echipamente electrice - departament | producere si...

235
ION CHIUŢĂ CONSTANTIN RADU NICOLETA – DORIANA SECĂREANU ŞERPESCU MARIANA MARIUS – ANDREI RONCEA ECHIPAMENTE ELECTRICE Editura Electra

Upload: lamdang

Post on 06-Feb-2018

291 views

Category:

Documents


11 download

TRANSCRIPT

Page 1: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

ION CHIUŢĂCONSTANTIN RADU

NICOLETA – DORIANA SECĂREANUŞERPESCU MARIANA

MARIUS – ANDREI RONCEA

ECHIPAMENTE ELECTRICE

Editura Electra

Page 2: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

ION CHIUŢĂCONSTANTIN RADU

NICOLETA – DORIANA SECĂREANUŞERPESCU MARIANA

MARIUS – ANDREI RONCEA

ECHIPAMENTE ELECTRICE

Page 3: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Editura ElectraBucuresti,2008

Cuprins

1. Introducere

2. Contacte electrice2.1. Generalităţi 2.2. Rezistenţă de contact2.3. Încălzirea contactelor2.4. Condiţii admisibile de funcţionare a contactelor2.5. Aplicaţie

3. Scurtcircuitele în instalaţii electrice3.1. Generalităţi

3.1.1. Scurtcircuite trifazate3.1.2. Scurtcircuit alimentat de o sursa de putere infinită

3.2. Concluzii3.2.1. Cazul în care işoc are valoarea maximă

3.3. Expresiile curenţilor de scurtcircuit apropiat3.4. Influenţa reglajului automat de tensiune3.5. Introducere în teoria componentelor simetrice şi a

curenţilor de scurtcircuit3.6. Analiza diverselor tipuri de scurtcircuite

3.6.1. Scurtcircuite între o fază şi pământ3.6.2 Scurtcircuit între faze

Page 4: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

3.7. Efectul curenţilor nesimetrici3.7.1Generatorul electric3.7.2. Efectele produse de curenţii homopolari

4.Forţe electrodinamice în sisteme de bare ecranate4.1. Generalităţi4.2. Regimul normal de exploatare:4.3. Regimul de scurtcircuit4.4. Scurtcircuitul bipolar4.5. Scurtcircuitul trifazat4.6. Aplicaţie

5.Arcul electric5.1. Generalităţi5.2.Caracteristicile arcului electric5.3.Arcul în întreruptoare5.4.Efectul de electrod. Efectul de nişă.5.5.Caracteristica volt-amperică a arcului5.6. Stabilitatea arcului electric5.7. Ipoteza Mayr5.8. Stingerea arcului de curent continuu5.9. Stingerea arcului de curent alternative

5.9.1.Circuite ohmice.5.9.2. Circuite inductive.5.9.3. Întreruperea circuitelor trifazate

5.10. Tensiunea tranzitorie de restabilire5.11. Fenomene care apar la funcţionarea întreruptoarelor de la bornele generatoarelor în unele regimuri anormale

Page 5: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

5.11.1. Deconectarea în timpul trecerii prin zero a curentului de scurtcircuit 5.11.2. Influenţa arcului electric

5.12. Deconectarea circuitelor de curent continuu6. Izolaţia echipamentelor electrice6.1. Generalităţi6.2. Solicitările electrice ale izolatoarelor6.3. Proprietăţile izolaţiei electrice6.4. Îmbătrânirea izolaţiei

7. Întreruptoare7.1. Generalităţi7.2. Principalele tehnici de întrerupere7.3. Aparate moderne7.4. Clasificarea întreruptoarelor de înaltă tensiune7.5. Întreruptoare pentru bornele generatorului

7.5.1.Întreruperea unei sarcini de la sursa de alimentare7.5.2. Întreruperea curentului de la generator7.5.3. Restabilirea tensiunii la sistem7.5.4.Caracteristica tranzitorie a tensiunii de restabilire7.5.5. Oscilaţiile pe partea generatorului7.5.6. Oscilaţiile pe partea transformatoarelor7.5.7. Scopul şi funcţiunea capacităţilor de protecţie

7.6. Întreruptoare pentru instalaţii de distribuţie la tensiunea de producere

8. Coordonarea izolaţiei

Page 6: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

8.1. Generalităţi8.2. Descărcătoare

8.2.1. Eclatoare8.2.2. Descărcătoarele tubulare 8.2.3. Descărcătoare cu rezistenţă variabilă 8.2.4. Descărcătoare cu suflaj magnetic

9.Transformatoare de curent9.1. Generalităţi9.2. Erorile transformatorului de curent

9.2.1. Dependenţa erorilor de curent în funcţie de sarcina secundară9.2.2. Dependenţa erorilor în funcţie de parametrii constructivi

9.3. Transformatoare de curent compensate9.3.1. Autopremagnetizare prin utilizarea unui şunt magnetic9.3.2. Transformatoare de curent în cascadă9.3.3. Transformatoare de curent magnetice de tip inductiv9.3.4. Transformatoare de curent optoelectronice

9.4. Reductoare de intensitate9.4.1. Caracteristicile erorilor9.4.2. Factorii de care depind erorile de curent şi de unghi9.4.3. Funcţionarea transformatoarelor de intensitate în gol

Page 7: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

9.4.4. Stabilitatea de scurtcircuit a transformatoarelor de intensitate9.4.5.Transformatoare de intensitate compensate

10. Transformatoare de tensiune10.1. Generalităţi10.2. Erorile transformatoarelor de tensiune10.3. Construcţii ale transformatoarelor de tensiune

Page 8: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

1. Introducere

Legăturile între centralele de producere a energiei electrice şi receptoarele de energie electrică se stabileşte prin intermediul liniilor din reţelele de transport şi distribuţie a energiei electrice.

Ţinând seama de condiţiile de exploatare şi protecţie, legătura menţionată nu este rigidă, ci se realizează prin intermediul aparatelor de comutaţie.

Rolul funcţional al aparatelor de comutaţie este de a stabili şi întrerupe circuite electrice în condiţii de funcţionare normală sau anormală în vederea asigurării unei anumite distribuţii de energie electrică într-un sistem energetic.

Aparatele de comutaţie trebuie sa deconecteze liniile de transport sau porţiuni dintr-o reţea în cazul apariţiei unei solicitări anormale, cum sunt scurtcircuitele.

În acest caz aparatele de comutaţie cu rol de protecţie – în sensul că deconectarea se face temporizat şi limitează efectele termice şi electrodinamice ale curenţilor de scurtcircuit.

Procesele de comutaţie la întreruptoare se realizează prin intermediul arcului electric.

Page 9: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Închiderea sau deschiderea unui circuit se face prin deplasarea unei piese metalice, care constituie elementul mobil al unui contact electric. Arcul electric conduce la solicitări suplimentare – care sunt utilizate de fabricanţii de întreruptoare pentru deconectarea acestuia.

Deşi sistemele electroenergetice sunt deja un concept implementat la scara largă, echipamentele electrice sunt entităţi mult mai vechi din punct de vedere temporal, iar fenomenele pentru care au fost proiectate, precum şi a celor ce apar în urma funcţionării acestora sunt foarte importante pentru a înţelege principiul de funcţionare al acestora.

1.1.Componente ale sistemului electroenergetic

1.1.1. Generatoarele sincrone sunt maşini rotative cu înfăşurarea statorică conectată la reţeaua de curent şi înfăşurarea rotorică alimentată în curent continuu. Acestea convertesc energia mecanică a maşinii primare în energie electrice electrică şi sunt montate în centrale electrice. Cand se utilizează energia dezvoltata de uraniu avem centrale nuclearo – electrice.

Fig. 1. Componentele unui generator

Page 10: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Energia electrică este produsă sub formă de curent alternativ trifazat la de curent alternativ trifazat la 50Hz pentru Europa şi 60Hz pentru America de Nord, Canada, Japonia, etc.

Se menţionează că pentru generatoarele de putere mijlocie şi mare nu s-a ajuns la standardizarea tensiunilor de producere. De regulă, tensiunea nominală creşte o dată cu creşterea puterii, pentru a menţine curentul la valori curentul la valori rezonabile.

Reţeaua electrică este un ansamblul de staţi şi linii electrice, racordate între ele, care funcţionează interconectat.

1.1.2. Transformatoarele sunt maşini statice prin intermediul cărora se modifică tensiunea (se ridică sau se coboară), fiind deci posibilă interconectarea unor reţele cu tensiuni diferite. Instalaţiile de transformare care realizează transformarea energiei de la o treaptă de medie tensiune la o treapta de joasă tensiune (< 1 kV) se numesc posturi de transformare.

1.1.3. Staţia electrică reprezintă un ansamblu concentrat de instalaţii electrice şi construcţii anexe, prin care se poate asigura evacuarea puterii dintr-o centrală electrică, transformarea energiei la diferite tensiuni sau cu rol numai de transport la o anumită tensiune numite staţii de conexiune.

1.1.4. Linia electrică: ansamblu de conductoare, izolatoare şi accesorii, destinat transportului sau distribuţiei

Page 11: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

de energie electrică, la aceeaşi tensiune nominală. Poate fi aeriană sau în cablu.

1.1.5. Echipamentele electrice sunt elemente ale instalaţiilor electrice întrebuinţat pentru producerea, transformarea, distribuţia şi utilizarea energiei electrice.

Principalele categorii de echipamente sunt: a) Echipamente de comutaţie automată sau

neautomată a circuitelor electrice. Prin echipamente electrice specifice configuraţia reţelei este continuu adaptată la traficul de energie care este permanent controlat

Ca funcţii îndeplinite de un aparat de comutaţie:• comutaţie = pregătirea, stabilirea(închiderea)

sau întreruperea (deschiderea) de circuite electrice • protecţie = deconectări şi conectări de circuite,

cu scopul eliminării unor suprasolicitări produse de incidente, avarii,

După rolul pe care îl au în întreruperea sau comutarea curenţilor unor circuite, se cunosc ca echipamente de comutaţie următoarele:

• întreruptoare şi separatoare (IT)• contactoare şi ruptoare (JT şi MT)• comutatoare şi controlere (JT)• prize şi conectoare (JT)

Page 12: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Întreruptorul de putere de înaltă tensiune – are rolul de a închide, suporta şi deschide curenţii anormali cum sunt curenţii de scurtcircuit. Deci întreruptorul de putere este în acelaşi timp atât aparat de comutaţie, cât şi aparat de protecţie.

Separatorul de înaltă tensiune – este un aparat de comutaţie mecanică destinat a închide şi deschide circuite fără sarcină şi care în poziţia deschis asigură în mod vizibil, distanţa între elementele de contact. Acest aparat joacă un rol important în asigurarea protecţiei personalului de serviciu al centralelor, staţiilor electrice şi a celui care execută mentenanţa instalaţiilor electrice.

Descărcătorul cu rezistenţă variabilă, oxid de zinc (ZnO) sau cu coarne reduce solicitarea dielectrică.

Echipamente de protecţie Echipamentele de protecţie asigură protecţia

împotriva valorilor periculoase (de defect) ale tensiunii şi curentului

• siguranţe fuzibile• relee de protecţie• descărcătoare

Page 13: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Echipamente limitatoare de curentEchipamentele limitatoare de curent permit limitarea

curentului de scurtcircuit şi menţinerea unui anumit nivel al tensiunii în momentul scurtcircuitului cunoscute sub denumirea de bobine de reactanţă.

Echipamente pentru alimentarea circuitelor de protecţie şi măsură

• transformatoarele de tensiune• transformatoarele de curent• divizoarele de tensiune

1.2. Parametrii aparatelor electrice.

1.2.1. Curenţii nominali ai aparatelor electrice:În practică se utilizează de regulă seriile R10 şi, mai

rar, R5 pentru normarea valorilor curenţilor nominali:

R10= ( )10 10 =[1; 1.25; 1.6; 2; 2.5; 3.15; 4; 5; 6.3; 8; 10]

R5= ( )5 10 =[1; 1.6; 2.5; 4; 6.3; 10]

1.2.2. Tensiunile nominale (in kV) pentru echipamente sunt aferente tensiunilor din reţelele de:

0.4; 0.66; (3); 6; 10; (15); 20; 25; (60); 110; 220; 400; 750

Page 14: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

1.3. Elemente ale aparatelor de comutaţie, surselor şi legăturilor electrice ale LEA şi LEC.

1.3.1 Contacte electriceContactele electrice sunt legături între căile de curent

care asigură o bună trecere a curentului; ele au o rezistenţă mică, iar încălzirea lor nu depăşeşte limita admisibilă. Contactele electrice sunt elemente constructive de cea mai mare importanţă ale aparatelor şi ale instalaţiilor electrice. Construcţia şi execuţia lor greşită poate cauza pagube foarte importante.

Contactele sunt Rigide (nu se desfac); Mobile, ce se desfac; Mobile, ce nu se desfac.

Tuturor contactelor li se impun următoarele condiţii principale:

siguranţa legăturii de contact electric (rezistenţa

mecanică ) stabilitate termică şi

dinamică (încălzire sub valoarea admisă ) în cazul Fig. 2. Suprafaţa de contact

trecerii îndelungate a curenţilor nominali şi stabilitate termică şi dinamică la trecerea curenţilor de scurtcircuit

Page 15: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Întotdeauna legătura de contact se realizează printr-o suprafaţă. Aparent însă, contactul poate fi de trei feluri:

Punctiform (ex: sferă-plan, con-plan); Liniform (ex: plan-cilindru, după generatoare); De suprafaţă(ex. plan-plan). Suprafaţa aparentă de contact la primele doua este

zero.Suprafaţa reală de contact este însă diferită de zero la

toate tipurile şi este independentă de forma exterioară a contactelor. Aceasta se explică prin aceea că suprafaţa contactelor, oricât de fin ar fi ele prelucrate, prezintă proeminenţe (fig. 2) şi acestea vin în atingere, într-un număr şi suprafaţă mai mare, cu cât forţa aplicată contactelor este mai mare. La mărirea forţei, suprafaţa reală de contact

∑= sS creşte datorită deformării plastice a materialului. De

aceea σF

S = , σ fiind rezistenţa la curgere, deci o mărime

constantă şi cunoscutăÎn figura 3 a şi b sunt arătate înnădiri cu ajutorul

buloanelor sau şuruburilor trecute prin găuri executate în bare. Numărul lor depinde de dimensiunea barei. Această execuţie cere ajustaje bune şi găurirea precisă a barei, mai ales când se face legătura unui pachet de bare. În figura 3 c şi d este arătată înnădirea barelor cu eclise şi şuruburi de strângere (de obicei patru), în acest caz este nevoie să se găurească barele, ceea ce simplifică montajul şi micşorează costul execuţiei, în mod analog se execută derivaţii plate cu

Page 16: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

ajutorul buloanelor sau şuruburilor care trec prin bare sau cu ajutorul ecliselor, exemplificat în figura 3 e şi f.

Fig. 3. Exemple de contacte fixe demontabile

Page 17: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Se face observaţia că în timpul funcţionării, prin încălzirea şi dilatarea barelor, buloanele de strângere sunt foarte solicitate, deoarece dilatarea acestora este inferioară dilatării barelor conductoare. Din această cauză se produce o deformare permanentă a barelor, o slăbire pronunţată a presiunii pe contact, urmată de încălzirea excesivă a contactelor. Pentru a evita aceste consecinţe se vor folosi întotdeauna rondelele-resort pentru menţinerea presiunii de contact iar strângerea şuruburilor se va face cu o cheie dinamometrică.

În afara contactelor demontabile, se pot realiza şi contacte nedemontabile, prin sudare, nituire sau lipire.

Fig. 4. Tipuri de îmbinări

În cazuri speciale, în care contactele fixe nu se pot folosi (echipamente cu părţi in mişcare sau care necesită întreruperi ale circuitelor de alimentate) se folosesc legături flexibile. Aceste legături flexibile pot fi realizare din ansambluri de placi subţiri de cupru sau chiar conductoare flexibile. In figura 5 este exemplificată o astfel de legătură. Curentul trece prin elementul fix 1 către elementul mobil 2 prin legătura flexibilă 3.

Fig. 5. Contact cu legătură flexibilă

Page 18: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

O astfel de legătură flexibilă se foloseşte şi pentru execuţia compensatorilor de dilatare a barelor

Unul din parametrii importanţi ai unui contact electric este rezistenţa de contact.

Rezistenţa de contact este rezistenţa suplimentară între doua secţiuni ale căii de curent care cuprinde contactul, fată de rezistenţa care ar exista între aceleaşi secţiuni dacă contactele ar fi sudate. Aceasta este condiţionată de prezenţa neuniformităţilor pe suprafaţa metalului şi este o caracteristică fizică importantă pentru toate tipurile de contacte.

În general, rezistenţa de trecere este proporţională cu produsul σρ .

Fig. 6. Aspectul liniilor de curent printr-un contact

În domeniul timp, rezistenţa de trecere creşte liniar cu temperatura, datorită creşterii lui ρ. La temperatura corespunzătoare deteriorărilor mecanice bruşte ale materialului, ceea ce are loc, de exemplu, pentru Cu la temperatura de aproximativ 200°C, rezistenţa de trecere scade brusc, datorită creşterii suprafeţei totale de atingere a

Page 19: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

contactelor. Apoi rezistenţa de trecere creşte din nou datorită creşterii rezistivităţii, până când suprafeţele se topesc.

Coeficientul de variaţie a rezistivităţii cu temperatura este aproximativ egal cu:

αα3

lc = ( )

−+= 03

21

0θθα

θ tt RR (1)

Rezistenţa de contact se datorează parţial unei oxidări superficiale a contactelor, însă mai ales strangulării liniilor de curent.

Fig. 7. Strangularea liniilor de curent

Aceasta din urmă este calculabilă. Avem pentru un loc de contact:

axx

dxRR

aa πρ

πρ

πρ =

−===

∞∞

∫ 1

22'2

2

(2)

Page 20: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Pentru n locuri de contact rezultă rezistenţa de

contact: ann

RRc π

ρ== (3)

La contacte punctiforme se poate presupune, în mod idealizat că n=1, sau că n nu creşte cu mărirea forţei de

apăsare pe contacte. Cum s=πa2, rezultă că σπ F

a =2 , deci

πσF

a = este proporţională cu F , deci F

cRc

'=

La contacte de suprafaţă, dimpotrivă, se poate presupune, ca un caz extrem, că la mărirea forţei F suprafeţele individuale de contact nu se schimbă, însă se modifică numărul lor n, proporţional cu forţa . În acest caz rezultă:

F

c

ann

RRc

"===πρ

(4)

Faţă de cazurile extreme F

cRc

"= şi

F

cRc

'= , situaţia reală va putea fi exprimată cu relaţia:

mc F

cR = (m=0,5…1)

Constantele c şi n sunt date în tabele, în manuale de specialitate, în funcţie de felul contactelor.

Page 21: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Se observă deci că rezistenţa de contact nu depinde de suprafaţa aparentă de contact şi este determinată în primul rând de forţa de contact. Totuşi, alegerea unor dimensiuni potrivite pentru contacte este de mare importanţă, pentru a se putea asigura înmagazinarea căldurii produse în regim tranzitoriu şi evacuarea căldurii, fără ca temperatura să crească prea mult.

Pentru asigurarea forţei de contact necesare, contactele trebuie sa fie prevăzute cu arcuire. Forţa resortului accelerează sistemul mobil la deschiderea întreruptorului, fără sa fie însă, bineînţeles, suficientă pentru a asigura şi îndepărtarea completă a contactelor, pentru care se cere o altă sursă de energie (resort, aer comprimat, ulei sub presiune, electromotor, dispozitiv cu bobină solenoidală)

La curenţi mari, rezistenţa de contact trebuie să fie de ordinul de 10-6Ω, altfel căldura produsă la contacte devine prea mare. Astfel, la Rc=10-4Ω şi I=1000A se obţine:

( ) WIRP c 10010102342 === − (5)

Un alt parametru important pentru contactele electrice este încălzirea contactelor

Temperatura maximă a contactelor apare în dreptul suprafeţei elementare de contact. Ea nu poate fi măsurată direct. În cazul configuraţiei din fig. 8, supratemperatura

Page 22: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

la suprafaţa sferei cu raza a se poate calcula însă uşor în funcţie de căderea de tensiune totală pe perechea de contacte.

Fig. 8. Contact tip sferă conductoare

Cantitatea de căldură care se produce în emisfera de

rază x în timpul dt este: Sdtdx

ddQ

θλ−=

22 xS π= Sdtdx

ddtIRx

θλ−=2 (6)

de unde

xxx dRIR

dxS

IRd

λρλθ

22

==−S

dxdRx

ρ=

S

dxdRtermic λ

= - rezistenţa termică (7)

∫∫ =−'

0

0

2 R

xxdRRI

dc

θ

θ λρθ

λρλρθθ

2

'

2

' 222 uRIoc =

⋅=−

u' – este căderea de tensiune pe o jumătate de contact

u=2u’ deci 2

'u

u =

rezultă λρθθ

8

2uoc =− (8)

Prin măsurarea căderii de tensiune, supratemperatura contactelor poate fi uşor controlată. Conductibilitatea

electrică ρ1

şi cea termică λ având la bază mişcarea

electronilor sunt proporţionale între ele.Pentru metale de mare conductibilitate rezultă

T8104,2 −⋅=ρλ (9)T – fiind temperatura în grade Kelvin.

Page 23: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Astfel de exemple, la u=0,03V când contactele nu se încălzesc mult T=290 K se obţine

°=⋅⋅

=− − 16104.28

03.08

2

oc θθ (10)

Astfel- la u=0.12-0.3 V contactele din Cu se înmoaie- la u=0.43 V contactele din Cu se topesc la

suprafaţa de contact C°=0165θÎn urma topirii contactelor în punctele de contact,

suprafeţele elementare de contact se măresc, astfel încât θ şi u nu mai cresc, decât dacă contactele se îndepărtează. Atunci se poate produce vaporizarea contactelor şi un arc între ele, cu o tensiune de arc în jur de 10V. Prin arc se produce un transport de metal între contacte, perlarea şi uzura contactelor.

2.4.Condiţii admisibile de funcţionare a contactelor

La trecerea curentului nominal de durată, încălzirea contactelor nu trebuie sa depăşească temperatura conductorului. Deoarece în contact se dezvoltă o cantitate de căldură mai mare decât în conductor, pentru eliminarea acestei călduri trebuie mărită suprafaţa de disipare a contactului.

Pentru o stabilitate îndelungată şi a siguranţei în funcţionare a contactului temperatura lui nu trebuie să depăşească temperatura maximă admisibilă.

Page 24: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Temperatura maximală admisibilă de durată a contactelor este funcţie de tipul contactului şi mediu în care funcţionează.

Considerând că temperatura mediului ambiant este de +35°C

- temperatura maximă 70-90°C- pentru contactele care nu se desfac θmax=80°C- pentru contactele de întrerupere θmax=75°C- pentru contactele în ulei θmax=90°C- pentru contactele de legătură ale barelor

θmax=70°CPentru contactele de legătură ale barelor de legătura

generator-transformator temperatura se consideră temperatura admisibilă de 75° la temperatura mediului ambiant +25°C.

Dimensionarea suprafeţei de contact pentru bare de Cu se poate determina funcţie de densitatea de curent admisibilă. Pentru alegerea densităţii de curent admisibilă funcţie de suprafaţa totală de contact, în cazul curenţilor de sarcină se poate folosi relaţia:

( )[ ] 241020005.131.0

mmAI −⋅−−=ρ (11)

De regulă se adoptă

I<200 A => 241031.0

mmA−⋅=δ

I>2000A => 241012.0

mmA−⋅=δ

Page 25: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

În cazul scurtcircuitelor în contacte apare o forţă de respingere la contacte care tinde să deschidă contactul. Forţa se datorează existenţei curenţilor de sensuri diferite la separarea contactelor.

Nd

DKiF soc

72 10ln −⋅=

(12)d – diametrul suprafeţei de trecere a curentului, după

anumiţi autori se poate lua (0,1- 0,2 cm)K – 1,2 determinat experimentalDacă nu este asigurată o anumită presiune de contact,

atunci la apariţia curenţilor de scurtcircuit sau cuplarea pe scurtcircuit, respingerea contactelor capătă caracter devibraţii. Prin aceasta apare arcul electric care poate conduce la topirea şi sudarea contactelor. Valoarea curentului de sudare depinde de material şi de de forţa de apăsare.\

FKI sud = K - constanta care depinde de material

Topirea contactelor şi pericolul de sudare se accentuează în special când suprafeţele de contact vin în contact pentru a închide un circuit în care circulă un curent de mare intensitate.

Anularea vibraţiei armăturii contactoarelor de curent alternativ.

tωsin∧Φ=Φ ( )

dd St

St

F0

2

0

22

42cos1

2sin

µω

µω −Φ=Φ=

∧∧

(13)

Page 26: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Dacă se înlocuieşte ∧

Φ=Φ 2 , obţinem:

dd S

t

SF

0

2

0

2

2

2cos

2 µω

µΦ−Φ= (14)

Componenta alternativă a forţei conduce la vibraţii ale armăturii mobile. Din această cauză se produce deteriorarea armăturilor şi arderea contactelor. Înlăturarea vibraţiilor se face prin împărţirea fluxului în două fluxuri decalate ca fază. Pentru aceasta, polul electromagnetic se împarte în doua părţi, pe una dintre părţi se îmbracă o spiră de Cu în scurtcircuit. Fluxul care trece prin spire în scurtcircuit Φ2, produce în ea o tensiune electromotoare.

2Φ−= ωjEecran care este decalată în urmă cu 90° faţă de flux.

Curentul în spira în scurtcircuit şi forţa magnetică de demagetizare se determină cu ajutorul rezistenţei active a ecranului şi sunt egale:

2Φ−==ecran

ecranecranR

jFI

ω(15)

Coeficientul ecranR

jω− este partea reactivă a reluctanţei

magnetice complexe a circuitului magnetic; reluctanţa întrefierului este partea activă a reluctanţei complexe. Tensiunea magnetomotoare a înfăşurării electromagnetului F produce fluxul Φ. O parte din acest flux Φ1 care corespunde ca fază cu tensiunea magnetomotoare a înfăşurării. Cealaltă parte a fluxului care trece prin polul ecranat, fluxul Φ2

datorată existenţei părţii reactive a reluctanţei magnetice

Page 27: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

rămâne în urmă ca fază faţa de fluxul Φ1 co un anumit unghi Θecran. Tensiunea electromotoare, care acţionează în spira ecran, curentul prin spiră şi tensiunea magnetomotoare Fecran

rămâne în urma lui Φ2. Suma geometrică a tensiunii magnetomotoare a înfăşurării şi a spirei în scurtcircuit este egală cu tensiunea magnetomotoare în întrefier la polul ecranat.

Din diagrama vectorială unghiul de decalaj dintre fluxurile Φ1 şi Φ2 este egală:

22 δδ

ωmecran

ecranecran RR

arctgU

Farctg ==Θ de aici rezultă

expresiile tensiunilor:

tt ωsin)( 11

∧Φ=Φ )sin()( 22 ecrantt Θ−Φ=Φ

∧ω

Dacă se determină forţele pentru fiecare flux conform formulei Maxwell se obţine pentru constanta:

Φ+

Φ=

2

22

1

21

02

1'

SSF em µ

( )

Φ−Φ+Φ= ecranem t

St

SF 22cos2cos

2

1''

2

22

1

21

0

ωωµ (16)

Dacă 2

22

1

21

SS

Φ=Φ; °=Φ 45ecran atunci panta periodică din

forţa de atracţie se reduce de două ori iar pentru °=Φ 90ecran

va fi egală cu zero.Materialele metalo-ceramice formate din pulbere de

Ag sau Cu, amestecată şi presată cu pulbere de W sau Mo. Liantul de Ag sau Cu asigură conductibilitatea electrică şi

Page 28: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

termică ridicată, iar partea de W sau Mo rezistenţa la acţiunea arcului.

Contacte utilizate la comutaţia puterilor mariLa această exploatare, contactul de durată trebuie ferit

de acţiunea arcului electric.De aceea, în comutaţie apare un precontact care preia

solicitarea produsă de arcul electric, atât la închidere cât şi la deschidere.

Executarea contactelor mobile ale întreruptoarelor reprezintă o problemă dificilă, având în vedere că acestea trebuie să funcţioneze sigur la curenţi mari de regim normal şi la regim de scurtcircuit.

2.5. APLICAŢIE

Page 29: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Două bare rotunde, din Cu, la capete sunt prelucrate sub formă de semisferă cu raza r=40 mm şi sunt comprimate cu o forţă P=98N. Să se determine rezistenţa de contact.

210108.11

m

NE ⋅=

mE

rPa 43

10

3

3 1076.2108.11

10409886.086.0 −

⋅=⋅⋅⋅=⋅=

268

221040910

76.2

98

m

N

a

P ⋅=⋅⋅

==ππ

σ

Pentru Cu moale efortul unitar de strivire este

2

6

10383m

Ns ⋅=σ deci va avea loc o deformare plastică.

36 10276.0

10383

98 −⋅=⋅⋅

==ππσs

Pa m

Ω⋅=⋅⋅

⋅=⋅

= −−

−5

3

8

1092.110285.0

1078.1

ππρ

aRST

1.4. Suprasolicitări în instalaţiile electrice

Page 30: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

1.4.1. Scurtcircuitele în intalaţii electriceScurtcircuitele în sistemele electrice apar din cauza

deteriorării izolaţiei conductoarelor, din cauza înlăturării izolaţiei sau din cauza atingerii accidentale a conductoarelor între ele şi/sau cu pământul. Deteriorarea mecanică a izolaţiei poate apare, de exemplu, din următoarele cauze:

Ruperea izolatoarelor suport ale aparatelor montate în staţii

Distrugerea izolaţiei cablelor la săpături Căderea stâlpilor sau ruperea conductoarelor la

liniile electrice aeriene, etc.Poate apărea distrugerea izolaţiei în cazul

supratensiunilor, de exemplu, în cazul loviturilor direct de trăsnet în conductoarele liniilor electrice aeriene sau în staţiile exterioare.

Scurtcircuitele pot apărea şi din cauza pasărilor sau animalelor.

Efectele scurtcircuitelor sunt variabile, depinzând de tipul şi durata scurtcircuitului, locul din instalaţie unde s-a produs ca şi de puterea de scurtcircuit a sursei.

Efectele includ:- la locul defectului, prezenţa arcului electric, determinând:

• deteriorarea izolaţiei;• topirea conductoarelor;• incendii sau afectarea vieţii

- pe circuitul defect, forţe electrodinamice conducând la

Page 31: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

• deformarea barelor;• deconectarea cablurilor;• creşterea excesivă a temperaturii prin efect Joule cu riscul deteriorării izolaţiei.• goluri de tensiune pe durata necesară izolării efectului, durată care poate fi de la câteva milisecunde la câteva sute de milisecunde;• deconectarea unei părţi a reţelei, mărimea acesteia depinzând de modul de proiectare şi de selectivitatea dispozitivelor de protecţie;•instabilitate dinamică şi/sau pierderea sincronismului maşinilor electrice;• perturbaţii ale circuitelor de control şi monitorizare, etc.

Datorită scurtcircuitelor elementele sistemului sunt străbătute de curenţi care au valori mult mai mari decât curenţii normali de funcţionare şi în acelaşi timp apar şi căderi mari de tensiune. În sensul extinderii avariei elementul defect al sistemului trebuie izolat cât mai repede. Izolarea trebuie să fie făcută de cel mai apropiat întreruptor de locul de defect.

Dacă elementul defect nu este înlocuit cu un element de rezervă, sau calea de curent nu este cu alimentare dublă, consumatorii rămân nealimentaţi, fapt ce implică posibile pierderi materiale sau chiar de vieţi omeneşti.1.4.2. Calculul curenţilor de scurtcircuit este necesar pentru:

Page 32: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Alegerea aparatelor de înaltă tensiune Alegerea mijloacelor de limitare a curenţilor de

scurtcircuit Proiectarea şi reglarea protecţiilor prin releePentru rezolvarea primelor două probleme este

suficient un calcul aproximativ al curentului de scurtcircuit trifazat şi destul de rar curentul de scurtcircuit bifazat.

Mărimea curenţilor de scurtcircuit este funcţie de foarte mulţi factori dependenţi de configuraţia S.E.N.

La calcule practice de scurtcircuit se fac următoarele ipoteze simplificatoare:

Se consideră sistemul trifazat simetric Se consideră scurtcircuitele metalice Nu se consideră saturarea circuitelor magnetice,

ceea ce face să se considere toate reactanţele constante (nu depind de curent)

Se consideră că toate tensiunile electromotoare ale generatoarelor sunt în fază în tot timpul scurtcircuitului

Se neglijează curenţii de magnetizare ai transformatoarelor şi autotransfomatoarelor

Se neglijează admitanţele capacitive ale liniilor de înaltă tensiune

Page 33: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

1.4.2.1. Determinarea curenţilor în ipoteza unui scurtcircuit trifazat

În cazul scurtcircuitelor metalice curenţii de scurtcircuit trifazaţi sunt simetrici iar la locul scurtcircuitelor tensiunea este egală cu zero.

În cazul scurtcircuitelor trifazate reţeaua rămâne simetrică deoarece suma geometrică a curenţilor cât şi a

tensiunilor este egală cu zero.

Fig. 9. Circuitul model şi diagrama fazorială

Unghiul φk se stabileşte funcţie de valoarea rezistenţei şi a inductanţei din circuit.

eg

egk rr

xxtg

++

=ϕ (1)

Page 34: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Simetria curenţilor de scurtcircuit trifazaţi a permis să se calculeze curenţii pe o singură fază, iar în calcule să se folosească scheme monofilare.

eg xxx +=Σ eg rrr +=Σ (2)

1.4.2.2. Scurtcircuit alimentat de la o sursă de putere infinită

Sursa de putere infinită este o sursă ipotetică care se caracterizează prin aceea că impedanţa sa proprie este nulă şi tensiunea sa are, la frecvenţă constantă, o amplitudine constantă.

Ne vom referi la schema din figura 10 unde în punctul K se produce un scurtcircuit trifazat metalic.

Fig. 10. Circuitul electric pentru scurtcircuit trifazat

Page 35: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

După apariţia scurtcircuitului, schema se descompune în doua circuite independente, din care unul rămâne conectat cu sursa iar al doilea formează un circuit închis.

Deoarece impedanţa circuitului rămas conectat la sursă s-a micşorat, curentul în circuit trebuie să crească; în general se modifică şi decalajul acestuia.

Să presupunem că există curenţii pAI , pBI şi pCI care corespund noului regim stabilizat în acest circuit. În orice moment, pentru faza A se poate scrie ecuaţia:

dt

diM

dt

diM

dt

diLiRu CBA

AkA +++= (3)

care, având în vedere relaţia iA+iB+iC=0 scrisă iB+iC= -iA se poate scrie

dt

diLiRu kk += , unde Lk=(L-M) este inductivitatea

rezultantă a fazei.Introducerea acestor inductivităţi permite să se scrie

ecuaţia diferenţială de echilibru în aceeaşi formă ca şi pentru un circuit monofazic.

Curentul anterior apariţie scurtcircuitului îl vom nota cu iant.

)sin(max αω −= tuu

)sin()sin( maxmax ϕαωϕαω −−=−−= t

Z

utIi antant (4)

( )22 ωLRZ +=

'RRR K +=

Page 36: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

"LLL K +=

RL

tgωϕ =

La momentul t=0 apare un scurtcircuit undeva în reţea. Atunci între sursă şi locul de scurtcircuit apar alte valori ale rezistenţei şi inductanţei şi anume RK şi LK.

Ne interesează alura curentului în funcţie de timp. Ecuaţia care redă fenomenul este:

)sin(max αω −=+ tudt

diLiR post

KpostK (5)

Avem o ecuaţie de ordinul întâi cu coeficienţi constanţi soluţia particulară:

)sin(max Kpost tI ϕαω −− , unde

K

mpost Z

UI =max ( ) 22 ωKKK LRZ +=

(6)K

KK R

Ltg

ωϕ =

Soluţie fără membrul doi:

T

t

eC−

⋅K

K

R

LT =

(7)

Page 37: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Soluţia ecuaţiei diferenţiale este:

T

t

Kpostpost eCtIi−

⋅+−−= )sin(max ϕαω (8)

Constanta C se determină din condiţiile iniţiale şi anume, la t=0 valoarea anterioară trebuie să fie egală cu valoarea post avarie.

La momentul (0-) înainte de apariţia defectului)sin()sin( maxmax)0(

ϕαϕα +−=−−=− antantantIII

CII Kpostpost+−−=+ )sin(max)0(

ϕα

rezultă )sin()sin( maxmax ϕαϕα +−+= antKpost IIC (9)

Soluţia generală a ecuaţiei rezultă

[ ] T

t

antKpostKpostpost eIItIi−

⋅+−++−−= )sin()sin()sin( maxmaxmax ϕαϕαϕαω

(10)

Fig. 11. Componentele curentului de scurtcircuit trifazat simetric

Page 38: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Curentul de scurtcircuit iposterior are două componente:− o componentă alternativă sinusoidală de

frecvenţă identică cu cea a sursei de alimentare, constantă, stabilizată, care se numeşte componentă periodică;

− o componentă amortizată de curent continuu numită componenta aperiodică

Componenta aperiodică apare deoarece în circuite cu inductanţe curentul nu poate varia brusc.

Din relaţia 3 se vede că valoarea iniţială a componentei aperiodice este funcţie de unghiul α care dă momentul apariţiei scurtcircuitului. Scurtcircuitul poate apare când tensiunea trece prin zero adică α=0. Dacă scurtcircuitul apare când tensiunea este maximă, atunci

2

πα = .

În acest caz în care işoc are valoarea maximă valoarea constantei C este maximă. C este maximă dacă Iant este egal cu zero. Valoarea iniţială a componentei aperiodice este maximă dacă în momentul apariţiei scurtcircuitului, circuitul funcţiona în gol. C este maxim când Imax post se suprapune peste axa verticală adică proiecţia are valoarea maximă.

Aceasta are loc pentru 2

πϕα =+ K adică Kϕπα −=2

, φK este

decalajul curentului de scurtcircuit după defect. La calculul curenţilor de scurtcircuit se neglijează rezistenţa (rezistenţa

Page 39: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

liniei). Se consideră deci curenţii de scurtcircuit ca fiind pur inductivi.

Dacă 2

πϕ =K atunci rezultă α=0. Deci se obţin

condiţiile cele mai periculoase: când circuitul este în gol şi când tensiunea trece prin zero α=0.

[ ] T

t

antKpost

Kpostpost

eII

tIi

−⋅+−+

+−−=

)sin()sin(

)sin(

maxmax

max

ϕαϕα

ϕαω

Pentru Iant=0 şi 2

πϕ =K , ipost devine:

⋅++−=

−T

t

postpost etIi ααω cos)cos(max pentru 2

πα =

componenta aperiodică este egală cu zero.

Pentru α=0, Iant=0 şi 2

πϕ =K , ipost devine

+−−=

−T

t

postpost etIi )2

sin(max

πω

0max 2 SCpost II = , deci

T

t

postpostpost eItIi−

+−= maxmax )2

sin(πω

Calculul componentei de şoc

πω =t sf

t 01,0100

1

2====

ππ

ωπ

Page 40: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

sf

T 02,050

11 ===

+⋅−=

−T

SCsoc eIi01,0

0 14,301,0cos2

KIeIi SCT

SCsoc 0

01,0

0 212 =

+=

unde K – coeficientul de şoc. T poate avea valori între 0 şi ∞.

Fig. 12. Dependenţa coeficientului de şoc de raportul R/X

Când T=0 LK<<R K=1 T=∞ LK>>R K=2

În practică de obicei T=0.05s şi K=1.8, rezultă 08.12 SCsoc Ii ⋅⋅= .

Page 41: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Relaţiile scrise anterior sunt valabile pentru scurtcircuite depărtate de generator. În aceste cazuri, impedanţa reţelei este preponderentă în raport cu impedanţa generatorului. Dacă scurtcircuitul este apropiat de generator, curentul debitat de generator este un multiplu al curentului nominal. Reactanţa generatorului comportă valori variabile în timp, şi anume: reactanţa subtranzitorie, tranzitorie şi sincronă.

Valorile curenţilor de scurtcircuit apropiat de generatoare se verifică prin statii de încercări (laboratoare de încercări). Staţiile de încercări folosesc generatoare sincrone pentru producerea curentului intens necesar verificării capacităţii de rupere a aparatelor electrice sau verificării stabilităţii termice şi electrodinamice. În acest caz scurtcircuitul depinde de construcţia generatorului sincron care poate fi fără bare amortizoare şi fără poli masivi. În cazul unui scurtcircuit apropiat de generator expresia curentului de scurtcircuit este următoarea:

( ) ( )

( )

⋅++−−

+⋅−−−=

T

t

KSCK

T

t

KSC

eItI

etIIi

)sin(sin

sin2

0

02

ϕαϕαω

ϕαω

unde:

0SCI - este valoare efectivă a curentului de şoc, componenta de curent alternativ.

Page 42: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

2T - constanta de timp a amortizării componentelor de

curent alternativ, corespunzătoare reactanţei tranzitorii a generatorului sincron

∞I - valoarea efectivă a curentului de scurtcircuit de durată

T – constanta de timp a amortizării componentei de curent continuu (curent aperiodic)

Valoarea cea mai mare a curentului de şoc se obţine

pentru 2

πϕα =+ K

Amplitudinea componentei periodice este determinată atât de variaţia tensiunii electromotoare (t.e.m.) a generatorului cât şi de variaţia reactanţei acestuia. După amortizarea curenţilor liberi din înfăşurările generatorului, curentul periodic se stabilizează la o anumită valoare (I∞), mai mică decât valoarea iniţială cu cât scurtcircuitul este mai apropiat de sursă.

Dacă generatorul are RAT, acesta sesizează scăderea tensiunii la borne şi comandă creşterea tensiunii de excitaţie, deci a t.e.m. Constanta de timp a RAT determină o oarecare întârziere a fenomenului de creştere a amplitudinii curentului de scurtcircuit conform figurii 13.

Determinarea expresiei curentului de scurtcircuit în cazul alimentării de la o sursă de putere finită implică studiul comportării generatorului sincron în regim tranzitoriu.

( )

−⋅−−= ∞

−tIetIIeIi T

t

SCT

t

SCsoc ωω coscos2 200

Page 43: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig. 13. Curentul total şi componentele sale, în cazul scurtcircuitului trifazat simetric la bornele generatorului fără înfăşurări de amortizare şi care funcţiona, anterior

producerii defectului, în gol

3.4. Influenţa reglajului automat de tensiune

Reglajul automat de tensiune, efectuat cu dispozitive speciale, are drept scop menţinerea tensiunii la bornele generatorului la valoarea dorită. Indiferent de principiul constructiv, regulatorul automat de tensiune – R.A.T. – acţionează asupra excitaţiei generatorului pentru anularea abaterii tensiunii de la valoarea prescrisă. În regim de scurtcircuit, tensiunea la bornele generatorului se micşorează mai mult sau mai puţin, în funcţie de locul unde s-a produs defectul. Ca urmare, RAT sesizând reducerea tensiunii, intră în funcţiune şi măreşte nivelul de excitaţie pentru a readuce tensiunea la valoarea prescrisă. Restabilirea tensiunii nu este posibilă întotdeauna deoarece nivelul de excitaţie nu poate creşte nelimitat, existând o valoare plafon, căreia îi corespunde o t.e.m. limită – Eqlim. Dacă scurtcircuitul este

Page 44: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

mai îndepărtat, prin ridicarea nivelului de excitaţie, se poate restabili tensiunea nominală la bornele generatorului; în caz contrar, deşi excitaţia este la valoarea plafon, tensiunea la bornele generatorului este mai mică decât cea nominală. În particular, în cazul scurtcircuitului la bornele generatorului, tensiunea acestuia este nulă.

Va exista o anumită valoare a impedanţei de scurtcircuit exterioare, numită impedanţă critică Zcr, care delimitează cele două situaţii.

Pentru determinarea impedanţei critice se face următorul raţionament:

a) Dacă impedanţa exterioară până la locul defectului este mai mică decât cea critică, generatorul funcţionează cu excitaţia plafon, cu t.e.m. limită Eqlim, iar curentul de scurtcircuit stabilizat poate fi determinat cu relaţia:

(1)b) Dacă impedanţa exterioară este mai mare decât

valoarea critică, generatorul funcţionează cu un nivel de excitaţie sub plafon, având la borne tensiunea nominală. Curentul de scurtcircuit stabilizat are expresia:

(2)c) Dacă impedanţa exterioară este egală cu valoarea

critică, generatorul funcţionează cu excitaţia plafon care, în acest caz, îi asigură la borne tensiunea nominală. Ca urmare,

Page 45: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

curentul de scurtcircuit stabilizat se poate determina cu oricare din relaţiile (1) sau (2), rezultând aceeaşi valoare:

(3)Înlocuind în relaţia (3) Rext.cr = Zcrcosφ şi Xext.cr =

Zcrsinφ şi ordonând după Zcr se obţine ecuaţia:

de unde rezultă impedanţa critică:

(4)Din relaţia (4) se constată că, pentru un anumit

argument φ, impedanţa critică este funcţie numai de parametrii generatorului: Xd, Eqlim şi Un.

În concluzie, în cazul generatoarelor prevăzute cu RAT, la determinarea curentului de scurtcircuit stabilizat, se foloseşte fie t.e.m. plafon Eqlim, fie tensiunea nominală la borne Un, după cum impedanţa exterioară până la locul defectului este mai mică, respectiv mai mare decât impedanţa critică.

În cazul particular la generatoarelor fără RAT, curentul de scurtcircuit stabilizat se determină cu relaţia (3) în care se consideră t.e.m. a generatorului existentă în momentul producerii defectului, Eq. Dacă aceasta nu se cunoaşte atunci poate fi determinată aproximativ cu relaţia:

Page 46: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

în care U, I şi φ sunt mărimile corespunzătoare regimului anterior producerii scurtcircuitului.

a)

b)Fig. 14. Regimul tranzitoriu de scurtcircuit în cazul

generatorului sincron cu şi fără RAT

Generator sincron cu bare de amortizare sau cu poli masivi

În acest caz la apariţia curentului de scurtcircuit se produc curenţi de inducţie în barele de amortizare şi curenţi turbionari în piesele masive ale rotorului, iar reactanţa generatorului în această etapă iniţială se numeşte reactanţă subtranzitorie. Expresia corespunzătoare a curentului de şoc este:

Page 47: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

( ) ( ) ( ) ( ) +

⋅−−−+⋅−−−=

−21

0sinsin2 T

t

KaT

t

Kap etIIetIIi ϕαωϕαω

( )

⋅++−−+

∞T

t

KpK eItI )sin(sin0

ϕαϕαω

Unde T1 este constanta de timp corespunzătoare reactanţei subtranzitorii. Şi în acest caz curentul de şoc are

valoarea maximă pentru 2

πϕα =+ K , când expresia curentului

de scurtcircuit devine:

( ) ( )

−⋅−−⋅−−= ∞

−−tIetIIetIIeIi T

t

aT

t

apT

t

p ωωω coscoscos2 21

00

Fig. 15. Curentul total şi componentele sale, în cazul scurtcircuitului trifazat simetric la bornele generatorului cu înfăşurări de amortizare şi care funcţiona, anterior

producerii defectului, în gol

Page 48: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

1.4.2.3. Analiza diverselor tipuri de scurtcircuite

Page 49: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig.19. Diferite tipuri de scurtcircuite: 1) 3FN -trifazat cu punere la pământ ; 2) 3F - trifazat fără punere la pământ; 3) 2FN - bifazat cu punere la pământ; 4)2F - bifazat fără punere la pământ;

5) FN - monofazat

Scurtcircuite între o fază şi pământ

Page 50: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig. 20. Schema scurtcircuitului monofazat

Fig. 21. Fazorii pentru scurtcircuit monofazat

S-a presupus că, prin fazele S şi T nu mai trece deloc curentul electric, tot curentul circulând prin faza R.

Page 51: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig. 22. Sisteme de fazori caracteristice defectului

0RRRR IIII ++= −+ 0SSSS IIII ++= −+ 0TTTT IIII ++= −+

Scurtcircuit între faze

În figura 23,a se arată un scurtcircuit bifazat între fazele S şi T, iar în figura 23,b se prezintă vectorii de curent pentru acest timp de scurtcircuit.

Page 52: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

a)

b)

Fig. 23. Sistemele de fazori caracteristice

scurtcircuitului bifazat

1.4.3. Efectul curenţilor de scurtcircuit nesimetrici

Când un generator debitează pe o sarcină trifazată simetrică, în

Page 53: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

înfăşurările sale vor exista numai curenţi de succesiune directă. În cazul în care generatoarele debitează pe sarcini nesimetrice, vor apărea atât curenţi de succesiune directă cât şi de succesiune inversă. Dacă apare şi un scurtcircuit cu punere la pământ, vor apare şi curenţi de succesiune homopolară.

Componentele de succesiune directă şi homopolară nu creează probleme, dar apariţia unor curenţi relativ mici de secvenţă inversă (0,08-0,15 din curentul nominal) va provoca defectarea rapidă a rotorului.

Un curent de succesiune inversă are o succesiune a fazelor R,T,S în sens antiorar sau sens trigonometric. Aceşti curenţi vor produce un flux de rotaţie inversă în generator. Rotorul învârtindu-se în sensul direct, normal, va întretăia şi liniile acestui câmp magnetic care se roteşte în sensul invers faţă de cel din generator. În consecinţă, în miezul rotoric se vor induce curenţi cu frecvenţa de 100 Hz (presupunând că frecvenţa nominală era de 50 Hz).

Datorită efectului pelicular, aceşti curenţi vor circula la suprafaţa miezului rotoric, producând o mare cantitate de căldură, aceştia putând să avarieze rotorul într-un timp foarte scurt.

Page 54: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig. 24. Liniile de câmp ce se închid prin rotor

S-a menţionat că, generatorul poate suporta, în mod continuu, curenţi de succesiune inversă de ordinul 0,08-0,15 din curentul nominal. Dacă apar valori de curent de succesiune inversă mai mari decât aceste valori limită, se produce o încălzire rapidă, proporţională cu produsul RI ⋅−

2 . Cantitatea de căldură este dependentă de timp tRI ⋅⋅−

2 . Cum R se presupune constant, încălzirea va depinde practice de

.2 tI ⋅− Producătorii de echipamente electrice garantează o valoare admisibilă a mărimii tI ⋅−

2 , pentru funcţionarea sigură a rotorului.

Page 55: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Spre exemplu, să presupunem că, pentru un anumit generator, se specifică valoarea tI ⋅−

2 =3. Dacă un curent de succesiune inversă de 0,5 unităţi relative trece prin înfăşurările statorice, rotorul va fi avariat in 12 secunde, calculul acestui timp făcându-se astfel:

Se dă tI ⋅−2 =3.

Introducând I-=0,5, va rezulta sI

t 125,0

3322

===−

. Dacă

mărimea lui I- ar fi fost de 2 (200% faţă de curentul

nominal), avarierea s-ar fi produs în st 75,02

32

== .

Generatoarele mari au factori tI ⋅−2 =2,5-10s, iar cele mici,

până la 30s.Încălzirea prin curenţi se succesiune inversă apare

atunci când un generator este supus unor curenţi de succesiune inversă de mărime mare care persistă un timp îndelungat.

Aceasta se întâmplă când: Scurtcircuitele sau alte defecte nu sunt

înlăturate rapid; Un conductor se arde sau se rupe, lăsând în

serviciu numai două faze (de exemplu S şi T). Curentul S-T care trece prin generator este format din cantităţi egale de componente de succesiune directă şi inversă.

Unele procedee incorecte de testare , care produc curenţi neechilibraţi în generator, sunt lăsate să persiste pentru perioade de timp lungi

Page 56: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Generatoarele sunt prevăzute împotriva valorilor de curent invers ce le pot provoca avarii şi aceasta se realizează folosind relee care reacţionează la apariţia unor valori excesive ale lui tI ⋅−

2 . Este prevăzută o protecţie care reacţionează când este depăşită în mod continuu valoarea limită a lui I- (în mod obişnuit 8-15% din curentul nominal, pentru generatoare mari) şi care comandă declanşarea generatorului.

Efectele produse de curenţii homopolari sunt evidentiate de fluxurile produse în generator de curenţii homopolari care nu vor urma traseele normale sub formă de buclă închisă deoarece aceşti curenţi nu sunt defazaţi între ei cu 120°. Fluxurile produse de curenţii homopolari se îndreaptă toate spre centrul rotorului.

Fig. 25. Schemă a generatorului reprezentând fluxurile produse de curenţii homopolari

Page 57: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig. 26. Scurtcircuit fază cu pământul pe linie, producând scurtcircuit de tip faza-faza in generator

În figura 25 se arată fluxul indus de fiecare fază, îndreptându-se radial, spre centrul rotorului.

Aceste fluxuri trebuie să formeze bucle închise, complete. Să remarcăm că, aceste bucle trec din exteriorul spre interiorul rotorului şi apoi longitudinal , înainte de a se întoarce spre sursă, prin lagăre, etanşările de hidrogen şi carcasa metalică.

Pentru că un scurtcircuit cu punerea la pământ se rezolvă, de obicei, în răstimpul câtorva cicluri, aceste fluxuri nu produc, de obicei, defecte majore – cu o singură excepţie. Această excepţie este în cazul în care, arborele a devenit magnetizat longitudinal şi valoarea magnetismului remanent este suficient de mare. În timpul funcţionării ulterioare, acest magnetism remanent poate induce curenţi turbionari în lagăre şi în etanşările de hidrogen. Aceşti curenţi pot avaria suprafeţele delicate ale lagărelor şi etanşărilor. Singura modalitate de a demagnetiza rotorul este de a aplica un câmp magnetic invers, care va furniza forţa necesară de demagnetizare.

Page 58: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Generatoarele care distribuie energia la tensiunea de producere sunt legate direct (fără transformatoare bloc) la sistemul de distribuţie. Deci defectele cu punere la pământ apărute în generator sau în sistem vor produce în generator curenţi homopolari (dar şi direcţi şi inverşi). Toate generatoarele mari sunt conectate la sistem, folosind transformatoare ridicătoare de tensiune, având primarul legat în conexiune triunghi şi secundarul cu conexiune stea.

Solicitările date de apariţia unui scurtcircuit, în funcţie de apropierea, de efectul acestora şi de implicaţiile directe ale acestora se împart în:

solicitări mecanice – forţe electrodinamice importante asupra conductoarelor şi barelor de legătură ale transformatoarelor cu staţiile electrice cât şi ale barelor de conexiuni ale staţiilor electrice

solicitări electro-termice – arcul electric prezent în aparatele de protecţie şi comutaţie ce vor înlătura defectul produs.

Page 59: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

1.4.4.Forţe electrodinamice în sisteme de bare dintre generator şi transformator.

În centrale electrice, cu generatoare sincrone de mare putere se realizează o legătură directă între generator si transformator, eliminându-se astfel orice aparat de comutaţie intermediar.

În acest mod curentul de scurtcircuit este diminuat prin însumarea impedanţei transformatorului la impedanţa generatorului în ipoteza excluderii oricărui defect între generator şi transformator.

De aici apare necesitatea de a realiza legătura menţionată prin intermediul unei bare ecranate, care trebuie să îndeplinească următoarele scopuri:

Să reducă riscul de amorsare al arcului electric între faze

Să ofere o protecţie contra electrocutării a personalului de exploatare

Să diminueze forţele electrodinamice, care apar cu ocaziile scurtcircuitelor

Pierderile de energie în ecrane sa fie destul de reduse

Barele ecranate sa fie prefabricate pentru a reduce preţul de cost si de montaj

Reducerea pierderilor de energie în construcţiile metalice

Page 60: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Solicitarile în regimul normal de expoatare sunt puse în evidentă de relaţia:

0=+++dt

diM

dt

diL

dt

diLIR cce

eee

Re – rezistenţa ecranului Le – inductivitatea proprie a ecranului L – inductivitatea bobinei rotorului M – inductivitatea mutuală între ecran si

conductor ic – curentul care circulă prin conductor ie – curentul care circulă in ecran

ee

e

e

ec

c

ce Liii

M =Φ

=

Deoarece ecranul şi conductoarele sunt coaxiale şi fluxul din interiorul ecranului, datorat curentului din conductoare, este nul.

În aceste condiţii ecuaţia scrisă în complex este:

ReIe+jωLIe+ jωLeIe+ jωLeIc=0

Ie= )( LLjR

ILj

ee

ce

++ ωω

(1)

Page 61: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

şi se poate controla curentul din ecran cu ajutorul bobinei saturabile.

Regimul de scurtcircuit

a) Scurtcircuit monopolar

0sin)sin( T

t

mmsc eItII−

⋅+−= ααωÎn acest regim bobina se saturează L≈0.

Pentru componenta de curent alternativ este valabilă ecuaţia:

ReIe + jωLeIe + jωLeIc=0

de unde se extrage expresia curentului din ecran

Ie=ee

ce

LjR

ILj

ωω+ (2)

Se calculează curentul echivalent, din punct de vedere al circuitului magnetic în afara ecranului.

ce

ec

ee

ecc

ee

ece I

Lj

RI

LjR

RII

LjR

LjII

ωωωω ≈

+=+

+−=+

deoarece Re<<ωLe

Page 62: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

jLj

R

I

IIK

e

e

c

ce

10

1~ ≈=

+=

ω

Pentru componenta aperiodică de curent continuu este valabilă ecuaţia

0=++dt

diL

dt

diLIR c

ee

eee

00sin T

t

T

t

mc eceIi−−

⋅=⋅= α

Prin aplicarea transformatei Laplace se obţine:

Reαie+Lepαie+ Lepαic=0

−−

==−−

eTt

Tt

eTeTTTI

IK e

em

e0

0~

01

Curentul echivalent din punct de vedere al inducţiei magnetice în afara ecranului rezultă a fi:

000

0

Tt

eTt

Tt

eIeTeTTT

IiiI me

e

mceee

−−−+

−=+=

−+−−

=−−−−

00000

0

Tt

Tt

eTt

Tt

eTeTeTeTTT

Iee

e

m

−−

=−−

eTt

Tt

eeTT

TII

emee

0

0

0

Coeficientul de atenuare pentru componenta de curent continuu rezultă din rezolvarea ecuaţiei precedente

Page 63: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

−=

−=+=

−−

−−

0

0

0 11

0

0

0

0~ 1 TT

t

eec

ce e

Tt

eTt

Tt

eTT

T

e

ee

TT

T

i

iiK (3)

Unde: T0 – constanta de timp a sistemului de

alimentare; Te – constanta de timp a ecranului; K~ – coeficientul de atenuare a componente de

curent continuu.

a) Scurtcircuitul bipolar

Pentru construcţii uzuale coeficientul de atenuare K~, pentru curent alternativ se poate considera zero.

Forţele electrodinamice la scurtcircuit bipolar se datorează interacţiunii dintre curentul care parcurge un conductor şi inducţia magnetică atenuată a componentei aperiodice datorită curentului care parcurge conductorul al doilea.

[ ]mN

a

liiF f

7211 102 −⋅=

Unde:

-

−=

−teIi T

t

m ωcos01 - curentul conductorului 1

- 0~2

T

t

mf eIKi−

= - curentul fictiv al conductorului 2,

numai componenta aperiodică.

Page 64: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

[ ]mNteeIK

a

lF T

t

T

t

m

−⋅=

−−− ωcos102 00

2

2~

71

(4)c) Scurtcircuitul trifazat

Eforturile electrodinamice se datorează interacţiunii dintre curentul de scurtcircuit dintr-un conductor si câmpul magnetic aperiodic rezultant indus de ceilalti conductori vecini datorită curenţilor aperiodici (de curent continuu).

Efortul electrodinamic este maxim atunci când produsul curentului conductor şi câmpul rezultant aperiodic datorat celor doua conductoare vecine este maxim.

pentru 2

πψϕα =+= rezultă

−=

−teIi T

t

m ωcos01

(5)

−−−=

3

2cos

2

10

2

πωteIi T

t

m

−−−=

3

4cos

2

10

3

πωteIi T

t

m

Efortul instantaneu maxim este:

+−−××==

−−−

3

2cos

2

15.12102 00

2

2~721max

πωteeIa

K

a

IIF T

t

T

t

m (6)

Page 65: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

unde I1 – curentul fictiv ce produce câmpul aperiodic maxim în centrul tubului din mijloc.

00~~1 5.1

2

11 T

t

mT

t

m eIKeIKI−−

=

+=

4.6. Aplicaţie:

Să se aleagă barele ecranate pentru un turbogenerator de 60 MW – 75 MVA

Fig. 27. Schema cu datele de scurtcircuit

Conductorul – aluminiu 99.5%;2U 150x60 mm grosimea 10 mmS=5000 mm2

m=13,5 kg/mwzy=167cm3

Ecranul – aluminiu 99.5%Dext=540 mm

Page 66: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

grosimea=4mms=6900 mm2

m=23kg/mwzy=1100cm3

Verificări în regim normal de funcţionare.

Curentul de durată este kAU

SI

n

nd 33,4

103

75

3=

⋅==

29,0

mm

Ajec = T=7000 ore/an

22 500048009,0

4330mmmm

j

Is

ec

d <===

Stabilitate termică la scurtcircuit23 85310

70

1)09,0(63)(mm

j

tnmIs

sc

posist =⋅

⋅+=

+=

Verificarea la eforturi electrodinamice

De regula, curentul cel mai mare este dat de scurtcircuitul trifazat (metalic), drept urmare, vom face verificarea numai pentru acest caz (cel mai defavorabil):

Conform relaţiei (6) rezultă:

Page 67: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

+−−=

−−

3

2cos

2

15.100

2

2~max

πωteeIa

KF T

t

T

t

m

Datorită inerţiei reduse a barelor se poate neglija componenta periodică de scurtcircuit.

Rezultă forţa aperiodică maximă:

+=

−−00

0

2

2~max 2

15.1 T

t

T

t

p eeIa

KF

Coeficientul de atenuare K~ are valoarea:

−=

+−−

ae TTt

ea

a eTT

TK

11

~ 1

Valoarea maximă a coeficientului de atenuare se obţine pentru timpul t calculat pentru valorile Ta=0.11 s şi pentru Te=0.03 s;

s

TT

T

T

t

ae

e

a

0536.0

11.0

1

03.0

103.0

11.0ln

11

ln

=−

=

=

Coeficientul de atenuare este:

571.0103.011.0

11,01 11.0

1

03.0

111

~ =

−=

−=

+−−

+−− t

TTt

ea

a eeTT

TK ae

Forţa maximă este:

mNeeF 1364

2

110634

8.0

571.05.1 11.0

0536.0

11.0

0536.0212

max =

+⋅⋅⋅⋅=

−×−−

Page 68: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

La verificarea stabilităţii dinamice a barelor trebuie ţinut cont şi de greutatea proprie a barei.

Wx-x=74 cm2

Wy-y=14,7 cm2

Wyo-yo=167 cm2

m=13.5 kg/m

Se considera masa proprie 3.5 kg/m.

mNfff g 135013648.95,13max =+⋅=+= Fig. 28. Schema barei

ecranate

aMPaW

fl σσ ≤=⋅⋅⋅== − 8,101016712

41350

12 6

22

Deoarece forţele electrodinamice ce solicită instalaţiile în urma apariţiei unui scurtcircuit nu pot fi suportate pentru un timp mai mare de câteva secunde, precum şi faptul că existenţa unui scurtcircuit afectează mai multe echipamente în acelaşi timp, nefiind necesar ca acestea să fie apropiate, este necesară eliminarea defectului.

Singurul echipament capabil să înlăture cu succes un scurtcircuit este întreruptorul de putere.

Parametrii de bază care caracterizează întreruptoarele depind de modul cum acesta deconectează arcul electric.

Page 69: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

1.4.5. Arcul electric

La întreruperea unui circuit alimentat la o tensiune de peste 10V, apare între contacte arcul electric, dacă curentul este mai mare decât câteva sute de miliamperi.

Apar următoarele fenomene pe durata arcului electric: Sub acţiunea câmpului electric electronii emişi

de catod sunt acceleraţi; Electronii produc ionizare prin şoc a atomilor

dintre electrozii; Ionii pozitivi au masă mare şi participă puţin la

conducerea arcului electric; Ionii negativi sunt chiar electronii, aceştia se

accelerează uşor, produc prin şoc noi ionizări şi au o viteză medie mare;

Smulgerea electronilor din catod necesită o diferenţă de potenţial relativ mare, în jur de 10V, numită cădere catodică.

Pătrunderea electronilor în anod necesită un câmp electric intens, rezultând căderea anodică, mai mică decât cea catodică.

Page 70: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Câmpurile interne la suprafaţa electrozilor sunt datorate concentrărilor de sarcină, astfel căderea catodică apare datorită unui nor de ioni pozitivi în faţa catodului;

În lungul canalului, datorită ionizării puternice, căderea de tensiune pe unitatea de lungime este relativ mică. De aceea, la un arc scurt, căderea de tensiune se poate considera concentrată pe o distanţă de o fracţiune de milimetru lângă electrozi.

1.4.5.1.Caracteristicile arcului electricArcul electric este o descărcare autonomă în gaze.

Descărcarea se face fără ionizări externe. Se caracterizează prin temperaturi foarte înalte ale coloanei arcului.

Fig. 29. Caracteristicile coloanei arcului

Page 71: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

ΔUc şi ΔUa – nu depind de curent, ΔUc+ΔUa=20V.

Zona catodului constă dintr-un strat subţire de gaze la suprafaţa catodului. Căderea de tensiune este 10-20V, iar câmpul electric ajunge la 105-106

V/cm. Energia care se transmite din reţea se foloseşte pentru extracţia de electroni din catod. Electronii eliberaţi se deplasează spre anod.

Zona anodului este locul unde se formează un volum de sarcini negative în exces deoarece ionii pozitivi sunt respinşi de anod. Căderea de tensiune este de 3-5 V.

Zona coloanei arcului este formată din plasmă, gaz ionizat cu temperaturi de până la 20000 K. Plasma are concentraţie egală de ioni şi electroni în unitatea de volum.

Electronii şi ionii participă la mişcarea haotică a moleculelor neutre şi a atomilor, dar au şi o mişcare orientată în câmpul electric în lungul arcului. Apar ciocniri ale ionilor şi electronilor cu elemente neutre.

Particularitatea descărcării la înaltă presiune constă în faptul energia termică a gazului este foarte mare şi marea majoritate a atomilor şi a moleculelor excitate şi ionizate se obţin prin ciocnirea dintre elementele neutre. Acest mecanism de ionizare se numeşte ionizare termică.

Ionizarea specifică coloanei arcului depinde de temperatură. Sursa de energie pentru ionizare termică este câmpul electric.

Arcul electric în aparate de comutaţie este puternic influenţat de condiţiile locale din camera de stingere a

Page 72: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

întreruptorului, cum sunt: lungimea arcului, intensitatea curentului, felul curentului (continuu sau alternativ).

În tehnica întreruperii se urmăreşte limitarea duratei arcului electric în scopul reducerii la minimum a efectelor termice în aparat şi a efectelor curenţilor de scurtcircuit în instalaţiile protejate de aparat.

În aceste situaţii interesează stingerea arcului electric fie la trecerea prin zero a curentului în cazul curentului alternativ, fie la crearea unei instalaţii de ardere în cazul curentului continuu.

În consecinţă pentru stingerea arcului electric trebuiesc create condiţii speciale pentru ca puterea cedată să fie cât mai mare.

Principial, acest deziderat se realizează răcind arcul electric prin:

Lungirea arcului electric. Dirijarea arcului electric către pereţii reci. Mărirea presiunii în camera de stingere pentru

a asigura o mai bună preluare a căldurii din arc. Folosirea hexafluorurii de sulf (SF6) care are o

constantă de temperatură mică comparativ cu uleiul electroizolant.

Constanta de timp a arcului este:

0

0

P

Q=τ , unde

Q0 – conţinutul de căldură al arculuiP0 – cedarea căldurii spre mediul ambiant

Page 73: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

În întreruptoare la curenţi mari, temperatura contactelor este suficientă pentru topirea lor şi saturarea cu vapori a spaţiului dintre contacte, ceea ce susţine apariţia arcului, chiar şi la valori mici ale tensiunii.

Conductibilitatea arcului se explică în principal prin apariţia ionizării termice, şi anume disocierea moleculelor gazului în electroni şi ioni datorită agitaţiei termice. Gazul, care se găseşte între contacte se transformă în plasmă. Conductibilitatea γ şi gradul de ionizare creşte foarte repede cu temperatura.

Dacă plasmei i se aplică o tensiune atunci electronii se vor deplasa spre anod, iar ionii se îndreaptă, cu viteză mai mică, spre catod şi în plasmă apare câmpul electric.

Prin aceasta în intervalul de aer încep să apară noi particule neutre (ionizarea prin ciocnire la catod apar ionii şi electroni şi smulgerea electronilor.

Deasemeni trebuie remarcat că menţinerea plasmei si menţinerea gazului în această stare şi datorită ionizaţiei termice, şi anume disocierea moleculelor gazului în electroni şi ioni ca rezultat al agitaţiei termice puternice.

Procesele ce au loc în coloana arcului: Coloana arcului este formată din plasmă, gaz

ionizat cu temperaturi de până la 20000 K. În coloana arcului se produce o ionizare

termică. Sursa de energie pentru ionizarea termică este câmpul electric. Apar ciocniri ale electronilor şi ionilor cu

Page 74: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

elemente neutre. Numărul de ciocniri este mare şi ca rezultat se transferă energia electronilor gazelor neutre sub formă de căldura.

Energia termică a gazului este foarte mare şi marea majoritate a atomilor şi a moleculelor excitate şi ionizate se obţin prin ciocnirea dintre elementele neutre.

Efectul de electrod constă în divizarea arcului în n segmente în scopul creşterii de n ori a căderilor de tensiune la electrozi. Pentru un interval se poate scrie

lu γα += unde α şi γ sunt constante de materialPentru un arc scurt se poate considera

ctu == α unde u – tensiunea de ardere a arcului electric

Condiţia de stingere în cazul divizării arcului în n spaţii este

uln >+γα

Efectul de electrod nu este aplicat în cazul stingerii de curent continuu, deoarece eficienţa unei camere de stingere, construită după acest principiu, este redusă, ţinând seamă de faptul că la energia arcului electric contribuie şi energia acumulată în câmpul magnetic al reţelei.

Stingerea arcului de curent continuu se face de obicei prin lungirea arcului electric şi contactul lui cu pereţii reci ai camerelor de stingere. Efectul de electrod este frecvent utilizat la stingerea arcului electric de curent alternativ în întreruptoare şi contactoare de joasă tensiune. În acest caz, stingerea arcului electric este la trecerea naturală a

Page 75: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

curentului la valoarea zero, astfel că tensiunea pe interval, între doua placi, necesară stingerii este de ordinul 100-200 V (nu numai α =26), cât este în cazul stingerii curentului continuu.

Aceasta se explică prin faptul că curentul alternativ trece prin zero. Distanţa dintre electrozi este foarte mică. Arcul se va reaprinde în semiperioada următoare a dacă se va aplică o tensiune suficientă pentru a asigura gradientul necesar lângă noul catod la schimbarea planeităţii. Se ştie că pentru smulgerea de electroni din suprafaţa catodului este necesar de circa 300kV/cm. Dacă gradientul ar rămâne constant în lungul spaţiului de arc, atunci pentru ca să se producă un arc pe un spaţiu de 1 mm, ar fi necesară o tensiune de circa 30 kV. În realitate arcul se aprinde dacă tensiunea trece de 130-250 V, datorită repartizării neuniforme a tensiunii în lungul spaţiului de arc. În momentul trecerii curentului prin zero, în spaţiul dintre electrozi rămân gaze fierbinţi încă puternic ionizate iar ionii şi electronii sunt repartizaţi uniform în tot lungul spaţiului dintre electrozi. În semiperioada următoare, la apariţia tensiunii de restabilire , electronii care sunt mult mai mobili decât ionii pozitivi, se deplasează în direcţia anodului. Ca rezultat, lângă catod se formează o zonă cu sarcini spaţiale pozitive. Repartizarea tensiunii în lungul spaţiului de arc devine neuniformă. Gradientul potenţialului se măreşte brusc în apropierea catodului. Cu timpul, densitatea sarcinilor electrice se micşorează şi valoarea tensiunii se măreşte.

Page 76: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Rigiditatea iniţială U0 depinde de starea electrozilor şi de materialul lor. Stingerea arcului scurt şi a arcului lung depind de viteza de restabilire a tensiunii aplicată spaţiului de arc. Dacă amplitudinea tensiuni de restabilire întrece rigiditatea dielectrică a spaţiului, atunci (pentru stingerea arcului) ca acesta să fie împărţit în mai multe spaţii, legate în serie.

Numărul lor se poate calcula cu relaţia

αβγ0U

Um m= unde:

Um – amplitudinea tensiunii de frecvenţă industrială;α – coeficient care ţine seama de creşterea rigidităţii

dielectrice în momentul când tensiunea de restabilire atinge valoarea sa maximă (amplitudinea), α=0.8;

β - coeficient care ţine seama de neuniformitatea repartiţiei tensiunii între spaţii, β=1.1;

γ – factorul de oscilaţie γ=1,3.U0≈100..200V în funcţie de intensitatea curentului In

(400..10A)

0

15,1U

Um m=

Pentru mărirea rigidităţii unui astfel de dispozitiv este necesar să se uniformizeze repartiţia tensiunii în lungul coloanei, ceea ce se obţine prin şuntarea elementelor separate sau grupelor de elemente cu rezistenţe sau capacităţi.

Page 77: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Dispoziţia plăcilor metalice într-o cameră de stingere cu efect de electrod este de aşa manieră încât, sub acţiunea nişei astfel formate, arcul să fie atras în camera de stingere, spre a fi divizat.

xil

LiWm202

22

1

δµ==

20

2i

l

xh

hF

δµ

−=

Fig. 30. Efectul de nişă

Arcul electric iniţial se stabileşte între elementele de contact. Dacă nişa este multiplă, eficienţa camerei de stingere este sporită faţă de situaţia cu o nişă singulară.

Introducerea arcului electric în camera de stingere cu bare metalice se face cu ajutorul suflajului magnetic, adică

xl

µ0=Ψ

20

2i

l

dx

dWF m

x δµ=

=

Page 78: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

cu ajutorul unui câmp magnetic auxiliar care se stabileşte între plăcuţele feromagnetice.

Un rol important, în procesul stingerii arcului electric, îl joacă şi masa relativ mare a plăcilor sau a barelor metalice folosite în construcţia echipamentelor, care extrag căldura prin piciorul arcului electric. Astfel, grosimi ale plăcilor de 2 mm şi diametre ale barelor de 6-8 mm sunt folosite în mod uzual.

Principul efectului de electrod este aplicat în construcţia camerelor de stingere la contactoarele electromagnetice şi întreruptoarele de putere de joasă tensiune.

Produsul ΔUi reprezintă puterea care apare sub formă de căldură. Cea mai intensă dezvoltare de căldură are loc, deci, lângă electrozi. Temperatura care rezultă la suprafaţa electrozilor este necesară pentru a asigura emisia de electroni. De aceea, arcul electric este legat de partea catodică. Anodul deplasat produce lungirea arcului electric, fără a putea deplasa piciorul arcului, legat de pata catodică, produsă prin încălzirea plăcii care formează catodul. Dacă se schimbă polaritatea, arcul se deplasează liber, ceea ce arată că anodul nu trebuie să aibă temperatură ridicată.

Răcirea canalului arcului se face mai ales prin radiaţie şi prin disocierea (descompunerea) moleculelor gazului din canal, fenomen ce absoarbe energie. Atomii astfel eliberaţi, părăsind canalul arcului, se recombină. Noi molecule ajung încontinuu în canal, apoi prin recombinare cedează mediului ambiant cantitatea de căldură absorbită. Temperatura în

Page 79: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

coloana arcului este atât de mare încât majoritatea atomilor sunt ionizaţi (ionizare termică).

Aceasta înseamnă că energia cinetică a particulelor este atât de mare, se desfac nu numai legăturile între

molecule (disociere), ci şi cele între electroni şi nucleu. Materia în această stare complet ionizată poartă numele de

plasmă (fig. 31)

În cazul arcului electric, relaţia între tensiunea la borne şi curent nu este liniară (fig. 32). Dacă se admite ca ctj = , rezultă la creşterea curentului i, o creştere a secţiunii canalului arcului, deci o răcire înrăutăţită

Fig. 31. Procese în coloana arcului

a unităţii de volum, imediat urmând o creştere a temperaturii arcului, o ionizare mai bună şi deci o micşorare a tensiunii U.

De fapt, temperatura depinde şi de starea termică anterioară şi prin urmare tensiunea arcului va fi mai ridicată dacă curentul este în creştere şi aceasta cu atât mai mult cu cât el variază mai rapid (şi invers). De aceea există o singură caracteristică statică şi numeroase caracteristici dinamice.

Page 80: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

La variaţii foarte rapide ale curentului în jurul unei valori P, starea de ionizare rămâne constantă, şi rezultă caracteristica liniară, reprezentată punctat.

Caracteristica arcului a fost experimentată analitic prin formula clasică a lui Herta Ayrton.

ib

aU += în care lb

la

δβγα

+=+=

l fiind lungimea arcului iar α,β,γ,δ constante experimentale. La i=0, relaţia nu e exactă, deoarece rezultă U=∞. La curenţi mari, peste 50-100A se obţine U=a, adică tensiunea nu descreşte sub o anumită limită deoarece ionizarea spaţiului arcului este completă. Dacă totodată l=0, U=α, exprimă căderea de lângă electrozi, iar β – intensitatea câmpului în canalul arcului, la curent foarte mare.

Arcul electric în aparatele de comutaţie, ca fenomen de descărcare electrică într-un gaz, este puternic influenţat de condiţiile locale din camera de stingere, cum sunt lungimea arcului, cedarea de căldură, intensitatea curentului şi felul curentului.

În tehnica întreruperii se urmăreşte limitarea duratei arcului electric în scopul reducerii la minimum a efectelor termice în aparat şi a efectelor curenţilor de scurtcircuit în instalaţiile protejate de aparat.

Page 81: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig. 32. Caracteristicile arcului electric

Problema stabilităţii arcului este importantă pentru diferitele sectoare de activitate. La sudura electrică, la cuptoarele cu arc este necesar ca arcul să fie stabil. La întreruptoare şi descărcătoare, arcul trebuie să fie instabil, pentru a se putea aplica diferite metode pentru stingerea acestuia într-un timp cât mai scurt. Din această cauză este necesar studiul stabilităţii arcului electric.

Se consideră un circuit de curent continuu în care apare arcul electric. În acest circuit se poate scrie ecuaţia:

dt

dILIRuu a ++=0 (1)

Să presupunem că din anumite motive curentul în circuit variază cu ΔI. Din această cauză tensiunea arcului trebuie să se modifice cu mărimea:

IdI

duu a

a ∆=∆ (2)

Relaţia (1) capătă forma

dt

IIdLIIRI

dI

duuu a

a

)()(0

∆++∆++∆+= (3)

Şi scăzând (1) din (3), obţinem

0)(

)( =∆+∆+dt

IdLIR

dI

dua

Integrând această ecuaţie, se obţine:

L

RdI

dua

eII

+−

∆=∆ 0

(4)

Page 82: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Dacă RdI

dua + >0, atunci exponentul în 4 va fi negativ şi

mărimea ΔI→0 pentru t→∞. Procesul se va întoarce la

vechea situaţie, arcul va fi stabil. Dacă RdI

dua + <0, atunci ΔI

va creşte fără limită, şi arcul va fi instabil. Astfel condiţia pentru stabilitatea arcului este:

0>+ RdI

dua (5)

Să lămurim această condiţie în figura 34. U este tensiunea de alimentare a circuitului ; R rezistenţa legată în serie cu arcul. Curba 1 - caracteristica statică a arcului

În regim stabilizat

I=const; 0=dtdI

, din această cauză IRuu a +=0 .

Ducem prin punctul C o dreaptă 2 care intersectează curba 1 în punctele A şi B. Dreapta CAB cu linia u0 paralelă cu axa absciselor formează unghiul α, determinat cu relaţia:

RI

RItg ==

1

Se vede că arcul poate exista numai în punctele A şi B. Dintre ele punctul A este punct de ardere stabilă. Dacă se funcţionează în punctul A şi din anumite motive curentul creşte, atunci suma ua+IR devine mai mică decât tensiunea u0. tensiunea suplimentară conduce la creşterea curentului, care va creşte până va ajunge în punctul B. Dacă în punctul A curentul se micşorează,tensiunea u0 va deveni mai mică

Page 83: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

decât suma ua+IR. Curentul se va micşora, până când arcul nu se stinge.

Condiţii inverse se vor obţine în punctul B. Mărirea curentului conduce la creşterea sumei ua+IR, aceasta devenind mai mare decât tensiunea u0, curentul se micşorează până se ajunge în punctul B. La micşorarea curentului de arc se va întoarce în punctul B. Se vede că punctul B este un punct de funcţionare stabilă.

Această rezolvare este pentru arcul de curent continuu. Studierea stabilităţii arcului de curent alternativ este mai complicată deoarece trebuie studiata caracteristica dinamică a arcului. Pentru regimul stabilizat trebuie studiat bilanţul energetic a arcului, pe care îl vom prezenta sub forma

00 =−Pui (1)aici P0 – este puterea care se din unitatea de lungime a

arcului. Pentru regim staţionar relaţia 1 se transformă în inegalitatea:

00 <>− Pui

Dacă 00 <−Pui , atunci disiparea căldurii depăşeşte aportul de căldură în unitatea de lungime a arcului Q se micşorează, şi invers.

0Puidt

dQ −= (2)

Ecuaţia (2) descrie echilibrul termodinamic al arcului electric. Ţinând seama că arcul electric are temperatură ridicată (3000-12000 K) şi că există o legătură între

Page 84: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

temperatură şi gradul de ionizare, se poate admite că energia Q este o funcţie de conductanţa arcului electric.

)(GfQ = (3)şi prin derivare

dt

dG

dG

dQ

dt

dQ = (4)

Relaţia 2 se înmulţeşte cu G-1 şi se ţine seama de 4,

deci se obţine:

G

ui

G

P

dt

dG

dG

dQ

G=+1

dQ

dG

G

Pui

dt

dG

G

−=1

P

G

dG

dQP

Pui

dt

dG

G

11 −=(5)

τ=P

G

dG

dQare dimensiunea timp şi se numeşte

constanta de timp a arcului electric. Cu această prezenţă şi

observând că ui

G = ecuaţia 5 devine:

τ11

P

Pui

dt

dG

G

−=

( )τ1

P

Pui

dt

d

i

u ui −=

τ1

2 P

Pui

udt

dui

dt

diu

i

u −=−

τ111

P

Pui

dt

du

udt

di

i

−=− (6)

Page 85: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Expresia 6 este o ecuaţie diferenţială neliniară, care se poate integra în condiţii particulare. Se mai observă că τ nu este o mărime constantă dacă intensitatea curentului variază în coloana arcului electric. Mayr a imaginat un model de arc electric cilindric, în care plasma se află în echilibru termic, dentsitatea de curent (j=ρv) se datorează electronilor, iar cedarea de putere se efectuează prin conductivitate termică către periferia cilindrului. Acest cilindru nu mai are conductivitate electrică spre periferie – temperatura plasmei fiind mai mică decât în zona centrală în care există atât conductivitate termică, cât şi conductivitate electrică.

În aceste condiţii, Mayer ajunge la concluzia că expresia conductivităţii electrice se poate scrie sub forma:

0QQ

KeGu

i == (7)

Unde K şi Q0 sunt constante, iar Q este conţinutul de căldură al arcului electric.

Astfel constanta de timp din relaţia 5, în ipoteza că puterea disipată P=P0=ct, devine o constantă:

0

0

Q

P=τ (8)

Pentru curent alternativ sinusoidal

Page 86: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

tIi ωsinˆ= si tIdt

di ωω cosˆ= , deci rezultă:

( )

+

+−

=

2

0

21

)2sin(1ˆ

sin2

ωτϕω

ω

tI

tpu

Parametrul produsului ωτ cu valori intre 0 şi ∞ şi unde φ=arctg2ωτ.

Pentru ωτ=0 rezultă T1

2πω = şi deci T=∞ adică se

consideră situaţia de curent continuu. Pentru valori mici ale curentului corespund valori foarte mari pentru tensiunea arcului electric.

Pentru ωτ=∞ rezultă că ω=∞ sau că τ=∞. Pentru ω=∞ curentul alternativ are o frecvenţă foarte mare şi în acest caz, tensiunea arcului se menţine sinusoidală

tI

pu ωsin

ˆ2 0=

Pentru ωτ diferit de valorile zero şi infinit ωτ=0.125; 0.25; 0.5 tensiunea arcului prezintă cele două vârfuri, unul de aprindere şi altul de stingere, aşa cum se observă pe înregistrările oscilografice. Fig. 33. Caracteristici ale arcului

Page 87: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Stingerea arcului în circuit de curent continuuConsiderând circuitul din figura 34. În regim staţionar

cu întreruptor închis avem:

R

Ui g=0

În general când există şi arc, iar curentul variază, avem

URidtdi

LU g ++= , pentru

regim staţionar i=ct.RiUU gst −= această

relaţie apare grafic sub forma unei drepte, ea reprezintă caracteristica statică a sursei de

alimentare la Ust=0, R

Ui g=0 ,

astfel rezultând:UUURiU

dtdi

L stg −=−−= (1) .

Fig. 34. Curbele caracteristice ale arcului

Arcul este staţionar la i=ct, între P1 şi P2 la 0>dt

diL

curentul creşte, în rest scade . De aceea la orice modificare a curentului fată de

valoarea ip1, curentul revine la această valoare. P1 este un punct de funcţionare stabilă. La orice variaţie a curentului faţă de valoarea ip2, curentul se va modifica astfel încât diferenţa fată de ip2 să crească. P2 este un punct de

Page 88: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

funcţionare instabilă; curentul fie că va creşte până la valoarea Ip1, fie că se anulează. Dacă un întreruptor se deschide astfel încât să existe un punct de intersecţie P1 al celor două caracteristici, curentul scade de la valoarea iniţială i0 la valoarea ip1, circuitul rămânând închis mai departe prin aer. Pentru a întrerupe arcul, caracteristica arcului trebuie ridicată peste poziţia critică atunci când ea nu mai atinge caracteristica statică a circuitului de alimentare, adică distanţa dintre contacte trebuie mărită suficient. Atunci corespunzător relaţiei (1) curentul descreşte şi arcul se stinge. Tensiunea U la bornele arcului poate întrece mult tensiunea Ug dată de sursă, datorită tensiunii induse .

Fig. 35. Întreruperea arcului de curent continuu prin înclinarea caracteristicii externe sau modificarea caracteristicii statice

dtdi

LU i −= , care este pozitivă, astfel pot să apară

supratensiuni mari.

Page 89: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

istst UUdtdi

LUU +=−= (2)

Pot să apară supratensiuni mari, dacă circuitul, chiar de tensiune redusă, se întrerupe energic, adică printr-un arc de rezistenţă mare (precum în cazul întreruperilor în ulei).

Pentru ca totuşi stingerea arcului să nu fie prea lentă, este bine ca arcul să fie răcit de exemplu prin suflarea lui într-un canal cu pereţi reci, care au efect de răcire în special în domeniul curenţilor mari, când canalul arcului este de diametrul relativ mare. Rezultă astfel caracteristica.

Cu cât tensiunea arcului este mai ridicată, cu atât ele se întrerup mai repede, timpul de întrerupere este:

dtdi

LUU st −= stUUdtdi

L −=

( )∫∫∫==

=−

==00

0 00 iiii st

t

diifLUU

diLdtT

Timpul de întrerupere se obţine prin integrare grafică sau numerică, )(if fiind o funcţie cunoscută funcţie de i. În timpul întreruperii în arc se dezvoltă o cantitate de căldură

−=

−== ∫∫∫

== 00

020

0

0

22

00i

id

i

i

UU

ULi

UU

UidiLUidtW

ii stii st

t

Factorul stUU

U

− tinde către 1 dacă U>>Ust şi în

general nu este mai mare ca 2.

Prin urmare notând 0i

i cu x, rezultă:

Page 90: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

2)2..1(2)2..1(

20

1

0

20 Li

xdxi

LiW == ∫ ,

adică la stingerea rapidă, căderea produsă în arc constă din energia care a fost înmagazinată anterior în câmpul magnetic al circuitului, iar la stingere lentă căldura produsă este mai mare cu încă cel mult 100%, prin contribuţia sursei de curent continuu. La stingerea lentă contactele însă se încălzesc mai mult mai mult decât la stingerea rapidă, nu numai datorită duratei arcului, dar şi datorită lungimii sale mai mici, deci a evacuării căldurii înspre contacte.

Aşadar întreruperea prea rapidă produce supratensiuni, iar întreruperea prea lentă produce încălzirea contactelor.

Arcul alimentat de la o sursă de curent alternativ se stinge mai uşor decât arcul de curent continuu, deoarece curentul trece prin zero în fiecare semiperioadă şi prin urmare stingerea constă în îndepărtarea reaprinderii.

Stingerea se face mai uşor în circuite ohmice, deoarece la trecerea curentului prin zero, şi tensiunea este zero (aceste două mărimi fiind în fază) şi nu se produce reaprinderea arcului. Intervalul de timp cu i=0 fiind relativ lung, spaţiul ocupat anterior de arc se poate deioniza (fig.36.)

La circuite inductive, la trecerea curentului prin zero, tensiunea sursei are valoarea apropiată de cea de

Page 91: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

amplitudine, astfel arcul se poate reaprinde, dacă nu se asigură un suflaj foarte energic pentru deionizarea rapidă a canalului arcului. Din această cauză curenţii de scurtcircuit se întrerup mai greu fiind inductivi. Încercarea aparatelor de deconectare trebuie făcută la cosφ<0,2.

În circuitele ohmice curentul variază în fază cu tensiunea Ug a sursei. Oscilograma reprezintă i în funcţie de temperatură şi tensiunea Ua a arcului.

Fig. 36. Schema circuitului ohmic

Până în momentul ta arcul nu se poate aprinde, deoarece numai atunci Ug devine egal cu tensiunea de aprindere Ua. Dacă tensiunea de aprindere Ua este suficient de ridicată Ua>Ugmax reaprinderea nu se mai produce şi arcul se stinge (fig. 37). Fig. 37. Variaţia curenţilor

În circuitele inductive curentul fiind defazat faţă de tensiune, la trecerea prin zero în momentul ts apare între

Page 92: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

contacte o tensiune de ordinul Ugmax, care poate produce reaprinderea arcului, dacă până în reapariţia tensiunii nu s-a realizat o deionizare eficace (fig. 38.)

Datorită energiei dezvoltată în arc la deschiderea contactelor întreruptorului, tensiunea arcului U creşte în fiecare semiperioadă. Stingerea se produce atunci când această tensiune se apropie de Ugmax.

Fig. 38. Circuitul inductiv si variaţia curenţilor la deconectare

La început este o fracţiune a acestei. maxgmedarc UU ε= 1<ε

Tensiunea mijlocie a arcului din momentul deschiderii contactelor este:

maxmax 2 garc UUε=

Energia dezvoltată în arc într-o semiperioadă este:

2

22

00

TUiidtUUidtW med

TT

=== ∫∫ max

2iimed π

=

Prin urmare, într-o semiperioadă

max

0

2

UiT

Uidt

T

π=∫

Page 93: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Iar în cele n semiperioade, de durată totală t până la stingere

max

0

2iU

tUidt medarc

t

π=∫

sau ţinând seama că maxmax garc UU ε=

ItUtiUUidt gg

t

πε

πε 2

maxmax

0

==∫ (1)

În timpul scurtcircuitului, până la întrerupere, sursa debitează o energie aparentă UgIt. Relaţia (1) ne arată că energia dezvoltată în arc este o fracţiune a acestei mărimi şi este direct proporţională cu puterea de scurtcircuit. Pentru a o micşora, trebuie micşorat ε. În acest scop se menţine mică tensiunea arcului pe durata semiperioadei, acţionând însă în mod eficace pentru stingerea arcului la sfârşitul semiperioadei, la trecerea curentului prin zero.

Pentru ca energia dezvoltată de arc să fie mică este necesar ca întotdeauna contactele să se îndepărteze rapid astfel încât tensiunea de aprindere să atingă valoarea Ugmax

într-un număr cât mai mic de semiperioade, în care arcul se mai aprinde.

Acestei tensiuni îi corespunde intensitatea de câmp electric

vt

UE g

aprmax=

Page 94: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

v – viteza de îndepărtare a contactuluit – timpul de întrerupere a arcului.

Tensiunea de restabilire (de revenire) este un fenomen ce are loc la trecerea curentului prin zero.

La t=0, la trecerea curentului prin zero (prin arcul întreruptorului) tensiunea la bornele capacităţii circuitului sursei este egală cu tensiunea arcului.

0≅= arcC UU

După anularea curentului, tensiunea sursei egală cu Ugmax alimentează numai circuitul LC, în care t=0 şi i şi UC

au valoarea zero. Rezultă o încărcare şi supraîncărcare a capacităţii cu o tensiune UC oscilatorie, cu frecvenţa υ.

LCπυ

2

1= , atingându-se o tensiune până la maxim

2Ugmax dar în general mai mică din cauza amortizării. Aceasta este tensiunea de revenire sau restabilire. Viteza cu care se restabileşte tensiunea între contacte este cu atât mai mare, cu cât υ este mai mare. În general υ este cuprins între 100 şi 10000 Hz, având valori mai mici (câteva sute de Hz) la reţele de înaltă tensiune.

În momentul trecerii curentului prin zero se restabileşte şi capacitatea de izolare a mediului între contacte, exprimată prin tensiunea necesară pentru producerea reaprinderii [(curbele 1 şi 2)].

În cazul 1 al unui suflaj energic tensiunea de revenire este tot timpul mai mică decât cea necesară pentru

Page 95: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

reaprindere. În cazul 2, când suflajul este mai slab, în momentul t0 tensiunea între contacte se micşorează la valoarea tensiunii arcului.

Din cele mai sus rezultă că pentru reuşirea stingerii arcului este necesar ca viteza de restabilire a capacităţii de izolare să fie mai mare decât viteza de revenire a tensiunii între contacte. Puterea de rupere este deci şi funcţie de circuitul unde este montat aparatul.

La întreruperea unui scurtcircuit trifazat, dinr-un circuit trifazat, cele trei faze nu se întrerup în acelaşi moment, deoarece curenţii sunt defazaţi între ei. Curentul se presupune inductiv.

Se consideră momentul când curentul prin fază trece prin zero.

Valorile curenţilor şi ale tensiunilor se obţin prin proiecţia lor pe axa verticală de timp.

max3

3

0

iii

i

bc

a

=−=

=

2max

max

f

fcfb

ffa

UUU

UU

==

=

După întreruperea fazei a, potenţialul bornei B devine egal cu potenţialul punctului de scurtcircuit K şi prin urmare

tensiunea între A şi B devine fU2

3.

Puterea de scurtcircuit pentru faza a este deci

IUS fa 2

3=

Page 96: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

În continuare, circuitul devine monofazat, cu

tensiunile Ufb’ şi Ufc’ egal cu fU2

3 la fiecare loc de

întrerupere şi curenţii Ib’ şi Ic’ egali cu I2

3 .

După un sfert de perioadă 2

πω =t curenţii ib şi ic (ib=-

ic) trec prin zero şi arcul se stinge şi la aceste faze. Puterea de scurtcircuit corespunzătoare este:

24

3

2

3

2

3 affcb

SIUIUSS ====

Puterea de scurtcircuit totală este:UIIUSSSS fcbasc 33 ==++=

Sarcina de rupere nu este repartizată egal între cele trei faze. Prima fază întrerupe jumătate a puterii de scurtcircuit totale, iar celelalte două faze câte un sfert. Tensiunea de revenire la prima fază este cu 50% mai mare decât tensiunea de fază.

La întreruperea circuitelor trifazate, componenta aperiodică uşurează mult întreruperea. Ea există întotdeauna la întrerupere deoarece constanta de timp a amortizării acestui curent este de aproximativ 0.05 secunde.

Apariţia componentei aperiodice este condiţionată de faptul că în momentul produceri scurtcircuitului componenta aperiodică nu poate avea valoarea zero decât pe cel mult o singură fază. La celelalte faze, curentul total de scurtcircuit devine zero (sau egal cu valoarea dinainte de scurtcircuit a

Page 97: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

curentului de la faza respectivă) tocmai datorită componentei aperiodice.

Se vede că curentul de scurtcircuit rezultant isc trece prin zero în momente (t’ şi t”) diferite de acela când componenta aperiodică ip trece prin zero.

De aceea, tensiunea Ug este mai mică în aceste momente decât valoarea de amplitudine. În plus, în momentul t”, întreruperea este mult mai uşoară prin aceea că în intervalul t’ t” au valori relativ mici şi deci produce o ionizare slabă a canalului arcului electric. De aici rezultă că prima dată se va întrerupe faza cu componenta aperiodică cea mai mare şi că sarcina de întrerupere va fi mai mică decât cea care rezultă din relaţie

IUS fa 2

3=

Având în vedere că componenta aperiodică uşurează întreruperea, ea trebuie să lipsească la încercarea puterii de rupere. În exploatare, întreruptoarele trebuie să întrerupă, în afara curenţilor nominali şi de scurtcircuit, curenţii inductivi ai transformatoarelor, curenţii capacitivi ai bateriilor de condensatoare sau reţelelor de cabluri, curentii liniilor aeriene în gol. Aceste întreruperi au loc cu producerea unor importante supratensiuni, care solicită suplimentar atât întreruptorul cât şi întreaga instalaţie prin aparitia tensiunii tranzitorii de restabilire.

Page 98: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

La întreruperea unui circuit de către un întreruptor, instalat într-o reţea, la bornele întreruptorului, apare o tensiune denumită tensiune tranzitorie de restabilire. Această tensiune constituie solicitarea dielectrică cea mai importantă a întreruptorului imediat după stingerea arcului electric.

Determinarea prin calcul analitic a tensiunii tranzitorii de restabilire se poate face pentru o reţea simplă , cu parametri concentraţi, ceea ce constituie cazul frecvent din laboratoarele de încercări.

Într-o reţea cu parametrii distribuiţi, pentru a se determina tensiunea oscilantă de restabilire , se recurge la modelarea reţelei.

Soluţia simplificată

tLR

Ui ω

ωsin

)( 22 += )sin( ϕω += tUU s

R

Larctg

ωϕ =

Ipoteze simplificatoare Întreruperea curentului are loc la trecerea lui

naturală prin zero

Decalajul între tensiune şi curent este de 2

π,

adică curentul de scurtcircuit este practic decalat cu 2

π în

urma tensiunii sursei.

Page 99: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Frecvenţa proprie de oscilaţie este mult superioară faţă de frecvenţa reţelei şi pe durata în care se studiază fenomenul se consideră tensiunea alternativă constantă şi egală cu tensiunea de vârf E.

După deschiderea întreruptorului se poate scrie:

udt

diLRiU s ++=

dt

duCi

CUidt

CUq

=

=

=

dt

di

Cdt

ud

iCdt

du

1

1

2

2

=

=u

dt

udLC

dt

duRCU ++=

2

2

max

Prin aplicarea transformatei Laplace

uuLCpuRCpp

U ααα ++= 2max

( ) ( )20

2max

2

max2

max

211 ωδα

++=

++

=++

=ppp

U

LCp

L

RpLCp

U

LCpRCpp

Uu

Si aplicând transformata Laplace inversă

+−= − tteu e

ee

t ωωδω

ωα δ sincos1

120

LC

10 =ω

L

R

2

1=δ 220 δωω −=e

Page 100: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

+−= − tteUu e

ee

t ωωδωδ sincos1max

Ţinând cont că pentru t=0 aportul termenului în sinus este mic, iar fenomenul este interesant în apropierea de t=0, când are loc oscilaţia de amplitudine maximă, se poate scrie:

[ ]teUu et ωδ cos1max

−−=Parametrii care definesc tensiunea oscilantă de

restabilire cu o singură frecvenţă sunt: Factorul de oscilaţie

maxU

u=γ

Frecvenţa proprie de oscilaţie

LCTf

π2

11

00 ==

Viteza de creştere a tensiunii oscilante

0max0

maxmax

2

fUt

UTU

v γγγ ===

Deconectarea în timpul trecerii prin zero a curentului de scurtcircuit

La un scurtcircuit trifazat componenta maximă aperiodică poate lua naştere numai într-o singură fază. Lipsa trecerii prin zero a curentului de scurtcircuit se va întâlni numai în această fază (eventual şi încă o fază). Deci în perioada lipsei trecerii prin zero a curentului de scurtcircuit, cel puţin într-o fază curentul trece prin zero, şi întreruptorul

Page 101: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

poate întrerupe curentul în această fază. La întreruperea curentului într-o fază se produc modificări în restul fazelor rămase nedeconectate (modificări bruşte ale componentelor periodice şi aperiodice ale curentului de scurtcircuit), care conduc de regulă şi în restul fazelor la trecerea prin zero a curentului de scurtcircuit.

În acest moment, în faza S, suma componentelor periodică şi aperiodică este egală cu zero. Un întreruptor poate întrerupe în acest interval curentul din faza S.

000~ =+ −

=−

ss ii

La momentul ( 01−t ) înaintea întreruperii curentului se

scrie legea lui Kirchoff000

~0~ =++ −−−

TRR iii şi0000 =++ −−

=−

= TsR iii

La momentul ( 01+t ) componenta periodică are un salt

de 30° şi se produce şi o variaţie a mărimii componentelor periodice pentru a se respecta legea lui Kirchoff

00~

0~ =+ ++

RRr ii

Saltul în valoarea componentei aperiodice nu este posibilă dacă în acelaşi timp nu apare un salt a componentei aperiodice în sens opus. Se poate scrie:

=∆−=∆ rr ii ~ şi =∆−=∆ TT ii ~

)()( 00~

00~

00~

00~

+=

+−=

−+=

+−=

− +−=+−=+=+ TTTTRRRR iiiiiiii

000 =+ +=

+= TR ii

Page 102: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

La timpul t1 se întrerupe faza S. Componenta aperiodică scade brusc (75%) şi deasemeni scade şi componenta periodică (87%). Astfel curentul din faza R trece prin zero 13 ms mai târziu. În cazuri excepţionale aceste salturi de curent nu sunt suficiente pentru a asigura o trecere sigură a curentului prin zero.

La scurtcircuitele monofazice şi bifazice, constantele de timp sunt mai mici şi problema lipsei trecerii prin zero este mai puţin importantă. Deasemeni, la astfel de scurtcircuite nu apar salturi de curent.

În cele prezentate până aici s-a considerat întreruptorul ideal şi s-a neglijat influenţa arcului electric asupra procesului de întrerupere a curenţilor de scurtcircuit.

Pentru întreruptoarele cu aer comprimat trebuie luată în considerare influenţa arcului deoarece căderea de tensiune pe arcul electric care se formează la deschiderea contactelor întreruptorului are o valoare importantă.

La generatoarele de putere foarte mare care au tensiunea de 28 kV ( ), căderea de tensiune pe arcul electric este de 1,6 kV iar pentru un întreruptor cu două camere de stingere în serie este cu încă 10% mai mare. Datorită acestei rezistenţe (a arcului electric) valoarea curentului de scurtcircuit nu este influenţată substanţial (şi din această cauză în calcule se neglijează), însă constanta de timp To,care înaintea apariţiei arcului era

kV163

28 =

Page 103: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

de 100 ms se reduce la mai puţin de 35 ms. În acest fel curba curentului de scurtcircuit atinge valoarea zero în maxim 5 ms.

Problema lipsei trecerii prin zero a curentului de scurtcircuit la generatoarele de mare putere, care au constante de timp cu valori foarte mari, este stăpânită prin intervenţia întreruptoarelor cu aer comprimat.

Întreruptorul sincron nu este potrivit deoarece el trebuie să aştepte trecerea naturală a curentului de scurtcircuit prin zero. La întreruptoarele sincronizate practic nu se formează arc electric şi din această cauză nu se reduce.

La valori foarte mari ale curenţilor de scurtcircuit nu se poate aştepta până la prima trecere prima trecere prin zero a curentului pentru a se realiza deconectarea circuitului. Se menţionează că la întreruptorul cu SF6 căderea de tensiune pe arcul electric este mică şi nu poate reduce suficient constanta de timp aperiodică.

Până acum s-a analizat regimul de scurtcircuit la mersul în gol al generatoarelor. O sarcină constantă a generatorului înainte de apariţia scurtcircuitului influenţează timpul până la prima trecere prin zero a curentului de scurtcircuit.

Un scurtcircuit la un regim de lucru neexcitat al generatorului între sarcina maximă activă (cosφ=1) şi sarcina maximă capacitivă (cosφ=0) este deasemeni defavorabil. Cauza principală este că după funcţionarea în

Page 104: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

sarcină componenta periodică se amortizează mai repede decât în cazul mersului în gol.

1.4.5.2. Deconectarea circuitelor de curent continuuProcesul de deconectare a circuitelor de curent

continuu, mai precis, a curentului de tensiune continuă se deosebeşte substanţial de deconectarea curentului alternativ. După cum se ştie, funcţia întreruptorului de curent alternativ se reduce la excluderea unei noi reaprinderi a arcului electric după stingerea lui, în apropierea momentului de trecere prin zero a curentului. Condiţia pentru deconectarea cu succes este refacerea rigidităţii dielectrice a intervalului dintre contacte după stingerea arcului.

Pentru a întrerupe circuite de curent continuu, este necesar de a introduce în circuit rezistenţe care se măresc încontinuu până când curentul ajunge la zero. O astfel de rezistentă este arcul electric care se amorsează între contactele întreruptorului. Camera de stingere trebuie adaptată caracteristicilor arcului ua(i,t) pentru stingerea efectivă a arcului. Au primit utilizare camere de stingere cu canale înguste, asemănătoare cu canalele de la întreruptoarele electromagnetice de curent alternativ.

Să analizăm procesul de deconectare, a unui întreruptor monopolar, a unui circuit scurtcircuitat de curent continuu, care conţine o rezistenţă activă şi o inductivitate Dacă înainte de scurtcircuit, circuitul nu a fost încărcat, atunci curentul se măreşte exponenţial conform formulei:

Page 105: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

( )Tt

er

ui −−= 1 , unde (1)

u – tensiunea reţelei, care se consideră constantă pe durata întregului proces de deconectare

rL

T = - constanta de timp a arcului.

Să presupunem, că contactele întreruptorului se deschid după un anumit timp t1, când curentul nu a ajuns încă la valoarea maximă. În circuit se introduce rezistenţa arcului. Pe măsură ce se îndepărtează contactele, se lungeşte arcul şi apare atragerea lui în canalele înguste ale camerei de stingere.

Tensiunea creşte liniar până la valoarea maximă şi în continuare rămâne constantă până în momentul stingerii arcului electric. În fiecare moment este adevărată egalitatea

audt

diLiru ++= (2)

şi anume tensiunea reţelei se egalează cu căderea de tensiune în rezistenţa activă, tensiunea electromotoare de autoinducţie şi tensiunea arcului. După închiderea

contactelor (punctul t1) curentul continuă să crească

> 0

dt

di,

dar încet (vezi linia continuă). Punctul A corespunde punctului critic, pentru care curentul are valoarea maximă

Imax; după aceasta el începe să se micşoreze

< 0

dt

di.

Page 106: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Tensiunea electromotoare de autoinducţie capătă în punctul A valoarea zero şi îşi schimbă sensul. La micşorarea curentului ea este orientată la fel cu tensiunea reţelei.

Tensiunea arcului dt

diLiruua −−=

acum depăşeşte tensiunea reţelei. Când curentul ajunge la valoarea zero atunci, arcul se stinge, iar tensiunea între polii întreruptorului Uv se va micşora până la valoarea tensiunii reţelei. Reamintim, că la deconectarea unui circuit monofazat de curent alternativ, tensiunea pe polii întreruptorului (după stingerea arcului) se măreşte (se restabileşte) până la tensiunea reţelei. Cu cât este mai mare tensiunea arcului, cu atât mai repede scade curentul şi cu atât este mai mică energia, care se degajă în intervalul de arc al întreruptorului.

Dacă tensiunea arcului nu este suficientă, curentul va continua să crească. Acest lucru înseamnă că întreruptorul nu este capabil să întrerupă circuitul. Deasemeni o mărire exagerată a tensiunii pe intervalul de arc poate apare ca periculoasă pentru izolaţia aparatelor din reţea. Conform normativelor, tensiunea pe intervalul de arc al întreruptoarelor ultrarapide de curent continuu nu trebuie să depăşească (2-2.5)Unom (în funcţie de inductivitatea circuitului).

O altă condiţie pentru instalaţiile de stingere a arcului electric a întreruptoarelor de curent continuu, este ca să dezvolte o lungime minimă în intervalul de arc în procesul

Page 107: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

de deconectare. Această energie se poate calcula în modul următor:

( ) =⋅−+−=⋅

−−=⋅= ∫∫∫∫

2

1

12

1

2

1 0

t

t

tt

t

t

t

a dtiiruidiLdtidt

diLirudtiuW

( ) 212

2

12

1WWdtiiruLI

t

t

+=⋅−+= ∫ (3)

În acest fel energia W este formată din două

componente. Prima componentă 21 2

1LIW = corespunde

energiei electromagnetice, care se află acumulată în circuit în momentul deschiderii contactelor. Ea depinde de timp şi de viteza iniţială de creştere a curentului de scurtcircuit

L

U

dt

di

t

=

=0(4)

Cu cât se deschid contactele întreruptorului mai repede, cu atât este mai mic curentul I1 şi energia W1.

A doua componentă W2 corespunde energiei, preluată de întreruptor de la sursa de energie în timpul cât arde arcul electric. Ea depinde de viteza de scădere a curentului, în consecinţă, în funcţie de instalaţiile de stingere ale întreruptorului şi de inductivitatea circuitului.

Page 108: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

6. Izolaţia echipamentelor electrice

6.1. GeneralităţiEchipamentele electrice din centrale, staţii electrice,

posturi de transformare, dar şi cele din diversele întreprinderi ale industriei au rol de a înlesni utilizarea maşinilor sau altor echipamente de producţie ce funcţionează sub tensiune, prin eliminarea acţiunii fizice a oamenilor, şi mai ales protecţia echipamentelor şi a personalului. Această caracteristică de protecţie se aplică si echipamentului în sine prin izolaţie, care împiedică

Page 109: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

propagarea efectelor unor defecte în exteriorul echipamentului, dar si protejează echipamentul de efectele şi solicitările mediului în care acesta este montat.

6.2. Solicitări electriceIzolaţia în instalaţiile şi aparatele electrice are rolul de

izolare electrică şi îmbinare mecanică a pieselor aflate la potenţiale electrice diferite.

Alegerea corectă a nivelului de izolaţie la un aparat electric, care funcţionează la tensiunea nominală dată, are o mare importanţă practică din punct de vedere tehnic şi economic.

La instalaţiile şi aparatele electrice în calitate de izolaţie electrică se utilizează materiale solide, lichide sau gazoase.

Sunt foarte rare cazurile în care o izolaţie este uniform solicitată electric.

Când într-un anumit loc al materialului izolant se depăşeşte rezistenţa de izolaţie electrică atunci în spaţiul respectiv se poate produce o descărcare disruptivă prin străpungere sau prin conturnare.

În izolaţia solidă descărcarea disruptivă provoacă o pierdere permanentă a calităţilor dielectrice ale materialului. În izolaţia lichidă sau gazoasă această pierdere poate fi temporară deoarece are capacitatea de regenerare.

Page 110: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fiecărei tensiuni nominale îi corespunde o anumită clasă de izolaţie (clasă de tensiune), care în general este indicată de valoarea tensiunii nominale. La rândul ei clasa de izolaţie determină valoarea tensiunilor de încercare.

Stabilitatea izolaţiei echipamentului electric, se exprimă prin:

a)valoarea amplitudinii tensiunii de impuls, denumită nivel de ţinere la impuls,

b)valoarea efectivă a tensiunii alternative de frecvenţă industrială, aplicată timp de 1 minut, la care echipamentul trebuie să reziste în cursul încercărilor în condiţii specificate.

Construcţiile electroizolante utilizate în aparatele şi instalaţiile electrice de înaltă tensiune

Clasificarea izolatoarelorIzolatoarele au rolul : - izolaţie electrică - izolaţie mecanicăIzolatoarele se

confecţionează în principal din porţelan si materiale compozite

Fig. 39. Izolatoare din porţelan

Page 111: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Din punct de vedere al destinaţiei şi al construcţiei, izolatoarele ceramice pot fi clasificate în următoarele tipuri principale:

a) suport (pentru aparate şi linii aeriene);b) de suspensie (pentru linii aeriene);c) de trecere;d) carcasă;e) tijă;f) conducte pentru aer comprimat, sau ulei.

6.2. Solicitările electrice ale izolatoarelor Solicitările electrice ale izolatoarelor pot produce

conturnări sau strapungeri. Cea mai grea avarie de izolaţie este străpungerea izolatorului, fiind necesară înlocuirea acestuia. Conturnarea izolatorului solicită termic numai suprafaţa acestuia, neprovocând în general scoaterea lui din serviciu.

Aerul străpuns din vecinătatea izolatorului se regenerează uşor, restabilindu-se foarte repede condiţiile de izolare precedente descărcării.

Izolatoarele se dimensionează astfel ca pentru oricare valoare a tensiunii de descărcare aceata să fie numai conturnat, străpungerea lui fiind exclusă.

Profilul exterior al izolatoarelor ceramice sau compozite este determinat de condiţiile în care acesta trebuie să funcţioneze.

Page 112: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Distanţa de conturnare se poate mări, majorând înălţimea activă sau dezvoltând suprafaţa lui exterioară.

Astfel, sunt folosite următoarele metode:- izolatoarele pentru instalaţii interioare au pe

suprafaţa lor exterioară nervuri inelare, care formează module cu profil triunghiular;

- izolatoarele pentru exterior au nervuri inelare în formă de umbrelă, prevăzute cu lăcrămar (fuste – vile).

Pentru protejarea izolatiei se utilizează armături de protecţie. La izolatoarele de foarte înaltă tensiune, care ating lungimi apreciabile, tensiunea este neuniform repartizată de-a lungul acestora, fiind determinată de capacităţile elementelor de izolatoare faţă de pământ şi faţă de conductorul aflat sub tensiune.

Din această cauză pe izolatoarele lungi se montează armături de protecţie (inele), cu scopul de a egaliza repartiţia tensiunii pe elementele izolatoare componente şi pentru a proteja izolatoarele împotriva acţiunii termice a arcului electric în cazul conturnării lor.

6.3. Proprietăţile izolaţiei electrice

Izolaţia electrică trebuie să aibă următoarele proprietăţi:

Page 113: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

a) Rigiditatea dielectrică adecvată, pentru a preveni străpungerea izolaţiei;

b) Rezistenţă de izolaţie corespunzătoare, pentru a asigura scurgeri mici de curent prin izolaţie, sub o valoare admisibilă;

c) Rezistenţă mecanică adecvată;d) Să poată fi turnată sau fasonată, dându-i-se forma

dorită;e) Să fie capabilă să suporte temperaturile la care este

supusă;f) Cost rezonabil.

Rigiditatea dielectrică (străpungerea)Un material electroizolant este caracterizat din

punctul de vedere al comportării sale la străpungere prin rigidiatatea dielectrică, exprimată în KV/mm.

Se numeşte rigiditate dielectrică valoarea intensităţii câmpului electric pentru care o mostră dintr-un material electrizant se străpunge, în condiţii de încercare specificate.

O izolaţie electrică este caracterizată, din punctul de vedere al comportării sale la străpungere, prin tensiunea sa de străpungere exprimată în KV.

Un echipament electric, caracterizat prin tensiunea sa nominală, are tensiunea de străpungere substanţial mai mare decât aceasta.

De exemplu, un izolator de porţelan are o anumită tensiune nominală. Dacă izolatorul este folosit la o tensiune mai mare decât tensiunea sa nominală sau calitatea izolaţiei

Page 114: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

scade, izolatorul nu va fi capabil să reziste la solicitarea electrică, permiţând scurgeri ale curentului pe suprafaţă sau prin izolaţie. Această circulaţie de curent va duce la apariţia de descărcări în izolaţie şi în final, la distrugerea izolaţiei. Acest mod de deteriorare a izolaţiei se numeşte străpungere.

Atunci când izolaţia este solicitată electric, un curent de scurgere (coductivitate) poate circula la suprafaţa izolaţiei.

În mod normal, lungimea suprafeţei liniei de fugă izolante este suficientă, pentru a preveni apariţia descărcării pe suprafaţa izolaţiei. Dacă suprafaţa izolaţiei este însă poluată cu praf, murdărie, umezeală sau orice combinaţie a acestor trei elemente, atunci un curent electric va începe să circule, formând căi conducătoare pe suprafaţa izolaţiei. Curentul electric care se va scurge prin căile conducătoare şi căldura produsă vor începe să încălzească şi să carbonizeze suprafaţa izolaţiei, ceea ce va face ca izolaţia să cedeze.

Pentru a preveni conturnarea izolaţia trebuie:

a) să aibă o lungime corespunzătoare a suprafeţei dintre cele două conductoare aflate sub tensiune;

b) să fie menţinută curată şi uscată;

Page 115: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

c) să fie făcută dintr-un material care să fie rezistent la conturnare;

d) să aibă suprafaţa bine lustruită sau glazurată?.Anumite materiale izolante – cauciucul, de exemplu

are rezistenţă la conturnare scăzută, pe când sticla, compozitul sau porţelanul, datorită suprafeţei lor dure şi netede, nu colectează murdăria sau umezeala şi de aceea sunt foarte rezistente la conturnare. Acesta este motivul pentru care izolatoarele de sticlă porţelan şi compozitul sunt utilizate pentru echipamentul electric în exterior.

Fiecare tip de izolaţie are o temperatură maximă de funcţionare şi în funcţie de această temperatură, există o împărţire a materialelor electroizolante în clase de izolaţie. În tabelul 1 sunt date câteva exemple tipice de izolaţii, temperaturile lor maxime de funcţionare şi clasa lor de izolaţie (clasa de temperaturi).

Clasa de izolaţie

Temperatura maximă

admisibilă [°C]

Exemple de materiale

O(y) 90 bumbac, mătase, hârtie

A 105 bumbac, mătase, hârtii impregnat în ulei

Page 116: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

E 120 materiale organice, hârtie, lemn impregnat cu lacuri

B 130 mica, azbest, fibre de sticlă cu lianţi organici

F 155 mica, azbest, fibre de sticlă cu lianţi epoxidici

C 180 porţelan, sticlă, teflon.

Tabelul 1. Exemple de materiale izolante, temperatura lor maximă de funcţionare şi clasa lor de izolaţie.

Atunci când izolaţia funcţionează la o temperatură peste temperatura maximă admisibilă a clasei din care face parte, viaţa ei va fi scurtată. De exemplu un cablu cu izolaţie de mase plastice, aparţinând clasei A (temperatura maximă de funcţionare 105°C). poate avea o durată de viaţă de câteva luni la 115°C, dar această izolaţie va ceda rapid la o temperatură de 125°C. Un generator, aparţinând clasei E (120°C), izolant cu un amestec bazat pe răşini poate funcţiona la temperatură de 120°C timp de 25 de ani, la temperatura de 130°C timp de 12 ani şi la temperatura de 140°C timp de 2 ani. Peste 140°C, izolaţia poate ceda în foarte scurt timp.

Page 117: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Ca o regulă empirică, se poate aprecia că, fiecare creştere cu 10°C a temperaturii de funcţionare peste temperatura maximă a clasei respective peste durata de timp admisa înjumătăţeşte durata de viaţă a izolaţiei corespunzătoare.

Proprietăţi mecaniceDupă cum s-a explicat anterior, cu puţine excepţii,

conductoarele sunt făcute de regulă numai din doua materiale, cuprul şi aluminiul. Din contră, există mii de materiale conductoare care pot fi utilizate în vederea realizării legăturilor prin intermediul cărora se poate realiza separarea mecanică (izolaţia mecanică). În ceea ce priveşte proprietăţile mecanice ale acestor materiale izolante, acestea variază de la materiale tari şi casante (sticla şi porţelanul) sau dure şi rezistente (răşinile epoxidice şi fibrele de sticlă) la cele mai flexibile (mase plastice şi cauciucul). În tabelul 2 sunt date exemple de proprietăţi ale materialelor electroizolante, în penultima coloană fiind specificate proprietăţile mecanice. Sunt scoase în evidenţă, de asemenea, avantajele şi dezavantajele acestor materiale.

6.4. Îmbătrânirea izolaţiei

6.4.1. Îmbătrânirea naturalăCând izolaţia îmbătrâneşte, rezistenţa ei la

străpungere şi conturnare scade în punctele în care au apărut modificări. Toate materialele organice electroizolante se

Page 118: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

degradează în timp, unele au viteză mai mare, altele mai lent. Un exemplu de îmbătrânire rapidă îl constituie cauciucul, în special, atunci când este contaminat cu ulei. Un exemplu de îmbătrânire lentă este hârtia care izolează înfăşurările transportului şi stă în ulei. Umezeala şi temperatura sunt unele din cauzele principale în îmbătrânirea rapidă a materialelor izolante. Substanţele anorganice: mica, sticla, azbestul îmbătrânesc lent.

În exploatare, izolaţia va îmbătrâni mai rapid decât ar îmbătrâni în mod natural. Această îmbătrânire rapidă este determinată de trei factori principali.

a)Efectul electrostatic. Când izolaţia este supusă unei tensiuni, sub influenţa câmpului electric format, apar depuneri de praf şi murdărie pe suprafaţa izolaţiei. Aceste particule ajută la formarea căilor de conturnare, dar pot, de asemenea, să atace chimic izolaţia.

b)Descărcări corona. În cazul liniilor de înaltă tensiune, la suprafaţa conductoarelor şi a armăturilor metalice, apar câmpuri electrice intense care produc excitarea şi ionizarea atomilor din aer. Descărcările corona sunt însoţite de un zgomot, ca un bâzâit, care poate fi auzit în jurul staţiilor de înaltă tensiune, iar noaptea poate fi observată ca o lumină roşie sau albastră, şi se poate simţi miros de ozon.

Page 119: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Atunci când apare efectul corona, în aerul din jurul conductorului sau în minusculele incluziuni de aer din izolaţie, oxigenul se transformă în ozon (O3), iar ozonul formează acizii de azot NO şi NO2. În prezenţa umidităţii, aceşti acizi formează acidul azotic care atacă izolaţia.

Descărcările parţale în izolaţie nu pot fi eliminate în totalitate. Ele pot fi însă reduse, limitând numărul incluziunilor de aer şi de aceea, izolaţia trebuie să aibă o structură continuă lipsită de fisuri, găuri, structuri spongioase. În acest sens în exploatare funcţii de tipul izolaţiei se execută spălări sau ungere cu unsoare siliconică sau minerală a izolatoarelor liniilor electrice aeriene şi suport din zona IV de poluare.

În cazul staţiilor de conexiuni de înaltă tensiune, amplasate, de obicei în exterior, curenţii de aer produc îndepărtarea gazelor formate. În izolaţia solidă însă, acidul va ataca structura izolaţiei, lăsând libere componentele izolaţiei ca: fibra de sticlă, azbest, mică, ca urmare, va surveni străpungerea.

c)Efectul radiaţiilor. Atunci când materialele plastice, cauciucul sau materialele electroizolante pe bază de răşini sunt expuse la lumina solară, ele se deteriorează mai rapid decât atunci când sunt lăsate la întuneric. Efectele câmpurilor intense de radiaţii sunt similare celor ale luminii solare, Sub acţiunea acestora, cauciucul şi masele plastice

Page 120: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

devin fragile (sfărâmicioase), iar materialele pe bază de răşini îşi pierd rezistenţa mecanică şi într-o anumită măsură proprietăţile electroizolante. Atunci când este posibil, sunt utilizate materiale electroizolante cât mai puţin sensibile la deteriorări, datorită radiaţiilor. Atunci când nu este posibil acest lucru, materialele electroizolante vor fi schimbate la anumite intervale de timp.

1) Efecte mecaniceÎn timpul pornirilor şi uneori chiar şi la funcţionarea

în sarcină, datorită efectului câmpului magnetic, apar vibraţii ale elementelor conductoarelor. În cazul în care elementele conductoare sau înfăşurările nu sunt fixate în mod corect, izolaţia va fi uzată prin frecare, datorită atingerii cu alte componente. Acest efect este foarte dăunător în special pentru izolaţiile având ca lianţi răşinile epoxidice, deoarece prin îmbătrânire răşinile epoxidice se scorojesc şi permit erodarea prin frecare.

Page 121: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne
Page 122: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Elemente constitutive ale reţelelor electrice 9. Întreruptoare

7.1. GeneralităţiÎntreruptorul este un echipament electric complex,

atât ca funcţie cât şi construcţie. Principalul sau scop este de a stabili, suporta şi întrerupe curenţii de serviciu, să stabilească, să suporte pentru o durată determinată şi să întrerupă curenţii de intensitate mai mare decât cea nominală, cum sunt curenţii de scurtcircuit sau suprasarcină.

7.1.1Parametrii întreruptoarelora) Tensiunea nominală – tensiunea pentru care s-a

construit întreruptorul şi bornele, determinată de grosimea şi calitatea izolaţiei.

b) Curentul nominal de durată – curentul maxim pe care întreruptorul îl poate suporta în mod continuu, fără a se supraîncălzi. Acest parametru este determinat de secţiunea conductoarelor şi depinde şi de temperatura mediului ambiant.

c) Curentul nominal de deconectare – curentul maxim de scurtcircuit pe care întreruptorul poate să îl întrerupă. Parametrul depinde de capacitatea de rupere a camerei de stingere. Deconectarea se face în anumite limite ale tensiunii de restabilire.

Page 123: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

d) Curentul limită dinamic care trebuie sa îndeplinească condiţia

socld ii >

e) Stabilitatea termică – curentul limită pe care întreruptorul îl poate suporta pentru maxim o secundă fără ca efectul termic al acestui curent să aibă efecte permanente.

( ) dtnmItI pot +=> , unde m şi n sunt constante determinate experimental

pentru anumite tipuri de arc.f) Capacitatea de rupere – se defineşte în raport cu

puterea aparentă (produsul dintre curentul maxim de scurtcircuit şi tensiunea nominală a întreruptorului).

g) Numărul de poli

Consecinţă ale depăşirii parametrii Dacă se depăşeşte tensiunea nominală cu mai

mult de 10% există pericolul apariţiei arcului electric şi deteriorarea izolatiei.

Dacă se depăşeşte curentul nominal de durată există riscul supraîncălzirii căilor de curent şi apariţia arcului care conduce la distrugera contactelor

Depăşirea curentului nominal de deconectare implică apariţia unui arc electric ce nu poate fi stins în camera de stingere a întreruptorului, fapt ce va conduce la explozia acestuia. Cel mai întâlnit caz de astfel de incident este la apariţia unui scurtcircuit alimentat din doua surse simultan.

Page 124: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

7.2. Principalele tehnici de întrerupere

După ce vom evoca rapid tehnicile de rupere în aer la presiunea atmosferică, în ulei şi în aer comprimat, care au jucat la înaltă tensiune (IT) un rol considerabil, dar care astăzi par un fel de tehnici ale trecutului, vom aborda cele două mari tehnici actuale, SF6 şi vidul, fără a uita o tehnică de viitor, întreruperea statică care joacă un rol din ce în ce mai important.

7.2.1. Întreruperea în aer la presiunea atmosferică

Aceste aparate sunt cele mai simple şi primele care au fost utilizate. Aerul la presiune atmosferică are o rigiditate dielectrică modestă şi nici un proces fizic natural nu vine să accelereze recombinarea ionilor şi a elementelor astfel încât constantele de timp ale arcului rămân relativ ridicate.

a) Întreruperea în aer la joasă tensiune

Dacă pentru buna funcţionare a unui aparat clasic la IT este necesară o constantă de timp foarte mică, în schimb este posibil să se reuşească o întrerupere la joasă tensiune (j.t.) şi chiar la medie tensiune (MT), cu un aparat cu constanta de timp ridicată, dacă se dispune de o putere de răcire suficientă pentru a nu se produce “ambalarea termică” după trecerea naturală prin zero a curentului. Aparatul

Page 125: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

termină atunci întreruperea lin, ca un întreruptor de curent continuu (c.c.).

În cazul întreruperii la joasa tensiune, de exemplu, nu este necesară o alungire mare a arcului pentru ca tensiunea la bornele sale să atingă pe cea a reţelei, după aceea, puterea pe care i-om poate furniza reţeaua devine inferioară celei cedate mediului ambiant şi “arcul este condamnat să moară de frig” prin răcire.

O constantă de timp importantă se traduce prin imposibilitatea materială de a provoca supratensiuni de rupere, calitate absolut primordială pentru reţelele de joasa tensiune Nu este de mirare că întreruperea în aer a cucerit o poziţie de monopol absolut în acest domeniu, situaţie întărită şi de o mare simplitate şi securitate a utilizării precum şi costuri reduse.

b) Întreruperea în aer la medie tensiune

Succesul obţinut la joasă tensiune de întreruperea în aer a incitat pe constructori şi pe utilizatori să extindă utilizarea ei şi către tensiuni superioare. Alungirea finală a arcului trebuie să fie mult mai importantă, dar este de notat de la început faptul că nu este de dorit ca această alungire să se producă prematur atunci când curentul este mare, căci ar rezulta furnizări de energie inutile dar şi dăunătoare.

În practică aceste aparate sunt deci concepute pentru ca arcul să rămână scurt atât timp cât curentul este important

Page 126: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

şi ca alungirea lui să nu devină posibilă decât în apropierea trecerii prin zero a curentului; acesta poate fi obţinută acţionând asupra secţiunilor de trecere oferite arcului.

Deoarece curentul descreşte, se anulează şi îşi inversează sensul este posibil, utilizând forţele electrodinamice aplicate arcului, ca acesta să fie alungit suficient pentru ca tensiunea la bornele sale să devine superioară celei a reţelei. Din momentul respectiv, întreruperea se termină blând, prin simpla răcire a arcului prin contactele realizate din materiale refractare.

Folosirea judicioasă a mijloacelor de alungire a arcului permite să se obţină lungimi considerabile în volume de camere de stingere extrem de reduse. Cu dezvoltarea arcului în formă de solenoid, într-o cameră de stingere cu despărţituri, de exemplu, s-a ajuns la recorduri în acest domeniu. Acesta a făcut ca utilizarea aparatelor să se facă până la 20 kV.

Astăzi, principalul handicap al acestui tip de aparat constă în dimensiunile mari de gabarit, condiţionate de dimensiunile camerelor de stingere şi de distanţele de izolare în aer.

Tehnicile moderne de întrerupere în vid şi SF6 au permis să se readucă atât de mult dimensiunile de gabarit, ca şi costurile aparatelor de MT, încât întreruptoarele şi contactoarele cu întrerupere în aer sunt acum depăşite.

În schimb la joasa tensiune, simplitatea, anduranţa, uşurinţa întreţinerii, securitatea foarte mare a utilizării lor

Page 127: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

conferă aparatelor cu rupere în aer o supremaţie absolută. Numai semiconductoarele vor putea să atace progresiv această poziţie de monopol.

7.2.2. Ruperea în ulei

Ruperea în ulei a apărut odată cu creşterea tensiunii. Contactele întreruptoarelor au fost cufundate în ulei. Rezultatul a fost remarcabil căci uleiul descompus prin arc, eliberează o mare cantitate de hidrogen şi deci în acest gaz se va efectua întreruperea. Hidrogenul este un excelent mediu de stingere a arcului, care are o constantă de deionizare slabă, datorită în particular, proprietăţilor termice legendare, cu atât mai eficiente cu cât presiunea este mai ridicată.

Formarea hidrogenului prin descompunerea uleiului a fost utilizată la stingerea arcului deoarece se combină folosirea H2 prin descompunerea uleiului, chiar în momentul în care este nevoie, ceea ce permite în plus obţinerea lui automat sub presiune.

De fapt, descompunerea unei cantităţi mici de ulei eliberează un volum de gaz considerabil care formează brusc o bulă în interiorul lichidului. Datorită inerţiei masei de ulei pe care bula ar trebui să o deplaseze pentru a se destinde liber, aceasta va fi supusă pe durata ruperii la o presiune dinamică care poate atinge, în aparatele moderne, valori de 100 până l50 bar.

Page 128: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Pentru aparatele vechi cu baie de ulei (cuvă), au fost necesare anumite măsuri de precauţie pentru ca bulele să nu se unească sau să nu atingă cuva, caz în care s-ar fi produs amorsări ale arcului nedorite. Teoria bulei gazoase a permis o dimensionare a aparatelor în consecinţă. Fig. 40. Arc în bula de gaze în ulei

Cu creşterea valorilor de tensiune şi a curenţilor de întrerupt aceste aparate au căpătat gabarite foarte mari necesitând până la 20000 l de ulei la 220 kV. Odată ruperea terminată, hidrogenul astfel format se ridică la suprafaţă pentru a se răspândi în atmosferă şi deci există întotdeauna un moment în care sub capac se formează un amestec detonant care poate exploda.

Aparatele moderne închid bula în camere de stingere pentru a-i reduce volumul. Camerele de stingere rezistă la presiuni foarte mari. Aceste aparate utilizează cantităţi mici de ulei. Totul este făcut pentru a reduce la minim riscurile de defectare. Securitatea lor de utilizare este legată de lucrările de întreţinere. Sunt necesare revizii frecvente care necesită

Page 129: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

demontări frecvente cu înlocuirea contactelor. Descompunerea uleiului duce şi la apariţia carbonului.

Ruperea în uleia trebuit să cedeze teren altor tehnici, în particular în domeniul tehnicilor înalte, a puterilor de rupere mari şi a curenţilor nominali mari.

Dacă întreruptoarele cu ulei rămân încă printre aparatele cu performanţe modeste şi medii, nu încape nici-un dubiu că progresele remarcabile ale tehnicilor de rupere în SF6 şi în vid le condamnă la o dispariţie treptată dar sigură.

7.2.3. Utilizarea aerului comprimat Şi-a făcut apariţia în anul 1930, ca mediu de stingere a

arcului la IT, ca urmare a numărului mare de accidente grave provocate de explozia şi incendiul întreruptoarelor cu ulei mult (IUM).

Securitate şi performanţe ridicateCa toate gazele sub presiune, aerul comprimat posedă

o rigiditate ridicată şi performanţe tehnice superioare celor ale aerului atmosferic. Îmbunătăţirea diferitelor sale calităţi este direct legată de creşterea densităţii moleculare, acestea având ca efect multiplicarea ciocnirilor între particule şi accelerarea astfel a schimburilor termice şi a neîmbinărilor între particulele încărcate, adică a deionizării, ca şi cu H2 sub presiune se obţine o constantă de timp de valoare redusă care permite să se realizeze ruperea, la o trecere a curentului prin zero, cu arcuri relativ scurte. Din punct de vedere practic, toate întreruptoarele cu aer comprimat utilizează

Page 130: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

scurgerea acestuia printr-un ajutaj şi eşaparea sa în aer liber. Arcul, situat central în ajutaj şi suflat de curentul de aer, va fi supus unei răciri energice care pregăteşte şi uşurează deionizarea, care va fi favorizată şi de fenomenul de turbulenţă.

Aerul comprimat serveşte simultan ca dielectric, agent de rupere şi fluid de acţionare. Aparatele cu aer comprimat necesită şi o anumită întreţinere, staţie de aer comprimat.; au performanţe ridicate.

Prezenţa unei staţii de comprimare care trebuie să asigure aer comprimat deshidratat a constituit întotdeauna un handicap serios faţă de tehnicile autonome.

7.3. Aparate moderne

După ce au fost timp îndelungat lideri incontestabili în domeniul transportului la IT, aparatele cu aer comprimat au cedat locul aparatelor cu SF6.

Aerului comprimat îi rămân însă câteva aplicaţii excepţionale cum sunt:

- întreruptoarele de protecţie ale alternatoarelor;- întreruptoare pentru exterior pentru climat foarte

aspru, sub -400C.

Ruperea arcului în SF6

Acest gaz necesită o atenţie deosebită, deoarece astăzi a devenit gazul constructorilor de aparate în mod deosebit pentru înaltă tensiune.

Page 131: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Această alegere rezultă din îmbinarea puţin obişnuită a unui ansamblu de calităţi care există simultan atât în domeniul dielectric, cât şi în cel al stingerii arcului; aspecte calităţi se bazează pe proprietăţile fizice ale acestui gaz; vom încerca să punem în evidenţă doar aspectele fundamentale.

SF6 este un gaz de sinteză obţinut prin reacţie directă a fluorului asupra sulfului la presiune şi temperatură, ca un gaz incolor şi inodor care are o densitate relativ ridicată în raport cu aerul, datorită masei sale moleculare importante (146 faţă de 28 şi 32 pentru azot şi oxigen).

Molecula, perfect simetrică, are în centru un atom de sulf ai cărui 6 electroni de valenţă, care constituie legăturile libere, sunt utilizaţi de 6 atomi de fluor pentru a-şi completa stratul lor electronic periferic. Fig. 41. Molecula de

hexafluorura de sulf

Aceşti 6 atomi de F sunt dispuşi în jurul atomului de S în cele 6 vârfuri ale unui octaedru regulat. Acest edificiu, ale cărui legături chimice sunt saturate, este deci, din această cauză, perfect stabil chimic şi prezintă o mare stabilitate

Page 132: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

explicată prin energia de formare ridicată (1096 kJ/mol). Fig. 42. Legaturile chimice

în molecula de SF6

Tabelul 3. Proprietăţile fizice ale SF6

Proprietăţile dielectrice ale SF6

Page 133: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig. 43. Curbele de stare ale SF6

Prima dintre calităţile SF6 pentru un constructor de aparate, se manifestă în domeniul rigidităţii dielectrice, unde, la presiune egală SF6 se dovedeşte superior majorităţii mediilor cunoscute. SF6 datorează acest avantaj dimensiunii mari a moleculei sale şi multiplelor mecanisme de ciocniri neelastice care îi permit să încetinească cei câţiva electroni, întotdeauna prezenţi, pe care câmpul electric tinde să-i accelereze şi care constituie germenii descărcării. La aceste

Page 134: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

remarcabile proprietăţi de ciocnire se adaugă o proprietate ciudată a moleculei de SF6 aceea de a captura temporar un electron liber pentru a forma un ion negativ greu şi, în consecinţă, mai puţin mobil şi incapabil să realizeze ionizarea.

Fig. 44. Caracteristicile izolante ale SF6

Această proprietate reiese din caracterul extrem de electronegativ al fluorului. Acest mecanism de capturare contribuie el însuşi la întârzierea apariţiei străpungerii dielectrice.

Page 135: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Proprietăţile termice ale gazului SF6 au contribuit la utilizarea acestuia pentru ruperea arcului electric. Dacă considerăm un arc în interiorul unui tub cilindric umplut cu un gaz oarecare, parcurs de un curent de intensitate i0. Intuitiv se poate accepta că temperatura acestui arc este maximă în apropierea axului tubului, şi că pe urmă descreşte, pe măsură ce ne depărtăm de ax.

Fig. 45. Variaţia conductivităţii termice cu temperatura pentru SF6 şi N2

Formarea palierului de temperatură şi a nucleului central: când intensitatea curentului creşte, se observă, la cele mai multe gaze, apariţia unui fel de palier termic şi

Page 136: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

formarea, în centrul tubului, a unei zone cilindrice (nucleul arcului), în care temperatura creşte rapid, înconjurată de o zonă mai rece numită aureolă. Cu cât intensitatea curentului creşte, cu atât temperatura maximă a nucleului este mai mare, cea a palierului rămânând neschimbată.

Explicaţia existenţei palierului este că la temperatura respectivă se produce o schimbare de stare a gazului. Moleculele sale se disociază în atomi. Ca orice schimbare de stare, disocierea necesită un anumit consum de energie, numită energie de disociere (egală cu energia de formare). Totul se produce ca pentru fierberea apei, unde energia de vaporizare asigură o răcire foarte importantă şi menţine energia constantă de 1000 C atâta timp cât există apă în recipient.

Aici, prezenţa gazului în aureolă situată în aureola arcului, menţine temperatura de legătură (între nucleul central şi aureola care îl înconjoară), asigurând o răcire a nucleului cu atât mai energică, cu cât această temperatură este mai coborâtă. Aceasta se traduce printr-un fel de supraconductibilitate termică a gazului în apropierea temperaturii de disociere.

Dispariţia conductanţei ca urmare a răcirii: în cazul SF6, numai sulful este conductor electric căci temperatura palierului este inferioară palierului temperaturii minime de ionizare.

Când curentul scade, se observă atât pentru SF6 cât şi pentru azot o descreştere rapidă a temperaturii nucleului;

Page 137: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

nucleul posedă de fapt o inerţie termică redusă, datorită faptului că raza sa este foarte mică şi că masa volumică de gaz adus la temperatură înaltă este foarte mică.

În apropierea trecerii prin zero a curentului dispariţia moleculei antrenează în cazul SF6 dispariţia conductanţei cu o constantă foarte mică. Nu este cazul pentru azot şi alte gaze uzuale, pentru care aureola rămâne încă mult timp conductoare, datorită temperaturii ridicate şi a inerţiei termice mai mari.

Pentru SF6 , acest important avantaj de natură termică este completat de o altă proprietate remarcabilă, legată de caracterul foarte electronegativ al fluorului şi al compuşilor săi. Acest caracter rezultă din configuraţia electronică a acestui element căruia îi lipseşte un electron pentru ca stratul său să fie complet. Rezultă astfel formarea unui câmp de atracţie electronică a cărui intensitate depăşeşte de departe pe aceea a tuturor elementelor prezentând această proprietate. Această proprietate de captare record a electronilor se traduce clinic prin faptul că fluorul este cel mai reactiv dintre toate elementele, el fiind capabil să se combine chiar şi cu gazele rare, cele mai grele, xenon şi radon, considerate ca inerte chimic pentru că posedă starturi electronice complete şi în consecinţă, valenţă chimică nulă.

Sub efectul unei temperaturi crescătoare, SF6 se disociază progresiv în atomi simpli de S şi fluor la peste 2000 K.

Page 138: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Pentru temperaturi superioare lui 3000 K atomii de S se ionizează în S+ dar electronii liberi sunt captaţi de atomii de fluor şi compuşii fluoruraţi pentru a forma ioni negativi. Numărul electronilor e-, care sunt singurii responsabili veritabili pentru fenomenul de conductanţă, nu creşte cu adevărat decât peste 4000 K.

Invers în apropierea trecerii curentului prin zero, când temperatura arcului scade şi devine inferioară lui 4000 K, capturarea electronilor de către atomii de fluor şi moleculele fluorurate antrenează o bruscă dispariţie a electronilor. Curentul neputând fi vehiculat decât de ionii pozitivi şi negativi, grei şi puţin mobili, rezistenţa arcului creşte brusc, chiar înainte de dispariţia nucleului.

Constanta de timp a arcului in SF6, contrar la ceea ce se observă în gazele utilizate anterior (N2, O2, H2) constanta de timp de disociere a SF6 descreşte continuu cât timp curentul scade, astfel încât acesta este de numai câteva fracţiuni de μs în apropierea trecerii prin zero a curentului.

Acest avantaj asociat proprietăţilor dielectrice remarcabile ale SF6, îi conferă acestuia un ansamblu de calităţi care nu se găsesc reunite la nici un alt mediu cunoscut.

Numeroase cercetări conduc la ideea că este foarte puţin probabil să se descopere alte medii care să-i fie superioare sau măcar comparabile.

Page 139: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

7.3.1.1. Autocompresia utilizată la ruperea arcului electric în SF6.

Cu o presiune de trei bar şi provocând suflajul cu ajutorul unui piston simplu care se deplasează într-un cilindru, se obţin, de exemplu, performanţe superioare celor înregistrate la aer comprimat la 25 bar care eşapează în atmosferă prin ajutaje mari.

Acest rezultat unitar este datorat nu numai caracteristicilor fizice ale SF6, dar şi utilizării judicioase a efectului de buşon gazos care se produce la buza ajutajului la întreruperea curenţilor de mare intensitate.

Acest efect, provocat de dilataţia gazului adus la temperatură înaltă are, paradoxal, câteva consecinţe benefice care se explică cu uşurinţă:

- blocajul curgerii la valori mari ale curentului permite să se consume gazul de rezervă în cilindru şi să se crească astfel presiunea în amonte, ceea ce favorizează suflajul arcului când efectul de buşon dispare la apropierea trecerii prin zero a curentului.

- în cazul ruperii curenţilor mici, efectul de buşon nu se produce, suflajul este mai puţin puternic iar supratensiunile de comutaţie sunt mai uşor de stăpânit.

- la performanţe egale, utilizarea judicioasă a efectului de buşon permite să se reducă substanţial energia mecanică necesară comprimării gazului. Bineînţeles există condiţii optime de utilizare a acestui efect, condiţii care pot fi corect modelate. În aparatele cu aer comprimat, acest efect se dovedeşte, dimpotrivă,nedorit căci el nu conduce evident la

Page 140: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

creşterea presiunii în amonte observată în aparatele cu autocompresie.

Aparatele cu SF6, în prezent cele mai performante pentru reţelele de IT, utilizează întreruptoare cu o cameră de stingere la 420 kV. Ultimele aparate cu aer comprimat livrate pentru această tensiune utilizează patru camere de stingere.

În domeniul tensiunilor de la 245 kV la 1000 kV, SF6

a înlocuit acum toate celelalte tehnici. În ultimii ani au apărut staţii de transformare cu

anvelopă metalică (GIS) montate în exterior. Aceste staţii cu anvelopă metalică la IT (GIS) au

următoarele avantaje;• Securitate de utilizare crescută şi insensibilitate faţă

de condiţiile din mediul ambiant;• reducere importantă a operaţiunilor de neutralizare;• absenţă a perturbaţiior faţă de vecinătăţi;• reducere considerabilă a suprafeţei de teren;• reducere importantă a înălţimii;• reducere a duratei de construcţie;• rezistenţă mai bună la seisme;• reducere continuă a preţurilor, la performanţe

identice.Utilizarea SF6 la medie tensiune

Datorită bunei capacităţi de realizare a unor aparate funcţionale, perfect optimizate fiecare tip de

Page 141: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

aplicaţie, SF6 este omniprezent în toate domeniile mediei tensiuni: întreruptoare debroşabile sau nu, separatoare de sarcină, contactoare, posturi de distribuţie publică, tablouri de alimentare şi de comandă, puncte de alimentare, aparate blindate etc.

Principiul adoptat de producătorii de întreruptoare se bazează pe faptul că, în loc de a comprima gazul într-un cilindru pentru a sufla arcul în axa unui ajutaj se provoacă deplasarea arcului în raport cu gazul cu ajutorul unui câmp magnetic.

Rezultatul este remarcabil. Aceasta permite să se realizeze aparate şi mai compacte, care necesită o energie de manevră mai redusă. Sunt avantaje deci pe toate planurile.

Contactoarele de IT au beneficiat primele de această tehnică. O bobină parcursă de curentul de întrerupt dă naştere câmpului magnetic care provoacă rotaţia arcului pe contactele în formă de piste circulare protejate la evaziune prin deplasarea rapidă a picioarelor arcului.

Principiul arcului rotitor este foarte favorabil pentru comanda motoarelor de IT, deoarece ele au un nivel de supratensiuni foarte coborât, câmpul magnetic fiind cu atât mai slab cu cât curentul este mai coborât.

Privind utilizarea arcului rotitor şi auto-expansiuniiUltima evoluţie a acestei tehnici constă în a folosi un

câmp magnetic produs de un magnet sau de o bobină şi de a

Page 142: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

utiliza dilatarea gazului, provocată de arc, pentru a produce simultan suflajul printr-un ajutaj obţinându-se arcul rotitor cu autoexpansiune.

În fig. 46 sunt prezentate părţile componente ale unui întreruptor cu SF6 de medie tensiune funcţionând cu autosuflaj şi suflaj magnetic.

În ceea ce priveşte securitatea funcţionării şi mentenanţa acestor întreruptoare, va fi nevoie să se completeze, din când în când, încărcătura de gaz. Intervalul între aceste operaţii se preconizează între 3 şi 5 ani.

Pentru aparatele de MT este mult mai uşor să fie făcute anvelope perfect etanşe, închise ermetic pe viaţă. Tendinţa generală este de a garanta, oricare ar fi tensiunea, dispozitive de rupere care să nu necesite nici o intervenţie de mentenanţă în timpul întregii durate de viaţă.

La ora actuală ruperea în SF6 acoperă totalitatea domeniului de înaltă tensiune, de la 1 kV la 1000 kV şi beneficiază de o supremaţie absolută peste 145 kV.

Page 143: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig. 46. Întreruptor cu SF6 cu autosuflaj şi suflaj magnetic

Page 144: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

b) Ruperea în vidCu vidul, vom aborda o tehnică întru totul originală

ale cărei proprietăţi de întrerupere au fost clar puse în evidenţă încă din 1920; a trebuit să se aştepte până în 1950 pentru ca primele întreruptoare să fie comercializate.

De fapt principiul de funcţionare al întreruptorului de sarcină cu vid este extrem de diferit de cel al altor aparate şi este bogat în contradicţii şi dificultăţi termice de tot felul.

Vidul dielectric se bazează pe rigiditatea dielectrică remarcabilă a vidului nu este datorată, ca în alte medii, cauzelor multiple de încetinire pe care o pot suporta electronii în urma ciocnirilor neelastice cu moleculele gazului ci, dimpotrivă, faptului că nu se poate produce nici o ciocnire.

Într-un vid perfect, nu există deci posibilitatea de a declanşa, prin ionizare în cascadă, mecanismul de avalanşă electronică care antrenează străpungerea dielectricului.

În practică imperfecţiunea vidului real şi mai ales prezenţa electronilor temperează această viziune, dar performanţele rămân totuşi spectaculoase în interval de un cm, de exemplu, într-un vid de 610− mmHg este capabil să se reziste la o tensiune de vârf aproape de 200 kV.

Totodată, invers ca la alte medii, rigiditatea dielectrică a vidului creşte puţin cu distanţa de izolaţie, ceea ce limitează tensiunea aplicată fiecărui interval de rupere.

În fig. 47 este prezentată influenţa distanţei de izolaţie în vid asupra rigidităţii dielectrice a vidului.

Page 145: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig. 47. Influenţa distanţei asupra tensiunii de rupere

Page 146: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Amorsarea unui arc de mare intensitate în vid antrenează o adevărată vaporizare a electrozilor care dezvoltă rapid între contacte o presiune dinamică care poate să atingă valori atmosferice.

La început, acest arc seamănă mult cu acela al altor aparate, în particular, o coloană conductoare foarte concentrată şi cu o pată catodică mică şi incandescentă a cărei suprafaţă, adusă la fierbere, emite din abundenţă vapori metalici. Când curentul descreşte, presiunea vaporilor scade rapid datorită condensării acestor vapori pe contactele respective şi a difuziei lor către anumite ecrane metalice dispuse pentru aceasta.

Peste un anumit timp se constată că funcţionarea arcului se modifică brusc pentru a trece de la regimul de descărcare concentrată la un regim de descărcare difuză. Pata catodică se divide în mai multe pete catodice distincte de dimensiuni foarte reduse care se deplasează cu viteză mare respingându-se între ele, astfel încât ele se repartizează pe toată suprafaţa catodului. Curentul fiecărei pete catodice este limitat la 100 A (a se vedea în fig. 48).

Această comportare este deci foarte diferită de cea care se observă la un arc care arde într-un gaz sau în vapori metalici sub presiune.

Page 147: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig. 48. Regimuri ale arcului electric

Mişcarea retrogradată a petelor catodice conduce la tendinţa petelor de a se respinge mutual, care poartă numele de mişcare retrogradă care pare, la prima vedere, contrară legilor fundamentale ale electromagnetismului. De fapt, coloanele de plasmă care provin din aceste pete sunt parcurse de curenţi paraleli şi sunt supuse deci la forţe de atracţie electrodinamice.

Una din ipotezele avansate constă în a presupune că mişcarea retrogradă a petelor rezultă din faptul că zona de emisie se deplasează în permanenţă către regiunea petei în care emisia electronică ar fi cea mai energică deci acolo unde câmpul electromagnetic ar fi cel mai ridicat. Această regiune se deplasează înspre regiunea în care câmpul produs

Page 148: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

de curentul care traversează pata respectivă are aceeaşi direcţie ca şi câmpul magnetic perturbator datorat curenţilor celorlalte pete. Se vede imediat că pata despre care este vorba se situează în opoziţie cu centrul de greutate geometric a ansamblului celorlalte pete, de unde efectul de respingere.

Mecanismul de întrerupere la trecerea prin zero a curentului, dacă regimul difuz s-a stabilit de un timp suficient de lung pentru ca toţi vaporii metalici emişi anterior să fi avut timp să se condenseze, totul se petrece ca într-o diodă cu vid. Atunci când curentul se anulează, electronii încetează să mai traverseze spaţiul dintre electrozi rezistenţa faţă de o tensiune inversă devine foarte repede infinită, anodul rece dovedindu-se incapabil să emită la rândul lui electroni.

Constanta de timp de disipare apare ca fiind foarte redusă (mult inferioară valorii de 1μs).

După trecerea prin zero a curentului, rigiditatea dielectrică se regenerează cu atât mai repede cu cât presiunea reziduală a vaporilor metalici este mai redusă, adică cu cât regimul difuz s-a stabilit de mai mult timp.

Pentru a obţine performanţe ridicate problema constă deci de a trece cât mai repede posibil de la regimul de arc concentrat la cel de arc difuz. Valoarea curentului, pentru care se produce această tranziţie, depinde esenţial de forma şi de natura contactelor şi au limite dificil de încălcat.

Page 149: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Cu contactele cele mai bune de care se dispune în prezent, nu este posibil să nu depăşească 20 kV.

Arcul difuz este instabil, fiecare pată are nevoie de un anumit curent minim pentru a emite jetul său de electroni. Sub acest curent el încetează brusc să mai funcţioneze, ceea ce explică tendinţa cunoscută a acestor aparate de a provoca supratensiuni de comutaţie prin smulgerea curentului.

Spre deosebire de alte tehnici numărul parametrilor asupra cărora este posibil să se acţioneze este extrem de redus şi constructorul este repede dezarmat el nu poate face să varieze presiunea, diametrul ajutajelor sau alungirea arcului; dimpotrivă, fiecare detaliu ridică probleme tehnologice cu totul neobişnuite.

Domeniul de utilizare a întreruptoarelor cu vid În practică domeniul de utilizare a cartuşului cu vid

este tipic celui de medie tensiune, cu o limită superioară situată în apropierea lui 45 kV. Încercările de realizare a cartuşului au atins 72 kV.

Cele mai performante cartuşe cu vid pot atinge 50 kA. În funcţie de tehnologia contactelor utilizate, va fi nevoie să se adauge aparatului, dispozitive împotriva supratensiunilor care sunt cel mai adesea construite din materiale ceramice cu oxid de Zn (ZnO).

Referitor la securitatea utilizării şi mentenanţa întreruptoarelor se menţionează că aceste cartuşe cu vid

Page 150: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

prezintă, în general, o securitate mare de utilizare şi o anduranţă la rupere care depăşeşte cu mult necesităţile unei exploatări normale. Cartuşele sunt închise ermetic pe viaţă. Fiabilitatea aparatului depinde de dispozitivul de acţionare. Energia cerută mecanismului este relativ mică, dar aceasta trebuie să asigure presiuni mari de contact. Practic mentenanţa se reduce numai la dispozitivul de acţionare.

Întreruptoarele cu vid se situează în domeniul mediei tensiuni, unde se vor dezvolta şi vor înlocui în perspectivă întreruptoarele cu SF6.

c) Ruperea staticăAceastă prezentare a tehnicilor de rupere nu poate fi

completă dacă nu se evocă şi utilizarea semiconductoarelor care constituie, de altfel, singura alternativă valabilă pentru a se opune monopolului actual deţinut de arcul electric. Mai mult decât ştie arcul să o facă, comportamentul lui se apropie de acela al unui întreruptor ideal .

Rezistenţa lor trece de la o valoare foarte mică la o valoare considerabilă cu ocazia trecerii prin zero a curentului,automat, ca şi în arcul electric, dar, de această dată fenomenul se desfăşoară la temperatura ambiantă.

Din nefericire, semiconductoarele posedă prin natura lor o inerţie termică extrem de redusă care este la originea incapacităţii lor de a suporta suprasarcini mari, chiar un timp foarte scurt. Căderea lor de tensiune directă, care determină efectul Joule, este localizată într-un volum de material

Page 151: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

(siliciu) infim situat de o parte şi de alta a joncţiunii, în grosime care se măsoară în micrometri. Astfel, cu toate că ele se găsesc foarte bine situate pe scara energiilor de rupere, aproape de aparatele ideale, semiconductoarele sunt totuşi incapabile să facă faţă, fără a cheltui mult, acestei disipări de energie modeste. Ele nu sunt încă direct utilizabile în locul arcului electric.

Totuşi progresele neîntrerupte de care semiconductoarele beneficiază, de mai mulţi ani, referitor la performanţe, gabarit şi preţ, le face din ce în ce mai capabile de a pătrunde progresiv în domeniul aparatelor electrice. Trebuie spus că, faţă de problemele de întrerupere, semiconductoarele prezintă serioase avantaje care sunt:

- realizarea unei întreruperi ideale, fără supratensiuni de comutaţie;

- absenţa uzurii şi a întreţinerii;- posibilitatea de a predetermina performanţele

aparatului;La joasă tensiune, ruperea statică este deja o realitate

şi câmpul său de aplicaţie nu încetează să se dezvolte, interesând mai ales:

- contactoarele în întregime statice cu tiristoare sau triac;

- dispozitivele ultralimitatoare (auto-protejate);- întreruptoare hibride cu semiconductoare şuntate de

arc în caz de scurtcircuit.

Page 152: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Probabil la medie tensiune, semiconductoarele îşi vor putea face apariţia numai asociate cu contacte cu deschidere sincronizată.

Cu cât sincronizarea va fi mai precisă, cu atât solicitarea termică impusă joncţiunii va fi mai redusă.

Alegerea soluţiei celei mai bune adoptate fiecărei utilizări constă în a selecţiona, pentru fiecare folosire, tehnica care îi procură simultan:

- cea mai bună securitate de utilizare pentru personal şi pentru instalaţie;

- cele mai reduse solicitări de mentenanţă pentru exploatare;

- stăpânirea perfectă a supratensiunilor de manevră la nivelele nepericuloase pentru instalaţie;

- capacitatea totală de a răspunde exigenţelor de progres tehnic şi de reducere a gabaritelor în consecinţă optime economic.

În prezent domeniul aparatelor electrice de înaltă tensiune este dominat de două tehnici moderne: ruperea în vid şi, mai ales, ruperea în SF6 care acoperă fără nici o lacună întreg domeniul.

Page 153: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

7.4. Clasificarea întreruptoarelor de înaltă tensiune

7.4.1. Întreruptoare cu ulei mult.Construcţia sa este simplă. Nu posedă o cameră de

stingere propriu-zisă, stingerea realizându-se în interiorul folosit şi ca mediu izolat pe baza efectului termic al arcului electric. Cu cât arcul arde mai intens, adică este efectul unui curent mai mare, însă în anumite limite, se extrage mai multă căldură din coloana arcului şi se creează condiţii pentru stingerea lui la prima trecere prin zero. Acest tip de intreruptor poate fi instalat în exterior la temperaturile cele mai scăzute, au putere mare de rupere.

Dezavantajele acestuia au fost însă mult mai importante şi au dus la înlocuirea lor din staţiile electrice. Printre aceste se numără pericolul de explozie şi incendiu crescut, consum mare de material, masă mare, imposibilitatea de a fi montat în spaţii interioare, revizie greoaie în exploatare datorită necesităţii evacuării uleiului, posibilităţi limitate pentru RAR din cauza maselor mari în mişcare şi necesităţii stingerii arcului la intervale mici de timp, imposibilitatea creării unitare pe principiul modelului, uzură mare datorită pieselor grele în mişcare.

7.4.2. Întreruptorul cu ulei puţinConstrucţia întreruptorului este mult mai simplă decât

a întreruptoarelor cu ulei mult, sau cu aer comprimat, consumul de materiale este mai mic, revizie uşoară, elementele fiind accesibile, posibilitatea dezvoltării de serii

Page 154: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

unitare pe principiul modelului. Poate fi instalat în instalaţii exterioare cât şi interioare.

Deşi şi-au îndeplinit, pentru mai multe zeci de ani, cu succes scopul în sistemul electroenergetic, acest tip de întreruptor este în prezent înlocuit cu echipamente mai performante.

Printre principalele dezavantaje care au condus la decizia de înlocuire a acestora se numără: pericolul de incendiu şi explozie putere de rupere limitată, revizii frecvente a camerelor de stingere, dificultatea introducerii RAR.

7.4.3. Întreruptorul cu aer comprimatPrincipalele avantaje ale acestui tip de întreruptor sunt

siguranţa în exploatare şi împotriva incendiilor sau exploziilor, greutate redusă, uzură redusă a camerelor de stingere, şi deci revizii mai rare şi uşoare, posibilitatea dezvoltării de serii unitare, deconectează curenţi capacitivi.

Dezavantajele sale sunt necesitatea unei staţii de aer comprimat cu complexitatea aferentă, construcţia relativ complexă a unor piese care necesită un grad înalt de precizie în prelucrare, cost relativ ridicat.

7.4.4. Întreruptoare cu hexaflorură de sulfPerformanţele sunt mai ridicate faţă de întreruptoarele

cu aer comprimat în ceea ce priveşte capacitatea de rupere, consum redus de materiale. Cu toate că construcţia întreruptorului cu SF6 este destul de simplă, necesită

Page 155: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

materiale scumpe şi tehnologii complicate. În prezent se introduc în măsură crescândă începând de la 10 kV până la cele mai mari tensiuni de 1050 kV, deoarece au capacitate de deconectare mare.

Prin capacitatea de deconectare se înţelege cel mai mare curent care poate fi întrerupt, curent măsurat în momentul separării contactelor, fără ca întreruptorul să sufere deteriorări excesive. Totodată la precizarea acestui curent trebuie să se menţioneze tensiunea oscilantă de restabilire, ca factor de oscilaţie şi frecvenţă.

Capacitatea de rupere a întreruptoarelor poate fi Simetrică - reprezintă cel mai mare curent

simetric care poate fi întrerupt de fiecare pol al aparatului; Asimetrică – cel mai mare curent asimetric care

poate fi întrerupt de fiecare pol al aparatului.Pentru comoditate, aprecierea capacităţii de rupere se

face în funcţie de puterea de rupere, care este:vnIUS 3=

Expresiei „puterii de rupere” nu îi corespunde o mărime fizică. Cu puţin timp înainte de întrerupere, tensiunea arcului este practic zero, curentul de scurtcircuit este foarte mare, iar imediat după întrerupere curentul este zero, iar tensiunea este cea nominală a reţelei, făcând abstracţie de tensiunea oscilatorie de restabilire.

Page 156: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Puterea de rupere exprimată în MVA sau capacitatea de rupere are semnificaţie numai dacă se precizează frecvenţa proprie a tensiunii de restabilire şi factorul de oscilaţie.

Cu cât frecvenţa proprie de oscilaţie a tensiunii de restabilire este mai mare cu atât puterea de rupere a unui întreruptor scade.

7.5. Întreruptoare pentru bornele generatorului

Folosirea întreruptoarelor şi a separatoarelor, de sarcină în marile centrale electrice, conduce la avantaje economice şi de manevrare.

Într-un mare număr de cazuri se preferă instalarea la bornele generatorului a întreruptoarelor în locul separatoarelor de sarcină. În această lucrare vom analiza condiţiile întreruperii curentului de sarcină şi cei mai importanţi parametrii, care nu sunt standardizaţi şi se vor explica şi mijloacele prin care întreruptorul de la generator face faţă condiţiilor impuse.

Întreruptorul şi separatorul de sarcină de la bornele generatoarelor şi în particular cele pentru marile generatoare, diferă evident ca aspect exterior faţă de cele din staţiile de comutaţie obişnuite.

Creşterea puterii alternatoarelor în ultimul timp, a condus la capsularea pe fază a legăturii generator-transformator. Această serie de întreruptoare ( tip DR ) cuprinde atât separatoare de sarcină cât şi întreruptoare şi

Page 157: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

este destinată pentru curenţi nominali de până la 50 kA şi capacitate de deconectare de până la 250 kA.

Datorită avantajelor tehnice şi de exploatare, folosirea întreruptoarelor de generator pentru marile unităţi, a devenit o regulă. Întreruperea curentului nominal, adică amorsarea sarcinii, are loc numai în condiţii de avarie. În condiţii normale curentul de sarcină este redus la zero înainte de deschiderea aparatului. Cu toate acestea, pentru că trebuie garantată funcţionarea la cuplarea în sarcină a aparatelor de comutaţie, condiţia necesară este corecta dimensionare şi testare a aparatelor pentru acest regim.

7.5.1.Întreruperea unei sarcini de la sursa de alimentare

În acest caz întreruptorul va fi solicitat de curentul de sarcină care trebuie deconectat şi de către tensiunea tranzitorie de restabilire ( TTR ) care apare între contacte după întreruperea contactului, figura 49,a arată schema monofilară pentru un asemenea caz.

O sarcină având impedanţa ZL este conectată la sursa de alimentare având tensiunea electromagnetică Ep şi reactanţa internă Xs . În condiţiile regimului normal de funcţionare, cu întreruptorul închis, tensiunea la bornele sarcinii şi la bornele întreruptorului pe partea sarcinii şi sursei este Up . Impedanţa de sarcină ZL determină diferenţe de fază φ între tensiunea Up şi IL adică factorul de putere cosφ.

Page 158: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Căderea de tensiune pe reactanţa sursei este spp UEU −= . Căderea de tensiune sU este decalată la

90 faţă de curent. Rezultă o reducere a tensiunii la bornele

sarcini şi anume pU< pE

.

Fig. 49. a)Schema electrica a scurtcircuitului; b)Variaţia mărimilor de stare

Când diagrama fazorială este rotită în direcţia săgeţii cu ωt, atunci proiecţia fazorilor pe axa verticală la care momentul reprezintă valorile instantanee a curentului şi tensiuni. În figura 49,b se prezintă condiţiile din regimul normal la timpul t0 , când curentul IL este întrerupt la trecerea lui prin zero. Tensiunea la acest moment determină condiţiile pentru startul tensiuni tranzitorii de restabilire la bornele întreruptorului I.

Page 159: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Tensiunea sistemului Up, are la momentul t0 când se

întrerupe curentul, valoarea instantanee de ϕsin2 pU la ambele contacte ale întreruptorului. Pe partea sarcinii, tensiunea după momentul t0 descreşte la zero. Pe partea de alimentare, tensiunea creşte cu valsarea scăderii de tensiune

SL XI2 .Varierea instantanee a tensiunii de restabilire pe poli

întreruptorului la frecvenţa sistemului este absorbită din suma variaţiilor de tensiune la bornele întreruptorului.

( ) SLppY XIUU += ϕsin2 (1)Trecerea de la condiţiile de tensiune de dinainte si

după întreruperea curentului, au loc prin oscilaţii de frecvenţe naturale fS şi fL ale celor două părţi separate ale sistemului. TTR care apare între bornele întreruptorului se compune din diferenţa între valorile instantanee ale celor două oscilaţii. Caracteristica acestei tensiuni este un factor determinist în solicitarea întreruptorului.

Într-un sistem trifazat cu tensiuni pe fază 3

UU p =

, apare o tensiune de restabilire la frecvenţa sistemului pe primul pol care întrerupe primul, egală cu 1,5 Up. Aceasta este valabilă pentru sisteme cu neutrul izolat.

Procesul de restabilire la întreruperea curentului de sarcină a fost explicat pentru un receptor obişnuit. În cazul întreruptoarelor de generator, condiţiile sunt diferite, după cum se va explica în paragraful următor.

Page 160: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

7.5.2. Întreruperea curentului de la generator

Generatoarele centralelor electrice sunt legate în paralel prin intermediul reţelelor electrice de înaltă tensiune. Un generator G care alimentează o sarcină care are o impedanţă ZL printr-un transformator T şi o linie de înaltă tensiune cu reactanţa XL. Toate celelalte generatoare funcţionează în sincronism alimentează o sarcină totală cu o impedanţă Z. impedanţa sistemului se poate neglija în comparaţie cu impedanţa generatorului, deci se consideră sistemul de putere infinită. Astfel numai variaţiile de tensiune din generator şi transformator sunt importante pentru întreruperea curentului de sarcină a generatorului IL prin întreruptorul IB. Tensiunea de restabilire, după aruncarea sarcinii, este formată de asemenea din suma variaţiilor de tensiune pe fiecare pol a întreruptorului. Tensiunea pe partea sarcinii nu scade la zero ci rămâne la nivelul tensiunii sistemului.

Fig. 50. Schema electrică a reţelei

Page 161: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

7.5.3. Restabilirea tensiunii la sistem

Pentru restabilirea tensiunii la sistem se consideră momentul întreruperii curentului la trecerea lui prin zero la timpul to. Tensiunea pe partea generatorului, după întreruperea curentului, creşte de la valoarea sa de serviciu

pU , la nivelul tensiunii electromotoare a generatorului pE .

Saltul de tensiune este egal cu sU , care este egal cu ''dL xjI .

Se foloseşte notaţia "dx deoarece variaţia sarcinii

alternatorului se face rapid.În acelaşi timp, tensiunea pe partea transformatorului,

descreşte rapid de la valoarea, pU la valoarea npU .

Scăderea de tensiune este egală cu TL XjItU = .Tensiunea de restabilire la frecvenţa sistemului, care apare pe întreruptor este compusă din variaţiile de tensiune care sunt la bornele lui, adică:

( )TdLxp xxIU += "

(1)Într-un sistem trifazat cu neutrul izolat, tensiunea de

restabilire pe polul care deschide primul este 1,5 fU , de unde rezultă:

( )TdLx xxIU += "5,1 (2)Această relaţie este valabilă pentru toţi curenţii de sarcină. Un curent de valoare dată IL când circulă printr-o rezistenţă a circuitului, totdeauna produce o cădere de tensiune având

Page 162: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

un defazaj de 90 faţă de curent,indiferent de unghiul de sarcină pe fază (care este determinat de sarcină).Un întreruptor de la bornele generatoarelor trebuie să întrerupă toţi curenţii până la valoarea maximă minimală.

Varierea T.T.R. se determină prin aplicarea formulei

(2) folosind reactanţa "dx a generatorului şi tx a

transformatorului.

( )tdx xxU

U += "

35,1

(3)În relaţia (3) s-a presupus că curentul întrerupt este egal cu curentul nominal al generatorului şi reactanţele sunt date în mărimi relative raportate la puterea generatorului. Trebuie observat că, chiar pentru cele mai mari unităţi suma

reactanţelor 5,0" =+ td xx .

Oscilaţiile tensiunii de restabilire pe polii întreruptorului au frecvenţe care sunt determinate de parametrii nominali ai schemelor respective. După cum s-a explicat mai înainte, T.T.R. constă din suma variaţiilor tranzitorii de tensiune pe părţile generatorului şi transformatorului.

Frecvenţa naturală a oscilaţiilor de tensiune la

generator OGf este în mod considerabil determinată de

reactanţa "dx a generatorului şi capacitatea înfăşurărilor sale

OGC . În cazul aruncării de sarcină, frecvenţa naturală

Page 163: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

aparţine plajei de 20-25 kHz, sau mai puţin (în cazul particular al hidrogeneratoarelor lente) conducând la oscilaţii de tensiune la generator.

Capacitatea înfăşurării transformatoarelor de mare putere este cu un ordin de mărime mai mică decât cea a generatoarelor. Din această cauză, este necesar să se ia in considerare capacităţile tuturor elementelor conectate la bornele transformatorului inclusiv a transformatoarelor de tensiune. Cu toate acestea frecvenţa naturală a T.T.R. pe partea transformatoarelor este de două, trei ori mai mare ca cea de pe partea generatoarelor.

Viteza de creştere iniţială a T.T.R. care urmează unei aruncări de sarcină face ca panta tangentei să fie aproximată

de raportul, f

c

T

utg =α

, astfel:

085,0

22

85,085,0f

u

T

utgS xc γα ===

(4)

Această formulă este bună pentru capacităţi şi inductanţe concentrate. Nu este strict aplicabilă în acest caz, dar poate fi folosită în cazul în care se fac unele aproximări.

T.T.R. pe polul care rupe primul, conform formulei 2 este egală cu suma celor două variaţii de tensiune.

Componenta de pe partea de generator este "5,1 dL XI , care

Page 164: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

oscilează cu frecvenţa naturală OGf şi componenta de pe

partea de transformator este egală cu TL XI5,1 care oscilează

cu frecvenţa OTf .Însumarea celor două componente dă viteza de

creştere iniţială rezultantă, de:

( ) ( )TOTTGOGdLTOTTGOGdL fxfxIfxfxIS γγγγ +=+⋅⋅= "" 585,0

225,1

Caracteristica tensiunii de restabilire pentru acest

grup, dar cu capacităţi de protecţie conectate pe înfăşurările transformatorului prezintă. Frecvenţa naturală pe partea de transformator este aşa de apropiată de cea de pe partea de generator, încât cu ochiul se poate detecta o singură frecvenţă. În acest caz viteza iniţială de creştere a tensiunii de restabilire, în comparaţie cu cea obţinută fără capacităţile de protecţie este cu 26% mai coborâtă.

Valorile vitezei de creştere a TR la aruncarea sarcinii pentru blocuri generator-transformator, având puteri de 500-1500 MVA sunt în gama:

0,7 – 1,5 kV/s – fără capacităţi0,5 – 1,0 kV/s – cu capacităţi.Ultimii doi poli întrerup curentul simultan la un sfert

de perioadă după primul pol. astfel tensiunea este împărţită între cei doi poli ai întreruptorului şi din această cauză componenta TR pe fiecare pol este mai mică decât tensiunea care apare pe primul pol.

Page 165: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

7.5.4. Scopul şi funcţiunea capacităţilor de protecţie

Scopul capacităţilor de protecţie este de a proteja înfăşurările de joasă tensiune ale transformatorului, asupra supratensiunilor transferate de pe partea de înaltă tensiune şi rezultând fie din unde tranzitorii călătoare, fie din deplasarea neutrului ca rezultat al unui scurtcircuit în reţeaua de înaltă tensiune. Transferul supratensiunilor prin transformator, au loc nu numai ca rezultat al inductanţei şi în mod esenţial ca un efect al raportului de transformare capacitiv.

Dacă legătura dintre transformator şi generator este făcută, atunci din cauza capacităţi mari a generatorului se reduc valorile supratensiunilor transferate. În cazul în care transformator este în gol, din cauza capacităţii reduse a transformatorului, supratensiunile transferate au valori mari. Pentru capacităţile de protecţie se folosesc capacităţi cu valori de 0,1 – 0,2 μF pe fază. Aceste capacităţi pe lângă faptul că reduc valorile de vârf ale supratensiunilor transferate, reduc si viteza T.T.R. pe partea transformatorului. Astfel de capacităţi de protecţie efectuează de asemenea o reducere a T.T.R. în timpul întreruperii scurtcircuitelor şi din această cauză s-au găsit aplicaţii din ce în ce mai numeroase în instalaţiile de comutaţie din centralele electrice.

Page 166: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

7.5.4.1. Verificarea capacităţii de deconectare la curentul de sarcină a întreruptorului montat la generator.

Tensiunea de restabilire cuprinde căderile de tensiune inductive determinate de curentul de sarcină IL. după cum se vede în diagrama din figura 2, cosinusul de φ al sarcinii nu are nici o influenţă asupra formei şi amplitudinii tensiuni de restabilire. Prin urmare capacitatea de deconectare a întreruptorului de generator poate fi încercat folosind un scurtcircuit inductiv.

Curentul In al generatorului, este luat ca bază pentru încercare, care este de preferat să fie analizat într-un circuit monofazat. Tensiunea de restabilire trebuie luată pentru cel mai solicitat pol, adică pentru polul care întrerupe primul. Dacă se aplică formula 3 se determină tensiunea:

( ) uu

xxu

U Tdx 44,05,03

5,13

5,1 " ==+=(6)

Viteza iniţială de creştere a TR pentru încercare se poate determina cu formula 5.

Întreruptoarele pentru generator s-au construit de obicei cu aer comprimat.

În cazul unor condiţii mai severe pentru T.T.R. şi la curenţi mari, se poate conecta un rezistor în paralel cu întreruptorul primului pol.

Pentru un întreruptor fără rezistor de amortizare, TTR este determinată numai de parametrii circuitului. Dacă se conectează un rezistor în paralel, a cărei valoare este astfel

Page 167: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

aleasă încât creşterea T.T.R. este aperiodică, atunci viteza de creştere este dată în mod esenţial de:

Ltt

RIdt

diR

dt

duS ω2

00

=≈===

Adică, S este determinată de primul pol de varierea curentului întrerupt şi de valsarea rezistenţei în paralel. Când se foloseşte un rezistor de amortizare întreruperea curentului are loc în două etape.

Din analiza fenomenelor descrise reiese că solicitările la care întreruptoarele de generator sunt supuse la întreruperea curentului de sarcină, diferă de condiţiile specifice pentru întreruperea curentului de sarcină în diversele standarde.

Parametrii de încercare ai întreruptoarelor de generator pentru determinarea capacităţilor de declanşare pot fi calculaţi. Se poate afirma că, capacitatea de declanşare poate fi testată folosind un circuit simplu fără să fie necesară simularea sarcinii. Aceasta permite o testare corectă a capacităţii totale de deconectare, în laboratoarele de încercare la mare putere de rupere (LMP).

Page 168: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

7.6. Întreruptoare utilizate la tensiunea de producere a generatorului.

Utilizarea în instalaţii de distribuţie la tensiunea de 6-36 kV a întreruptoarelor de generator permite să se simplifice schemele de pornire a turbogeneratoarelor, exploatarea şi protecţia lor. Întreruptoarele de generator IG

au o utilizare deosebit de eficientă la blocurile de mare putere ale centralelor nuclearo-electrice (CNE) , unde instalarea lor permite alimentarea autonomă şi sigură a serviciilor proprii cu energie electrică. Pentru generatoare de mare putere folosirea întreruptoarelor de generator obişnuite este limitată din cauza costului ridicat şi a complexităţii care este necesară la realizarea construcţiei pentru IG.

Construirea întreruptoarelor la generator (Ig) uşoare este posibilă numai pe baza unui studiu amănunţit a regimurilor şi a condiţiilor de funcţionare în scopul determinării caracteristicelor optime.

La întocmirea standardelor pentru IG în primul rând au fost stabiliţi curenţii maximi de deconectare pentru diferitele tipuri de defecte ale circuitelor electrice şi s-a studiat mai atent decât până acum condiţiile de stingere a arcului şi influenţa mărimii tensiunii de restabilire Ur la bornele întreruptorului pe partea generatorului şi transformatorului bloc, precum şi viteza de creştere a tensiunii tranzitorii de

restabilire dt

dUV la deconectarea curentului de sarcină, a

Page 169: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

curentului de scurtcircuit şi în cazul proceselor tranzitorii de pendulare. Ultimele, in anumite cazuri, sunt însoţite de deconectarea curenţilor de defect, care apar datorită

scurtcircuitelor nesimetrice. Valoarea UV şi dt

dUV au o mare

influenţă asupra condiţiilor de stingere a arcului electric în întreruptoare şi asupra tipului constructiv.

Valoarea maximă a curenţilor de scurtcircuit în circuitele blocului generator-transformator se determină prin valorile reactanţei subtranzitorii a generatorului Xd” şi prin reactanţa transformatorului ridicător Xt.

Tipul generatorului ReactanţaTranzitorie

Xd’

Subtranzitorie Xd

Generatoare cu doi poli

25-210 MVA 24 15210-907

MVA28 18

Generatoare cu patru

poli

150-240 MVA

30 19

240-1280 MVA

34 22

Generatoare cu poli aparenţi

40 23-30

Tabel 1. Valorile reactanţelor pentru diferite tipuri de generatoare (în % faţă de puterea nominală)

Page 170: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Transformatoarele de forţă au XT=12-16%(raportată la puterea nominală în MVA)

La studiul valorii şi caracterului curenţilor de deconectare s-a studiat modul de circulaţie a curenţilor componentelor de curent continuu şi curent alternativ, precum şi influenţa regimurilor tranzitorii în regimurile de scurtcircuit exterioare asupra pendulaţilor dinamice ale rotorului. Durata de amortizare a componentelor de curent

alternativ şi curent continuu depind de raportul RX .

Durata de amortizare a componentei de curent continuu în funcţie de caracterul defazajului este de 1-19 perioade. În cazul curenţilor de scurtcircuit nesimetrici, prezenţa armonicii de ordin doi influenţează asupra vitezei de variaţie

a curentului dtdi în apropierea momentului de trecere a

curentului prin zero. Deoarece viteza de creştere a tensiunii tranzitorii de restabilire este proporţională cu viteza de variaţie a curentului în apropierea momentului de deconectare, prezenţa armonicii de ordinul doi conduce la

faptul că valoarea efectivă a dtdi în momentul trecerii

undei de curent prin valoarea zero este cu 30-50% diferită faţă de cea teoretică (mai mare sau mai mică) valoarea care depinde de caracterul trecerii undei de curent prin valoarea zero şi care se determină ca sumă a componentelor de curent continuu şi a armonicii fundamentale.

Page 171: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Studiul asupra determinării parametrilor IG şi asupra condiţiilor de fabricaţie s-au efectuat în laboratoare de mare putere rezultând următorii parametrii de bază ai IG:

• Tensiunea de 38 kV• Curentul de durată 48 kA• Curentul simetric de deconectare 350 kA

Valoarea şi viteza de creştere a tensiunii tranzitorii de restabilire au fost analizate în diverse scheme ale blocurilor de mare putere.

Schemele caracteristice de instalare a IG în circuite electrice ale blocurilor de mare putere sunt prezentate în figura 51. Aceste scheme sunt analizate din punct de vedere al valorii şi al vitezei tensiunii tranzitorii de restabilire în circuitele blocurilor de mare putere.

În figura 51,a este prezentată schema tip a unui bloc de mare putere. Reactanţa circuitelor în caz de scurtcircuit este egală cu suma dintre Xd

” şi XT.

Fig. 51. Scheme caracteristice pentru montajul întreruptoarelor de generator în circuitele grupurilor de mare putere

Page 172: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

În schema din figura 51.b două generatoare sunt conectate la un transformator cu doua înfăşurări la tensiunea generatoarelor. În această schemă reactanţa transformatorului xT trebuie sa fie raportată la puterea de trecere a fiecărei înfăşurări, prin aceasta xT nu depăşeşte valoarea reactanţei din schema 51,a. Schema este identică cu schema 51.a.

Tensiunea de restabilire UV în schemă din fig. 51.d în cazul deconectării curentului normal sau a curentului de defect cu întreruptorul de generator instalat în circuitul generatorului, este la fel ca la schema 51.a, deoarece doua transformatoare (fiecare cu reactanţa xT, raportată la puterea de totală de trecere) conectate în paralel au aceeaşi reactanţă ca a unui transformator echivalent de putere dublă. Prin deconectarea curentului prin întreruptoarele conectate la joasă tensiune in circuitele transformatorului, curentul de deconectare şi căderea de tensiune este pe jumătate faţă de curentul care circulă prin întreruptorul din circuitul generatorului. Tensiunea de restabilire după deconectare la bornele întreruptorului are doua componente: tensiunea de frecvenţă industrială şi tensiunea de înaltă frecvenţă. Tensiunea de restabilire de frecvenţă industrială pe partea

generatorului este "

0 dG xIU = , iar pe partea transformatorului

TT xIU 0= (aici curentul I0 este curentul de declanşare a

Page 173: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

sarcinii sau curentul de defect, care depăşeşte curentul nominal IN). Valoarea I0 poate depăşi IN ca în cazul suprasarcinilor, precum şi în cazul unor defecte interne ale circuitelor electrice, de exemplu în înfăşurările de excitaţie ale generatoarelor. Valoarea tensiunii de restabilire este cu atât mai mare, cu cât este mai mare raportul dintre curent şi

curentul nominal de sarcină NI

I0 . La deconectarea cu

întreruptoare cu trei poli a defectelor trifazate tensiunea de restabilire atinge valoarea maximă UVmax la polul care întrerupe primul. Această valoare UVmax de obicei se foloseşte la calcule pentru alegerea întreruptoarelor şi este egal cu fV kUU =max , aici k fiind un coeficient de schemă, care depinde de caracterul de deconectare şi de schema circuitului electric.

În acest fel, coeficientul de schemă este raportul dintre tensiunea de restabilire de frecvenţă industrială la tensiunea corespunzătoare a fazei Uf la bornele întreruptorului după întreruperea curentului. Coeficientul de schemă se determină uşor din valoarea reactanţei directe x+, inverse x- şi homopolare x0 înseriate în circuitul care se întrerupe. Dacă se consideră x+= x-, obţinem valoarea k, egală cu raportul dintre reactanţa homopolară la reactanţa de secvenţă directă a circuitului care se întrerupe, practic

raportul +x

x0 care depinde de modul de legare la pământ.

Page 174: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Pentru modurile actuale de legare la pământ raportul +x

x0

variază în domeniul 0,6-3. În instalaţiile electrice acest raport are valoarea, de obicei, 1,5-2 şi foarte rar se ajunge la 3. Coeficientul de schemă are valoarea maximă 1,5 în cazul deconectării circuitelor la bornele generatoarelor fără legare la pământ şi fără să fie racordate alte circuite. Dacă în circuitele electrice în spatele punctului de defect se află alte elemente cu reactanţele lor, de exemplu transformatoare sau o linie de plecare, atunci coeficientul de schemă poate avea valori mai mici (de exemplu 1,3). Astfel, pentru defecte trifazate cu legătură la pământ, ceea ce se întâmplă destul de

des, coeficientul de schemă

+

+

+=

x

xx

x

K0

0

21

2

5.1 are valori 0.8-1.3

prin modificarea raportului +x

x0 de la 0.6 până la 2. Conform

normelor internaţionale CEI pentru aprecierea funcţionării întreruptoarelor în funcţie de viteza de creştere a tensiunii de restabilire, ca bază se adoptă defectul trifazat fără legături cu pământul la bornele generatorului şi fără să fie alimentate şi alte circuite, şi anume se adoptă k=1,5. Pentru circuite cu neutru legat la pământ se ia k=1,3. În acest fel, în majoritatea cazurilor coeficientul de schemă nu depăşeşte 1,3. Din această cauză alegerea şi verificarea

Page 175: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

întreruptoarelor se face pentru k=1,5 asigurându-se si o rezervă de siguranţă.

Valoarea tensiunii de restabilire de frecvenţă industrială în cazul întreruperii curentului la ambele borne ale întreruptorului (generator şi transformator) se stabileşte după oscilaţii cu frecvenţe proprii corespunzătoare.

Caracterul procesului oscilator se poate determina uşor cu ajutorul schemei echivalente a generatorului şi ale transformatorului.

Frecvenţa proprie de oscilaţie a tensiunii de restabilire pe partea generatorului f0G se determină cu reactanţa subtranzitorie a generatorului xd

” şi cu capacitatea înfăşurării C0G. Sunt mai multe metode de determinare a frecvenţei proprii de oscilaţie pentru diferite situaţii (aceste metode sunt tratate şi în lucrările CIGRE). La deconectarea curentului de sarcină a generatorului f0G, de obicei este egal cu 20-25 kHz; valori mai mici pentru f0G au loc pentru maşini cu poli aparenţi (hidrogeneratoare şi compensatoare sincrone).

Capacitatea transformatoarelor de forţă este mult mai mică decât capacitatea generatoarelor, din această cauză tensiunea de restabilire pe partea transformatorului are un caracter deosebit. Cu creşterea puterii transformatoarelor şi folosirea transformatoarelor trifazate condiţiile de funcţionare a întreruptoarelor pe partea de joasă tensiune a transformatorului au devenit mult mai grele. Aceasta se explică prin aceea că, cu creşterea puterii transformatoarelor

Page 176: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

creşte puterea de scurtcircuit şi proporţional scade reactanţa, iar capacitatea transformatoarelor rămâne practic constantă. Ca rezultat creşte frecvenţa proprie de oscilaţie la deconectarea scurtcircuitelor pe partea de joasă tensiune a transformatorului. Această frecvenţă de determină din relaţia:

LCf

π2

1= unde:

L – inductivitatea de scăpări a transformatorului;C – capacitatea transformatorului şi a porţiunii de

bare.

Dacă L se micşorează cu creşterea puterii transformatoarelor şi a puterii de scurtcircuit, iar C rămâne relativ constant, atunci singura posibilitate de a reduce frecvenţa de oscilaţie pe partea de joasă tensiune a transformatorului este de a introduce capacităţi suplimentare. Practica a arătat că porţiunea de bare colectoare de 100m, cu o capacitate de 0.001μF nu are influenţă asupra frecvenţei proprii de oscilaţie. Dacă se montează condensatoare speciale cu o capacitate de 0.01μF frecvenţa oscilaţiilor libere a tensiunii de restabilire se reduce de 2 ori.

Deoarece capacitatea transformatorului nu este mare (mai mică de 20pF pe fază), atunci în cazul lipsei capacităţii suplimentare pe partea de joasă tensiune a transformatorului frecvenţa proprie de oscilaţie a transformatorului, frecvenţa proprie de oscilaţie este de 2-3 ori mai mare ca pe panta

Page 177: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

generatorului. În acest fel, dacă la bornele generatorului pe partea transformatorului se montează o capacitate suplimentară de (0,1-0,2) μF pe fază, care este mult mai mare decât capacitatea transformatorului, se poate micşora substanţial frecvenţa proprie de oscilaţie a tensiunii de restabilire pe bornele întreruptorului de generator pe partea transformatorului, apropiind-o de valoarea frecvenţei proprii de oscilaţie de pe partea generatorului.

Conform normelor CEI panta frontului tensiunii tranzitorie de restabilire este caracterizată de tangentă, care trece prin zero la curba undei de tensiune. Dacă se notează cu UC valoarea maximă a tensiunii tranzitorii de restabilire, iar prin y – coeficientul de amplitudine, atunci, cum rezultă

din curbă y

Utg C=α . Panta frontului de undă a curbei

tensiunii de restabilire rezultă:

85,0

22

85,085,00fU

y

UtgS VC === α

unde:

UV – tensiunea de restabilire de frecvenţă industrială;f0 – frecvenţa proprie a tensiunii de restabilire cu panta S

Relaţia prezentată este valabilă în cazul inductivităţilor L şi C concentrate. De asemenea această relaţie poate fi folosită şi în cazul parametrilor uniform distribuiţi în primă aproximaţie.

Tensiunea tranzitorie de restabilire de frecvenţă industrială UV pe prima fază care se deconectează Uf1 la deconectarea curenţilor de sarcină conform celor prezentate mai sus se determină cu relaţia:

Page 178: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

)(5,1 "01 TdfV xxIKUU +==

Unde componenta tensiunii UV pe partea generatorului, este egală cu 1,5I0xd

”, va oscila cu frecvenţa proprie f0G iar componenta 1,5I0xT,va oscila cu frecvenţa proprie de oscilaţie f0T. Ambele valori de amplitudine se adună şi determină panta rezultantă a frontului curbei tensiunii care se calculează cu formula:

( ) ( )TTTgGdTTTgGd yfxyfxIyfxyfxIS 00"

000"

0 585,0

225,1 +≅+⋅=

Această relaţie poate fi folosită în cazul calculelor formei curbei tensiunii tranzitorii de restabilire la bornele întreruptorului şi în special pentru scheme de instalare a întreruptorului.

Prin cuplarea capacităţilor suplimentare curbele proceselor tranzitoriu atât pe partea generatoului cât şi pe partea transformatorului sunt practic identice, iar panta iniţială a frontului undei de tensiune de restabilire prin aceasta se reduce cu 26%.

Viteza de creştere a tensiunii de restabilire pentru blocuri de putere 500-1500 MVA la deconectarea curenţilor de sarcină este 0,7-1,5 (fără capacităţi suplimentare) şi 0,5-1 (cu capacităţi suplimentare).

Coborârea vitezei de restabilire conduce la simplificarea construcţiei întreruptoarelor de la bornele generatoarelor. În afară de aceasta, instalarea capacităţilor suplimentare conduce şi la reducerea amplitudinii şi a

Page 179: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

vitezei tensiunii oscilatorii de restabilire la bornele întreruptoarelor şi în cazul deconectării scurtcircuitelor.

Având în vedere condiţiile menţionate mai sus, trebuie conectate condensatoare suplimentare pe partea de joasă tensiune a transformatorului pentru a se obţine condiţiile de funcţionare a întreruptoarelor de generator în regim tranzitoriu.

Procesul de restabilire a tensiunii la deconectarea scurtcircuitelor are particularităţile lui. Condiţii deosebit de grele de lucru pentru întreruptoarele de generator apar la deconectarea curenţilor de scurtcircuit pe partea transformatorului. Aici, frecvenţa procesului oscilator şi amplitudinea tensiunii de restabilire depăşesc valorile normale. Apare un proces asemănător cu procesul de restabilire a tensiunii la defectul kilometric.

În tabelul 2, sunt trecute datele obţinute în urma experimentării procesului de restabilire a tensiunii pe bornele unui întreruptor la deconectarea curenţilor de scurtcircuit.

După cum se vede din tabelul 2, frecvenţa, amplitudinea şi alţi parametri ai tensiunii de restabilire depind de caracterul defecţiunii şi în consecinţă rezultă că tensiunea de restabilire poate să oscileze cu frecvenţe diferite. Cea mai mare frecvenţă este de 70 kHz, care se obţine în circuitele transformatorului, frecvenţa medie are valoare de 6-15 kHz – în circuitele generatorului; valoarea medie obţinută prin folosirea întregului circuit, inclusiv liniile de plecare este de 3-5 kHz.

Page 180: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Scurtcircuitele trifazate la pământ între întreruptor şi transformator dau cele mai grele condiţii de defect, amplitudinea tensiunii de restabilire are valorile cele mai mari. La acest tip de defect s-a obţinut o valoare triplă a tensiunii tranzitorii de restabilire faţă de cazul precedent.

La scurtcircuite trifazate cu pământul pe partea de înaltă tensiune a transformatorului tensiunea de restabilire nu depinde de prezenţa capacităţilor suplimentare.

O mare atenţie în timpul experimentărilor s-a dat procesului de restabilire a tensiunii pe bornele întreruptorului, deoarece stingerea sigură a arcului este posibilă în condiţiile creşterii vitezei de restabilire a

rigidităţii dielectrice dt

dE a intervalului de arc care trebuie să

fie mai mare decât viteza de creştere a tensiunii de

restabilire dt

dUV . În acest fel condiţia de bază se îndeplineşte

prin alegerea tipului constructiv de întreruptor care îndeplineşte condiţia

dt

dU

dt

dE V>

Rezultatele obţinute au stat la baza pentru stabilirea parametrilor necesari pentru întreruptoarele care se montează la bornele generatoarelor de mare putere.

Condiţiile de funcţionare a întreruptoarelor, montate pe partea de joasă tensiune a autotransformatoarelor de mare putere (AT) a staţiilor electrice, sunt apropiate de condiţiile

Page 181: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

de funcţionare a întreruptoarelor de generator, deoarece caracteristicile tensiunii tranzitorii de restabilire în ambele cazuri sunt asemănătoare.

Caracterul defectului

Frecvenţa tensiunii de restabilire

Curentul deconecta

t

Amplitudinea tensiunii de

restabilire

Durata procesului tranzitoriu

până la atingerea

amplitudinii

Viteza de creştere a tensiunii

de restabilire

- kHz kA kV μs kV/μs

Scurtcircuit trifazat cu

pământ pe partea de înaltă tensiune

70-15 130 73,1 34,6 5,3

Scurtcircuit monofazat pe

partea de înaltă tensiune

70; 15-3 10,6 86,9 104,2 4,1

Scurtcircuit trifazat cu

pământ între Generator şi Întreruptor

15 192,5 66,2 40,5 1,9

Scurtcircuit trifazat cu

pământ între Transformator şi

Întreruptor

70-5 305,1 87,9 90,4 11,2

Tabelul 2. Valori masurate pentru diverse scurtcircuite

În caz de scurtcircuit pe partea de joasă tensiune a autotransformatorului viteza de creştere a tensiunii tranzitorii de restabilire are un caracter oscilator cu frecvenţă înaltă care este determinată de inductivitatea înfăşurărilor autotransformatorului şi de capacitatea înfăşurărilor şi a bornelor. Deoarece capacitatea înfăşurărilor

Page 182: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

transformatorului este de obicei mică (sub 20 pF pe fază), frecvenţa rezultantă de oscilaţie, a tensiunii de restabilire este mare. Dacă în schema electrică a staţiei lipsesc liniile electrice de transport de mare lungime, atunci valoarea vitezei de creştere a tensiunii de restabilire poate depăşi valorile normale.

În schema tip a unei staţii prezentată în figura 52, sunt montate autotransformatoare de mare putere pentru interconexiunea reţelelor de 420 şi 245 kV şi cu înfăşurări terţiare la joasă tensiune la care sunt conectate compensatoare sincrone cu întreruptor de bloc.

Fig. 52. Schema staţiei analizate

Panta frontului de undă a tensiunii de restabilire S în general depinde de curentul de scurtcircuit Ik şi în funcţie de impedanţa de undă a circuitului zk.

kk zIfS 22π= unde f este frecvenţa în circuitul electric în regim normal.

Impedanţa de undă zk depinde de reactanţele reţelei x+

şi x0 şi de numărul de linii care pleacă din staţie, deoarece ea se micşorează cu creşterea numărului de linii.

Page 183: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

În cazul scurtcircuitelor trifazate fără pământ:

n

xzk

+= 5,1

În cazul scurtcircuitelor trifazate cu pământ:

+

+

+=

x

xx

n

xzk

0

0

21

23,1

.

Page 184: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

8. Aparate pentru protecţia la supratensiuni atmosfeice sau de comutaţie

8.1. GeneralităţiLimitarea

supratensiunilor care pot apărea într-o instalaţie electrică se face din faza de proiect a instalaţiei respective

Măsurile care se precizează în cadrul coordonării izolaţiei

a – Introducerea descărcătoarelor electrice care au nivel de amorsare inferior echipamentelor electrice

b – Stabilirea unor nivele de tensiuni la care se încearcă echipamentul înainte de a fi montat în instalaţie

Tensiunile de încercare sunt:- de frecvenţă industrială- de impuls sub formă 1,2 / 50 μs.

Page 185: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

8.2. Descărcătoare

Protecţia izolaţiei electrice a aparatelor , transformatoarelor şi generatoarelor de înaltă tensiune împotriva supratensiunilor de origine atmosferică (sau de comutaţie) se realizează cu ajutorul descărcătoarelor. Aceste aparate de protecţie se montează între conductele de fază si pământ ,principiul lor de funcţionare bazându-se pe descărcarea la pământ a liniei cu scopul de a limita amplitudinea şi panta undelor de supratensiune la valori nepericuloase pentru izolaţia staţiilor electrice.

Descărcătoarele trebuie deci să îndeplinească două funcţii :

a) să limiteze valoarea supratensiunilor , care pot să apară între conductoarele protejate şi pământ , prin punerea temporară a conductoarelor la pământ printr-o impedanţă mică ;

b) să întrerupă automat legătura conductoarlor cu pământul , îndată ce valoarea supratensiunii nu mai poate periclita izolaţia.

Tensiunea de amorsare a aparatului de protecţie trebuie să fie inferioară tensiunii de conturnare sau străpungerii a izolaţiei exterioare protejate şi tensiunii de amorsare a eclatoarelor de protecţie a aparatelor şi transformatoarelor ( prin amorsarea eclatoarelor intervine protecţia prin relee si deconectează instalaţia).

Page 186: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig. 53. Variaţia tensiunii printr-un descărcător; Schema electrică

Descărcătoarele trebuie să aibă o întârziere la funcţionare cât mai mică şi o mare capacitate de scurgere , construcţia să fie simplă ,montare şi întreţinere uşoară şi cost redus. Aparatele de protecţie aduc astfel un important aport

Page 187: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

economic prin reducerea considerabilă a avariilor la medie tensiune şi înaltă tensiune si deranjamentelor în reţelele electrice.

8.2.1. Cele mai răspândite aparate de protecţie sunt :a) eclatoarele ,b) descărcătoarele tubularec) descărcătoarele cu rezistenţa variabilă şi cu oxid de

zinc.

a) EclatoareEclatoarele sunt cele mai simple aparate de protecţie

împotriva supratensiunilor de origine atmosferică. Ele se compun din doi electrozi metalici ,izolaţi unul faţă de altul ,uneori cu posibilitatea de reglare a intervalului disruptiv.

Se construiesc trei tipuri de eclatoare utilizate în sistemele de distribuţie

- cu coarne - cu tije - cu inele ecran si coarne de protecţie

Eclatoarele cu coarne au un domeniu de aplicare limitat , utilizându-se în reţele aeriene de 3 ÷ 35 kV pentru protecţia posturilor de transformare şi în reţelele de tracţiune electrica în curent continuu.

Page 188: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig. 54. Schema generală a unui descărcător:1.corn de protecţie ;2.clema sau borna de racordare la linia de înalta

tensiune ;3.izolatoare de protecţie ; 4. traseul descărcării electrice; 5. inel de protecţie.

Page 189: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Eclatoarele cu tije au o răspândire mai mare , fiind montate mai ales pe izolatoarele de trecere ale transformatoarelor şi întreruptoarelor . Inelele sau coarnele de protecţie se utilizează mai ales la liniile aeriene de înalta tensiune pentru protecţia lanţurilor de izolatoare .

Eclatoarele având numeroase dezavantaje (de pildă ,întârzierea la amorsare şi deci pătrunderea undei de impuls în instalaţie înainte ca eclatorul să intervină ), au răspândire limitată .

b) Descărcătoarele tubulare Descărcătoarele tubulare sunt aparatele de protecţie

care, pe lângă funcţiunea principală de limitare a supratensiunilor , îndeplinesc şi funcţia de întrerupere automată a curentului de însoţire (la frecvenţă industrială care pune linia la pământ prin arcul electric) , excluzând necesitatea scoaterii instalaţiei de sub tensiune.

La apariţia unei unde de supratensiune între conductor şi pământ ,care depăşeşte tensiunea de amorsare a descărcătorului ,intervalele 4 si 5 sunt străpunse amorsându-se două arce în serie , care pun conducta la pământ .Tensiunea ridicată a undei provoacă scurgerea unui curent de impuls prin descărcător.

Arcul electric în intervalul 4 , este supus unui energic suflaj longitudinal de gaze , care întrerupe curentul de însoţire la circa a treia trecere a curentului prin zero. Arcul din intervalul 5 după întreruperea curentului se stinge de la sine.

Page 190: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Schema principala a unui descărcător tubular cu fibra de 3-110kV

1.- tub gazogen din fibră ,protejat de un tub de bachelită ;

2.-electrod tijă 3.-electrod inelar ;4.-interval

disruptiv interior (eclator de reglaj );5.-interval disruptiv exterior (interval de izolare)P-legare cu pământul ;L-linia de înaltă tensiune;G-gaze eşapate.

Fig. 55. Schema principala a unui descărcător tubular cu fibra de 3-110kV

Descărcătoarele tubulare se livrează pentru o anumită tensiune nominală (3 ÷110kV ) şi pentru curent de însoţire (scurtcircuit de punere la pământ )

Page 191: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

c) Descărcătoare cu rezistenţă variabilă Descărcătoarele cu rezistenţă variabilă sunt aparate

perfecţionate de protecţie împotriva supratensiunilor a căror caracteristică u(i) tensiune – curent este neliniară.

Fig, 56. Schema de principiu a unui descărcător cu rezistenţă variabilă 1.linia de înaltă tensiune ; 2. eclator de izolare ;3. cascadă de

eclatoare ;4.coloană de discuri semiconductoare cu caracteristică neliniară ; 5.carcasă protectoare de porţelan; iî – curent de însoţire ;

iS – curent de scurgere ; ust – tensiunea de stingere ;unz - tensiunea reziduală produsă de curentul de scurgere

P - legătura cu pământul.

Page 192: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Funcţionarea descărcătorului cu rezistenţă variabilă se desfăşoară după cum urmează :

Coloana de discuri semiconductoare 4 , presate din carbură de siliciu a cărui rezistenţă variază cu tensiunea (sau cu curentul).

Eclatorul de izolare 2 se foloseşte numai pentru a se evita întârzierea la amorsare la tensiuni de peste 60 kV.

Eclatorul de stingere 3 asigură izolaţia necesară a conductei ,aflată sub tensiunea de serviciu ,faţă de pământ şi întrerupe curentul de însoţire.

Discurile semiconductoare , la trecerea curentului mare de scurgere ( impuls după amorsarea descărcătorului ( is) ,opun o rezistenţă redusă ,determinând o tensiune reziduală (urez ) relativ mică , iar după micşorarea tensiunii (de circa 3 ori ) până la valoarea de stingere ( ust ) discurile opun o rezistenţă mare , limitând curentul de însoţire (iî ) favorizându-se astfel întreruperea rapidă a acestuia cu ajutorul eclatoarelor de stingere .

Presupunem că la borna de legătură a descărcătorului cu conductorul de protejat apare o undă de supratensiune . La tensiunea de amorsare se străpung intervalele eclatoarelor de izolare si de stingere ,tensiunea undei aplicându-se coloanei semiconductoare. Rezistenţa foarte mică a coloanei în perioada iniţială canalizează spre pământ o bună parte din energia undei, micşorându-se apreciabil prin aceasta valoarea supratensiunii şi a curentului scurgere, care determină o creştere considerabilă

Page 193: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

a rezistenţei coloanei. Descărcătorul în această fază rămâne sub tensiunea de serviciu a reţelei de frecvenţă industrială, care întreţine un curent de însoţire de ordinul zecilor de ampere. La prima trecere naturală a curentului prin zero a curenţilor de însoţire, arcele electrice din intervalele în serie ale eclatoarelor de stingere se sting definitive, reaprinderea lor fiind împiedicată de căderile catodice înseriate şi curentul se întrerupe.

Eclatorul de izolare scoate descărcătorul de sub tensiune.

a – curba DRVb – curba DT

Fig. 57. Variaţia tensiunii

Page 194: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

d) Descărcătoare cu suflaj magneticÎntr-un descărcător rezistenţa neliniară limitează

curentul de însoţire la 50-200 A, pe care îl poate întrerupe eclatorul. În cazul în care curentul de însoţire are valori mai mari este necesar ca diminuarea curentului sa se facă nu numai cu rezistente neliniare dar şi prin lungimea arcului cu suflaj magnetic.

Fig. 58. Descărcătoare cu suflaj magnetic1 eclatoare , cu ajutorul cărora se lungeşte arcul

electric al curentului de însoţire.2 bobine ale câmpului magnetic de suflaj 3 rezistenţe conectate în paralel cu bobinele de suflaj 4 discuri cu rezistenţa variabilă

Page 195: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

9.Transformatoare de curent

9.1. GeneralităţiTransformă curentul până la o valoare care este

comodă de măsurat şi izolează instalaţia faţă de înaltă tensiune.

Înfăşurarea primară a TC se leagă în serie pe circuitul curentului de măsurat. Această înfăşurare are număr mic de spire până la o spiră. Cea secundară are un număr mare de spire. Bobinele releelor şi ale aparatelor de măsură se leagă în serie pe înfăşurarea secundară.

Curentul primar poate varia de la (0 -1,3)In iar curentul de scurtcircuit poate creşte de la 10 până la 100 de ori. Scala standard a curenţilor nominali primari variază de la 1A până la 400000A.

Curentul secundar nominal este de 1A şi 5A (mai rar 10A).

n

nnom I

Ik

2

1= ,

scala aparatelor de măsură se scrie pentru .2Iknom

1

2

w

wn = ,

Page 196: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

este ceva mai mic decât knom - acesta pentru a se compensa curentul de magnetizare şi a se mări precizia de măsurare.

9.2. Erorile transformatorului de curentEroarea de raport

1

12

I

IkII nom −=∆

Sarcina transformatorului de curent:

22 XRZ += [Ω].

Aceasta este dată de impedanţa circuitelor exterioare transformatoarelor de curent.

RX

arctg=2ϕ

ZIS nom222 =

Exemplu:

S=20VA, cosφ2=0,8

;8,05

202

Ω==Z ;64,08,08,0 Ω=⋅=R Ω=⋅= 48,06,08,0X

Page 197: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Clasele de precizie ale transformatoarelor de măsura de curent:

Transformatoarele de curent se împart în cinci clase de precizie:Clasa deprecizie

%1001

1 ⋅nI

I

[-]

Sarcinasecundară

la 8,0cos 2 =ϕ

[%]

Eroarea de

curent

[%]

Eroarea de

unghi

[%]

0,21020

100-12025-100

2,0

35,0

5,0

±±±

10

15

20

±±±

0,51020

100-12025-100

5,0

75,0

1

±±±

30

45

60

±±±

11020

100-12025-100

1

5,1

2

±±±

60

90

120

±±±

310

50-12050-120

50-10050-100 10

3

±± -

-

1

12

I

IkIf nom −=

δ - este eroarea de unghi.Pentru TC avem relaţia:

•••+= 021 InII ,

Page 198: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

unde I0 este curentul de magnetizare.

Din această relaţie rezultă că erorile se datorează curentului de magnetizare. Acesta depinde de construcţia transformatoarelor de curent, de calitatea fierului. La TC eroarea mai depinde de curenţi de sarcina secundară.

Pentru determinarea erorilor transformatoarelor de curent, sunt necesare următoarele date: coeficienţii knom şi n, impedanţa înfăşurării secundare x2 şi r2, sarcina r şi x, caracteristica de magnetizare a miezului magnetic, impedanţa, curentul şi tensiunea secundară trebuie raportată la primar.

n

UUnII

nr

rnx

xnr

rnx

x

2'222

22'

22'

222'

2

;'

';;;

==

====

Cu datele de mai sus se poate construi schema echivalentă şi diagrama vectorială, la baza căreia se află vectorul I’2, amplasat vertical. Vectorii ''2 rI şi 22 '' xjI reprezintă căderea de tensiune în circuitul exterior, 2'U fiind tensiunea la bornele secundare. Adăugând la vectorul tensiunii 2'U căderea de tensiune în înfăşurarea secundară a TC, se obţine tem 2'E . Această tensiune este produsă de fluxul φ, decalat cu o90 . Fluxul φ rezultă din compunerea

t.m.m. primare 111 wIF

••= , t.m.m. a înfăşurării secundare

Page 199: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

222' wIF•

= . T.m.m rezultantă care este egală cu 10wI poate fi obţinută ca diferenţa :

210 '•••

−= FFF

sau

'

'

210

1211221110

III

wIwIwIwIwI

−=−=−=

•••

Curentul de magnetizare 0

•I este decalat faţă de flux

cu unghiul ψ , datorat pierderilor în fier (pierderi datorate pierderilor prin curenţi turbionari şi de premagnetizare). Curentul de magnetizare pentru o t.e.m. 2E se poate determina din curbele de magnetizare )( 02 IE .

Sumarea geometrică a vectorilor I’2 şi I0 redă vectorul

curentului primar 1

•I

.

Determinăm cu ajutorul diagramei eroarea TC la care raportul nominal de spire este egal cu raportul de transformare. În aceste condiţii eroarea de curent în procente este conform relaţiei:

( )100sin

100100100

100

1

0

1

12

1

12

ψα +=

≈−=−=⇒

⇒−=

II

f

OACB

OAOAOC

IInI

f

IIkI

f nom

Pentru eroarea de unghi se poate considera egală cu sinusul unghiului dintre cei doi vectori:

Page 200: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

)cos(1

0 ψαδ +==I

I

OA

AB

Erorile depind de raportul 1

0

I

I. Pentru TC de această

construcţie raportul depinde de valoarea curentului primar, sarcina secundară şi de unghiulα .

Dependenţa erorii TC în funcţie de curentul primar se poate explica cu ajutorul curbei de magnetizare a miezului B(H), deoarece pentru o anumită sarcină inducţia B în miez este aproximativ proporţională cu curentul primar, iar t.m.m. H este proporţională cu curentul de magnetizare. Pentru un anumit curent I1 eroarea este proporţională cu tangenta unghiului β de înclinare a secantei dusă din centrul de coordonate şi punctul corespunzător curentului I1.

Erorile f şi δ au formă de U. erorile minime se obţin pentru max=µ şi pentru inducţii de (0,6…0,8)T.

Deoarece inducţia corespunzătoare curentului nominal primar este mai mică, rezultă că erorile apar pentru valori ale curentului primar de 2-3 ori mai mari ca cele nominale.

La scurtcircuit miezul se saturează şi erorile cresc.

9.2.1. Dependenţa erorilor de curent în funcţie de sarcina secundară

Page 201: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Cele mai mici erori se obţin pentru secundarul scurtcircuitat.

Odată cu conectarea aparatelor, sarcina creşte şi în acelaşi timp creşte şi t.e.m., inducţia în miez şi curentul de magnetizare. În acest fel, creşterea sarcinii conduce la creşterea erorilor .

În cazul înfăşurării secundare deschise (impedanţa secundară infinită), t.m.m rezultantă devine egală cu t.m.m. a înfăşurării primare şi creşte inducţia ceea ce conduce la pierderi de putere mari în miezul magnetic.

Curba inducţiei în fier datorită magnetizaţiei devine trapezoidală, iar curba tensiunii capătă caracter de vârfuri, care pot atinge valori de sute de volţi, ceea ce reprezintă pericole pentru personalul de exploatare şi pentru izolaţia TC. Din această acuză funcţionarea TC cu secundarul liber nu este permisă.

Mărimea lui 2ϕ dintre curent şi tensiune în înfăşurarea secundară conduce la creşterea erorii de curent şi scăderea celei de unghi.

( )ψαδ

ψα

+=

+=

cos

100)sin(

1

0

1

0

I

I

I

If

Corecţia de înfăşurareSarcina TC, de regulă, este una activă-inductivă. Din

diagrama vectorială se vede că pentru nomkn = eroarea de curent este întotdeauna negativă, curentul secundar fiind mai

Page 202: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

mic. Pentru a mări precizia măsurării, prin construcţie şi fabricaţie se alege numărul de spire secundare mai mic decât numărul de spire nominal.

1

2

1

2

2

1

)(

I

nkIf

w

w

I

I

nom

n

n

−=∆

=

Rezultă că erorile în funcţie de sarcina secundară pot fi pozitive şi negative. Erorile TC pentru o anumită doză de precizie nu trebuie să depăşească liniile haşurate.

Asupra erorii de unghi corecţia de înfăşurare nu are influenţă.

9.2.2. Dependenţa erorilor în funcţie de parametrii constructivi

O influenţă hotărâtoare asupra erorilor o are dimensiunea miezului magnetic. Pentru lămurirea acestor influenţe vom modifica relaţia pentru erori. Din legea circuitului magnetic se poate determina curentul de magnetizare:

1010 w

B

w

HI

µµ==

Unde H reprezintă intensitatea câmpului magnetic [A/m]; - lungimea medie a circuitului magnetic [m]; B inducţia magnetică [T]; µ - permeabilitatea fierului; 0µ - permeabilitatea aerului [H/m];

Page 203: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Inducţia este legată de t.e.m. prin relaţia:BSfwE c22 2π= ,

unde cS este secţiunea miezului[ 2m ].Dacă se neglijează impedanţa sarcinii atunci t.e.m. se

poate exprima cu relaţia:

Zw

wIZIE

2

1122 =≈

Prin folosirea acestor relaţii se obţine pentru eroarea de unghi şi de curent:

( )ψαµµπ

δ

ψαµµπ

+=

+=

cos2

100)sin(2

220

220

wSf

Z

wSf

Zf

c

c

Rezultă că eroarea scade cu creşterea secţiunii şi cu micşorarea circuitului magnetic.

Prin măsurarea secţiunii miezului inducţia se micşorează şi valoarea minimă a erorii se obţine în zona curenţilor mari. Secţiunea circuitului magnetic din oţel de calitate medie se alege în aşa fel încât inducţia, în amplitudine, să corespundă pentru curenţi primari maximi şi sarcini nominale ale TC să nu depăşească 0,08-0,1T.

Cel mai bun material pentru miezuri este aliajul din fier şi Ni (75%)- permalloy. Are permeabilitate mare pentru intensităţi de câmp mici şi rezultă erori mici în regim normal de funcţionare. În afară de aceasta, saturaţia apare la inducţii mici (0,8-1T) şi din această cauză la s.c. când curentul primar este mare, miezul se saturează şi curentul secundar

Page 204: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

creşte relativ puţin. Aceasta produce protecţia aparatelor de măsură împotriva scurtcircuitelor. Acest aliaj este scump şi are rezistenţă mecanică slabă.

Se vede că erorile TC sunt invers proporţionale cu pătratul numărului de spire secundare, şi numărul de spire primare. Mărirea numărului de spire secundare conduce la micşorarea inducţiei şi a curentului de magnetizare, sau dacă se păstrează aceeaşi inducţie se micşorează secţiunea miezului magnetic.

Mărirea numărului de spire a înfăşurării primare conduce la reducerea stabilităţii electrodinamice şi termice. Din această cauză se folosesc TC cu mai multe spire în primar numai în cazul în care nu se poate asigura clasa de precizie cu TC cu o singură spiră.

9.3. Transformatoare de curent compensate

Se numesc TC compensate acele transformatoare la care caracteristica de erori este îmbunătăţită prin măsuri speciale. O astfel de măsură este premagnetizarea miezului de la o sursă separată sau chiar de la TC.

Premagnetizarea conduce la micşorarea dimensiunilor şi masa TC.

TC cu compensare prin mărirea inducţiei în miezul magnetic cu o sursă separată.

TC constă din două miezuri magnetice identice. Pe fiecare miez magnetic este câte o înfăşurare secundară cu w2

spire şi o înfăşurare ajutătoare cu wp spire. Înfăşurările

Page 205: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

secundare sunt legate în serie şi în opoziţie înfăşurării secundare.

Înfăşurările ajutătoare produc în înfăşurarea secundară t.e.m. de sensuri diferite. Din această cauză înfăşurarea ajutătoare nu are influenţă asupra curentului secundar.

T.m.m. ale înfăşurărilor I şi II sunt egale cu:

pppp

pppp

wIwIwIwIwIF

wIwIwIwIwIF

−=−−=

+=+−=

1022112

1022111

Unde Ip este curentul de premagnetizare.Să presupunem că curentul de premagnetizare are

aceeaşi fază cu curentul de magnetizare: 210 'III −= , iar ca modul este apropiat valorii pentru care inducţia în fier corespunde permeabilităţii maxime.

Deoarece inducţia corespunzătoare t.m.m. 100 wIF = , în regim normal este mică, trebuie ca t.m.m. a înfăşurării ajutătoare să fie mai mare.

După cum se vede din diagrama vectorială, t.m.m. FI

şi FII sunt apropiate ca modul şi în opoziţie de fază.Unghiurile de pierderi 1ψ şi 2ψ pentru ambele

miezuri se pot lua egale. Astfel inducţiile BI şi BII, precum şi t.e.m. corespunzătoare lor EI şi E2 în înfăşurările secundare ale miezurilor sunt în opoziţie. T.e.m. rezultantă este:

22

•••+= EEE I .

Pentru a se obţine E2 în transformatorul fără premagnetizare inducţia trebuie să varieze în intervalul 0B± şi t.m.m. corespunzătoare este: 100 '' wIF = . Pentru a se obţine aceeaşi t.e.m. la TC cu două miezuri cu

Page 206: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

premagnetizare, inducţia în miezurile I şi II trebuie să se modifice între limitele IB± şi IIB± . În acest fel BI-BII=2B0. T.m.m. corespunzătoare sunt egale cu FI şi FII , iar t.m.m F0 în acest caz este mult mai mică decât F0’.

Eficacitatea premagnetizării depinde de faza curentului ajutător. Cele mai bune rezultate s-au obţinut în cazul în care Ip şi Ip au coincis ca fază.

Ca inconvenient al TC compensate este faptul că au o construcţie complicată şi necesitatea unei surse separate.

9.3.1. Autopremagnetizare prin utilizarea unui şunt magnetic

Acest tip de magnetizare se foloseşte pentru TC cu spire multe pentru tensiuni până la 10kV.

Pe un miez magnetic dreptunghiular 1 este introdus un şunt, care este o punte între coloanele miezului. Înfăşurarea secundară este împărţită în două părţi inegale cu w2’ şi w2” care sunt amplasate pe miezurile I şi II şi sunt egale cu:

''

'

22

2211

wIF

wIwIF

II

I

−=−=

T.m.m FI şi FII sunt în antifază. Fluxurile de scăpări 'SΦ şi ''

SΦ produse de aceste t.m.m deasemeni se găsesc aproximativ în antifază. Ac rezultat se produce o magnetizare în opoziţie a miezurilor I şi II până la inducţia corespunzătoare permeabilităţii maxime. În acelaşi timp t.m.m rezultantă nu este mare.

Page 207: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Secţiunea şuntului magnetic şi raportul dintre numerele de spire se alege în aşa fel ca să se obţină o eroare minimă pentru curentul primar nominal. Pentru curenţi care depăşesc curentul nominal, şuntul se saturează şi influenţează puţin funcţionarea TC.

9.3.2. Transformatoare de curent în cascadă

Pentru tensiuni kVUn 330> construcţia TC reiese cu dimensiuni mari şi greoaie. Izolaţia din hâttie impregnată cu ulei are grosimi mari şi câmpul admisibil se micşorează. Pentru a se micşora gabaritul şi masa se folosesc TC în cascadă.

Fiecare treaptă este izolată pentru tensiunea de 250kV. Prima treaptă A are un singur miez magnetic şi transformă curentul I1 la 20kV. Înfăşurarea secundară a treptei A este cuplată la înfăşurarea primară a patru TC a treptei B cu raportul 20/1.

Erorile rezultate de unghi şi de raport sunt egale cu suma erorilor celor două TC.

Treptele transformatoarelor de curent în cascadă sunt independente. Fiecare treaptă se poate transporta separat.

Dezavantaje :a) schema în cascadă conduce la mărirea erorilor, şi la

micşorarea multiplului curentului de scurtcircuit.

Page 208: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

b) modificarea sarcinii oricărui TC influenţează regimul de funcţionare al treptei superioare. În acest fel produce o influenţă asupra tuturor TC.

c) în regimuri tranzitorii se observă o saturare rapidă şi o deformare puternică a curentului secundar.

9.3.3. Transformatoare de curent magnetice de tip inductiv

La TC cu kVUn 35≥ cea mai mare parte a costului o reprezintă izolaţia dintre înfăşurarea primară şi cea secundară. La TC magnetice se utilizează izolaţie de aer dintre conductorul prin care circulă curent şi înfăşurarea de măsură. Fluxul magnetic produs de curentul de măsură induce în înfăşurarea de măsură t.e.m. Releele protecţiei sunt cuplate la această t.e.m. avem aici TC de măsură în tensiune. T.e.m este funcţie de inductivitatea de cuplaj dintre conductor şi înfăşurarea transformatorului.

αkkMM led = ,Unde lk ţine cont dr distanţa de la conductor până la

înfăşurare. ( lk =1 pentru distanţa l=1m); αk depinde de unghiul de orientare al TCM (TC magnetic), αk =1 când t.e.m este maximă; Me – inductivitatea mutuală ( lk =1 şi αk

=1). Valoarea Me depinde de construcţie şi de dimensiuni.

Tensiunea de mers în gol:

31412

ωαkkkIU elxx =

Page 209: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

unde 1I - curentul [kA]; ek - coeficientul de transformare – acesta induce t.e.m în înfăşurare pentru 1I

=1kA, αk = lk =1 şi ./314 srad=ωPuterea secundară în regim stabilizat:

( )Σ

=Z

ZZkkSIS nd

iyd22

22 4 α ,

unde 1I - curentul, kA; ydS - puterea specifică, VA/kA2 , debitată de TCM pentru lk =1, αk =1, curentul 1I

=1kA şi impedanţa sarcinii dn ZZ = , rezultăd

e

yd Z

kS

2

25,0= şi

depinde numai de datele constructive ale TM; dZ -este impedanţa înfăşurărilor; nZ - este impedanţa sarcinii; ΣZ - este impedanţa rezultantă a înfăşurărilor şi a sarcinii. Deoarece în apropierea TC se pot afla şi alţi conductori prin care circulă curent (de ex. curenţi din celelalte faze), atunci în MT se va induce t.e.m datorate acestor curenţi care produc perturbaţii ce pot fi importante. Tensiunea de mers în gol a acestor perturbaţii:

+=+=

dt

dik

dt

diM

dt

diM

dt

diMU p

ppp

pdxx11

2

Unde ip este curentul de perturbaţie. Pentru reducerea perturbaţiei se folosesc MT diferenţiale sau MT compensate special.

Pentru a se reduce perturbaţia TM trebuie amplasat cât mai aproape de curentul care se măsoară.

Să vedem modul de funcţionare al TM. Fluxul AΦ datorat curentului AI trece prin miezul în formă de U a

Page 210: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

sistemului magnetic şi tensiunea electromotoare produsă de acest flux în jumătăţile de înfăşurare se adună. Fluxurile

B'Φ şi B''Φ , produse de conductorul în care circulă IB, produce în cele două jumătăţi de înfăşurare t.e.m decalate la 1800 şi t.e.m de perturbaţie se compensează reciproc.

9.3.4. Transformatoare de curent optoelectronice Pentru tensiuni de 750kV şi mai mari, gabaritele şi

dimensiunile TC inductive cresc foarte mult. Trebuiesc folosite scheme în cascadă, dar şi în aceste condiţii TC devin foarte mari şi greoaie. Astfel TC pentru 1150kV au o masă de 20000kg şi înălţimea de 17m. Erorile acestor TC sunt mari şi trebuie să se recurgă la compensări. Din acest motiv la tensiuni de astfel de ordin trebuie să se recurgă la alte principii de realizare de TC – TC cu canale optoelectrice în loc de cuplaje magnetice. Se pot folosi două metode de modulaţie, interne sau externe.

9.4. Reductoare de intensitateÎnfăşurarea primară a TC se leagă în serie în circuitul

curentului care se măsoară, iar înfăşurarea secundară se leagă în serie cu înfăşurările de intensitate ale instrumentelor de măsurat sau ale releelor.

Impedanţa circuitului secundar al TC este neînsemnată şi, în mod normal, el funcţionează în s.c., ceea ce reprezintă particularitatea esenţială care îl deosebeşte de TRAFO (transformatoarele de forţă).

Page 211: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Curentul primar este determinat exclusiv de sarcina circuitului la care este legat TC. Dacă curentul primar variază între anumite limite, curentul secundar variază aproximativ proporţional cu cel primar. Variaţia impedanţei circuitului secundar în anumite limite aproape că nu influenţează intensitatea curentului secundar.

Raportul de transformare, eroarea de curent şi eroarea de unghi se definesc la fel ca cele de la începutul capitolului. Erorile transformatorului de intensitate (TI) sunt determinate de construcţia sa şi de calitatea tolei de oţel a circuitului magnetic, depinzând de valoarea curentului primar şi de impedanţa circuitului secundar.

TI care servesc pentru alimentarea aparatelor de măsură trebuie să aibă o precizie suficientă pentru curenţi a căror intensitate este cuprinsă între 0,1-1,2I1n. pentru aceste TI s-au definit cinci clase de intensitate: 0,2; 0,5; 1; 3; 10.

Clasa 0,2- se utilizează ca T etalon şi pentru măsurători de laborator; cele de clasă 0,5-1 se folosesc pentru instrumente de măsurat de tablou, din centrale şi staţii electrice; pentru contoare se folosesc în special cele de clasă 0,5; cele de clasă 3-10 se folosesc pentru măsurători de foarte mică precizie şi pentru unele protecţii prin relee.

( ) 2inf2 IjXRjXRE eeiy +++=

9.4.1. Caracteristicile erorilor

Page 212: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Variaţia erorilor TI, în funcţie de condiţiile de funcţionare, se poate găsi cu ajutorul diagramei vectoriale. Din relaţia dintre curentul primar şi cel secundar, se ajunge la :

1

2

1

0

11

1122

1

12 )sin(

w

wk

I

I

wI

wIwI

I

IkII

n

n

=

+−=−=−=∆ ψα

Expresia erorii de unghi se poate determina tot din diagramă:

)cos(

)cos(

1

0

110

ψαδ

δψα

+=

=+

I

I

IwwI

9.4.2. Factorii de care depind erorile de curent şi de unghi

Erorile de raport sunt cu atât mai mari cu cât:- valoarea forţei magnetizante este mai mare;- impedanţa secundară este mai mare.

22

222 XRZ += şi la valori neschimbate ale lui 1I şi

2cosϕ , forţa electromotoare E2 creşte şi cu ea creşte şi valoarea relativă a lui F0. De aici mărirea impedanţei exterioare a circuitului secundar duce la creşterea erorilor.

Page 213: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Reducerea lui 2cosϕ duce la micşorarea decalajului dintre curentul 2I şi forţa electromotoare 2E (a unghiului ψ ).

Funcţionarea TI în clasa de precizie respectivă poate fi asigurată de condiţia ca impedanţa circuitului secundar să nu depăşească valoarea nominală a impedanţei corespunzătoare clasei de precizie respective, la o valoarea a factorului de putere de 0,8. la creşterea impedanţei secundarul trece într-o altă clasă de precizie.

Impedanţa exterioară a circuitului secundar a TI se numeşte adeseori, sarcina TI, numire justificată prin faptul că puterea totală cedată de TI pe partea secundară este proporţională cu impedanţa exterioară.

222222 ZIIUP ==

Variaţia erorilor TI în funcţie de curentul primar, când Z2 şi 2cosϕ rămân constante este determinată de variaţia curentului primar.

Pentru demonstrarea acestui lucru, se poate folosi curba de magnetizare care este tipică pentru oţel. Se poate considera că inducţia în fier este direct proporţională cu 2E şi egală cu:

ZIk

ZIEn

122

1≈= ,

în care z este impedanţa circuitului secundar.

Page 214: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

( )ψαµ

φµ

ψα

+=∆

===

+=∆

sin1

)sin(

11

00

11

10

wI

BI

RB

HwI

wI

wII

med

Mmed

med

( )

Φ=⋅=

+Φ=∆

=

Φ==Φ

KE

VBSfwE

wIRI

SR

SBBS

M

medM

2

822

11

1044,4

sin

;

ψα

µ

Pentru reducerea erorilor TI se construiesc de obicei astfel încât inducţia la valori ale curenţilor primari egali cu curentul normal să nu depăşească 600-1000 gauss.

Micşorarea impedanţei circuitului secundar, a secţiunii fierului şi a lungimii circuitului magnetic, fac ca valoarea lui 01Iw să scadă şi prin urmare să scadă şi valorile absolute ale erorilor.

Pentru miezuri se foloseşte de obicei oţel silicios (tole sau benzi) sau permalloy.

Mărirea forţei magnetizante a înfăşurării primare pentru o valoare dată a raportului nominal de transformare în cazul transformatoarelor cu o spiră, în general nu este

Page 215: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

posibil. În alte cazuri această mărire nu este de dorit, deoarece duce la micşorarea stabilităţii electrodinamice.

TI destinate să fie folosite la alimentarea aparatelor de măsurat, trebuie să protejeze circuitele secundare contra curenţilor de mare intensitate, care se formează la s.c. De aceea este necesar ca, pentru o creştere mare a curentului primar, curentul secundar să varieze mai lent ca cel primar şi atingând o valoare oarecare, să rămână practic constant la creşterile următoare ale curentului primar.

Coeficientul de saturaţie (n – cifra de supracurent) al TC este raportul dintre curentul primar şi cel nominal, pentru care, la sarcină secundară normală, eroarea de curent este de 10%.

nI

In

1

1=

Pe etichetă cifra de supracurent se indică sub forma n>x sau n<x, în care x poate avea valorile 5, 10, 15, sau 20.

TCM trebuie să aibă secţiunea relativ mică a miezului, fapt care va condiţiona saturaţia lui la intensităţi mari de curent.

Pentru unele protecţii prin relee, dimpotrivă este nevoie să se păstreze proporţionalitatea dintre curentul primar şi cel secundar, când aceştia variază între limite destul de largi. Respectarea acestei condiţii duce la mărirea secţiunii fierului.

Diferitele cerinţe pe care trebuie să le îndeplinească protecţia prin relee şi instrumentele de măsurare duc la

Page 216: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

necesitatea de a separa circuitele secundare ale acestor aparate.

Pentru a evita instalarea unui număr mare de TI şi, prin aceasta scumpirea instalaţiei de distribuţie, se folosesc TI cu două sau trei miezuri, având o înfăşurare primară comună şi două sau trei înfăşurări secundare independente.

Condiţiile de funcţionare a TI folosite pentru protecţie se deosebesc de condiţiile de funcţionare ale T folosite pentru măsură. Funcţionarea TM se face în diapazonul de curenţi 10-120%, iar transformatoarele pentru protecţie încep să funcţioneze numai în momentul apariţiei pe linie a unui s.c. Din această cauză, tehnica protecţiei prin relee admite o eroare în cazul curenţilor mari care asigură funcţionarea sigură a protecţiei.

După experienţa din exploatare, pentru o funcţionare sigură a protecţiilor prin relee, eroarea TI trebuie să depăşească 10%. Pentru aceasta la transformatorii de protecţie se indică o caracteristică specială numită curbele de eroare de 10%.

9.4.3. Funcţionarea transformatoarelor de intensitate în gol

În cazul circuitului secundar închis şi la valoarea nominală a curentului primar, inducţia în miezul TI reprezintă 0,06-0,1T (600-1000G).

Page 217: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

La întreruperea circuitului secundar, dacă prin circuitul primar circulă curent, inducţia în miez creşte brusc, atingând valori de ordinul 14000-18000Gauss.

0111

22 0

IwIw

Iw

==

Fluxul magnetic capătă formă trapezoidală. dtdφ

este

mare în momentul în care fluxul are variaţii rapide.

9.4.4. Stabilitatea de scurtcircuit a transformatoarelor de intensitate

Prin stabilitatea transformatoarelor la scurtcircuit se înţelege capacitatea lor de a suporta, fără defectări, acţiunile electrodinamice şi termice ale curenţilor de scurtcircuit. Corespunzător cu aceasta, se deosebeşte stabilitatea electrodinamică şi stabilitatea termică.

La TI intervin două feluri de forţe electrodinamice:

1- forţe interioare, condiţionate de acţiunea reciprocă între diferitele părţi ale unei înfăşurări;

2- forţe exterioare care sunt rezultatul acţiunii reciproce între curenţii din diferite faze, care depind de condiţiile de montare a TI.

Stabilitatea dinamică se dă prin:

Page 218: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

22

1

1

1

sec11

11

max

1088,0

;

2;

2

−⋅≥

≥=

≥=

a

iF

tI

Ik

I

Ik

I

ik

I

ik

soc

adm

n

m

nm

n

socd

n

d

9.4.5.Transformatoare de intensitate compensate

Micşorarea erorilor unui TI, pentru anumite condiţii ale încărcării sale se poate realiza prin:

1- mărirea secţiunii miezului;2- folosirea unor materiale cu proprietăţi mai bune în

executarea miezului ;3- mărirea numărului de spire în înfăşurarea primară

şi secundară.Primele două variante presupun mărirea costurilor

reductorului. Pe lângă aceasta, prima variantă şi mărirea numărului de spire al înfăşurării primare, duce adeseori la înrăutăţirea calităţilor de exploatare (creşterea gradului maxim de multiplicare al curentului secundar, micşorarea stabilităţii dinamice şi termice). De aceea într-o serie de cazuri s-a dovedit că este mai raţional să se folosească TI compensate, la care reducerea erorilor se face fără o mărire simţitore a consumului de tole de OL şi de Cu, folosind pentru miezuri, tole din OL electrotehnic obişnuite.

Page 219: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Se vor studia metode de compensare a erorilor bazare pe magnetizarea suplimentară a miezului. Aceasta se reduce la o mărire artificială a inducţiei până la o valoare care corespunde valorii maxime a permeabilităţii magnetice, creându-se condiţii optime pentru funcţionarea miezului.

1''' 11 −=ww

Suma 22 'ww + este mai mică decât nkw1 , iar suma 22 ''ww + este mai mare decât nkw 1'' şi de aceea în miezul 1

forţa magnetizantă a înfăşurării primare predomină faţă de forţa magnetizantă a înfăşurării secundare.

Pentru miezul 1:( ) ''''' 21222110 FFwwIwIF +=++=

Pentru miezul 2:'''''')'('' 21112220 FFwIwwIF +=++=

Vectorii '0F şi ''0F formează între ei un unghi de 1800.

Compensarea prin îndreptarea de magnetizare

Caracterul neliniar al curbei de magnetizare a miezului TI face ca curba erorilor să aibă caracter variabil.

Page 220: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Este uşor de arătat dependenţa erorii TI funcţie de permeabilitatea magnetică.

( )

( ) [%]100sin

[%]100sin1

11

11

ψα

ψαµ

+Φ=∆

+=∆

wIRI

wI

BI

M

med

MR se modifică funcţie de inducţia din miez; la inducţii mici creşte deoarece μ este mic; la valorile mijlocii ale inducţiei MR se micşorează, iar la saturaţie MR se măreşte din nou.

Îndreptarea caracteristicii de magnetizare a miezului se poate obţine prin reglarea lui MR pe diverse porţiuni ale curbei.

Îndreptarea curbei se poate face prin două metode:- prin reglarea lui MR ;- prin micşorarea numărului de spire a înfăşurării

secundare.

Compensare cu ajutorul şuntului magnetic din permalloy. După această metodă înfăşurarea secundară se împarte în două părţi inegale.

La curenţi mici în înfăşurarea primară, şi ca urmare inducţii mici în miezul magnetic şi în şunt permeabilitatea

Page 221: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

permalloyului este mare şi tot fluxul se va închide prin el, prin miezul înfăşurării 3 nu va trece nici un flux.

Prin aceastaa) fluxul magnetic se închide pe o cale mai scurtă prin

şunt cu o permeabilitate mare deci MR este mic. b) în afară de asta la curenţi primari mici numărul de

spire secundare active se reduce numai la înfăşurarea secundară şi prin aceasta se măreşte raportul de transformare prin aceasta mărind curentul secundar.

La creşterea curentului primar inducţia în miez se măreşte, şuntul din permalloy se saturează şi întregul flux se închide prin miez ca rezultat se măreşte numărul de spire activ al secundarului.

Realizarea constructivă a compensării cu şunt din permalloy este greoaie din această cauză utilizarea a primit altă schemă de compensare.

Orificiul a împarte circuitul magnetic în două părţi paralele b şi c. Prin orificiul a se înfăşoară în jurul jumătăţii b câteva spire pentru compensarea w3; ele se leagă în serie cu înfăşurarea secundară.

Din această cauză în jumătatea b cuprinsă de spirele w3 câmpul magnetic datorat acestor spire (flux de compensare 3φ ) are acelaşi sens ca şi fluxul principal al înfăşurării secundare, el va fi îndreptat în sens invers fluxului de magnetizare 0φ . Fluxul de compensare 3φ se va închide prin jumătatea c, unde el este îndreptat la fel ca fluxul 0φ .

Page 222: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

În acest fel în jumătatea b vom obţine: 30 φφφ −=b , iar în jumătatea c, in mod similar - 30 φφφ +=c . Astfel jumătatea b se demagnetizează iar jumătatea c se magnetizează.

În cazul curenţilor secundari mici în jumătatea c, inducţia este mare şi această zonă lucrează în zona II. Jumătatea b lucrează în zona I.

Spirele w3 nu sunt străbătute de fluxul 0φ şi nu participă la crearea lui E2 (ele apar ca o reactanţă inductivă). În cazul curenţilor mari (aproape de nominal) inducţia în c duce la saturaţie – zona III; jumătatea b va lucra în zona II prin aceasta o mare parte din fluxul 0φ va trece prin b şi induce în spirele de compensare tensiune electromotoare care duce la mărirea raportului de transformare.

9.4.6. Construcţia de transformatoare de intensitate

Există o mare varietate de construcţii de TI care se pot împărţi în următoarele tipuri principale:

1. transformatoare cu o singură spiră: cu tije, bară, integrată;

2. cu mai multe spire: cu bobine, în buclă, în formă de opt;

Din punct de vedere al montajului, se deosebesc pe lângă acestea, TI de tip suport şi de trecere. Tipul TC se deduce din grupul de litere indicat pe etichetă.

Page 223: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig. 59. Transformator de curent cu o singura spiră

Page 224: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Fig. 59. Transformator de curent cu mai multe spire

Simbolizarea are următoarea semnificaţie:C- transformator de curent;

Page 225: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

I – pentru montaj interior;E- pentru montaj exterior;U- cu izolaţie de ulei;P- cu izolaţie de porţelan;R- cu izolaţie de răşină;S- tip suport;T- tip trecere.

Grupa de cifre se referă la tensiunea nominală, dată în kV.

Ex. CIRS-35.

Caracteristici tehnice

- Curent primar nominal I1n se indică pe eticheta aparatului.

- Raport de transformare nominal ( nk ).- Tensiunea nominală- Curent de stabilitate termică- Curent de stabilitate dinamică- Sarcina nominală (Z2n)- Puterea nominală- Eroarea de curent- Eroarea de unghi- Clasa de precizie- Coeficient de saturaţie – raportul dintre curentul

primar şi curentul nominal pentru care eroarea este de 10% la sarcina secundară egală cu sarcina nominală, iar eroarea de unghi de 6 grade.

Page 226: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

10. Transformatoare de tensiune

10.1. Generalităţi

Page 227: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Din punct de vedere constructiv şi din punct de vedere al schemei de conectare, transformatorul de tensiune (TT) este analog transformatorului de forţă şi se deosebeşte de acesta, în special, prin valoarea puterii. În scopul asigurării unei precizii de măsurare cât mai mare posibila se limitează încărcarea TT, astfel încât, în mod normal, el funcţionează în condiţii foarte apropiate de cele de mers în gol, curentul magnetizant fiind astfel comparabil cu curentul de sarcină.

Schemele de conexiuneÎn sistemele trifazate trebuie măsurate tensiunea dintre

faze şi tensiunea fazelor faţă de pământ. Tensiunea între faze se aplică la înfăşurările de tensiune ale instrumentelor de măsură (voltmetre, wattmetre, contoare) şi ale releelor. Tensiunea fazelor faţă de pământ se foloseşte pentru protecţia prin relee, cum şi pentru detectarea punerilor la pământ în reţelele la care neutrele generatoarelor sau ale transformatoarelor nu sunt legate la pământ.

Acest tip de TT permite măsurarea tensiunii între două faze (se foloseşte rar).

Schema cuprinde două TT monofazate conectate în V; se foloseşte pentru legarea contoarelor şi a wattmetrelor trifazate cu două elemente; dă posibilitatea să se măsoare toate cele trei tensiuni de linie.

Cuplarea a trei transformatoare monofazate în stea cu neutrul accesibil şi legarea la pământ a neutrului înfăşurării primare, permite măsurarea tuturor tensiunilor de linie şi de

Page 228: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

fază, dând posibilitatea de a controla izolaţia în sistemele cu neutrul izolat.

Cuplarea unui transformator trifazat cu trei coloane, permite măsurarea numai a tensiunilor de linie. Acest transformator nu se poate utiliza pentru controlul izolaţiei. Nu este permisă legarea la pământ a neutrului înfăşurării primare, deoarece în acest caz nu are pe unde să se închidă fluxul homopolar şi se arde transformatorul.

Cuplarea unui transformator cu cinci coloane, cu două înfăşurări secundare, una cuplată în stea şi cealaltă în triunghi deschis, serveşte pentru măsurarea tuturor tensiunilor de linie şi de fază, precum şi pentru controlul izolaţiei (în sistemele cu neutrul izolat), cu ajutorul a trei voltmetre.

În acest caz nu se mai arde transformatorul deoarece fluxul homopolar se poate închide prin coloanele externe.

Se presupune un transformator de tensiune trifazat cu trei miezuri, legat la o reţea în care neutrul generatorului sau a transformatorului nu este pus la pământ. TT are conexiunea stea-stea.

În cazul unei puneri la pământ, diagrama fazorială ia forma: tensiunea fazei R este nulă, cea a fazelor S şi T creşte cu 3 . Unghiul de decalaj dintre ele va scădea până la 60 de grade. Folosind metoda componentelor simetrice, asimetria tensiunilor se poate explica prin apariţia a trei tensiuni homopolare care se suprapun peste sistemul direct de tensiuni.

Page 229: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

++=

++=

++=

hidT

hidS

hidR

UUaaUU

UaUUaU

UUUU

2

2

2

3

2

1

2

3

2

1

0

0

240

1202

jea

jea

j

j

+−==

−−==

( )

( )

( )TSRi

TSRd

TSRh

UUaUU

UaaUUU

UUUU

++=

++=

++=

2

2

3

13

13

1

( ) ( )( )[ ]

( ) ( )

( ) ( ) 03

3

3

3

3

3

3

3

210sin150sin210cos150cos3

3

3

3

3

1

909022101502

30302102150

0000

210150

00

00

00

=++=

=+=+=

=+−+=

=+=+=

−−−

−−−

−−

jjf

jjfi

fjj

fjj

fd

ff

jjfTSh

aeeaUaeeaUU

UeeUeaaeUU

UjU

eeUUUU

Page 230: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

( )

( )

( )TSRh

TSRi

TSRd

UUUU

aUUaUU

UaaUUU

++=

++=

++=

3

13

13

1

2

2

Sistemului direct de tensiuni ca şi sistemului de tensiuni homopolare, le corespund sisteme de curenţi şi de fluxuri magnetice, fluxurile de tensiuni directe decalate cu 120 grade unul faţă de altul şi închid prin circuitul magnetic de oţel a cărui rezistenţă este mică. Fluxurile homopolare din cele trei miezuri sunt în fază, şi prin urmare, se închid parţial prin aer şi parţial prin cuva de OL. Datorită rezistenţei magnetice pe care o întâmpină fluxul homopolar, curenţii homopolari au valori mari, de câteva ori mai mari decât cei direcţi. Din acest motiv, curenţii totali în înfăşurările transformatorului au valori apropiate atât ca fază, cât şi ca mărime, depăşind simţitor curenţii magnetizanţi normali.

La o funcţionare de durată a TT în condiţii anormale care sunt indicate, el se poate deteriora datorită încălzirii înfăşurărilor. Siguranţele pe partea primară se aleg pentru curenţi nominali relativ mari, şi nu pot proteja TT. Pentru a evita conectarea greşită a unui TT trifazat cu trei miezuri, cestea nu au neutrul înfăşurării de înaltă tensiune scos.

Page 231: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Dacă s-ar fi folosit un TT trifazat cu 5 miezuri, fenomenele periculoase menţionate mai sus nu ar fi avut loc deoarece fluxul magnetic rezultant s-ar fi închis prin miezul auxiliar.

Raportul de transformare

n

n

U

Uk

2

1=

Valoarea nkU2 reprezintă valoarea aproximativă a tensiunii măsurate.

TT monofazate destinate releelor cu neutrul legat la pământ pentru conectarea după schema stea, se construiesc pentru tensiuni nominale de fază ale reţelelor electrice, de exemplu 3/110 sau 3/220 .

Tensiunea nU2 este 100V sau 3/100 în cazul în care înfăşurarea primară este calculată pentru tensiunea pe fază.

10.2. Erorile transformatoarelor de tensiune

Există erori ale raportului de transformare sau de tensiune şi erori de unghi.

Eroarea de tensiune se numeşte diferenţa dintre valoarea aproximativă a tensiunii primare ( nkU2 ) care se stabileşte prin măsurarea tensiunii secundare şi valoarea

Page 232: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

reală a tensiunii primare 1U , exprimată în procente din valoarea reală.

1001

12

U

UkUU

−=∆

Eroare de unghi se numeşte unghiul dintre fazorul tensiunii secundare rotit cu 180 grade şi fazorul tensiunii primare.

Erorile unui TT sunt determinate de construcţia lui şi depind de sarcină, de tensiunea aplicată şi de frecvenţă.

Pentru TT s-au stabilit patru clase de precizie : 0,2; 0,5; 1; 3.

Puterea unui TTDeoarece erorile unui TT depind de sarcină,

puterea lui trebuie raportată la o anumită clasă de precizie.Prin puterea nominală a unui TTT se înţelege

puterea care corespunde clasei de precizie celei mai mari.Ex. TITU-6 - TT trifazat (al 2-ilea T) pentru

montaj interior (I) cu izolaţie de ulei (U); puterea nominală : 0,5 1 3 80 150 320Puterea maximă: 640VA.

10.3. Construcţii ale transformatoarelor de tensiuneTT se construiesc uscate sau cu ulei; izolaţia

uscată avea în trecut utilizare restrânsă până la tensiunea de

Page 233: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

6kV. Azi se utilizează izolaţia uscată până la 35kV. Mai des întâlnite sunt transformatoarele cu ulei.

În TT cu ulei cu tensiune de până la 35kV, miezul se introduce în cuvă metalică sudată din tablă de OL rotundă sau ovală.

Pentru tensiuni nominale de 110kV şi mai mari, TT de construcţie normală, în cuvă metalică din ulei are dimensiuni mari, care sunt determinate în primul rând de distanţele de izolaţie şi de rezistenţă mecanică. Costul unui astfel de TT este mare. Datorită acestui dezavantaj, pentru tensiuni de 110-220-400kV se construiesc transformatoare în cascadă, în cuve de porţelan.

Circuitele magnetice ale unui TT în cascadă sunt izolate faţă de pământ şi unul faţă de altul. De fiecare circuit magnetic se leagă punctul mijlociu corespunzător înfăşurării primare. Astfel, izolaţia înfăşurării primare se poate calcula pentru jumătate din tensiunea unui element. Fiecare element are înfăşurări auxiliare de legătură, legate în opoziţie cu înfăşurarea corespunzătoare a elementului vecin. Rolul înfăşurărilor de legătură este de a egaliza tensiunile între elementele cascadei.

Page 234: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

Bibliografie

G. Hortopan, Aparate electrice, Editura didactică şi pedagogică, Bucureşti – 1967;

B. Herşcovici, Aparate electrice de înaltă tensiune, Editura tehnică, Bucureşti – 1978;

B. Mathe ş. a., Încercarea aparatelor electrice, Editura tehnică - 1976;

Page 235: ECHIPAMENTE ELECTRICE - Departament | Producere si ...dpue.energ.pub.ro/files/carte/Echipamente-electrice.pdf · Influenţa reglajului automat de tensiune ... Aparate moderne

I. Suciu , Bazele echipamentelor electrice, Editura Facla – 1980;

Al. Selischi ş. a., Echipamente electrice – Îndrumar pentru lucrări de laborator şi aplicaţii practice, Universitatea Politehnica Bucureşti, Catedra Centrale electrice – 1994;

M. Adam ş.a., Echipamente de comutaţie şi izolaţia reţelelor electrice, Editura AGIR, Bucureşti – 2001;

W. Mosch, W. Hauschild, Izolaţii de înaltă tensiune în hexafluorură de sulf, Editura Tehnică, Bucureşti, 1984;

I. Delsega, Încercarea aparatelor şi echipamentelor electrice, Timişoara, Editura Helicon

A. Ionescu, Verificarea aparatajului primar din staţii electrice şi posturi de transformare, Editura Tehnică, Bucureşti – 1983