se adopte de = b/2.

Rezistența electrică a diferitelor configurații de prize de pământ cu electrozi simpli plasați orizontal poate fi determinată cu ajutorul următoarei relații

în care B este un factor dependent de configurația prizei de pământ (date în tabelul 1), iar lΣ − suma lungimilor tuturor electrozilor.

Rezistența electrică a unei prize de pământ sub formă inelară, cu diametrul D realizat dintr-o bară cu grosime c (figura 2), plasat la adâncime tipică de 1 m sub suprafața solului, poate fi calculată cu ajutorul următoarei relații:

în care k este un factor indicat în figura 3 (toate notațiile ca în relația (4)

Figura 2 − Schema unui electrod de pământ simplu inelar, conform relației (8)

Tabelul 1 − Valorile factorului B (7) pentru diferite configurații geometrice ale prizelor de suprafață

Prizele verticale au forma unor tije lungi din metal sau conducte plasate vertical în pământ pentru a trece prin straturile din adâncime ale pământului. Rezistivitatea pământului depinde considerabil de adâncimea în sol, deoarece solurile din adâncime conțin mai multă umezeală.

Tijele electrozilor fac contact cu straturile din profunzime a căror conținut de umiditate este mai mare și rezistivitatea mai mică, astfel încât acestea sunt folosite în cazul particular atunci când o priză de pământ este necesară în spații de arie redusă. În acest fel, prizele de pământ verticale sunt recomandate, în special în zonele cu construcții dense sau atunci când suprafața este acoperită cu asfalt sau beton. Electrozii verticali sunt utilizați deseori împreună cu unii orizontali pentru a asigura minimizarea rezistenței totale a prizei de pământ.

Un important dezavantaj al unei prize simple sub forma unei tije verticale este o distribuție dezavantajoasă a potențialului pe suprafața solului, care poate fi determinată cu ajutorul următoarei relații, în ipoteza că curentul de pământ IE este uniform distribuit pe toată lungimea electrodului

în care:

x este distanța față de electrodul de pământ;

l − lungimea electrodului. Celelalte notații corespund relației (4).

Figura 3 − Valorile factorului k = f (D/a) folosite în relația (8)

Un exemplu de distribuție a potențialului relativ la suprafața solului

pentru unele dimensiuni de electrozi, este prezentat în figura 4.

Comparația dintre caracteristicile din figurile 1 și 4 indică faptul că gradientul potențialului la suprafața solului este considerabil mai mare pentru o priză verticală și potențialul de atingere este defavorabil. Relația aproximativă pentru calculul rezistenței electrice a prizei de pământ verticale simple este:

în care r este raza electrodului utilizat.

Figura 4− Distribuția potențialului pe suprafața solului în jurul unei prize verticale cu electrod tijă cu lungimea l = 3 m, diametrul d=0,04m

În figura 5 este indicată rezistența prizei de pământ simple în funcție de lungimea electrodului în pământ de diferite rezistivități.

Figura 5 − Rezistența prizei de pământ (rezistența de dispersie) a unui electrod tijă cu lungimea l și diametrul 0,02 m într-un sol omogen cu rezistivitatea ρ [2].

n cazul unei prize cu n tije verticale (figura 6) plasate în linie, la o distanță egală a între ele, rezistența efectivă a prizei este următoarea:

în care R1, R2, R3 ⋅⋅⋅ Rn sunt rezistențele prizelor de pământ calculate pentru fiecare tijă, considerând că nu sunt afectate de prezența altor electrozi tijă, iar k este numit factor de utilizare și având o valoare k ≥ 1.

Valoarea factorului k este mai mare decât 1 din cauza influenței mutuale a câmpurilor electrice determinate de tijele alăturate. Ca efect, simetria circulației de curent electric de la fiecare electrod individual este deformată și densitatea de curent în sol este modificată. În literatura de specialitate sunt date valorile exacte ale factorului k pentru diferite configurații ale electrozilor tijă plasați paralel. În cazul configurației simple indicată în figura 6, valoarea factorului k poate fi considerată [4]: pentru a ≥ 2⋅l , k ≅ 1,25 și pentru a ≥ 4⋅l , k ≅ 1

Figura 6 − Electrozi tijă plasați paralel; R1 ⋅⋅⋅ R4 − rezistența individuală a prizei electrozilor tijă; a − distanța dintre electrozi; l − lungimea electrozilor

Prizele de pământ sub formă de rețea sunt utilizate în special pentru prizele extinse pe suprafețe mari, de exemplu în stațiile electrice. Rețeaua tuturor electrozilor este astfel contruită încât să corespundă dimensiunilor instalației și să asigure o distribuție favorabilă, aproximativ uniformă a potențialului pe suprafața solului. Rezistența de pământ în cazul prizei sub formă de rețea poate fi calculată utilizând următoarea relație simplificată

în care re este raza echivalentă.

Pentru o suprafață pătrată sau aproximativ pătrată, raza echivalentă este dată de aria circulară având aceeași arie cu suprafața analizată. Pentru suprafețele dreptunghiulare, raza echivalentă este egală cu suma laturilor exterioare împărțită cu π, dacă priza are o formă foarte alungită (figura 7b); lΣ este suma lungimilor laturilor tuturor ochiurilor rețelei.

Prizele de pământ de fundație sunt părțile metalice conductoare incluse în beton din fundația clădirii. Betonul plasat direct în pământ are un conținut natural de umiditate și poate fi considerat ca un mediu conductor, cu o conductivitate similară cu cea a pământului. Datorită ariei mari a acestui tip de priză de pământ, poate rezulta o rezistență redusă a prizei. În plus, betonul protejează părțile metalice contra coroziunii și deci elementele electrozilor din oțel incluse în beton nu necesită o protecție suplimentară la coroziune. Prizele de pământ de fundație sunt în prezent recomandate ca o soluție foarte practică pentru realizarea prizei de pământ a clădirilor.

Figura 7 − Exemplu privind explicarea metodei de calcul a razei echivalente re din relația (11) pentru o priză de pământ sub formă de rețea, pentru două configurații ale prizei de pământ: aproximativ similară unui pătrat (a) și dreptunghi alungit (b)

În practică sunt două configurații de bază ale prizelor de pământ de fundație:

♦ fundație fără armătură în beton (figura 8)

♦ fundație cu armătură în beton (figura 9).

În ambele cazuri priza de pământ este realizată din:

♦ benzi din oțel cu secțiune dreptunghiulară nu mai mare de 30 mm × 3,5 mm, sau

♦ bare rotunde din oțel cu diametru nu mai mare de 10 mm.

Elementele din oțel pot fi galvanizate (adică acoperite cu zinc), dar acest lucru nu este necesar dacă stratul din beton care acoperă electrozii este mai mare de 50 mm [6], deoarece betonul asigură suficientă protecție contra coroziunii, așa cum se observă în figura 8. Într-o fundație fără armătură (figura 8), priza urmărește în mod obișnuit conturul fundației clădirii, adică este plasată sub pereții principali. În cazul clădirilor cu fundații ample, priza de pământ este realizată în mod obișnuit sub formă de bucle, acoperind părțile exterioare ale fundației, conectate între ele.

În cazul fundațiilor cu armătură, priza de pământ este plasată deasupra celui mai de jos strat al armăturii metalice (figura 9), asigurând astfel o protecție adecvată la coroziune a electrozilor. Electrozii prizei trebuie să fie legați de sistemul de armătură cu sârmă la un interval sub 2 m pe lungimea electrozilor. Nu este necesar a realiza o legătură electrică solidă la fiecare punct deoarece conexiunea electrică principală este prin intermediul betonului.

Dacă fundația este realizată din panouri separate, conectate între ele prin elemente de dilatare, prizele de pământ ale fiecărui panou trebuie conectate electric între ele. Aceste legături trebuie să fie flexibile și trebuie să rămână accesibile pentru a fi posibilă măsurarea și întreținerea [6].

Figura 8 − Schiță privind plasarea prizei de pământ în fundația fără armătură

Figura 9 − Schiță privind plasarea prizei de pământ în fundația cu armătură

Rezistența prizei de pământ de fundație poate fi calculată utilizând următoarea relație simplificață

în care R este în Ω, iar V este volumul fundației în m3 .

Terminalul prizei de pământ de fundație trebuie să aibă o lungime de minimum 150 cm deasupra nivelului planșeului (figura 8 și 9). Trebuie să fie plasat pe cât posibil mai aproape de conductorul principal al circuitului de pământ al instalației din clădire. Legătura dintre priza de pământ de fundație și protecția la trăsnet trebuie plasată în afara clădirii. În prezent sunt disponible programe de calculator care permit determinarea exactă a parametrilor pentru diferite configurații ale prizei de pământ, inclusiv pentru cazul unei structuri complexe a straturilor de pământ.

Totuși acestea au numai o utilizare limitată deoarece în practică structura solului, rezistivitatea acestuia și variațiile pe parcursul unui an nu sunt cunoscute. Un calcul exact poate fi realizat numai pentru un anumit sezon și va prezenta diferențe semnificative la alt moment. În orice caz, o înaltă exactitate în asemenea calcule nu este necesară; în practică o incertitudine de ±30% este în general satisfăcătoare. În consecință utilizarea relațiilor simple indicate aici sunt în mod normal satisfăcătoare. Bineînțeles, calculul este esențial pentru proiectare, dar eficiența sistemului poate fi verificată prin măsurarea rezistenței după realizarea contrucției.

Exemple de calcul

În toate exemplele se face ipoteza că solul are o structură omogenă cu o rezistivitate ρ = 100 Ωm.

Exemplul A)

Rezistența de priză a unui simplu electrod, plasat orizontal la o adâncime de 1 m în pământ și având următoarele dimensiuni:

lățimea b = 40 mm

grosimea c = 5 mm

lungimea l = 5 m

poate fi calculată folosind relațiile (6) și (7) și datele din tabelul 1. Diametrul echivalent de (6) este următorul:

Rezistența prizei de pământ:

Exemplul B)

O priză de pământ care constă din două bare de 5 m, este plasată sub forma unei construcții simetrice cu patru brațe (tabelul 1) și are următorii parametri:

de = 0,025 m

l = 2,5 m

B = 8,45

Rezistența prizei de pământ este:

Exemplu C)

O priză circulară (figura 2) cu un diametru de 5 m și realizată din aceeași bară ca și în exemplul A este plasată la o adâncime de 1 m. Factorul k poate fi estimat din figura 3 pentru D/a = 5 m / 0,0025 m = 2000, în care a = c/2 (figura 2). Rezistența prizei de pământ poate fi calculată utilizând relația (8):

Exemplul D)

O priză verticală simplă ce cuprinde un electrod cu diametrul de 20 mm și o lungime de 5 m are rezistența de priză calculată din relația (10):

O valoare similară poate fi obținută din diagrama din figura 5.

Exemplul E)

O priză de pământ realizată ca o rețea plasată orizontal are dimensiunile indicate în figura 10. Rezistența echivalentă este calculată utilizând relația (11) și raza echivalentă re calculată precum se vede în figura 7:

Suma lungimilor laturilor dintr-un ochi simplu este:

(1,5 m + 1 m)⋅ 2= 5 m

Suma lungimilor ochiurilor din interiorul rețelei este: lΣ = 5 m⋅ 12 ochiuri = 60 m

Astfel încât rezistența prizei de pământ este:

Figura 10. Schita prizei de pamant sub forma de retea

Aspecte constructive ale prizelor de pământ

Sistemul de legare la pământ trebuie să fie construit de așa manieră și din asemenea materiale astfel încât caracteristicile să fie asigurate pe toată durata sa de viață, la costuri constructive rezonabile.

Caracteristicile impuse sunt următoarele:

♦ rezistență electrică redusă a prizei și o distribuție favorabilă a potențialului pe suprafața solului

♦ capabilitate adecvată pentru a transfera curentul de defect

♦ durată de viață ridicată.

Rezistența prizei de pământ nu trebuie să depășească valorile cerute de ghiduri sau standarde în cele mai nefavorabile condiții climatice (durată mare de timp uscat, îngheț puternic). Dacă acestea nu cuprind cerințe exacte, rezistența prizei de pământ trebuie să fie pe cât de redusă posibil. Distribuția potențialului pe suprafața solului trebuie să fie astfel încât tensiunile de atingere și de pas că nu depășească valorile admise. Cea mai favorabilă distribuție de potențial pe suprafața solului este obținută la utilizarea prizei sub formă de rețea plasată orizontal. Uneori este necesar să se plaseze elemente orizontale adiționale pentru a obține o configurație dorită a distribuției potențialului pe suprafața solului.

Capabilitatea de curent de transfer este valoarea maximă a curentului care poate fi transferată prin priză spre pământ fără a rezulta o încălzire excesivă a elementelor prizei și chiar a solului înconjurător. La o valoare prea mare a curentului și a densității de curent, apa din sol și de la interfața sol-electrozi se evaporă, conducând la un sol uscat cu o rezistivitate ridicată. Durata de viață a prizei de pământ este intervalul de timp de la construcție până la momentul în care continuitatea electrică este întreruptă datorită coroziunii părților metalice.

Durata de viață a prizei de pământ trebuie să depășească durata de viață probabilă a instalației. Pentru majoritatea instalațiilor electrice durata de viață poate depăși 25 ani, iar pentru liniile electrice 35 ⋅⋅⋅50 ani. Priza de pământ trebuie să fie inclusă în programele periodice de reparație și mentenanță. Durata de viață a prizei de pământ depinde în principal de rezistența sa la coroziune.

Electrozii prizei de pământ, fiind în contact direct cu solul sau cu apa, lucrează în condiții de coroziune. Acestea cuprind trei principali factori care determină viteza de coroziune a obiectelor din metal aflate în sol:

♦ curent continuu în sol

♦ contaminarea chimică a solului

♦ fenomenele electrochimice (galvanice) între diferitele metale aflate în sol.

Coroziunea determinată de curentul continuu apare în principal la apropierea de rețelele de tensiune continuă (de exemplu, surse de alimentare cu tensiune continuă a căii ferate). Pentru aceste cazuri există standarde și norme (de exemplu DIN VDE 0150) cuprinzând cerințele specifice.

Coroziunea determinată de subsțantele chimice în sol nu are în mod normal o mare importanță, afectând numai sistemele din întreprinderile chimice sau cele din apropiere de ocean. În asemenea cazuri, prizele de pământ trebuie să fie realizate din metale rezistente la coroziunea chimică specifică. Pentru a minimiza coroziunea chimică se recomandă, în unele cazuri, să se măsoare pH − ul solului. Pentru un sol alcalin (pH > 7) se recomandă electrozi din cupru, iar pentru soluri acide sunt preferați electrozii din aluminiu, zinc sau oțel galvanizat.

Coroziunea galvanică este determinată de curentul continuu care trece în circuit, generat de diferența de potențial electrochimic între două piese din metal plasate în sol umed, care are în acest caz rolul de electrolit. Dintre metalele utilizate în mod obișnuit pentru priza de pământ, cuprul prezintă cel mai redus potențial. Celelalte metale au un potențial pozitiv relativ la potențialul cuprului (tabelul 2). Acest curent continuu redus care circulă în mod permanent determină trecerea ionilor metalici de la anod la catod. În acest fel, metalul este extras de la anod și depus la catod.

Din acest punct de vedere, poate fi dedusă o combinație favorabilă de metale. De exemplu, oțelul cuprat este o soluție favorabilă deoarece cantitatea de cupru rămâne aceeași. Un exemplu contrar este oțelul zincat, unde zincul este totdeauna anod și cantitatea sa scade continuu. De reținut faptul că potențialul electrochimic al oțelului inclus în beton este foarte apropiat de cel al cuprului. În acest fel, structurile din oțel din fundațiile clădirilor reprezintă catodul în raport cu alte obiecte din oțel sau din zinc plasate în sol (nu numai electrozi de priză de pământ, dar de exemplu, conducte pentru apă). Aceasta înseamnă că fundațiile ample determină o coroziune semnificativă, determinată de fenomene electrochimice, a obiectelor metalice.

Tabelul 2 − Valori ale potențialului electrochimic pentru diferite metale raportate la electrodul din cupru

Materialele utilizate cel mai des pentru electrozi sunt:

♦ oțel (de exemplu pentru prizele de fundație);

♦ oțel galvanizat

♦ oțel cuprat

♦ oțel înalt aliat

♦ cupru și aliaje de cupru.

Solicitările mecanice și condițiile de coroziune impun dimensiunile minime ale electrozilor prizei de pământ, valori indicate în tabelul 3

Tabelul 3 − Tipul și dimensiuni minime pentru materialele pentru prizele de pământ pentru a asigura rezistența la solicitări mecanice și coroziune

Din motive de solicitare mecanică și stabilitate la coroziune, secțiunea transversală minimă a electrozilor prizei de pământ este :

♦ Cupru 16 mm2

♦ Aluminiu 35 mm2

♦ Oțel 50 mm2

Concluzii

Atunci când se realizează un sistem de legare la pământ trebuie luate în considerare următoarele aspecte:

♦ funcția

♦ caracteristicile electrice

♦ materialul.

Principalele caracteristici electrice ale sistemului de legare la pământ sunt:

♦ rezistența electrică a prizei de pământ

♦ distribuția potențialului pe suprafața solului

♦ capabilitatea de curent.

Cea mai favorabilă distribuție a potențialului pe suprafața solului o are priza orizontală, în special cea sub formă de rețea, la care potențialul la suprafața solului poate fi controlat relativ simplu.

În cazul prizelor verticale, distribuția de potențial este cea mai defavorabilă și aici apar cele mai mari valori ale potențialului de atingere. Pe de altă parte, utilizând electrozi verticali, se poate realiza ușor o rezistență electrică redusă și stabilă, care nu depinde semnificativ de sezon.

Electrozii verticali sunt de asemenea utilizați în combinație cu unii orizontali pentru a obține valori mai reduse ale rezistenței electrice a prizei de pământ. Alegerea materialului electrozilor este în mod obișnuit un compromis între costul și durata de viață a electrozilor.

Coroziunea materialului și comportarea la coroziune sunt principalii factori care limitează durata de viață a sistemului de legare la pământ.

CAPITOLUL 3

ALEGEREA SI DESCRIEREA ECHIPAMENTELOR ELECTRICE DE TRATARE A NEUTRULUI INTR-O STATIE ELECTRICA DE 6kV

Punctul neutru al infasurarilor transformatoarelor de servicii interne sau a bobinelor trifazice de punct neutru (BPN) reprezinta un punct simetric fata de cele trei faze.In functie de pozitia acestui punct neutru fata de pamint,retelele de MT racordate la barele comune cu infasurarile TSP,sau BPN pot fi :

a)-retele cu neutru izolat-la care neutrele nu au nici o legatura voita cu pamintul,solutia se accepta la retele la care curentul capacitiv nu depaseste valoarea de 10A

b)-retele cu neutrul legat la pamint-la care neutrul poate fi legat direct la pamint,s-au printr-o rezistenta de valoare mica.Aceste retele pot avea toate neutrele legate la pamint,sau numai o parte dintre ele.Solutia nu se intilneste in practica.

c)-retele cu neutrul compensat-la care neutrele sunt legate la pamint prin bobine,cu o reactanta comparabila cu reactanta capacitiva a retelei.Acestea se numesc bobine de stingere .

d)-retele cu neutru legat la pamint prin rezistenta

e)-retele la care neutrul este tratat cu bobina de stingere si rezistenta (tratare mixta a neutrului)

Alegerea solutiei de tratare a neutrului retelei de MT are in vedere modul de comportare al acesteia la puneri la pamint.in functie de configuratia si structura sa.

3.1 Tratarea cu bobina de stingere:

-avantaje :

stingerea rapida a arcului electric de p.l.p. si prevenirea deteriorarii izolatiei si conductoarelor prin efectul termic

reducerea curentului de p.l.p. corespunzator compensarii

tensiuni de atingere si de pas,reduse la locul cu p.l.p.

continuitate in alimentarea consumatorilor,atit la defecte trecatoare cit si la defecte persistente

-dezavantaje:

supratensiuni tranzitorii de comutatie mari

tensiuni mari pe fazele sanatoase in cazul p.l.p.

transformarea defectelor monofazate in defecte polifazate in peste 50% din p.l.p.

costul crescut al izolatiei corespunzatoare tensiunilor mari care apar

la retelele in cablu din PVC pierderi active mari in izolatii

mentinerea in permanenta a unui acord la rezonanta a bobinelor de stingere,foarte greoi

greutati in depistarea defectelor si a locului de defect.

relee de protectie de tip Rpp sau Dpp cu selectivitate redusa in functionare si uzate din punct de vedere moral

Datorita acestor dezavantaje si utilizarea de retele in cabluri de PVC a caror curenti capacitivi a crescut la peste ,s-a impus trecerea la tratarea neutrului prin rezistenta de limitare.

In aceasta situatie,orice punere la pamint este transformata in scurtcircuit monofazat,care este eliminat prin actionarea protectiilor homopolare ale echipamentelor.

Descrierea functionarii bobinei de stingere:

Retelele (liniile) de MT reprezinta fata de pamint niste niste capacitati,fig.1,prin urmare curentul de punere la pamint in cazul unui defect este de natura capacitiva.Pentru a compensa efectele acestui curent de punere la pamint de natura capacitiva,neutrul retelei de MT,este legat la pamint prin intermediul unei bobine,numita bobina de stingere.

Astfel la aparitia unui defect monofazat(punere la pamint),curentul inductiv care circula intre bobina si punctul de defect,neutralizeaza practic componenta capacitiva a curentului de defect(conducind la stingerea arcului electric la locul de defect).In lipsa compensarii neutrului,arcul electric ce ia nastere la locul de defect este intretinut de curentul capacitiv al fazelor sanatoase.

Bobina de stingere se racordeaza la reteaua de MT ce se compenseaza, prin intermediul transformatorului de servicii interne ale statiei,intre nulul infasurarii de MT si pamint (daca curentul capacitiv al retelei de MT este mai mare decit curentul debitat de bobina de stingere existenta,atunci se procedeaza la folosirea a doua bobine de stingere legate in paralel pe neutrul TSI).Racordarea bobinei de stingere la borna de nul a TSI se realizeaza prin intermediul unui separator monopolar,numit separator de nul.

Reactanta bobinei este reglabila,modificarea valorii acesteia realizindu-se prin deplasarea miezului magnetic in interiorul infasurarii proprii.

In regim normal de functionare circuitul L-C format din inductanta bobinei si capacitatea retelei de MT trebuie sa fie in rezonanta,deci reactanta capacitiva a retelei si cea inductiva a bobinei trebuie sa fie aproximativ egale.

Regimul de rezonanta al acestui circuit se obtine prin operatia de acordare a bobinei de stingere.

In lipsa unui defect in reteaua de MT tensiunea la bornele bobinei de stingere este foarte mica in comparatie cu tensiunea retelei.Fata de aceasta tensiune se poate considera zero.Aceasta tensiune este determinata de asimetria capacitiva a retelei,avind valoarea in jur de citiva volti,determinind un curent foarte mic prin bobina,de circa .

In cazul unei simple puneri la pamint(de exemplu caderea unui conductor de faza la pamint),la bornele bobinei de stingere apare tensiunea de faza.Aceasta tensiune determina prin bobina un curent.Acest curent fiind inductiv,este de sens contrar curentului electric de defect,care este capacitiv.Astfel prin locul de defect va trece numai curentul rezultant din diferenta dintre curentul capacitiv de defect si cel prin bobina.

Alegerea acordului bobinei de stingere trebuie sa se faca astfel incit la aparitia unei puneri la pamint in retea arcul electric sa fie stins cu maximum de promtitudine si sa fie diminuate si alte efecte negative ce pot surveni in instalatii la ruperea unui conductor,sau la intreruperea unei faze. Rezultatele cele mai bune se obtin prin functionarea usor supracompensata a bobinei de stingere cu circa 5-10% din valoarea obtinuta la rezonanta.

Functionarea bobinei de stingere la aparitia unei puneri la pamint este sesizata de ampermetrul,care indica curentul ce trece prin bobina si de kV-metrul care indica tensiunea pe bobina,este semnalizata optic si acustic.

Partile componente ale bobinei de stingere:

-bobina de stingere

miezul magnetic mobil

infasurarea electrica de baza

radiatoare de racire

infasurare electrica secundara pentru semnalizarea prezentei tensiunii pe bobina,cu tensiunea nominala de ,Un/100Vamplasata in partea superioara.

transformatorul de curent,cu raportul de transformare In/5 A,acesta oferind posibilitatea masurarii curentului inductiv dat de bobina in timpul functionarii.Este plasat la partea superioara a bobinei,sub capacul cuvei.Din punct de vedere electric este racordat intre sfirsitul infasurarii de baza si izolatorul de legare la pamint.

cuva bobinei

izolatoarele de inalta tensiune pentru racordarea bobinei la TSI si la pamint

izolatoarele de joasa tensiune la care se racordeaza infasurarea secundara de tensiune si transformatorul de curent

conservatorul de ulei

releul de gaze

ansamblul motor-reductor pentru antrenarea miezului magnetic -indicator pozitie miez magnetic

manivela pentru actionare manuala miezului magnetic

panoul de acordare a bobinei de stingere.

3.2. Tratarea cu rezistor:

-avantaje:

nivelul supratensiunilor in caz de defect este mai redus

se evita dublele puneri la pamint

asigura izolarea rapida si eficace a instalatiei cu echipamentul defect,prin actionarea protectiilor

permite utilizarea cablelor cu izolatie din PVC

aplicabilitate universala la orice tip de retele

prezinta independenta fata de lungimea retelei

exploatare usoara

fiabilitate ridicata

Dezavantaje:

legarea la pamint de protectie impotriva accidentelor prin atingerea indirecta in P.T. la retelele in cablu si aeriene,necesita valori ale prizelor de pamint foarte reduse,de aceea este o lucrare laborioasa

exista influiente negative asupra sistemelor de telecomunicatii

circuitele de protectii sunt mai complexe

Functionarea rezistorului :

In acest caz neutrul retelei de MT este legat la pamint prin intermediul unui rezistor,astfel ca orice defect monofazat din reteaua de MT,se transforma intr-un scurtcircuit monofazat,curentul de defect fiind limitat la valoarea maxima a curentului rezistorului (300,600,1000 A).

Racordarea rezistorului se poate faceastfel:

a.)-La podul de bare al trafo 110/mt se racordeaza o bobina pentru crearea punctului neutru(BPN), racordarea realizindu-se prin intermediul unui separator tripolar,numit separator de borna BPN

Bobina de punct neutru are conexiunea Zn,la borna de nul a acesteia racordindu-se rezistorul.Legatura dintre rezistor si BPN se realizeaza printr-un intreruptor(monopolar) si un separator(cazul retelelor tratate mixt) sau se poate realiza direct(cazul retelelor tratate numai cu rezistor).

b.)racordarea rezistorului la punctul neutru al infasurarii de mt al TSI

Partile componente ale instalatiei rezistor-bobina punct neutru (BPN)

a.)-racordat la pod bare trafo

Separatorul de borna al BPN (tip STEN-20 kV)

Bobina de punct neutru BPN

Rezistor

Reductor de curent legat pe circuitul de nul intrare in rezistor (in serie cu rezistorul)-amplasat in cabina rezistorului,tip CIRS 100/5 A

Reductor de curent legat pe circuitul de nul iesire din rezistor (in serie cu rezistorul)-amplasat in cabina rezistorului,tip CIRS 1000/5 .

Reductor de tensiune legat in paralel cu rezistorul-amplasat in cabina rezistorului,tip TIRBO 10 kV/100 V

b.)-racordat la TSI

Separatorul de nulal TSI (tip SMEN-20 kV)

Rezistor

Reductor de curent legat pe circuitul de nul intrare in rezistor (in serie cu rezistorul)-amplasat in cabina rezistorului,tip CIRS 100/5 A

Reductor de curent legat pe circuitul de nul iesire din rezistor (in serie cu rezistorul)-amplasat in cabina rezistorului,tip CIRS 1000/5 .

Reductor de tensiune legat in paralel cu rezistorul-amplasat in cabina rezistorului,tip TIRBO 10 kV/100 V

Compensarea curenților capacitivi de punere la pământ prin curenți inductivi furnizați de bobine de compensare se realizează în scopul limitării curenților de punere la pământ și al stingerii arcului în locul punerii la pământ.

Schema de principiu a compensării curenților capacitivi de punere la pământ este prezentată în figura A.9.4.

3.3. Alegerea parametrilor și a locului de montare a bobinei de stingere

La alegerea parametrilor și a locului de montare a bobinei de compensare trebuie să se țină seama de configurația rețelei, de posibilitățile de împărțire pe sectoare în funcție de diversele manevre de comutație posibile în rețea, precum și de influența asupra liniilor de telecomunicație.

Puterea bobinei de compensare se alege ținând seama de valoarea totală a curentului capacitiv de punere la pământ a întregii rețele existente

QB = Uf0 IC

Alegerea unei bobine cu o putere nominală QB mult mai mare decât puterea necesară poate duce la o folosire nerațională a bobinei și la imposibilitatea realizării acordului dorit. De asemenea, alegerea unei bobine cu rezerve mici de compensare poate duce la o funcționare a rețelei în regim de subcompensare, în care caz este posibilă apariția de tensiuni periculoase de deplasare a neutrului.

Puterea bobinelor se alege astfel, încât curentul de compensare să permită realizarea unui acord pe cât posibil la rezonanță.

De exemplu, în rețele de 6 și 10 kV cu curentul IC = 100÷150 A este indicat să fie montate două bobine de compensare, care să aibă puterile nominale

– 175 și 350 kVA pentru 6 kV

– 300 și 600 kVA pentru 10 kV.

Se recomandă montarea unei bobine de compensare de o putere mai mare numai în cazul în care curenții capacitivi ai rețelei ating 200 A.

În rețelele de 35 kV, bobinele de compensare care depășesc puterea de 500 kVA se aleg numai în cazul în care curentul total de punere la pământ atinge valoarea de 100 A.

La alegerea numărului și a puterii bobinelor se va ține seama de posibilitatea secționării rețelei în punctul respectiv în regim normal sau în urma unei avarii în sectoare nelegate galvanic între ele, astfel încât în fiecare dintre acestea să se execute compensarea la rezonanță a curentului capacitiv de punere la pământ.

În rețelele la care distribuția energiei se face la tensiunea generatorului, conectarea bobinelor de compensare se poate face și la neutrul generatoarelor.

În paralel cu bobina de compensare se va monta un descărcător cu rezistență variabilă, în vederea protecției împotriva supratensiunilor ce pot apărea pe neutrul rețelei la deconectarea generatorului sau a transformatorului, la neutrul cărora poate fi montată bobina de stingere, ca urmare a apariției unui scurtcircuit bifazat cu punere la pământ pe LEA ce pleacă din barele stației, soldat cu declanșarea tuturor LEA (este cazul schemelor simplificate cu 1-2 LEA).

Descărcătorul cu rezistență variabilă se va monta dacă valoarea supratensiunii atinge valoarea 3Uf0 , în rețelele de 315 kV sau 2Uf0 , în rețelele cu tensiunea nominală mai mare.

Valoarea supratensiunii se determină cu relația

unde

IB este curentul maxim al bobinei de compensare

IC – curentul capacitiv de punere la pământ a barei (exclusiv liniile).

3.4. Alegerea transformatoarelor de forță și a generatoarelor, la al căror punct neutru

urmează a fi montată bobina de compensare

O bobină de compensare în stare de funcționare reprezintă o sarcină inductivă pentru transformatorul la neutrul căruia urmează să fie conectată.

Pentru alegerea punctului neutru la care urmează să se conecteze bobina de stingere, trebuie să se țină seama de următoarele două aspecte

a) reactanța homopolară a transformatorului trebuie să fie cât mai mică, astfel încât să nu reducă curentul furnizat de bobină

b) curentul suplimentar provocat de bobină în înfășurările transformatorului nu trebuie să ducă la o încălzire excesivă a acestuia.

Conexiunea cea mai favorabilă a transformatorului la care se racordează bobina de compensare este stea-triunghi. Dacă transformatorul cu această conexiune servește pentru alimentarea rețelei, puterea bobinei poate atinge până la 50% din puterea nominală a acestuia, fără ca încălzirea provocată de trecerea curentului suplimentar să fie periculoasă.

Dacă transformatorul cu această conexiune servește numai pentru conectarea bobinei (ca transformator auxiliar de creare a punctului neutru), puterea lui trebuie să fie egală cu cea a bobinei. De la un asemenea transformator se mai poate preleva și o sarcină utilă de cel mult 50% din puterea lui, fără supraîncălziri periculoase.

Aceleași condiții se aplică și la transformatoarele care au bobinajul cu conexiune zig-zag. Deoarece reactanța de secvență zero a înfăsurării zig-zag este chiar mai mică decât cea de scurtcircuit, ea se folosește pentru bobine de creare a punctului neutru.

La transformatoarele cu conexiune stea-stea și cu circulație forțată a fluxului de secvență zero (miez cu trei coloane), se admite conectarea unei bobine de compensare având o putere de maximum 20% din puterea nominală a transformatorului. Nu se admite conectarea bobinelor la transformatoare cu conexiuni stea-stea cu circulație liberă a fluxului de secvență zero (miez cu cinci coloane sau grupuri de transformatoare monofazate), din cauza reactanței de secvență zero ridicate a acestora.

La transformatoarele stea-stea, stea-triunghi se admite conectarea unei bobine de compensare cu o putere egală cu puterea înfășurării în triunghi, dacă aceasta nu este încărcată cu o sarcină exterioară.

3.5. Scheme de conectare

Bobinele de compensare se conectează la neutrul transformatorului sau al generatorului, prin separator. Nu se admite conectarea bobinei de stingere la bara de nul prin întreruptor.

Transformatorul auxiliar pentru crearea punctului neutru se va conecta la bare prin întreruptor.

La punerea sub tensiune se va avea grijă să se conecteze mai întâi transformatorul auxiliar, apoi bobina. La scoaterea de sub tensiune se procedează invers.

Nu se admit scheme de comutație care șuntează pentru scurt timp bobinele de compensare sau care crează o componentă activă a curentului de punere la pământ.

Transformatorul de curent conectat în circuitul bobinei de compensare se alege pentru un curent nominal mai mare cu 1015 % față de cel mai mare curent de compensare al bobinei.

În cazul deconectării de la rețea a unui generator sau compensator sincron pe timp îndelungat (revizie periodică sau reparație capitală), în schema de conectare a bobinelor de compensare trebuie să fie prevăzută posibilitatea de trcere de pe neutrul unui generator pe neutrul altui generator.

Prezența pe neutru a unei t.e.m. de armonică 3 (care în cazuri speciale atinge 5 % din tensiunea de fază la 50 Hz) nu are practic importanță în compensarea curentului capacitiv.

Se poate adopta sistemul de automatizare de conectarea automată a unui rezistor în paralel cu bobina de compensare pentru selectarea și declanșarea defectelor monofazate permanente în cazul rețelelor electrice cu neutrul tratat prin bobină de compensare. În figura de mai jos este prezentată schema de principiu de funcționare a soluției.

Soluția constã în principal în funcționarea rețelei de medie tensiune în regim normal de durată cu neutrul tratat prin bobină de compensare în scopul eliminării defectelor trecătoare. Scopul conectării automate a unui rezistor pe neutrul rețelei, cu o temporizare t, în paralel cu bobina de compensare este selectarea și deconectarea defectelor cu simplă punere la pământ a rețelei dacă acestea nu au fost eliminate anterior prin compensarea curenților capacitivi de către bobină (în regimul BC).

După identificarea și deconectarea liniei defecte este necesar să se revină la funcționarea normală în regim cu BC.

3.6. Calculul bobinei de stingere

Bobinele de stingere sunt echipamente utilizare pentru tratarea neutrului în rețelele electrice de medie tensiune, 6÷60 kV, având rolul de a compensa capacitatea echivalentă a liniilor, în cazul punerilor accidentale la pământ, facilitând astfel stingerea arcului electric la locul defectului.

În cazul apariției unei puneri la pământ, curentul care apare prin această bobină, datorită creșterii potențialului neutrului transformatorului la care este racordată, se închide prin locul defectului. El fiind în opoziție de fază cu curentul capacitiv care circulă prin același loc, contribuie la reducerea acestuia la o valoare care să permită stingerea arcului electric.

Bobinele de stingere sunt prevăzute cu dispozitive de reglaj care permit variația inducției lor, astfel încât valoarea curentului inductiv să fie cât mai apropiată de valoarea curentului capacitiv. Operația de reglare a curentului inductiv IL pentru a-l egala cu curentul capacitiv IC de punere la pământ se numește acordarea bobinei.

Această metodă are eficiența maximă în cazul rețelelor aeriene, dar se utilizează și în rețelele subterane de dimensiuni mici. Între punctul neutru și pământ este conectată o inductanță reglabilă, denumită bobină de atingere datorită efectului de permite autostingerea arcului electric de defect, dacă este corect reglată.

În cazul unui defect monofazat la pământ, prin locul defectului circulă suma curenților de punere la pământ a fazelor sănătoase (având o componentă activă datorată conductanței izolației și o componentă capacitivă datorată capacității fazelor față de pământ) și curentul bobinei de stingere (format dintr-o componentă activă datorată pierderilor din cupru și din fier și o componentă inductivă corespunzătoare inductanței bobinei) care, în această situație este supusă tensiunii fază – pământ a fazei defecte (fig. 1, a).

Conform diagramei fazoriale din fig. 1, b, curenții inductiv și capacitiv sunt în opoziție de fază, astfel încât, dacă aceste componente sunt egale în modul, prin locul defectului circulă numai un curent rezidual activ.

Dacă defectul monofazat are loc pe faza R, curentul de punere la pământ al liniilor rețelei este:

Curentul rezidual circulă pe faza defectă între locul defectului și sursă ca și către pământ, având expresia:

este numit factor de amortizare, iar q este gradul de acordare al bobinei de stingere.

Modelul curentului rezidual are expresia:

Pentru q = 1 (acord perfect al bobinei de stingere), curentul de punere la pământ are valoarea minimă Irez = Ia.

Fig. 1. Compensarea curentului capacitiv de punere la pământ cu ajutorul bobinei de stingere: a) schema electrică; b) diagrama fazorială.

Dacă neutrul rețelei este izolat, atunci prin locul defectului și prin faza defectă până la sursă circulă numai curentul de punere la pământ al liniilor rețelei. Ca urmare, determinarea mărimii curentului de punere la pământ a liniilor rețelei se poate realiza printr-o punere la pământ artificială, neutrul rețelei fiind izolat. Tensiunea pe fazele sănătoase față de pământ devine egală cu f l U U =3 ,ceea ce constituie supratensiunea temporară în regim staționar de defect. În regimul tranzitoriu supratensiunea poate fi mai mare, în funcție de modul de producere a defectului: metalic sau prin arc electric intermitent.

Durata supratensiunilor temporare poate fi limitată prin acordarea la rezonanță a bobinei de stingere, datorită auto-eliminării defectelor care au loc prin arc electric. Posibilitățile de stingere ale arcului electric de defect, fiind mai mari în rețele aeriene, bobina de stingere este mult mai eficace în aceste rețele. În regim normal de funcționare a rețelelor cu bobină de stingere, între punctul neutru și pământ există o tensiune a cărei mărime depinde de gradul de acordare al bobinei, de nesimetria admitanțelor fazelor rețelei față de pământ ca și de nesimetria sistemului tensiunilor de fază ale sursei de alimentare.

Considerând că tensiunile de alimentare formează un sistem cu succesiune directă, că conductanțele izolației pe cele trei faze sunt egale și că, pe faza R, capacitatea față de pământ diferă prin coeficientul m în raport cu celelalte faze, se obține pentru modulul tensiunii de deplasare a neutrului, expresia

Mărimea tensiunii depinde de starea de acordare a bobinei de stingere fiind maximă în pentru q=(2+m)/3, ceea ce corespunde compensării perfecte a curentului capacitiv într-o rețea cu nesimetrie naturală de capacități față de pământ exprimată prin factorul m.

Procedeul de tratare a neutrului cu bobină de stingere se dovedește mai puțin eficient în anumite situații: rețele foarte întinse având valoare mare a componentei active a curentului de defect, rețele subterane în care auto-stingerea arcului electric în izolația solidă este dificilă, rețele cu consumatori deformanți datorită cărora curentul rezidual de defect este important și conține armonici superioare.

În aceste cazuri se recomandă legarea la pământ a neutrului printr-o impedanță care limitează mărimea curentului de scurtcircuit monofazat fără a afecta sensibilitatea protecțiilor prin relee destinate separării zonei cu defect.

Dimensionarea impedanței reduse pornește de la valoarea curentului de scurtcircuit monofazat maxim admisibil în rețea. Folosind metoda de calcul cu ajutorul componentelor simetrice, schemei monofilare a unei rețele de distribuție de medie tensiune (fig.2, a) îi va corespunde o schema echivalentă din fig.2, b. În această schemă, indicii d, i și h corespund componentelor directă, inversă și homopolară pentru mărimile electrice ale schemei trifazate.

Fig.2 – Scurtcircuit monofazat într-o rețea cu neutrul tratat prin impedanță redusă a)-schema monofilară; b)-schema echivalentă de calcul

Impedanțele liniei din schema echivalentă corespund liniei pe care s-a produs defectul monofazat, până la locul defectului. Componentele simetrice ale curentului de defect monofazat se determină cu relația:

în care Zd, Zi și Zh sunt impedanțele echivalente ale schemelor de secvență directă, inversă și homopolară în raportul cu locul defectului. Curentul de scurtcircuit monofazat are expresia:

deoarece pentru componentele schemei este valabilă egalitatea Zd=Zi. Tensiunile fazelor sănătoase față de pământ la locul defectului, în regim staționar de defect, se calculează cu relația:

Modul de lucru

– Se vor calcula curenții capacitivi de punere la pământ corespunzători fiecărei linii din rețeaua reală cu ajutorul relației (1) și a capacităților fază-pământ

– Se va măsura, pe model, curentul de punere la pământ a fiecărei linii ca și a întregii rețele. Pentru aceasta se va simula un defect monofazat, legând la pământ o fază a liniei prin contactul întrerupătorului I4 în serie cu un ampermetru de curent alternativ cu domeniul de măsurare 0-1 A. Linia se conectează la bare prin conectori, după care se aplică tensiunea prin întrerupătoarele I1 și I2, iar defectul se simulează prin închiderea întrerupătorului I4. Se va deduce corelația dintre curenții de punere la pământ ai liniilor rețelei și curentul de punere la pământ al întregii rețele. ƒ

– Se compară valorile măsurate pe model cu acelea calculate pentru rețeaua reală, folosind definiția scării de modelare a curentului :

Scara de modelare a curentului se va determina cu relația (5), cunoscând scara de modelare a tensiunii, care se determină măsurând tensiunea pe model:

ƒ- Se măsoară tensiunile de fază și de linie în diferite puncte ale rețelei, în regim normal și în regim de defect monofazat, observând modificările provocate de către defect.

În regim normal de funcționare a rețelei modelate, în care toate cele trei linii sunt racordate la bare, se va trasa curba UN=f(q) a tensiunii de deplasare a neutrului în funcție de gradul de acordare a bobinei de stingere. Se va măsura tensiunea pe bobina de stingere pentru diferite valori ale inductanței acesteia. Valorile inductanței se determină din fig.4 cunoscând valoarea curentului de comandă și priza utilizată. Gradul de acordare q se calculează cu relația (2), în care C0 este capacitatea fază-pământ a întregii rețele (suma capacităților fază-pământ a liniilor rețelei). ƒ

În regim de punere la pământ monofazată în rețea, se va trasa curba Irez=f(q), prin măsurarea curentului de punere la pământ pentru diferite valori ale inductanței bobinei de stingere, iar gradului de acordare q se va calcula, ca mai sus. ƒ Se vor măsura tensiunile de fază și de linie în rețea în regim de defect monofazat, în diferite puncte din rețea, comparând rezultatele cu acelea obținute pentru neutrul izolat.