Supratensiuni în instalaţii electrice. Descărcătoare electrice

Lect.univ.dr.ing. Gheorghe RAŢIU

1. Generalităţi Limitarea supratensiunilor care pot apărea într-o instalaţie electrică,

poate fi posibilă prin practicarea de măsuri tehnice. Una din măsurile tehnice este introducerea de descărcătoare electrice.

Descărcătoarele electrice au fost concepute iniţial pentru a face faţă supratensiunilor de origine atmosferică, ca şi fenomenelor conexe privind propagarea şi reflexia simplă sau multiplă a undelor de supratensiune, în puncte în care linia îşi modifică impedanţa caracteristică (cablu – linie aeriană, sfîrşit de linie). În stadiul actual, descărcătoarele au capacitatea termică suficientă pentru a face faţă şi supratensiunilor de comutaţie. Din punct de vedere constructiv, un descărcător este alcătuit cf. fig. 1.

Fig. 1 Schiţă a unui descărcător

unde:1. – coloana de eclatoare. Numărul acestora depinde de tensiunea

nominală a reţelei; 2. – rezistenţe neliniare care asigură repartizarea tensiunii în mod

uniform pe spaţii disruptive; 3. – rezistenţă neliniară principală, formată din înserierea mai multor

discuri realizate din carbură de siliciu sau oxid metalic; 4. – anvelopă de porţelan; 5. – A, B bornele aparatului.

În principiu într-o instalaţie echipată cu descărcătoare corect amplasate nu apar tensiuni periculoase, superioare nivelului de protecţie. Funcţionarea descărcătorului se iniţiază prin amorsarea eclatorului la apariţia unei supratensiuni.

Relaţia de dependenţă între curentul i şi tensiunea u aplicată rezistenţei neliniare este de forma, conform [1]:

α= ciu (1) unde c~(650÷700)V/Aα şi α=0,16÷0,3 pentru rezistenţe din carbură de siliciu şi α=20÷50 pentru rezistenţe din oxizi metalici. După scurgerea sarcinilor electrice, curentul scade, rezistenţa neliniară creşte foarte mult şi eclatoarele se sting.

2. Locul descărcătorului într-o reţea electrică a. Între neutrul unui transformator şi pămînt cf. fig. 2a. O undă de supratensiune, care ar pătrunde în transformator se poate

reflecta în locul de modificare a impedanţei, adică în punctul neutru. b. Între linia aeriană şi pămînt, în posturile de transformare cf. fig. 2b. c. La intrarea unei linii aeriene într-o staţie de conexiuni sau de

transformare cf. fig. 2c. d. La conexiunea prin cablu a unui motor electric cf. fig. 2d.

Fig. 2 Relativ la locul descărcătorului în instalaţiile electrice 3. Soluţii constructive – Pentru tensiuni joase (Un≤1000V) descărcătorul are un singur

eclator. – Pentru tensiuni medii, eclatorul este înglobat în rezistenţa neliniară,

care întocmai unui divizor de tensiune, asigură o egală repartizare a tensiunii pe intervalele disruptive. La tensiunea nominală, în absenţa unei supratensiuni din geometria construcţiei şi neuniforma intensitate a cîmpului electric se realizează o stare de preionizare în zone imediat apropiate intervalelor disruptive.

– Pentru tensiuni continue relativ joase (Un=1000-3000V), eclatorul este prevăzut cu un sistem de suflaj magnetic, care introduce arcul electric

într-o cameră de stingere cu pereţi reci şi fante progresiv îngustate în vederea stingerii.

– Pentru tensiuni înalte şi foarte înalte, descărcătorul este construit din module conectate în serie. De exemplu pentru un modul de circa 8-10 kV, descărcătorul cuprinde mai multe eclatoare de amorsare şi stingere, conectate în serie cu un subansamblu format dintr-o bobină de suflaj L şi cu rezistenţe neliniare R1 şi R2. Fiecare modul este şuntat de rezistenţa neliniară R3, care asigură repartizarea uniformă a tensiunii pe module. La tensiuni Un>245 kV, fiecare modul este prevăzut cu un condensator C∼50÷100 pF, pentru a asigura o repartiţie mai uniformă pe module cf. schemei electrice 3.

secuamprmredeînamredefopecr

Fig. 3 Modul de descărcător Fig. 4 Funcţionarea unui descărcător

Funcţionarea descărcătorului este cf. fig. 3 şi fig. 4. Ca referinţă

cu suflaj magnetic a. diagrama de mărimi electrice b. formarea curentului de însoţire ii

ia diagrama tensiunii ui. În absenţa unei supratensiuni, prin R3 trece un rent de ordinul mA. În momentul t1 apare o supratensiune, iar la t2 orsează eclatoarele Eas la tensiunea ua. Curentul de descărcare Id trece

in R1 de şuntare a bobinei B. Curentul Id trece şi prin R2. Tensiunea cea ai mare, după amorsare, la bornele descărcătorului este tensiunea ziduală ur. După conducerea la pămînt a sarcinilor electrice ale scărcării, eclatoarele îşi conservă ionizarea, iar prin descărcător va trece cepînd din t3 curentul de însoţire Ii. Acesta este limitat la cîteva sute de peri de către rezistenţa R3. Curentul de însoţire fiind de frecvenţă relativ

dusă (50 sau 60 Hz) va trece prin bobinele de suflaj magnetic L. Acestea termină inducţia magnetică B în zona eclatoarelor şi astfel se dezvoltă rţe Lorentz, care împing arcul electric în camerele de stingere cu fante şi reţi reci. Datorită răcirii interne a arcului electric, tensiunea lui de ardere eşte şi, în cele din urmă, arcul electric se stinge la momentul t4.

În absenţa descărcătorului, supratensiunea ajunge la o valoare mai mare, după linia punctată ustn. Tensiunea de protecţie a descărcătorului upd este practic tensiunea de amorsare sau cea reziduală.

3.1. Rezistenţa neliniară Se prezintă sub formă de discuri cu diametrul de 75-100 mm şi

grosime 15-20 mm. Caracteristic pentru disc este dependenţa neliniară între tensiune şi curent. În fig. 5 se prezintă caracteristica U = f(I) pentru un disc de carborundum.

i u

Fig. 5 Caracteristica electrică

3.2. Descărcătorul cu rezistenţă neliniară din oxizi metalici Procesul tehnologic de realizare a rezistenţelor neliniare din oxizi

metalici pe bază de ZnO, Bi2O3, CoO, permit realizarea unui descărcător fără eclator. Dificultatea depăşită a fost de a menţine curentul de regim permanent prin rezistenţe neliniare şi valori acceptabile de câţiva mA. La creşterea tensiunii, din cauza neliniarităţii accentuate a rezistenţei, aceasta trece în starea de conducţie şi astfel se limitează tensiunea la borne.

Note bibliografice

[1] Hortopan, Gh., Aparate electrice de comutaţie, Bucureşti, Editura

Tehnică, 1996. 2.

3.

4.

Hortopan, Gh., Compatibilitate electromagnetică, Bucureşti, Editura Tehnică, 1996. CEI Publication 1571, Appareillage a basse tension. Disjoncteurs, Geneve, 1983. Raţiu, Gh., Încercările aparatelor electrice. Stabilitatea dielectrică a izolaţiilor, Sibiu, Revista Academiei Forţelor Terestre, Nr.4(32) 2003.