6. PROTECŢIA REŢELELOR ELECTRICE ÎMPOTRIVA DEFECTELOR MONOFAZATE

70% dintre defectele LEA sunt defecte monofazate. Deci, este important să se caute cele mai eficiente măsuri pentru a elimina aceste defecte şi să menţină astfel continuitatea în serviciu a reţelei. Schema defect monofazat într-o reţea este dată în figura următoare. 1 2 3

Fig 6.1. Defect monofazat într-o reţea

CA: capacitatea homopolară a liniei A (cu defect); CB: capacitatea homopolară a liniei b; V: tensiunea de fază; ZN: impedanţa de tartare a neutrului; C: capacitatea homopolară totală a reţelei; C′=C-(CA+CB ); R: rezistenţa de defect. Se poate obţine: a. curentul de defect:

URCZRZ

CZI

NN

Nf ω

ωj3

j31++

+= (6.1)

b. curentul prin legătura la masă a neutrului transformatorului

URCZRZ

INN

N ωj31

++= (6.2)

c. tensiunea reziduală pe sistemul de bare:

URCZRZ

ZUUUUV

NN

Nr ωj3

33 0321 ++

−==++= (6.3)

d. curentul rezidual pe linia fără defect:

URCZRZ

ZCVCI

NN

NBBrB ω

ωω

j3j3

j3 0 ++−== (6.4)

e. curentul rezidual pe linia cu defect:

( )U

RCZRZZCC

IUCINN

NAfArA ω

ωω

j3j31

j3 0 ++−+

=+= (6.5)

Înlocuind R prin R+ZL pentru a reflecta prezenţa posibilă a unei linii între sursă şi poziţia defectului, se poate construi un circuit echivalent:

ZN

IN

U R If CA

CB

IrA

IrB

Linia A cu defect

Linia B fără defect

C′

44

Fig 6.3. Schema echivalentă de defect

U0: Tensiunea homopolară pe sistemul de bare.

Impedanţa de legare la pământ ZN are o parte reală şi o parte imaginară, deci poate fi reprezentată sub forma unei reactanţe XN în paralel cu o rezistenţă RN.

Fig 6.4. Schema echivalentă simplificată

Din acest circuit echivalent se poate obţine diagrama fazorială care permite vizualizarea mărimilor electrice care pot fi măsurate în staţie :

Fig 6.5. Diagrama fazorială de defect

Curenţii care circulă prin linii sunt mărimile care permit să se determine poziţia defectului. Astfel, principalele tipuri de protecţie care pot fi luate în considerare sunt:

-protecţia de curent care analizează nodulul curentului rezidual pe linie şi îl compară cu un anumit prag sau cu modulul curentului rezidual pe alte linii ;

-protecţia direcţională care analizează defazajul dintre curentul rezidual pe linie şi curentul IN (IrA este defazat înainte faţă de IN iar IrB în urmă) sau dintre curentul rezidual

pe linie şi U0 (IrB este defazată cu π2

înainte faţă de U0)

-protecţia de putere activă homopolară, care detectează circulaţia de putere activă homopolară pe linie (nu există putere activă pe liniile fără defect)

-protecţia de putere reactivă homopolară, care examinează sensului de circulaţie al puterii reactive homopolare sau, eventual, modulul acesteia.

U0 ZN 3C′ 3CB 3CA R ZL

U

IN If

RN 3C R ZL

V V0

IN If

IX

C N

U0 NRU 0−

NjXU 0− IrB IN

IC If IrA

45

3. Coordonarea protecţiilor cu regimul de tratare al neutrului Din punct de vedere al compatibilităţii dintre sistemul de protecţie şi diferitele tipuri de tratare a neutrului, se poate distinge următoarele tipuri de punere la pământ a neutrului reţelei : a. neutru izolat;

b. neutru legat la pământ prin rezistenţă : XR ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ÷<

101

31

c. neutru legat la pământ prin reactanţă: 3>XR

-reţea supracompensată: XC

>>ω1 (în general X

C21 >

ω)

-reţea compensată: XC

≅ω1 şi 20<

XR

-reţea cu neutrul legat la pământ prin bobină de stingere: XC

≅ω1 t 20>

XR

-reţea subcompensată: XC

<<ω1 ( în general

21 X

C<

ω)

Reţea cu neutru izolat În acest caz, nu există curent IN (figura 6.6). Curentul de defect If este produs de capacităţile homopolare din ansamblul reţelei

Atunci când capacitatea homopolare totală a reţelei este inegal distribuită între linii, utilizarea protecţiei maximale de curent nu asigură selectivitatea.

În plus, IrA este defazat în urma lui U0 cu π2

.

Putem folosi, prin urmare, protecţii de direcţie sau de protecţie de putere reactivă reziduală (prin examinarea semnului acestei puteri). Din contră, protecţiile de putere activă reziduală nu vor conduce la niciun rezultat (puterea activă reziduală este întotdeauna zero)

IC

Fig 6.6 Diagrama fazorială a defectului pentru o reţea cu neutru izolat Reţea cu neutrul legat la pământ prin rezistenţă

Modulul curentului rezidual pe linia cu defect IrA este, în general, mult mai mare decât curentului rezidual pe o linie fără defect IrB (Figura 6. 7). Se pot deci folosi protecţii de curent.

Fig 6.7. Diagrama fazorială a defectului pentru o reţea cu neutru legat la pământ prin rezistenţă

NN R

UI 0= −

U0 IrB

IC If IrA

IrB

If

IrA

U0

46

Nu pot fi folosite: - protecţia direcţională: unghiul dintre IrA şi IrB fiind întotdeauna important, între 70° şi

180° ; - protecţii de putere activă reziduală, ca urmare a efectului rezistenţei de legare la pământ. Dimpotrivă, analiza puterii reactive reziduală nu permite detectarea plecării cu defect pentru

orice structură a reţelei. În cazul special al unei reţele slab capacitivă, IrA este defazată înainte în raport cu U0 cu un unghi mai mic de 180°.

Astfel, puterea reactivă pe plecarea cu defect are de acelaşi semn ca puterile reactive de pe plecările fără defect şi pot avea acelaşi ordin de mărime. Reţea supracompensată

Pentru aceleaşi motive ca şi în cazul unei reţele cu neutrul legat la pământ prin rezistenţă poate fi folosit protecţii maximale de curent IrA fiind în general mult mai mare decât IrB (figura 6.8).

Fig 6.7. Diagrama fazorială a defectului pentru o reţea supracompensată Defazajul dintre IrA şi IrB este scăzut, fiind cuprins: - între 16°şi 10° pentru Q=10; - între 18° şi 34° pentru Q=3.

Utilizarea puterii reactive reziduală va da rezultate mai slabe decât folosirea unor protecţii de curent.

În plus, protecţia direcţională nu poate da rezultate bune decât în cazul în care factorul de calitate al bobinei conectat la neutru al transformatorului este scăzut.

Pentru a obţine un defazaj mai mare de 10° între IrA şi IrB, care este un minimum pentru funcţionarea corespunzătoare a sistemului de protecţie trebuie ca factorul de calitate Q să fie mai mic de 6.

IrB

IC

U0

If

II

rA N

47

Reţea compensată

Utilizarea protecţiei maximale de curent nu este compatibilă cu acest tip de tratare a neutrului , cu excepţia cazului în care factorul de calitate al bobinei este mic (Q<3) şi capacităţile homopolare pe fiecare plecare sunt, de asemenea, reduse. Pe de altă parte, curentul rezidual care circulă pe plecarea cu defect riscă să fie mai mic decât pe o plecare fără defect.

Fig 6.9. Diagrama fazorială pentru o reţea compensată

Mai mult, defazajul IrA faţă de U0 depinde foarte mult de caracteristicile reţelei (variind între 100° şi 250° pentru un factor de calitate al bobinei egal cu 10). Prin urmare, nu ne putem folosi de protecţie putere reziduală reactivă în acest caz.

În plus, utilizarea protecţiei direcţionale poate da rezultate satisfăcătoare doar dacă factorul de calitate Q al bobinei este suficient de mic (Q<5) pentru a asigura un defazaj minim necesar între IrA şi IrB.

În cele din urmă, utilizarea unei protecţii de putere activă reziduală va da rezultate bune în aceleaşi condiţii ca în cazul reţelelor de supracompensate (Q<10 sau 20). Reţele subcompensate

Putem folosi aici protecţii de curent, modulul lui IrA fiind, în general, mult mai mare decât modulul lui IrB (figura 6. 10).

În plus, utilizarea unei protecţii de putere activă reziduală va da rezultate bune în aceleaşi condiţii ca şi pentru alte tipuri de reţele cu neutrul legat la pământ prin reactanţă (Q<10 sau 20).

Fig 6.10. Diagrama fazorială de defect pentru o reţea subcompensată

În sfârşit, IrA este defazat în urmă în raport cu U0 cu un unghi de circa π2

. Se pot folosi,

prin urmare, protecţii direcţionale sau protecţii de putere reactive reziduale, prin examinarea semnului acestei puteri.

IrB

I

U0

IN

C If

IrA

IrB

IC

IU0

f

IrA

IN

48