APARATE DE PROTECTIE IMPOTRIVA SUPRATENSIUNILOR

6.1. Supratensiuni

Valoarea reala a tensiunii care poate sa apara in instalatie, numita tensiune de serviciu, este mentinuta cu ajutorul regulatoarelor de tensiune la valori cat mai apropiate de tensiunea nominala putand sa o depaseasca cu cel mult 15%. Izolatia instalatiilor electrice si a diferitelor masini si aparate racordate la acestea este astfel dimensionata, incat sa poata suporta un timp oricat de lung( practic 15-20 ani ) o tensiune Um cu 15 % mai mare decat tensiunea lor nominala. Tensiunea maxima admisa ( Um ) este legata de tensiunea nominala Un prin relatia :

- Um = 1,15 Un – pentru retelele de joasa tensiune;- Um = 1,10 Un – pentru retelele de inalta tensiune.

Se numeste supratensiune orice solicitare de tensiune care apare in instalatie, depasind, un timp oricat de scurt, valoarea tensiunii de serviciu maxima admisa.Supratensiunile sunt periculoase, prin faptul ca pot provoca strapungerea sau conturnarea izolatiei, determinand intreruperi de serviciu, deteriorari grave in instalatie si chiar distrugerea unor utilaje scumpe, cum sunt indeosebi transformatoarele de forta.Cele mai importante supratensiuni sunt:

- supratensiuni de origine atmosferica – provocate de loviturile de trasnet care cad asupra instalatiilor electrice sau in vecinatatea lor imediata. Supratensiunile atmosferice apar numai pe linii si au durate foarte mici ( cateva zeci de microsecunde ) dar au amplitudini foarte mari( pana la cateva milioane de volti);

- supratensiuni de comutatie – care apar indeosebi la intreruperea transformatoarelor si a liniilor aeriene lungi functionand in gol. Sunt oscilatii puternic amortizate cu frecventa de 700- 1000 Hz, care apar la schimbari bruste de situatie ale unui circuit electric. Amplitudinea supratensiunilor este de 2,8-3 ori mai mare decat valoarea de varf a tensiunii de serviciu pe faza. Protectia impotriva acestor supratensiuni se realizeaza indeosebi prin domensionarea izolatiei si construind aparate de intrerupere astfel incat sa nu produca supratensiuni mari;

- supratensiunile de punere la pamant – care apar la punerea la pamant a unei faze intr-o retea trifazata cu neutrul izolat sau pus la pamant prin bobine de stingere.Supratensiunile de punere la pamant sunt cresteri ale tensiunii de frecventa industriala a caror amplitudine este de 1,2 – 1,73 ori mai mare decat amplitudinea de serviciu si a caror durata este de fractiuni de secunda in retelele cu neutrul legat direct la pamant, putand atinge cateva ore in retelele cu neutrul izolat. Protectia impotriva acestor supratensiuni se realizeaza prin dimensionarea izolatiei pentru valorile tensiunilor de incercare impuse de norme si standarde

( aparatele de protectie la supratensiuni nu sunt, in general eficace pentru aceste supartensiuni) si folosind relee de protectie care semnalizeaza aparitia unor astfel de defecte.

Supratensiunile de comutatie si cele de punere la pamant se numesc si supratensiuni de origine interna, deoarece se produc ca urmare a unor modificari de situatie in instalatia electrica.

1

6.2. Pericole de aparitie a unor supratensiuni.

In mod special trebuie avute in vedere zonele unde se manifesta frecvente descarcariatmosferice cum sunt de exemplu in zonele montane izolate unde efectele daunatoare asupra instalatiilor de telecornunicatii si a instalatiilor de alimentare cu energie electrica a acestora sunt deosebit de irnportante in ceea ce priveste volumul pagubelor. Pot avea locavarii cu distrugeri de echipamente costisitoare si intreruperi in functionarile tehnologice.Se constata practic ca protectia realizata numai cu instalatii de paratrasnet nu este suficienta. Atat la loviturile directe de trasnet in instalatia de paratrasnet cat si la descarcarile atmosferice intre nori si fata de pamant (in afara zonei protejate), campurile electromagnetice determina in instalatii supratensiuni de valori mari. La acestease mai adauga supratensiunile datorita descarcarilor in liniile de energie electrica aeriene si supratensiunile de comutatie, precum si supratensiunile datorita dezechilibrelor in circuitele trifazate de alimentare cu energie electrica.Astfel trebuie avute in vedere in principal pericole de apartie a supratensiunilor in urmatoarele cazuri:- lovituri directe de trasnet;- descarcari intre nori sau fata de pamant directe sau indirecte;- potentiale ridicate ale prizei de pamant la care sunt racordate elementele de captare ale instalatiilor de paratrasnet (supratensiuni inverse);- comutatii in instalatia de alimentare cu energie electrica (supratensiuni de comutatie)- deteriorari de izolatii la echipamentele electrice ( tensiuni de atingere peste limitele admise);- dezechilibre in reteaua trifazata de joasa tensiune, in special in cazul legarii punctului neutru, respectiv a conductorului de nul al retelei, la prize de pamant cu rezistente de dispersie mari (peste 4 ohmi).Pentru evitarea pericolelor unor supratensiuni periculoase este necesara stabilirea unor solutii suficiente si justificate economic la nivelul tehnicii moderne, care in ultimul timp a avut progrese spectaculoase in domeniu. Pe plan mondial problemele legate de evitareasupratensiunilor in instalatiile de telecornunicatii si de alimentare a consumatorilor electrici au fost aprofundate si au fost elaborate echipamente de protectie de mare performanta, care reduc apreciabil probabilitatea unor efecte daunatoare in instalatiile tehnologice si asupra persoanelor.Dupa cum s-a aratat mai sus, in esenta trebuie avute in vedere evitarea afectarii echipamentelor de telecomunicatii si a receptoarelor electrice in special a celor electronice, prin distrugerile de izolatii, de ansamble si subansamble, precum si evitarea unor electrocutari prin atingere indirecta. Astfel se vor avea in vedere atat protectia instalatiilor tehnologice, cat si protectia personalului de deservire.Solutille aplicate trebuie sa conduca la protectii eficiente si economice, respectiv la reducerea riscurilor privind distrugerile de echipamente, intreruperi in functionare si accidente prin atingere indirecta. Realizarea acestor protectii trebuie sa fie corelate cureglernentarile cunoscute privind solutiile de realizare a instalatiilor de legare la pamant pentru:- instalatia de protectie impotriva descarcarilor atmosferice;- instalatia de protectie impotriva electrocutarilor prin atingere indirecta:- instalatia de legare la pamant pentru racordarea diferitelor elemente ale retelei de energie electrica sau ale circuitelor de telecornunicatii la pamant.

2

6.3. Metode de protectie impotriva supratensiunilor

Pentru protejarea instalatiilor electrice impotriva supratensiunilor, mai frecvent se folosesc urmatoarele metode:

Luarea de masuri de protectie care sa evite aparitia supratensiunilor sau sa reduca durata lor.Aceste metode sunt aplicabile numai in ceea ce priveste supratensiunile de origine interna si se realizeaza prin:

- proiectarea corespunzatoare a intrerupatoarelor si a sigurantelor astfel incat prin functionare sa nu se produca supratensiuni periculoase;

- legarea neutrului retelelor la pamant;- folosirea de relee de protectie care sa semnalizeze aparitia unor puneri la

pamant in instalatie;- evitarea unor anumite manevre care provoaca supratensiuni( intreruperea

liniilor lungi sau a transformatoarelor mari, functionand in gol).Aceste metode de protectie se refera, in general la modul de exploatare a retelelor de transport de energie electrica.

Folosirea de capacitate de protectie( condensatoare sau cabluri) care modifica forma undelor de impuls, reducand panta fruntii si valoarea de varf a acestora, dar prelungindu-se durata. Folosirea de aparate de protectie care limiteaza valoarea de varf si durata supratensiunilor.

Dupa principiul de amorsare si stingere a arcului electric astfel format, aceste aparate de protectie se grupeaza in 3 categorii: eclatoare; descarcatoare tubulare; descarcatoare cu rezistenta variabila.

Eclatoarele. Sunt cele mai simple aparate de protectie la supratensiuni de origine atmosferica. Acestea sunt formate din doi electrozi metalici, izolati intre ei si amplasati in aer, la o anumita distanta unul de altul. Indata ce tensiunea aplicata intre electrozi depaseste o anumita valoare, care depinde de forma electrozilor si de distanta dintre acestia, spatiul de aer este strapuns, amorsandu-se astfel un arc electric. Daca unul din electrozi este legat de linia aflata sub tensiune si celalalt la pamant, se obtine o limitare a valorii supratensiunilor care pot sa apara pe linie.Se deosebesc trei tipuri constructive;

- eclatoare cu coarne – sunt cele mai vechi aparate de protectie impotriva supratensiunilor, se numesc asa deoarece electrozii au forma de coarne,pentru a mari posibilitatea de stingere prin suflaj magnetic a arcului electric amorsat intre ei.Ele sunt din ce in ce mai putin folosite in retelele de curent alternativ si frecvent folosite in retelele de c.c.

- eclatoare cu tija – se monteaza de obicei pe izolatoarele de trecere a transformatoarelor, avand rolul de a limita valoarea tensiunii care poata sa apara la bornele acestora. De obicei arcul amorsat nu se stinge de la sine, fiind necesara scoaterea de sub tensiune a instalatiei pentru foarte scurt timp

- inelele sau coarnele de protectie sunt eclatoare cu forma speciala pentru protectia lanturilor de izolatoare a liniilor de inalta tensiune. Coarnele de protectie au urmatoarele functiuni:

uniformizeaza repartitia tensiunii pe diferite izolatoare din lant;

3

asigura o anumita tensiune de conturnare a lantului de izolatoare, independent de starea suprafetei acestora;mentinerea arcului de conturnare cat mai departe de suprafata izolatoarelor, pentru ca acestea san u fie deteriorate de actiunea termica si dinamica a arcului electric;usurarea stingerii de la sine a arcului electric, fara a provoca scurtcircuite intre faze.

De obicei eclatoarele nu pot stinge arcul amorsat fiind necesara scoaterea de sub tensiune a portiunii respective din instalatie.Descarcatoarele tubulare sunt aparate de protectie la supratensiuni construite astfel incat sa realizeze doua functiuni:

- limitarea supratensiunilor care pot sa apara intre conducta protejata si pamant, prin stabilirea unei legaturi de mica impedanta, la pamant;

- intreruperea automata a legaturii cu pamantul si restabilirea izolatiei conductei, indata ce supratensiunea a fost anulata.

Particularitatea esentiala a descarcatoarelor fata de eclatoare este, deci, proprietatea lor de a restabili izolatia conductei protejate, fara a fi necesara intreruperea functionarii instalatiei.Ca si eclatoarele, descarcatoarele se monteaza in deosebi intre conductoare si pamant.Modul de functionare. La aparitia unei unde de tensiune care depaseste tensiunea de amorsare a descarcatorului, spatiul de amorsare din interiorul tubului si cel exterior sunt strapunse, amorsandu-se un arc electric prin inermediul caruia unda este canalizata la pamant. Dupa anihilarea in acest mod a supratensiunii, distantele de amorsare raman puternic ionizate, ceea ce face ca prin descarcator sa continue sa treaca, sub forma de arc electric, un curent alimentat de tensiunea de serviciu a retelei , numit curent de insotire sau curent residual.In cazul descarcatoarelor tubulare, care au in timpul functionarii o rezistenta interna mica, curentul rezidual este practic egal egal cu cel care s-ar stabili prin legarea directa la pamant a retelei in acel punct.Descarcatoarele cu rezistenta variabila sunt aparate de protectie impotriva supratensiunilor, compuse din urmatoarele elemente:

- o coloana de discuri din praf de carbura de siliciu, care constituie o rezistenta variabila in functie de tensiune;

- o coloana de eclatoare identice;- un izolator de portelan in interiorul caruia sunt inchise ermetic eclatoarele si

rezistentele;- borne de legatura electrica si elemente de fixare mecanica.

Modul de functionare. Eclatorul este astfel dimensionat, incat asigura izolatia fata de pamant a conductorului protejat, la tensiunea de serviciu si supratensiuni interne de valoare normala.La aparitia unei supratensiuni care depaseste aceste valori, eclatorul, amorseaza practic fara intarziere, un arc electric. Se stabileste astfel prin intermediul rezistentelor, un curent la pamant. In felul acesta energia undei de supratensiune se scurge spre pamant, discurile de rezistenta variabila fiind strabatute, timp de cateva zeci de microsecunde de un curent de impuls de cateva sute pana la cateva mii de amperi.Deoarece discurile de rezistenta variabila au proprietatea de a-si reduce cu atat mai mult rezistenta, cu cat tensiunea aplicata este mai mare, caderea de tensiune la bornele descarcatorului, numita tensiune reziduala ( a carei valoare este data de produsul dintre valorile momentane ale curentului ce strabate descarcatorul si a rezistentei discurilor) se mentine la valori nepericuloase pentru izolatia instalatiei.Dupa ce supratensiunea a fost anihilata in acest mod, eclatorul ramane ionizat, iar prin descarcator continua sa treaca un current alimentat de tensiunea de serviciu numit curent

4

de insotire. Dar, la valoarea tensiunii de serviciu corespunde o valoare mult mai mare a rezistentei variabile, care limiteaza curentul prin descarcator, la valori suficiente( cateva zeci de amperi), pentru a fi stins de eclator la prima trecere naturala prin zero.Marimile nominale ale descarcatoarelor cu rezistenta varialbila sunt:

- tensiunea nominala parametrul cel mai important deoarece in functie de aceasta tensiune sunt stabilite conditiile de functionare( amorsarea si stingerea curentului de insotire ) cat si nivelul de protectie ( tensiunea reziduala) a descarcatorului. Folosirea unui descarcator de tensiune nominala mai mare decat este necesar anuleaza, in mare masura, efectul de protectie al acestuia, iar folosirea unui descarcator cu tensiune nominala mai mica decat este necesar duce la distrugerea descarcatorului;

- tensiunea de amorsare la frecventa industriala, tensiunea de amorsare la impuls si tensiunea reziduala sunt marimi care definesc nivelul de izolatie si de protectie al descarcatorului;

- capacitatea de scurgere se exprima in kA. si arata ce curenti de impuls, de anumita forma, pot trece prin descarcator fara ca tensiunea reziduala nominala sa fie depasita.

In instalatiile de joasa tensiune se folosec descarcatoare cu rezistenta variabila indeosebi pentru protectia instalatiilor electrice din locuinte alimentate cu energie electrica prin linii electrice aeriene.Descarcatoarele cu rezistenta variabila de joasa tensiune sunt, de obicei, formate dintr-un singur eclator si un singur disc de rezistenta variabila, inchis ermetic in interiorul unui izolatror.O particularitate a multor descarcatoare cu rezistenta variabila de joasa tensiune o constituie prezenta unui element de siguranta care intrerupe vizibil legatura la pamant in cazul in care, ca urmare a unei solicitari puternice, electrozii eclatorului s-au sudat intre ei punand astfel linia la pamant. 6.4. Protectia impotriva supratensiunilor

Dupa cum este cunoscut, instalatiile si echipamentele, atat cele de energie electrica (de alimentare cu energie electrica), cat si cele de telecomunicatii sunt dimensionate pentru anumite tensiuni de lucru. Fiecare echipament are o anumita tensiune norninala Un. Este considerata o functionare normala numai daca tensiunea de lucru este egala cu cea norninala plus sau minus valoarea corespunzatoare unui procentaj de ordinul 10 ... 20% din tensiunea norninala. De exemplu in cazul tensiunii nominale U, = 220 V se poate admite o supratensiune, la care pot fi supuse receptoarele electrice respectivepana la o valoare maxima de 250 V.Orice distrugere de izolatie se datoreste astfel unei supratensiuni fata de cea considerata de functionare norrnala. De asemenea distrugerile de echipamente datorita efectelor termice (inclusiv incendierile) se datoresc unor curenti de suprasarcina determinatide supratensiuni (diferente de potentiale) peste limitele admise pentru o functionare normala: distrugerile datorita efectelor termice au desigur ca sursa supracurenti, iar acestia din urma sunt determinati de supratensiuni accidentale (diferente de potentiale mari).Cauzele care determina supratensiuni in instalatiile electrice de alimentare cu energie electrica de joasa tensiune, in echipamente (receptoarele) electronice si in instalatiile de telecornunicatii sunt urmatoarele:a) loviturile directe de trasnet in instalatia de protectie impotriva trasnetelor in antene sau in linia de alimentare cu energie electrica, in special in liniile electrice aeriene;

5

b) efectele secundare (indirecte) ale trasnetelor fata de parnant, respectiv efectele campurilor electromagnetice produse in acest caz;c) efectele secundare ale descarcarilor dintre nori, respectiv efectele campurilor electromagnetice respective produse;d) efectele secundare ale arcurilor electrice la cuplarea si decuplarea dispozitivelor de comutatie (intreruptoare, separatoare etc.), respectiv supratensiunile de comutatie produse;e) efectele dezechilibrelor in circuitele trifazate de joasa tensiune.La loviturile directe de trasnet in instalatia de protectie impotriva trasnetelor legata la pamant, atat carcasele legate la parnant cat si conductoarele de protectie (in general instalatia de legare la parnant in ansamblu) sunt supuse la un potential ridicat intr-un timp foarte scurt de ordinul a 10-6 s.Datorita curentului care se stabileste in reteaua de legare la pamant, chiar daca se realizeaza o echipotentiere locala, are loc o crestere a potentialului prizei care poate sa conduca la deteriorari de izolatii datorita acestui potential al prizei in raport cu potentialulconductoarelor de faza (strapungeri, conturnari inverse). Cu alte cuvinte, la loviturile directe intr-o instalatie de protectie impotriva trasnetelor, curentul direct al trasnetului este descarcat prin paratrasnete (tije sau benzi colectoare) la instalatia de legare laparnant.Campurile electromagnetice care se produc in acest caz, constituie un pericol real pentru echipamentele electronice din interiorul incaperilor protejate, datorita supratensiunilor induse in circuitele respective.Pentru micsorarea efectelor astfel aparute, trebuie sa se realizezeo echipotentiere sl/sau efectiv o ecranare a incaperii prin armaturi, sau suprafete metalice. In functie de masurile de protectie prin ecranare se vor delimita diferite zone de protectie.Conductoarele care strabat zonele de protectie impotriva loviturilor directe de trasnet, respectiv in zonele (sectiunile) de interfata de la o zona protejata la alta, trebuie sa fie conectate la anumite aparate de protectie impotriva supratensiunilor care sunt legate la instalatia locala de egalizare a potentialelor, respectiv la instalatia de legare lapamant prin care trebuie sa se obtina egalizarea de potential dorita.Zonele de protectie impotriva trasnetelor se definesc de la exterior spre interiorul incaperii astfel:Zona de protectie 0. Este zona in care pot aparea trasnete si unde campul electromagnetic actioneaza fara nici o atenuare (nestanjenit).Zona de protectie 0/E. Este zona protejata de loviturile directe ale trasnetului, dar nu sunt prevazute masuri de protectie prin ecranare.in aceste zone campul electromagnetic actioneaza deasemenea (ca la zona 0) fara atenuare (nestanjenit),Zona de protectie 1. In aceasta zona patrund numai partial campurile electromagnetice care sunt atenuate de o prima ecranare, (ecranarea 1).Zona de protectie 2. In aceasta zona campurile electromagnetice partiale patrunse au fost diminuate intr-o zona de protectie 1. In acest caz campul electromagnetic va fi in continuare ecranat intr-o a II-a treapta (ecranarea 2).In cazul in care este afectata de un trasnet linia de alimentare cu energie electrica de joasa tensiune, unda de supratensiune care apare se propaga intr-un timp extrem de scurt in circuitele de alimentare a echipamentelor electronice.Datorita supratensiunilor sunt periclitate astfel, sistemele de alimentare, aparatura de masura, actionare si reqlaj, precum si echipamentele de telecornunicatii, retranslatoarele etc.

6

Descarcarile sarcinilor electrice (fulgere) intre nori produc campuri electromagnetice care afecteaza de asemenea accentuat instalatiile electronice datorita supratensiunilor care se induc.Supratensiunile temporare si de comutatie care insotesc deseori cuplarile si decuplarile circuitelor inductive si capacitive, pot afecta grav echipamentele electronice.Pentru protectia impotriva supratensiunilor induse datorate campurilor electromagnetice ce apar la producerea trasnetelor sunt necesare in general egalizari de potentiate, crearea unor ecranari, precum si prevederea unor. anumite aparate de protectie impotrivasupratensiunilor, si anume descarcatoare.Prin actionarea descarcatoarelor se realizeaza o protejare a echipamentelor, reducandu-se la minim necesar efectele supratensiunilor.Prin egalizarea potentialelor se evita diferentele periculoase de potentiale, respectiv supratensiunile care ar putea conduce la deterlorari de izolatie si la stabilirea unor curenti de defect cu efecte termice care ar deteriora echipamentele. Se au in vedere in modspecial urmatoarele:- evitarea deteriorarii circuitelor de alimentare cu energie electrica a echipamentelor electrice (receptoarelor electrice), inclusiv cele electronice;- evitarea deteriorarii circuitelor electronice ale echipamentelor de telecornunicatii, retranslatoarelor:- evitarea afectarii circuitelor de automatizare, masura, control,reglaj etc., in general asa numitele circuite de masura si control.Descarcatoarele de joasa tensiune sunt produse de catre fabricile specializate in urmatoarele patru categorii:Categoria A Descarcatoare pentru liniile aeriene de joasa tensiune, acestea trebuie sa corespunda prevederilor:- CEl 99.1 privind nivelul de protectie:- CEl 99.1, respectiv DIN-VDE 0875 partea 1 privind capacitatea de incarcare (ISN = 5 kA);Categoria B. Descarcatoare destinate pentru tablourile de distributie principale si secundare;Categoria C. Descarcatoar destinate tablourilor de distributie secundare si pentru interfetele dintre zonele 0 si 1 dintre zonele 1 si 2 pentru protectie impotriva supratensiunilor de descarcari atmosferice si de comutatie.Categoria D. Descarcatoare pentru amplasare la prize de alimentare (de racord) impotriva supratensiunilor. Capacitatea de descarcare redusa (corespunzatoare locului deamplasare) ISN = 1,5 kA. Descarcatoarele din categoria D sunt destinate pentru prize dealimentare (de racord) de regula cu contacte de protectie PE si se utilizeaza in zonele de protectie 1, 2, 3 si asa mai departe.Descarcatoarele din categoriile B si C asigura protectia principala, iar cele din categoria D protectie suplimentara (asa numita protectie fina).

7

Egalizarea potentialelor de protectie Impotriva trasnetului constituie o masura esentiala pentru evitarea pericolelor de distrugere a echipamentelor, precum si a celor deaccidentare a persoanelor.Egalizarea potentialelor de protectie impotriva trasnetului se realizeaza cu ajutorul unor conductoare de egalizare care leaga intre ele diferitele elemente din spatiile si incaperile care trebuie protejate dupa cum sunt:- instalatia de protectie impotriva trasnetului:- structura de metal a cladirii;- elementele de sustinere a diferitelor instalatii;- instalatii cu elemente metalice cu diferite destinatii, ca de exemplu conductele de gaze, de apa etc.;- carcasele echipamentelor electrice (de energie, electronice etc.);- circuitele instalatiilor electrice (de energie, electronice etc.).In esenta egalizarea potentialelor constiuie o legatura electrica prin care se aduce diferitele elemente la acelasi potential. Efectul principal al egalizarii potentialelor este evitarea producerii unor curenti care ar putea fi periculosi pentru integritatea instalatillor(echipamentelor) si persoanelor.Descarcatoarele sunt mijloace care constau in principal din rezistente dependente de tensiune si/sau eclatoare. Aceste doua elemente pot fi conectate in serie sau in paralel sau pot fi utilizate separat.

8

Un descarcator de calitate corespunzatoare trebuie sa prezinte urmatoarele perforrnante:- timp de actionare extrem de scurt chiar la pante mari a undelorde tensiune de ordinul a 10-9 s;- nivel corespunzator de protectie:- nivel de protectie stabil dupa frecvente functionari;- capacitate mare de descarcare:- curenti reziduali redusi dupa trecerea supratensiunii.

fig.1.Schema electrica de principiu cu descarcatoare de clasa B, C si D

9

fig.2.Schema electrica de principiu cu descarcatoare de clasa C si D

fig.3.Schema electrica de principiu cu descarcatoare de clasa C si D

10