1CAPITOLUL 6 APARATE DE PROTECTIE IMPOTRIVA SUPRATENSIUNILOR

6.1. Supratensiuni

Valoarea reala a tensiunii care poate sa apara in instalatie, numita tensiune de serviciu, estementinuta cu ajutorul regulatoarelor de tensiune la valori cat mai apropiate de tensiuneanominala putand sa o depaseasca cu cel mult 15%. Izolatia instalatiilor electrice si adiferitelor masini si aparate racordate la acestea este astfel dimensionata, incat sa poatasuporta un timp oricat de lung( practic 15-20 ani ) o tensiune Um cu 15 % mai mare decattensiunea 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, untimp oricat de scurt, valoarea tensiunii de serviciu maxima admisa.Supratensiunile sunt periculoase, prin faptul ca pot provoca strapungerea sau conturnareaizolatiei, determinand intreruperi de serviciu, deteriorari grave in instalatie si chiardistrugerea unor utilaje scumpe, cum sunt indeosebi transformatoarele de forta.Cele mai importante supratensiuni sunt:

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

- supratensiuni de comutatie care apar indeosebi la intrerupereatransformatoarelor si a liniilor aeriene lungi functionand in gol. Sunt oscilatiiputernic amortizate cu frecventa de 700- 1000 Hz, care apar la schimbari brustede situatie ale unui circuit electric. Amplitudinea supratensiunilor este de 2,8-3 orimai mare decat valoarea de varf a tensiunii de serviciu pe faza. Protectiaimpotriva acestor supratensiuni se realizeaza indeosebi prin domensionareaizolatiei si construind aparate de intrerupere astfel incat sa nu producasupratensiuni mari;

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

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

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

26.2. 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 daunatoareasupra instalatiilor de telecornunicatii si a instalatiilor de alimentare cu energie electrica aacestora 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 estesuficienta. Atat la loviturile directe de trasnet in instalatia de paratrasnet cat si ladescarcarile atmosferice intre nori si fata de pamant (in afara zonei protejate), campurileelectromagnetice determina in instalatii supratensiuni de valori mari. La acestease mai adauga supratensiunile datorita descarcarilor in liniile de energie electrica aerienesi supratensiunile de comutatie, precum si supratensiunile datorita dezechilibrelor incircuitele trifazate de alimentare cu energie electrica.Astfel trebuie avute in vedere in principal pericole de apartie a supratensiunilor inurmatoarele 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 aleinstalatiilor 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 limiteleadmise);- dezechilibre in reteaua trifazata de joasa tensiune, in special in cazul legarii punctuluineutru, respectiv a conductorului de nul al retelei, la prize de pamant cu rezistente dedispersie mari (peste 4 ohmi).Pentru evitarea pericolelor unor supratensiuni periculoase este necesara stabilirea unorsolutii suficiente si justificate economic la nivelul tehnicii moderne, care in ultimul timp aavut progrese spectaculoase in domeniu. Pe plan mondial problemele legate de evitareasupratensiunilor in instalatiile de telecornunicatii si de alimentare a consumatorilorelectrici au fost aprofundate si au fost elaborate echipamente de protectie de mareperformanta, care reduc apreciabil probabilitatea unor efecte daunatoare in instalatiiletehnologice si asupra persoanelor.Dupa cum s-a aratat mai sus, in esenta trebuie avute in vedere evitarea afectariiechipamentelor de telecomunicatii si a receptoarelor electrice in special a celorelectronice, prin distrugerile de izolatii, de ansamble si subansamble, precum si evitareaunor electrocutari prin atingere indirecta. Astfel se vor avea in vedere atat protectiainstalatiilor tehnologice, cat si protectia personalului de deservire.Solutille aplicate trebuie sa conduca la protectii eficiente si economice, respectiv lareducerea riscurilor privind distrugerile de echipamente, intreruperi in functionare siaccidente prin atingere indirecta. Realizarea acestor protectii trebuie sa fie corelate cureglernentarile cunoscute privind solutiile de realizare a instalatiilor de legare la pamantpentru:- 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 deenergie electrica sau ale circuitelor de telecornunicatii la pamant.

36.3. Metode de protectie impotriva supratensiunilor

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

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

- proiectarea corespunzatoare a intrerupatoarelor si a sigurantelor astfel incat prinfunctionare 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 detransport de energie electrica.

Folosirea de capacitate de protectie( condensatoare sau cabluri) care modificaforma undelor de impuls, reducand panta fruntii si valoarea de varf a acestora, darprelungindu-se durata. Folosirea de aparate de protectie care limiteaza valoarea de varf si duratasupratensiunilor.

Dupa principiul de amorsare si stingere a arcului electric astfel format, aceste aparate deprotectie se grupeaza in 3 categorii: eclatoare; descarcatoare tubulare; descarcatoare curezistenta 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 oanumita distanta unul de altul. Indata ce tensiunea aplicata intre electrozi depaseste o anumitavaloare, care depinde de forma electrozilor si de distanta dintre acestia, spatiul de aer estestrapuns, amorsandu-se astfel un arc electric. Daca unul din electrozi este legat de linia aflatasub tensiune si celalalt la pamant, se obtine o limitare a valorii supratensiunilor care pot saapara pe linie.Se deosebesc trei tipuri constructive;

- eclatoare cu coarne sunt cele mai vechi aparate de protectie impotrivasupratensiunilor, se numesc asa deoarece electrozii au forma de coarne,pentru amari posibilitatea de stingere prin suflaj magnetic a arcului electric amorsat intreei.Ele sunt din ce in ce mai putin folosite in retelele de curent alternativ si frecventfolosite in retelele de c.c.

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

- inelele sau coarnele de protectie sunt eclatoare cu forma speciala pentru protectialanturilor de izolatoare a liniilor de inalta tensiune. Coarnele de protectie auurmatoarele functiuni:

uniformizeaza repartitia tensiunii pe diferite izolatoare din lant;

4asigura o anumita tensiune de conturnare a lantului de izolatoare,independent de starea suprafetei acestora;mentinerea arcului de conturnare cat mai departe de suprafataizolatoarelor, pentru ca acestea san u fie deteriorate de actiunea termica sidinamica a arcului electric;usurarea stingerii de la sine a arcului electric, fara a provoca scurtcircuiteintre faze.

De obicei eclatoarele nu pot stinge arcul amorsat fiind necesara scoaterea de sub tensiune aportiunii respective din instalatie.Descarcatoarele tubulare sunt aparate de protectie la supratensiuni construite astfel incat sarealizeze 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 arestabili 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 deamorsare a descarcatorului, spatiul de amorsare din interiorul tubului si cel exterior suntstrapunse, amorsandu-se un arc electric prin inermediul caruia unda este canalizata lapamant. Dupa anihilarea in acest mod a supratensiunii, distantele de amorsare raman puternicionizate, ceea ce face ca prin descarcator sa continue sa treaca, sub forma de arc electric, uncurent alimentat de tensiunea de serviciu a retelei , numit curent de insotire sau curentresidual.In cazul descarcatoarelor tubulare, care au in timpul functionarii o rezistenta internamica, curentul rezidual este practic egal egal cu cel care s-ar stabili prin legarea directa lapamant 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 rezistentavariabila 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 pamanta conductorului protejat, la tensiunea de serviciu si supratensiuni interne de valoare normala.La aparitia unei supratensiuni care depaseste aceste valori, eclatorul, amorseaza practic faraintarziere, un arc electric. Se stabileste astfel prin intermediul rezistentelor, un curent lapamant. In felul acesta energia undei de supratensiune se scurge spre pamant, discurile derezistenta variabila fiind strabatute, timp de cateva zeci de microsecunde de un curent deimpuls de cateva sute pana la cateva mii de amperi.Deoarece discurile de rezistenta variabilaau proprietatea de a-si reduce cu atat mai mult rezistenta, cu cat tensiunea aplicata este maimare, caderea de tensiune la bornele descarcatorului, numita tensiune reziduala ( a careivaloare este data de produsul dintre valorile momentane ale curentului ce strabatedescarcatorul si a rezistentei discurilor) se mentine la valori nepericuloase pentru izolatiainstalatiei.Dupa ce supratensiunea a fost anihilata in acest mod, eclatorul ramane ionizat, iarprin descarcator continua sa treaca un current alimentat de tensiunea de serviciu numit curent

5de insotire. Dar, la valoarea tensiunii de serviciu corespunde o valoare mult mai mare arezistentei variabile, care limiteaza curentul prin descarcator, la valori suficiente( cateva zecide 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 aceastatensiune sunt stabilite conditiile de functionare( amorsarea si stingerea curentuluide insotire ) cat si nivelul de protectie ( tensiunea reziduala) a descarcatorului.Folosirea unui descarcator de tensiune nominala mai mare decat este necesaranuleaza, in mare masura, efectul de protectie al acestuia, iar folosirea unuidescarcator cu tensiune nominala mai mica decat este necesar duce la distrugereadescarcatorului;

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

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

In instalatiile de joasa tensiune se folosec descarcatoare cu rezistenta variabila indeosebipentru protectia instalatiilor electrice din locuinte alimentate cu energie electrica prin liniielectrice 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 ininteriorul unui izolatror.O particularitate a multor descarcatoare cu rezistenta variabila dejoasa tensiune o constituie prezenta unui element de siguranta care intrerupe vizibil legaturala pamant in cazul in care, ca urmare a unei solicitari puternice, electrozii eclatorului s-ausudat intre ei punand astfel linia la pamant.

6.4. Protectia impotriva supratensiunilor

Dupa cum este cunoscut, instalatiile si echipamentele, atat cele de energie electrica (dealimentare cu energie electrica), cat si cele de telecomunicatii sunt dimensionate pentruanumite tensiuni de lucru. Fiecare echipament are o anumita tensiune norninala Un.Este considerata o functionare normala numai daca tensiunea de lucru este egala cu ceanorninala plus sau minus valoarea corespunzatoare unui procentaj de ordinul 10 ... 20%din tensiunea norninala. De exemplu in cazul tensiunii nominale U, = 220 V se poateadmite 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 consideratade functionare norrnala. De asemenea distrugerile de echipamente datorita efectelortermice (inclusiv incendierile) se datoresc unor curenti de suprasarcina determinatide supratensiuni (diferente de potentiale) peste limitele admise pentru o functionarenormala: distrugerile datorita efectelor termice au desigur ca sursa supracurenti, iaracestia din urma sunt determinati de supratensiuni accidentale (diferente de potentialemari).Cauzele care determina supratensiuni in instalatiile electrice de alimentare cu energieelectrica de joasa tensiune, in echipamente (receptoarele) electronice si in instalatiile detelecornunicatii sunt urmatoarele:a) loviturile directe de trasnet in instalatia de protectie impotriva trasnetelor in antene sauin linia de alimentare cu energie electrica, in special in liniile electrice aeriene;

6b) efectele secundare (indirecte) ale trasnetelor fata de parnant, respectiv efectelecampurilor electromagnetice produse in acest caz;c) efectele secundare ale descarcarilor dintre nori, respectiv efectele campurilorelectromagnetice respective produse;d) efectele secundare ale arcurilor electrice la cuplarea si decuplarea dispozitivelor decomutatie (intreruptoare, separatoare etc.), respectiv supratensiunile de comutatieproduse;e) efectele dezechilibrelor in circuitele trifazate de joasa tensiune.La loviturile directe de trasnet in instalatia de protectie impotriva trasnetelor legata lapamant, atat carcasele legate la parnant cat si conductoarele de protectie (in generalinstalatia de legare la parnant in ansamblu) sunt supuse la un potential ridicat intr-un timpfoarte scurt de ordinul a 10-6 s.Datorita curentului care se stabileste in reteaua de legare la pamant, chiar daca serealizeaza o echipotentiere locala, are loc o crestere a potentialului prizei care poate saconduca la deteriorari de izolatii datorita acestui potential al prizei in raport cu potentialulconductoarelor de faza (strapungeri, conturnari inverse). Cu alte cuvinte, la lovituriledirecte intr-o instalatie de protectie impotriva trasnetelor, curentul direct al trasnetuluieste descarcat prin paratrasnete (tije sau benzi colectoare) la instalatia de legare laparnant.Campurile electromagnetice care se produc in acest caz, constituie un pericol real pentruechipamentele electronice din interiorul incaperilor protejate, datorita supratensiunilorinduse 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 fieconectate la anumite aparate de protectie impotriva supratensiunilor care sunt legate lainstalatia 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 interiorulincaperii astfel:Zona de protectie 0. Este zona in care pot aparea trasnete si unde campulelectromagnetic actioneaza fara nici o atenuare (nestanjenit).Zona de protectie 0/E. Este zona protejata de loviturile directe ale trasnetului, dar nusunt prevazute masuri de protectie prin ecranare.in aceste zone campul electromagneticactioneaza deasemenea (ca la zona 0) fara atenuare (nestanjenit),Zona de protectie 1. In aceasta zona patrund numai partial campurile electromagneticecare sunt atenuate de o prima ecranare, (ecranarea 1).Zona de protectie 2. In aceasta zona campurile electromagnetice partiale patrunse aufost diminuate intr-o zona de protectie 1. In acest caz campul electromagnetic va fi incontinuare 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 joasatensiune, unda de supratensiune care apare se propaga intr-un timp extrem de scurt incircuitele 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.

7Descarcarile sarcinilor electrice (fulgere) intre nori produc campuri electromagnetice careafecteaza de asemenea accentuat instalatiile electronice datorita supratensiunilor care seinduc.Supratensiunile temporare si de comutatie care insotesc deseori cuplarile si decuplarilecircuitelor inductive si capacitive, pot afecta grav echipamentele electronice.Pentru protectia impotriva supratensiunilor induse datorate campurilor electromagneticece apar la producerea trasnetelor sunt necesare in general egalizari de potentiate, creareaunor ecranari, precum si prevederea unor. anumite aparate de protectie impotrivasupratensiunilor, si anume descarcatoare.Prin actionarea descarcatoarelor se realizeaza o protejare a echipamentelor, reducandu-sela minim necesar efectele supratensiunilor.Prin egalizarea potentialelor se evita diferentele periculoase de potentiale, respectivsupratensiunile care ar putea conduce la deterlorari de izolatie si la stabilirea unor curentide defect cu efecte termice care ar deteriora echipamentele. Se au in vedere in modspecial urmatoarele:- evitarea deteriorarii circuitelor de alimentare cu energie electrica a echipamentelorelectrice (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 asanumitele circuite de masura si control.Descarcatoarele de joasa tensiune sunt produse de catre fabricile specializate in urmatoarelepatru categorii:Categoria A Descarcatoare pentru liniile aeriene de joasa tensiune, acestea trebuie sacorespunda prevederilor:- CEl 99.1 privind nivelul de protectie:- CEl 99.1, respectiv DIN-VDE 0875 partea 1 privind capacitatea de incarcare (ISN = 5kA);Categoria B. Descarcatoare destinate pentru tablourile de distributie principale sisecundare;Categoria C. Descarcatoar destinate tablourilor de distributie secundare si pentruinterfetele dintre zonele 0 si 1 dintre zonele 1 si 2 pentru protectie impotrivasupratensiunilor 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 deprotectie 1, 2, 3 si asa mai departe.Descarcatoarele din categoriile B si C asigura protectia principala, iar cele din categoriaD protectie suplimentara (asa numita protectie fina).

8Egalizarea potentialelor de protectie Impotriva trasnetului constituie o masura esentialapentru evitarea pericolelor de distrugere a echipamentelor, precum si a celor deaccidentare a persoanelor.Egalizarea potentialelor de protectie impotriva trasnetului se realizeaza cu ajutorul unorconductoare de egalizare care leaga intre ele diferitele elemente din spatiile si incaperilecare 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 aducediferitele elemente la acelasi potential. Efectul principal al egalizarii potentialelor esteevitarea producerii unor curenti care ar putea fi periculosi pentru integritatea instalatillor(echipamentelor) si persoanelor.Descarcatoarele sunt mijloace care constau in principal din rezistente dependente detensiune si/sau eclatoare. Aceste doua elemente pot fi conectate in serie sau in paralel saupot fi utilizate separat.

9Un 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

10

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