8/8/2019 TTI Curs

1/64

TEHNICA TENSIUNILOR NALTE

INTRODUCERE

Tehnica Tensiunilor nalte (T.T.I.), reprezint o ramur a tiinelor tehnice, o disciplinprofilatoare pentru domeniile de profil electric (electrotehnic

, electroenergetic

).

Aceasta a aprut ca o necesitate, odat cu darea n funciune a primelor instalaii de nalttensiune, avand ca obiectiv central proiectarea, construirea, ncercarea, exploatarea i proteciadispozitivelor electroizolante, n concordan cu tensiunile nominale de funcionare (pentruregimul de lung durat), ct i cu supratensiunile posibile (corespunztoare regimului de scurtdurat, de avarie). n paralel cu acest obiectiv central, s-au mai alturat i alte obiectivecomplexe, legate de dezvoltarea reelelor electrice de mare putere, cum ar fi:

- lichidarea avariilor, deconectarea rapid i selectiv a poriunilor de reea cu izolaiedefecti restabilirea funcionrii normale a reelei;

- creterea puterii centralelori necesitatea stabilirii interconexiunilor prin linii lungi denalt tensiune (cu probleme de funcionare n paralel a mainilor sincrone, stabilitatea

funcionrii acestora la apariia scurtcircuitelor, calculul curenilor de scurtcircuit etc);- aciunea perturbatoare i periculoas a liniilor de nalt tensiune asupra liniilor detelecomunicaii (stabilirea unor distane admisibile, msuri de protecie);

- necesitatea realizarii unor laboratoare specializate de nalt tensiune (LIT), care sreproduc, s modeleze i s msoare riguros diferitele tipuri de solicitri din exploatare aleizolaiei (supratensiuni atmosferice, supratensiuni de comutaie etc).

Prin problemele tratate, T.T.I. i gsete aplicabilitatea i n alte domenii cum ar fi:radiotehnic, tehnica nuclear, fizic etc.

Domeniul tensiunilor nalte cuprinde, n general, tensiunile ce depesc valoarea de, acesta fiind submprit n urmtoarele clase de izolaie electric[1]:V1000Medie tensiune (MT, clasa A): kVUkV n 521

8/8/2019 TTI Curs

2/64

corespunztoare, precum i atestarea (verificarea, ncercarea) comportrii acestora, la posibilesolicitri din exploatare (modelate n laboratoare specializate de tip LIT).

Pentru izolaiile de nalt tensiune, principalele solicitri sunt de natura electric, acesteafiind produse de:

- tensiunea nominal cu aciune ndelungat (pe durata de via a izolaiei), n regimulnormal de funcionare;

- creteri de scurt durat ale tensiunilor, care pot aprea n regimuri tranzitorii sau deavarie i care pot depi, cu mult, valoarea tensiunii nominale, numite supratensiuni.Dupa originea lor, supratensiunile se clasific n:- Supratensiuni atmosferice (STA) sau externe, produse ca urmare a descrcrilor

atmosferice (cauze externe ale sistemului electroenergetic) i care pot lua natere:- ca urmare a loviturii directe de trsnet pe elementele sistemului electroenergetic;- ca urmare a apariiei unor tensiuni induse n elementele sistemului electroenegretic, laloviturile de trsnet, din apropierea instalaiilor de nalt tensiune.- Supratensiuni interne (STI), produse de cauze interne ale sistemului electroeneregetic,

ce pot fi determinate de apariia unor procese tranzitorii ntreinute de t.e.m. din sistemulelectroenergetic, precum:

- manevre de comutare operative;- manevre dictate de lichidarea unor regimuri de avarie etc.Izolaia trebuie s fac fa tuturor solicitrilor electrice care apar pe durata exploatrii,

distrugerea acesteea, producnd grave avarii, perturbaii i prejudicii n sistemul electroenergetic.Pentru a evita astfel de situaii critice, izolaia trebuie realizat, n acord cu principiul

Coordonrii izolaiei, la Nivelul de inere (NT) sau Tensiunea de inere .( )tUNivelul de inere (NT) reprezint cea mai mare tensiune alternativi de impuls la

care izolaia rezist (0 % descrcri electrice).Dac se are n vedere rigiditatea dielectric a unui material izolant, trebuie s se

defineasc cel puin trei mrimi ale tensiunii de inere:

- tensiunea de inere de frecven industrial, care caracterizeaz comportarea izolaiei laaciunea ndelungat a tensiunii de lucru;- tensiunea de inere la unda de impuls de trsnet, care caracterizeaz comportarea

izolaiei la aciunea supratensiunilor atmosferice.- tensiunea de inere la unda de impuls de comutaie, care caracterizeaz comportarea

izolaiei la aciunea supratensiunilor interne.Ca principiu fundamental n T.T.I., Coordonarea izolaiei reprezint un ansamblu de

msuri luate n scopul prentmpinrii supratensiunilor, iar dac din motive tehnico-economiceacest lucru nu este oportun, s fie dirijate acestea n acele puncte (locuri) ale sistemuluielectroenergetic unde efectele i pagubele s fie minimale. De fapt, Coordonarea izolaiei,nseamn corelarea a dou nivele: Nivelul de inere (NT) adoptat al izolaiei cu Nivelul de

protecie (NP), realizat cu mijloacele de protecie mpotriva supratensiunilor (descrctoareleelectrice).Nivelul de protecie (NP) reprezint cea mai mic tensiune la care lucreaz, cert,

aparatul de protecie (100 % descrcri electrice).O alt problem foarte importanta la nalt i foarte nalt tensiune este legat de

influena distribuiei spaiale i a intensitii cmpului electric asupra izolaiei electrice, mediuluiambiant, regnului vegetal i animal, dar mai ales asupra fiinei umane [1].

n procesul de exploatare, izolaia electric poate fi supus unui ansamblu de solicitri denatur: electric, termic, mecanic, chimic, bacteriologic, condiiilor de mediu etc. Datoritacestor factori i solicitri, asistm la procesul de mbtrnire al izolaiei, care conduce ladegradri structurale n masa acesteia, la pierderea proprietilor iniiale, la micorarea rigiditii

dielectrice

2

8/8/2019 TTI Curs

3/64

sub limita tensiunii de inere i, n final, scoaterea prematur din funcionare, adic micorareaduratei de via. Proprietile electroizolante pot fi reduse complet sau incomplet, definitiv sautemporar, atunci cnd, sub aciunea cmpului electric, se produce creterea conductivitiielectrice a dielectricului. Evaluarea comparativ a dielectricilor se face n funcie de rigiditateadielectric, aceasta reprezentnd valoarea maxim a intensitii cmpului electric, pe care o

poate suporta un material electroizolant, fr a-i pierde proprietile electroizolante. Ea se

determina n cmp electric uniform (cu electrozi i distane de izolaie standardizate, normate) ise exprim:

=cm

kV

d

UE dd ,

unde:

dU este tensiunea de descrcare disruptiv iar d este distana standardizat.

Dac solicitrile electrice depesc nivelul de inere al izolaiei, se producedescrcarea disruptiv. Acesta poate fi sub forma de descrcare superficial(conturnare)sau descrcare transversal (strpungere).

Conturnarea reprezint descrcarea pe suprafaa de separaie a dou medii

electroizolante i este, n general, autoregenerativ (izolaia i reface proprietileelectroizolante n urma descrcrii).Strpungerea reprezint descrcarea prin mediul dielectric (transversal) i, pentru

izolaiile solide, este neautoregeneratoare (nu se mai refac proprietile electroizolante).n afara acestor descrcri electrice finalizate, n izolaii mai pot apare descrcri

locale, limitate (nefinalizate), care degradeaz izolaia, slbindu-i proprietile electroizolantei micorndu-i durata de via.

Distrugerea izolaiei atrage dup sine grave avarii, n special scurtcircuite, puneri la mas,pierderi i ntreruperi de energie electric. Pentru a preveni astfel de situaii, este necesar ca, pelng msurile de concepie, construcie i exploatare calitative ale izolaiilor, periodic acestea sfie supuse unor verificri i analize preventive, n scopul stabilirii gradului de uzur.

Msurile tehnico-organizatorice care nglobeaz metodele de ncercare preventiv iintervalul de timp n care trebuiesc efectuate definesc profilactica izolaiei.

Din astfel de motivaii, msurtorile, verificrile i ncercrile experimentale au impusrealizarea unor laboratoare specializate, cu dotri tehnice deosebit de pretenioase sub aspectulasigurrii nivelului de tensiune al surselor, al aparatajului de msur, control i nregistrare,

precum i al condiiilor de ncercare.Principalele laboratoare de nalt tensiune, n ordinea cronologic a intrrii lor n

funciune i principalele caracteristici ale acestora sunt prezentate n tabelul nr.5 [1].Cel mai mare laborator de nalt tensiune de la noi din ar este cel de la ICMET Craiova.Datorit fenomenelori evenimentelor numeroase i complexe ivite, att n exploatarea

sistemelor electroenergetice i a modelarii i testrii acestora n cadrul laboratoarelor specializatei tronsoanelor experimentale, ct i n construcia de echipament electric, n perspectiva cert acreterii continue a valorii tensiunilor nominale de transport a energiei electrice, se impune ca onecesitate, pentru viitorii specialiti n profilul electric i energetic, asimilarea riguroas anoiunilor teoretice i practice legate de Ingineria tensiunilor nalte, n particular, de Tehnicatensiunilor inalte. Ca probleme generale de perspectiv, pot fi punctate:

- creterea continu a tensiunii nominale de transport a energiei electrice;- generalizarea lucrului la tensiuni nalte;- utilizarea construciilor electroizolante i aparatajului de nalt tensiune capsulat, bazate

pe proprietile izolante foarte bune ale gazelor electronegative ( )6SF ;- generalizarea efecturii unor activiti de exploatare, pe liniile de nalti foarte nalt

tensiune, fr ntreruperea tensiunii.

3

8/8/2019 TTI Curs

4/64

Tabelul nr.5.Parametrii principalelor laboratoare de nalt tensiune din Europa.

TABELUL 1Niveluri de izolaie nominalizate pentru instalaii din clasa A 1 kV< Um < 52 kVSeria I bazat n special pe practica european

Tensiunea de inere nominalla impuls atmosferic

1,2/50 s[ ]maxkV

Tensiunea maxim deserviciu mU

[ ]eFkV

Grupa 1 Grupa 2

Tensiunea deinere

nominal descurt duratla frecvenindustrial

[ ]eFkV3,6 20 40 (45) 10 (21)

7,2 40 60 20 (27)12 60 75 28 (35)17,5 75 95 38 (45)24 95 125 50 (55)36 145 170 70

SERIAI

NOTA 1: Alegerea ntre grupa 1 sau 2 se face:Pentru practica european: - Dupa gradul de expunere la lovituri aleSeria I trznetului;

- la supratensiuni de manevr;

- dup modul de tratare a neutrului;- dup tipul dispozitivului de protecie.

NOTA 2: Cifrele din paranteze corespund normativelor romneti mai vechi.

4

8/8/2019 TTI Curs

5/64

TABELUL 2NIVELELE DE IZOLAII NOMINALIZATE PENTRU INSTALAIIDIN CLASA B [ 52 kV Um< 300 kV]

TENSIUNEAMAXIM DE

SERVICIU mU[ ]eFkV

BAZA DE CALCULN UNITI

RELATIVEmU

[ ]maxkV

TENSIUNEA DEINERE

NOMINAL LAIMPULSATMOSFERIC

1,2/50 s[ ]maxkV

TENSIUNEA DEINERE

NOMINAL DESCURT DURATLA FRECVENAINDUSTRIAL

[ ]eFkV

52

72,5

123

145

170

245

42,5

59

100

118

139

200

250

325

450

550

650

750

850*

950

1050**

95

140

185

230

275

325

360

395

460

* Normele romneti folosesc 900 kV cu 385 kV** Nivel acceptat de normele romneti

- un nivel de izolaie pentru 52 kV si 72,5kV ;- dou nivele de izolaie pentru 123 kV ;- trei nivele de izolaie pentru 145 kV si 170 kV ;- cinci nivele de izolaie pentru 245 kV si 245 kV.

5

8/8/2019 TTI Curs

6/64

TABELUL 3NIVELELE DE IZOLAII NOMINALIZATE PENTRU INSTALAII

DIN CLASA C [ Um 300 kV]TENSIUNEA DE

INERE NOMINALLA IMPULS DE

MANEVR

(VALOARE DE VRF)

TENSIUNEAMAXIM DE

SERVICIU

mU

[ ]eFkV

BAZA DECALCUL

N u.r.

mU

[ ]maxkV

u.r. [ ]maxkV

RAPORT NTRETENSIUNILE DE

INERE LAIMPULS DE

TRZNET I DEMANEVR

TENSIUNEADE INERE

NOMINALLA IMPULS

ATMOSFERIC

[ ]maxkV

300

362

420

525

765

245

296

343

429

625

3,06

3,47

2,86

3,212,76

3,062,45

2,74

2,08

2,28

2,48

750

850

950

1050

1175

1300

1425

1550

1,13

1,271,12

1,241,11

1,241,12

1,241,11

1,361,211,10

1,32

1,191,09

1,381,261,16

1,26

1,47

1,55

850

950

1050

1175

1300

1425*

1550**

1800

1950

2100

2400

* Nivel acceptat n normativele romneti pentru 420 kV.** Nivel folosit n normativele romneti la 420 kV.

6

8/8/2019 TTI Curs

7/64

CAPITOLUL I

IZOLAIA ECHIPAMENTELOR ELECTRICE

1.1. AERUL CA MATERIAL ELECTROIZOLANT

Aerul, ca mediu electroizolant, intr aproape n totalitate n construcia echipamenteloriinstalaiilor electrice, prezentnd i marele avantaj economic, acela al existenei naturale (de lasine).

Dezavantajele aerului constau n aceea c se preteaz la poluare, la influena factoriloratmosferici i, n timp, produce fenomenul de coroziune al metalelor. Aerul reprezint elementulizolant dintre conductoarele liniilor electrice aeriene de transport a energiei electrice sau dintre

barele staiilor de nalt tensiune, att ntre faze, ct i fa de pmnt. Strpungerea acestorintervale de aer conduce la apariia scurtcircuitelor n reelele, echipamentele i instalaiileelectrice, deci fenomene nedorite i extrem de grave n funcionarea fiabil a sistemuluielectroenergetic.

Strpungerea se definete ca fiind descrcarea electric ntre doi electrozi prin mediuelectroizolant, de la electrodul cu potenial ridicat ctre cel cu potenial sczut (chiar zero),atunci cnd ntre cei doi electrozi se aplic o diferen de potenial.

Cnd mediul electroizolant este reprezentat de o izolaie solid fenomenul de strpungereeste ireversibil n sensul c izolaia nu-i mai reface proprietile electroizolante. Fenomenenedorite, cu repercursiuni asupra izolaiei electrice i funcionrii echipamentelor, produce iconturnarea, ntlnit la izolatoarele de suspensie, suport sau de trecere.

Conturnarea se definete ca fiind descrcarea electric pe suprafaa de separaie a doumedii electroizolante (solidgaz, solidlichid), de la electrodul cu potenial ridicat ctre cel cu

potenial sczut (chiar zero), cnd ntre cei doi electrozi se aplic o diferen de potenial.n majoritatea cazurilor, conturnarea este un fenomen reversibil, adic izolaia i reface

proprietile dielectrice.Fenomene de str pungere sau de conturnare pot s apar i ca urmare a efectului

cumulativ al descrcrilor pariale ce iau natere n incluziunile gazoase ale izolaiilor tehnicesolide sau lichide.

Se impune deci o dimensionare riguros tiinific a izolaiilor ce conin gaze, oimportan deosebit, n acest sens, avnd-o rigiditatea dielectric, ce reprezint intensitateamaxim a cmpului electric la care o izolaie electric i pstreaz proprietile electroizolante.

1.1.1. Forme de ionizare

Conform teoriei mecanicii cuantice, un gaz ionizat conine particule (molecule i atomi)

sub form de electroni, ioni pozitivi, ioni negativi i particule neutre din punct de vedere alsarcinii electrice.

Ionii negativi iau natere ca urmare a fenomenului de asociere a unei particule neutre cuun electron. Ionii pozitivi iau natere ca urmare a procesului de ndeprtare a unuia sau maimultor electroni de pe nveliul electronic al unui atom. Aceast smulgere a unui electron de peorbit este posibil numai dac particulei respective i se aplic o energie exterioar numitenergie de ionizare wi, ce trebuie s se afle ntr-un anumit raport cu energia intern a particulei.

Diferena de potenial, necesar crerii unui cmp electric, n care electronii, ndeplasarea lor, s fie capabili s acumuleze o energie egal cu energia de ionizare, poart numelede potenial de ionizare Ui:

7

8/8/2019 TTI Curs

8/64

eUqUw iii == , (1.1)unde :

q este sarcina electric a particulei, n spe a electronului,Ce

191016.1 = .Dac se consider sarcina electronului egal cu unitatea, atunci energia de ionizare este

numeric egal cu potenialul de ionizare i se msoar n electronvoli ( ) .eVEnergia de ionizare a gazelor este cuprins ntre 3 i 25 eV, avnd valorile cele mai mari

la gazele inerte. Dac din exterior se aplic o energia mai mare dect wi, atunci electronul sauelectronii prsesc orbita, producndu-se, astfel, un proces de ionizare.

n cazul n care energia transmis este mai mic dect cea de ionizare, electronii se vordeplasa pe un nivel energetic superior fr s prseasc nveliul electronic. Se zice c atomul(particula) se afl ntr-o stare de excitaie. Aceste stri de excitaie sunt extrem de scurte cadurat, de ordinul ( )s87 1010 dup care electronii revin de pe nivelele de excitaie pe nivelelenormale (anterioare).

Revenirea se face cu eliberarea de energie sub form de cuante de lumin numite fotoni,energie care nu este alta dect cea folosit de electroni n trecerea lor pe nivelele energetice

superioare.Dar radiaia de energie sub form de cuante de lumin este ntlnit i n procesul de

recombinare a particulelor de semne contrare (ioni pozitivi cu electroni sau ioni negativi),rezultnd particule neutre.

n funcie de posibilitile existente i eficiente de a interveni din exterior cu energie, suntntlnite urmtoarele forme de ionizare:

a) ionizare prin oc de electroni;b) fotoionizarea n volumul gazului;c) ionizare termic;d) ionizarea la suprafaa electrozilor (superficial).

a)Ionizarea prin oc de electroni

Acest tip de ionizare are loc ca urmare a ciocnirii neelastice a unui electron cu o particulneutr, atunci cnd electronul de sarcin q n deplasarea sa n cmpul electric E pe distana x,depete pragul de ionizare .( )iwEqx >

Deci energia este cu att mai mare cu ct cmpul electric este mai mare, respectiv pentruun interval dat, cu ct tensiunea aplicat acestuia este mai mare.

Electronul se deplaseaz n cmpul electric cu o vitezvi dac masa acestuia este m,ionizarea particulei neutre se va produce pe seama energiei cinetice a electronului, energiecinetic ce n momentul ciocnirii trebuie s fie mai mare dect energia de ionizare a gazului

respectiv

iw

mv

22

.

Dac este ndeplinit aceast condiie, particula neutr va elibera unul sau mai mulielectroni, care se vor deplasa n cmp n mod similar, rezultnd noi particule electrice.

........................................................................

b)Fotoionizarea n volumul gazului

Aceast form de ionizare este eficient n special n cazul n care cmpul electric aplicateste foarte mic i const n a iradia gazul respectiv cu unde electromagnetice de energie mare.

Astfel de unde se situeaz n domeniul de radiaii ultraviolete ale spectrului, de aceea oposibilitate de iradiere a gazului este dat de lampa emitoare de raze ultraviolete. Fotoionizarea

8

8/8/2019 TTI Curs

9/64

are loc cnd energia cuantei de radiaii este mai mare dect energia de ionizare a gazuluirespectiv:

sauiWhv iW

ch (1.2)

unde:= constanta lui Planck;Jsh 341062.6 =

= frecvena de oscilaie a radiaiei;v = lungimea de und a radiaiei;

smc 8103= = viteza de propagare a undelor electromagnetice.

Fotoionizarea se mai produce i ca urmare a energiei interne a gazului rezultat dinprocesele de recombinare sau de revenire a electronilor de pe nveliurile superioare pe cele debaz (dac particula s-a aflat ntr-o stare de excitaie).

.......................................................................................

c)Ionizarea termic

Prin ionizare termic se nelege procesul de ionizare ce se produce ntr-un gaz aflat latemperatur ridicat. La temperaturi ridicate n interiorul gazului respectiv se produce agitaiatermic a particulelor care face s sporeasc numrul de ciocniri a acestora, producndu-se noiionizri.

.............................................................

d)Ionizarea la suprafaa electrozilor (superficial)

La primele trei tipuri de ionizare amintite mai sus apariia electronilor liberi era datoratunor fenomene ce aveau loc n gazul aflat n intervalul dintre cei doi electrozi.

Electronii liberi mai pot, ns, s apari prin emisie de ctre electrozi. Emiterea de catoda electronilor liberi care conduc la procese de ionizare poart denumirea de ionizare superficial.

Pentru eliberarea electronilor trebuie s se consume o anumit energie, numit energie deieire, a crei valoare depinde de natura metalului i de starea suprafeei electrodului.

...................................................................................................................

1.1.2. Recombinarea purttorilor de sarcin

Electronii ntr-un gaz ionizat se pot afla fie n stare liber fie ataai moleculelor neutre degaz, formnd ioni negativi. Aceast posibilitate a electronilor de a fi liberi sau legai depinde de

aa-zisa energie de fuziune sau de contopire , energie ce poate fi cedat sau absorbit ntimpul procesului de ataare.0w

........................................................................................................

1.1.3. Mobilitatea i difuzia particulelor electrice

O particul de sarcin q aflat ntr-un cmp electric E, se va deplasa sub aciunea uneifore electrice:

EqFerr

= (1.7)n principiu, ar trebui ca, sub aciunea acestei fore, particula s se deplaseze cu o

acceleraie constant. n drumul su, ns, aceasta pierde treptat din acceleraie ca urmare aciocnirilor cu moleculele gazului.

9

8/8/2019 TTI Curs

10/64

Fenomenul este asemntor cu deplasarea corpurilor ntr-un mediu vscos. De aceeatrebuie considerat o vitez medie de deplasare a particulei proporional cu fora electricaplicat:

Ekvrr

= , (1.8)

unde:k fiind o constant de proporionalitate denumit mobilitatea particulei ncrcate i este

exprimat prin raportul:

E

v

E

vk == r

r

(1.9)

...........................................................................................

1.1.4. Ionizarea spaial prin oc de electroni

Ionizarea prin oc de electroni se realizeaz pe seama energiei cinetice a acestora, energia

care este acumulat pe drumul ntre dou ciocniri succesive cu moleculele gazului, drum carepoart denumirea de parcurs (drum) liber mediu i se noteaz cu .

..........................................................................................

1.1.5. Teoria descrcrii n avalan

Existena unui electron liber n cmpul electric dintre doi electrozi va conduce n urmaprocesului de ionizare la formarea a nc unui electron care, fiind accelerat n cmp i acumulndenergie cinetic, va efectua i el ionizri. Cei doi electroni dup urmtoarele ciocniri ionizate,vor da natere la nc doi electroni deci n total vor fi acum patru, procesul se continu rezultnd8 electroni, .a.m.d.

Aceast cretere continu a fluxului de electroni poart denumirea de avalan deelectroni.

Electronii din avalan, avnd mas mic, vor avea o vitez mult mai mare de deplasare,sub aciunea cmpului electric, spre anod, lsnd n urma lor ionii pozitivi creai n procesul deionizare prin oc electronic, care se deplaseaz ctre catod, dar cu o vitez mai mic dect aelectronilor.

Numrul de electroni din avalan se poate determina dac se cunoate coeficientul deionizare spaial prin oc de electroni i legea de distribuie a cmpului electric ntre electrozi.

........................................................................................................

1.1.6. Descrcarea de gaze n cmp electric uniform

Cmpurile uniforme sunt acele cmpuri care au intensitatea electric constant n lungulliniilor de cmp.

1.1.6.1. Descrcarea autonomi neautonom

Avalana de electroni genereaz prin deplasarea particulelor din intervalul de gaz spre ceidoi electrozi un curent de circulaie n circuitul sursei de alimentare care dispare dupneutralizarea sarcinilor pe cei doi electrozi. Un nou curent de circulaie nu mai este posibil dectdac reapare o nou avalan, reapariie care este condiionat de prezena n intervalul dintre

electrozi cel puin al unui electron.Dac noul electron creat este datorat unui ionizator extern intervalului de gaz, atuncidescrcarea este neautonomi este nsoit de impulsuri de curent n circuitul de alimentare.

10

8/8/2019 TTI Curs

11/64

Dac noul electron creat este produs de procesele interne ale gazului din intervalul dintrecei doi electrozi, descrcarea este autonom. n acest sens, se impune ca avalana primar deelectroni s creeze un nou electron n apropierea catodului care s fie germenul unei noiavalane.

Generarea noului electron de ctre avalana primar nainte de dispariia acestuia se poaterealiza prin:

............................................................................................................

1.1.6.2. Descrcarea electric la densitate sczut a gazului

Se neglijeaz procesele de fotoionizare superficial la catod i se consider doar ionizareacreat prin bombardarea catodului cu ionii pozitivi creai de avalana iniial.

La densitate sczut a gazului se introduce noiunea de coeficient de ionizare superficial( ) definit ca fiind numrul de electroni ce rezult prin bombardarea catodului de ctre un ion

pozitiv......................................................................................................................

1.1.6.3. Descrcarea electric la densitate ridicat a gazului.Strimerul

Preponderent n acest caz este procesul de fotoionizare n volumul gazului ntlnit deregul la descrcrile electrice la presiune normal (n aer liber).O astfel de ionizare se produce cnd intensitatea cmpului electric este foarte mare ideformarea cmpului este accentuat...................................................................................................................................

1.1.6.4. Tensiunea disruptiv n cmp electric uniformLegea lui Paschen

Tensiunea disruptiv rezult punnd condiia de autonomie a descrcrii (1.38) nlocuindcoeficientul de ionizare spaial prin oc de electroni cu expresia sa din (1.30) i innd seama deuniformitatea cmpului ( , rezult :)sEU =

1ln=

U

Bps

Apse ;

1ln

lnAps

U

Bps=

de unde:

( pBAsfAps

BpsUd ,,,

lnln

1

==

) (1.40)

Deci tensiunea disruptiv este dependent de distana ntre electrozi, natura gazului,temperatura i presiunea sa.

Relaia de mai sus vine s exprime analitic o lege ce a fost dedus pe cale experimental,fiind vorba de legea lui Paschen conform creia tensiunea disruptiv a gazelor n cmp uniform,la temperatur constant, este funcie de produsul ntre presiunea gazului i distana ntreelectrozi:

( )psfUd = (1.41)

11

8/8/2019 TTI Curs

12/64

.......................................................................................Astfel relaia (1.44) mai poate fi scris sub forma:

( )sfUd = (1.46)Expresia (1.46) regsete legea lui Paschen sub o form mai general: tensiunea

disruptiv a gazelor n cmp electric uniform este o funcie dependent de produsul dintredistana dintre electrozi i densitatea relativ a gazului. Curba de variaie a acestei dependene

este dat n fig. 1.4.

Fig. 1.4.Curba de variaie a tensiunii disruptive

1.1.7.Descrcarea n gaze n cmp electric neuniform

Cmpurile neuniforme sunt acele cmpuri la care intensitatea cmpului variaz de-alungul liniilor de cmp. Ele se stabilesc n intervalele n care cel pu in unul dintre electrozi areraza de curbur mic n comparaie cu distana dintre electrozi, intensitatea maxim acmpului obinndu-se pe suprafaa electrodului cu raza de curbur cea mai mic.

s

Aceste intervale sunt caracterizate printr-un coeficient de neuniformitate k, carereprezint raportul dintre valoarea maxim a intensitii cmpului ( )mE i valoarea sa medie

:( )medE

med

m

E

Ek=

unde:

s

UEmed = (1.47)

Coeficientul de neuniformitate este ntotdeauna supraunitar ( i n funcie devalorile lui, cmpurile neuniforme se pot mpri n:

)1>k

a) cmpuri slab neuniforme, pentru 41 k .ntre aceste dou tipuri de cmpuri nu se poate face o delimitare riguroas. Cmpurile

neuniforme n funcie de forma electrozilor se pot mpri n:a) cmpuri simetrice, n cazul electrozilor de aceeai form i aceleai dimensiuni

(exemplu: ntre conductoarele liniilor electrice aeriene);b) cmpuri nesimetrice, ntre electrozi de form diferit (de exemplu ntre conductoarele

liniilor aeriene i pmnt).

12

8/8/2019 TTI Curs

13/64

innd cont de aceste dou clasificri se poate conchide c cel mai neuniform i cel mainesimetric cmp este cel obinut ntre electrozii vrfplac, iar cmpul cel mai neuniform i cusimetrie 100% este cel obinut ntre electrozii vrfvrf.

1.1.7.1. Descrcarea n cmp electric slab neuniformLegea similitudinii descrcrilor electrice

n cmpurile electrice slab neuniforme mecanismul de formare a descrcrii cuprinde, cai n cazul cmpurilor uniforme, dou etape: avalana i strimerul, descrcarea disruptiv fiindasigurat cnd este ndeplinit condiia de autonomie.

...............................................................................................................

1.1.7.2. Descrcarea n cmp electric puternic neuniform

Acest tip de descrcare este ntlnit de exemplu ntre electrozii vrfvrf sau vrfplac.........................................................................................

1.1.7.3. Descrcarea n intervale lungi de aer

Intervalele izolate care intervin n problemele de coordonare a izolaiei au lungimi deordinul metrilor, zecilor de metri sau chiar km n cazul descrcrii de trsnet. n astfel de izolaiiapar aspecte care nu se ntlnesc n intervale de ordinul centimetrilor, acestea fiind legate deexistena unor cmpuri extrem de neuniforme. Se disting mai multe faze n producereadescrcrii, existena i caracteristicile lor depinznd de amplitudine, forma i panta undeiaplicate i de geometria intervalului.

....................................................................................................1.1.8. Tensiunea disruptiv n cmp puternic neuniform

1.1.8.1. Dispersia statistic a tensiunii disruptive

Fenomenele de descrcare electric n intervale de aer au un caracter probabilistic fiindguvernate de legi statistice. Etapele formrii descrcrii i anume apariia unui nou electron,avalana primar, strimerul, liderul, etc., au un caracter ntmpltor datorit repartiiei reciprocea moleculelor gazului, prezenei unor impuriti n gaz, ca de exemplu praful din aer, etc.

.....................................................................................................

1.1.8.2. Influena condiiilor de mediu asupra tensiunii disruptive

n cmpuri electrice uniforme i slab neuniforme, tensiunea disruptiv depinde doar dedensitatea gazului, crescnd odat cu aceasta. n cazul cmpului puternic neuniform, tensiuneadisruptiv mai este influenat, i de umiditatea gazului, dependena fiind de direct

proporionalitate i depinznd de gradul de neuniformitate al cmpului.......................................................................................................

1.1.8.3. Influena formei tensiunii aplicate asupra tensiunii disruptive

Intervalele de aer ntlnite n instalaiile electrice pot fi comparate, cu o oarecareaproximaie, cu intervalele vrfvrfi vrfplac.

.........................................................................1.1.8.4. Influena formei electrozilor asupra tensiuniidisruptive

13

8/8/2019 TTI Curs

14/64

Este posibil ca tensiunea disruptiv s depind de...................................................................

1.1.8.5. Influena ecranelor dielectrice asupra tensiuniidisruptive

Ecranele dielectrice sunt realizate din folii subiri, de materialel electroizolant ce se plaseaz nintervalele de descrcare cu cmp puternic neuniform nesimetric i au rolul de a uniformizacmpul, deci de a crete tensiunea disruptiv.............................................................................

1.1.9. Descrcarea electric pe suprafaa dielectricilor solizi

Dac n intervalul dintre doi electrozi se introduce un dielectric solid, tensiuneadisruptiv a intervalului respectiv se micoreaz. Descrcarea n acest caz se poate dezvolta fie

prin volumul dielectricului cnd se numete strpungere (calea a din fig. 1.31), fie prin aer pe

suprafaa acestuia cnd poart numele de conturnare (calea b).Prin str pungere, dielectricul solid i pierde calitile electroizolante, putnd fi chiar

distrus, pe cnd dup conturnare acesta i recapt proprietile izolante.

Fig. 1.31.Strpungereaiconturnarea

.....................................................................................1.1.10. Descrcarea corona

Descrcarea corona este o descrcare autonom, nefinalizat, care se produce n jurulconductoarelor cu cmp puternic neuniform, care se manifesta ca o coroan luminoas (galbenspre violet), accentuat n condiii de mediu neprielnice, reprezentnd o surs suplimentar de

pierderi de putere i energie activ, perturbaii radio-electrice, zgomot acustic, mbtrnireaizolaiei etc.

.

1.1.10.1. Descrcarea corona n sistemele de electrozi conductor-placi conductor-conductor

Descrcarea corona este caracteristic sistemelor de electrozi cu cmp puternicneuniform.

....................................................................

1.1.10.2. Desc

rcarea corona la tensiune continu

La tensiune continu n spaiul dintre cei doi electrozi are loc o deplasare a sarcinilorspaiale spre electrozii de semn contrar, generndu-se astfel o circulaie de curent dependent de

14

8/8/2019 TTI Curs

15/64

tensiunea aplicat. Determinarea pierderile corona se face pornind de la caracteristica tensiune-curent a descrcrii corona Ik=f(U). Aceasta se obine pornind de la ecuaia lui Poisson scris ncoordonate cilindrice:

......................................................................................

1.1.10.3. Descrcarea corona pe liniile electrice aeriene la tensiune alternativ

La liniile electrice aeriene este ntlnit descrcarea corona bipolar. n acest caz, sarcinaspaial format n jurul conductorului coronat, n timpul unei semiperioade, nu reuete s se

deplaseze pn la cellalt conductor sau pn la pmnt. n intervalul de timp pn la reapariiadescrcrii n semiperioada urmtoare a tensiunii alternative de frecven industrial.

........................................................................................

1.1.10.4. Descrcarea corona la impuls de tensiune

Descrcarea corona n acest caz capt semnificaie aparte datorit duratei extrem de

scurte a impulsului de tensiune..........................................................................................

1.1.10.5. Electrofiltre

Ca aplicaii industriale ale descrcrii corona un interes deosebit l prezintelectrofiltrele utilizate n instalaiile de purificare a gazelor emanate n diferitele proceseindustriale..

1.1.11. Descrcri pariale n incluziunile gazoaseale dielectricilor lichizii solizi1.1.11.1.Mecanismul de formare a descrcrilor

pariale

Descrcrile pariale reprezint procesele de ionizare din incluziunilegazoase ale izolaiilor tehnice solide i lichide, rezultate fie n urma procesului tehnologicdeficitar, fie n urma exploatrii necorespunztoare a izolaiei respective.

.............................................................................

1.1.11.2. Detectarea descrcrilor parialePrezena descrcrilor pariale n incluziunile gazoase ale unei izolaii se poate

determina n principiu prin una din metodele:prin msurarea tensiunii pe obiect;prin msurarea curentului n circuitul exterior;prin msurarea intensitii undelor electromagnetice produse de descrcrile pariale.

Oscilaiile de tensiune i de curent sunt foarte mici, i deci greu de msurat. Deci principalametod de detectare a descrcrilor pariale este msurarea oscilaiilor produse de acestea prinmetode selective, n plaja larg de frecvene ce le caracterizeaz.

15

8/8/2019 TTI Curs

16/64

CAPITOLUL II

SOLICITRI ALE IZOLAIEI ECHIPAMENTULUI ELECTRIC

2.1. GENERALITI.

Izolaia echipamentului electric este supus n timpul exploatrii unor solicitrineprevazute iniial, cunoscute sub denumirea de supratensiuni.

Prin supratensiune se nelege o cretere anormal a tensiunii n raport cu tensiuneanominal, ce este susceptibil s produc deranjamente i avarii, care pericliteaz sigurana sau

buna funcionare a liniilor, aparatelor i mainilor electrice prin solicitarea sau deteriorareaizolaiei elctrice a acestora.

Exist mai multe criterii de clasificare a supratensiunilor:

a) Dup sensul lor, se deosebesc :- supratensiuni transversale ;

- supratensiuni longitudinale .Supratensiunile transversale rezult ca urmare a creterii anormale a potenialului unui

punct sau al unei poriuni de circuit fa de pmnt sau creterea anormal a diferenei depotenial ntre dou conductoare de polaritate diferit. Pot provoca strpungerea izolaiei ntre unconductori pmnt sau ntre dou conductoare.

Supratensiunile longitudinale apar ca o cretere anormal a diferenei de potenial ntre 2puncte vecine ale aceluiai conductor ntre care, n mod obinuit, diferena de potenial este mic.Acestea pot duce la str pungerea izolaiei, mai ales prin efectul cumulativ al descrcrilor

pariale. Astfel de supratensiuni sunt ntlnite n special n nfurrile transformatoarelor imainilor electrice.

b) Dup proveniena, se deosebesc :- supratensiuni interne ;

- supratensiuni externe sau atmosferice.

Supratensiunile interne sunt rezultatul unor cauze interne ale sistemelor electroenergetice,aprnd ca urmare a unor comutri voite sau accidentale ale diferitelor elemente, sau n cazul

punerilor la pmnt. Ele sunt n general trectoare, cu caracter de impuls, dar pot provoca uneorifenomene de rezonan staionar, daca se creaz circuite oscilante cu frecven proprie egal cufrecvena reelei sau cu o armonic superioar a ei.

Supratensiunile externe (atmosferice) sunt date de cderea trznetului pe liniile electrice

sau n apropirea lor. Durata acestor supratensiuni este de ordinul zecilor de s. Pentru izolaiaechipamentelor electrice aceste supratensiuni sunt extrem de periculoase, n special la tensiuni depeste 110 kV.

..

16

8/8/2019 TTI Curs

17/64

2.2. SUPRATENSIUNI ATMOSFERICE

2.2.1. Descrcarea de trsnet . Mecanismul de formare al trsnetului

Trsnetul reprezint o descrcare electric natural sub form de arc electric,caracterizat prin lungimi foarte mari ale canalului descrcrii. Lovitura de trsnet cade peobiectele de nalime mare situate sub norii de furtun. Descrcarea de trsnet se poate finaliza

pe unul dintre elementele metalice ale instalaiilor care compun reelele electrice, cum ar fi :conductor de protecie, stlp de linie, conductor activ, paratrsnet, tij.

Ca urmare a proceselor electrice care se petrec n circuitul n care se afl elemetul metaliclovit, apar pe acesta creteri de tensiune, care se propag pe conductoarele liniilor n stnga i-ndreapta punctului lovit sub forma de unde cltoare, constituind undele de supratensiuneatmosferic directe. (fig. 2.1 a).

Parametrii supratensiunii u(t) aprute pe conductorul liniei depind direct de parametriicurentului i(t) , amplitudinea, panta, durata i forma frontului, forma spatelui .a. precum i deelementele circuitului n care se afl elementul lovit de trsnet.

Unda de trsnet poate s cad undeva n apropierea liniei ntr-un punct A, la distana d deaceasta. (fig. 2.1 b).

Prin inducie electromagnetic apar supratensiuni induse ui (t) pe linie. Parametriisupratensiunii depind de cei ai curentului de trsnet, de distana d pna la punctul lovit i decaracteristicile liniei. Caracterul aleatoriu al trsnetului i al parametrilor care l caracterizeaz,varietatea de instalaii n care cade lovitura de trsnet fac s apar unde de supratensiune deforme i amplitudini foarte diferite. Alura general a unor astfel de unde este reprezentat n fig.2.2.Unda este format din 2 poriuni, una cu cretere foarte rapid numit frontul undei, iar altacu scdere , ceva mai lent, numit spatele undei.

Fig. 2.1Apariia supratensiunilor atmosferice :

a) supratensiuni directe ;b) supratensiuni induse.

Fig. 2.2.

Unde de im uls.

..

17

8/8/2019 TTI Curs

18/64

2.2.2. Parametriii efectele descrcrii de trsnet

Determinarea parametrilor curentului de trsnet poate fi fcut n exclusivitate prindeterminri experimentale n staii special amenajate sau n instalaiile electroenergetice.Curentul de trsnet are forma unui impuls dublu exponenial i este caracterizat prin dou mrimi

principale : amplitudinea IT (fig. 2.6) ; panta a, care reprezint viteza de variaie a curentului pe frontul undei.

..............................................................................................................

2.2.3. Mijloace de protecie mpotriva loviturilor directe de trsnetProtecia mpotriva loviturilor directe de trznet se realizeaz cu ajutorul paratrsnetelor.Paratrsnetul se compune n principal din :

- captatorul loviturii de trsnet ;

- priza de pmnt ;

- firul de conducere la pmnt a sarcinii .

.

2.2.4. Propagarea undelor de supratensiune pe linii2.2.4.1. Propagarea undelor pe conductoare

Din punct de vedere constructiv o linie electric aerian este omogen, adic parametriiliniei (rezisten, inductan, perditan, capacitate) sunt uniform repartizai pe ntreaga lungimea ei.

Fenomenele electromagnetice pe o linie electric aerian sunt descrise de ecuaiiletelegrafitilor:

+=

+=

.tuCGu

xi

;tiLRi

xu

(2.32)

unde mrimile R,L,G i C sunt exprimate pe unitatea de lungime a liniei,iar u i i sunt tensiunea,respectiv curentul ntr-un punct de coordonat x a liniei.

...............................................................................

2.2.4.2. Propagarea undelor ntr-un sistem de conductoare

Vom ine seama c fiecare conductor din sistem se afl n cmpul electromagnetic creat

de undele care se propag pe celelalte conductoare.n acest caz fenomenele electromagnetice sunt descrise de ecuaiile lui Maxwell scrise

pentru sarcini imobile ale circuitelor pe unitatea de lungime a conductorului:

18

8/8/2019 TTI Curs

19/64

+++=

+++=

+++=

nqnn2qn21qn1nU

................................................nq2n2q221q212U

nq1n2q121q111U

L

L

L

(2.57)

unde:

ij-coeficieni de potenial; Ui-potenialele conductoarelor.

Coeficienii de potenial se determin din configuraia geometric a liniei

........................................................................................................................

2.2.4.3. Influena descrcrii corona asupra propagriiundelor pe liniile electrice aeriene

Ca urmare a undelor de supratensiune ce se propag pe linie apare fenomenul dedescrcare corona de impuls. Acest fenomen este nsoit de o pierdere de energie care duce ladeformarea undei i la scderea amplitudinii acesteea dup cum se vede n figura 2.25.

Fig. 2.25.

Deformarea undei datorit efectului corona.

2.2.5. Reflexiai refracia undelor electromagneticen punctele nodale ale liniilor

Ecuaiile lui Maxwell sunt valabile pentru liniile infinit lungi, dar n realitate liniileelectrice aeriene sunt finite.

O linie infinit lung se mai numete i linie acordat, pe ea nu se propag dect o unddirect.

n realitate de-a lungul liniilor sunt conectate elemente de circuit sau circuite complete iimpedana caracteristic se modific.

Vom numi puncte nodale punctele de capt ale liniilor, punctele de legtur a dou saumai multe linii cu impedane caracteristice care pot diferi ntre ele, punctele n care suntconectate diferite elemente de circuit.

Pentru o propagare monofazat fr pierderi impedanele caracteristice sunt:

Z1=

1C

1L i Z2=

2C

2L , (2.89)

unde:

19

8/8/2019 TTI Curs

20/64

L1,L2i C1,C2 sunt inductanele respectiv capacitile pe unitatea de lungime ale celordou linii .

n fig. 2.27. este reprezentat propagarea undelor pe dou linii de impedane diferite,nseriate.

n urma cderii trsnetului apare pe linia 1 n punctul 1 o und incident care se propag

fr alte modificri pn ntlnete un punct de modificare a impedanei caracteristice (punctul2). Modificarea impedanei caracteristice poate nsemna att modificare conductoarelor sau acoronamentului, ct i transformarea din linie aerian n cablu sau invers.

Fig. 2.27.Propagarea undelor pe dou linii de impedane diferite,nseriate.

n punctul 2 apar reflexii i refracii. Cum ecuaiile de propagare sunt liniare, undeletransmise i cele reflectate vor fi de aceeai form cu unda incident, dar de alte amplitudini.

Undele incidente de pe prima linie Ud1, respectiv id1 sunt notate pe figura cu u12 i i12deoarece se refer la propagarea de la punctul 1 la punctul 2.

Din punctul 2, pe prima linie se vor propaga n sens invers undele reflectate u i1i ii1 ,iarpe a doua linie se vor propaga n sens direct ud2i id2.

Notnd curentul i tensiunea pe prima linie cu i1 respectiv u1,iar pe cea de-a doua cu i2iu2, atunci condiiile la limit sunt:

u1=u2, i1=i2. (2.90)Pe baza ecuaiilor (2.40) i (2.41) se poate scrie:

===

==+=

.2i2Zd2U)i1Ud1(U

1Z1

1i

;2Ud2Ui1Ud1U1U

(2.91)

mulind ecuaia a doua cu Z1i adunndu-le se obine:

=

=

d1Uui1Ud1Uud2U ; (2.92)

==

d1iii1id1iid2i . (2.92)

unde:

u,i-coeficieni de refracie sau de transmitere a undelor:

2Z1Z22Z

u += ;

2Z1Z

12Z

i

+= . (2.93)

ui i-coeficieni de reflexie:

20

8/8/2019 TTI Curs

21/64

2Z1Z1Z2Z

u +

= ;

2Z1Z2Z1Z

i +

= . (2.94)

Coeficienii de reflexie pot avea valori pozitive sau negative cuprinse ntre 1 i 1.Coeficienii de refracie au numai valori pozitive sau nule cuprinse ntre 0 i 2.

n punctul 2 pot exista doi coeficieni de transmitere, dup cum unda incident sosete pelinia 1, dinspre 1 spre 2, sau pe linia 2, dinspre 3 spre 2 i doi coeficienii de reflexie.

Eliminnd n ecuaia (2.91) pe ui1 rezult:

U1+Z1i1=2Ud1. (2.95)

Putem ntocmi pe baza acestei relaii o schem echivalent a unei linii cu parametridistribuii printr-o linie electric aerian cu parametri concentrai (regula lui Petersen), a crei

und incident este o t.e.m., E=2Ud1. Liniile sunt nlocuite cu rezistene egale cu impedanele lorcaracteristice, dup cum este prezentat n fig.2.28.

Aceast regul de reprezentare a permis o analiz detaliat a liniilor electrice n cazuriparticulare.

n cazul liniei de scurtcircuit Z2=0, u=-1 i i=1, deci n punctele n care ajung undelereflectate tensiunea se anuleaz, iar curentul se dubleaz.

.......................................................................................................................

Fig. 2.28.Schema echivalent cu arametri concentra i a liniei.

2.2.6. Reflexiai refracia undelor electromagnetice npunctele nodale coninnd circuite cu parametrii concentrai

2.2.6.1. Punct nodal coninnd o inductivitatelongitudinal

Se consider dou linii de impedan caracteristice Z1 i Z2 legate ntre ele printr-0inductan, ca n figura 2.29.-(a).Presupunem c pe prima linie se propag o und incidentdreptunghiular de lungime infinit cu amplitudinea U0. Conform regulii lui Petersen, putemconstrui schema echivalent ca n fig.2.29.-(b).

21

8/8/2019 TTI Curs

22/64

Fig. 2.29.Punct nodal coninnd o inductivitate longitudinal.

unde:

(a)-schema real; (b)-schema echivalent; (c)-rspunsul la semnal treapt.

n regim tranzitoriu se pot scrie ecuaiile:

=

+=

+=

i.2Z2u

;2udtdiL1u

;1ui1Z02U

(2.100)

nlocuind ultimele dou ecuaii n prima se obine o ecuaie diferenial ce se rezolv cuajutorul transformatei Laplace:

=p

02U L [i] (Z1+Z2+pL). (2.101)

Din relaia (2.101) determinm transformata Laplace a curentului:

L[i]= .

2Z1Z

L1

1

2Z1Z02U

++

+

(2.102)

Prin transformarea invers rezult valoarea curentului:

i(t)=i1(t)=i2(t)= ,LT

t

e12Z1Z

02U

+(2.103)

unde : TL-constanta de timp dat de relaia:

TL=2Z1Z

L+

.

Atunci vom avea:

22

8/8/2019 TTI Curs

23/64

u2(t)=Z2.i(t)= ;L

Tt

e10U2Z1Z

22Z

+(2.104)

i

ui(t)=2U0-Z1.

i(t). (2.105)Deci:

ui(t)= LTt

e0U2Z1Z

12Z0U

2Z1Z22Z

++

+. (2.106)

nlocuind expresia lui i(t) din relaia (2.103) rezult:

+

+

==

++

+

=

,LTt

e0I2Z1Z

12Z

0I2Z1Z2Z1Z

1Z

(t)iu(t)1i

;LTt

e0U2Z1Z

12Z

0U2Z1Z1Z2Z

0U(t)1u(t)iu (2.107)

unde :

I0=

1Z0U .

Vom studia acum cazurile t0 i t.Pentru t0 avem c :u2(0)=0,i2(0)=0 deci undele reflectate sunt nule,iar ui(o)=U0, ii(0)=I0.Pentru t avem:

=+

=

=+

=

;0Uu0U2Z1Z1Z2Z)(iu

;0Uu0U2Z1Z

22Z)(2u

i deasemenea:

=+

=

=+

=

.0Iu0I2Z1Z2

Z1

Z)(ii

;0Uu0I2Z1Z

12Z)(2i

Se poate trage concluzia c n momentul final propagarea are loc ca i cum inductana arlipsi din punctul nodal.Inductana i manifest prezena numai atta timp ct dureaz regimultranzitoriu,n cursul cruia tensiunea i curentul pe linia a doua cresc exponenial precum se veden fig .2.29.-(c).

n punctul nodal n, prezena inductanei, amplitudinea undei nu se modific.Panta undeieste dat de expresia:

a= LT

t

eLT10U

2Z1Z22Zdt2du

+=, (2.108)

23

8/8/2019 TTI Curs

24/64

i depinde de inductana L,fiind cu att mai mic cu ct L este mai mare.Valoarea maxim a pantei este:

amax= 0UL22Z ; la t=0.

2.2.6.2. Punct nodal coninnd o capacitate transversal

Considerm dou linii de impedane caracteristice Z1i Z2,iar n punctul nodal al acestorase conecteaz o capacitate cu o armtur legat la punctul nodal i alta la mas ca n fig. 2.31.-(a).ntlnim astfel de fenomene la comutaia bateriilor decondensatoare i pe linii.Conform regulii lui Persen se poate constitui schema echivalent ca n

fig. 2.31.-(b).

Fig. 2.31.Punct nodal con innd o ca acitate transversal.

unde:

(a)-schema real; (b)-schema echivalent; (c)-rspunsul la semnal treapt.

Pentru aceast schem se pot scrie ecuaiile:

+=

=

+=

.

dt

duC2i1i

;2i2ZU

u;1i1Z02U

(2.115)

nlocuind expresiile lui i1 i i2 din primele dou ecuaii n ultima, se obine o ecuaiediferenial ce se rezolv cu ajutorul transformatei Laplace:

.....................................................................................................................

2.2.6.3. Punct nodal coninnd o inductan transversal

Aceste cazuri sunt ntlnite la transformatoarele de for, transformatoarele de msur,bobinele de reactan etc.

24

8/8/2019 TTI Curs

25/64

Schema de propagare a undelor precum i schema echivalent Petersen sunt asemntoarecu cele din figura 2.31. cu deosebirea c n loc de o capacitate se consider o inductantransversal.

Pentru schema echivalent se pot scrie ecuaiile:

+===

+=

.Li2i1i;dtL

diL2i2Zu

u;1i1Z02U

(2.127)

unde:iL este curentul ce strbate inductana transversal.

......................................................................................................................................

2.2.6.4. Punct nodal coninnd o capacitate longitudinal

Acest caz este ntlnit de exemplu la compensarea longitudinal a tronsoanelor de reele.

Cele dou linii de impedane caracteristice Z1 i Z2 sunt legate ntre ele printr-ocapacitate, asemntor legrii printr-o inductan , ca n fig. 2.29.-(a).

Schema echivalent Petersen este asemntoare cu cea din figura 2.29.-(b),dar n loc deinductan avem o capacitate.

Pentru schema echivalent se pot scrie ecuaiile:

=

+=

+=

i.2Z2u

t

0

;2uidt

C

11u

;1ui1Z02U

(2.133)

nlocuind ecuaia doi i trei n prima ecuaie se obine o ecuaie diferenial ce se rezolvcu ajutorul transformatei Laplace:

=p

02U L[i]

++

pC

12Z1Z , (2.134)

de unde rezult c transformata Laplace a curentului va fi:..................................................................................................................................

2.2.7. Supratensiuni atmosferice pe liniile electriceaeriene

2.2.7.1. Formarea i efectele supratensiuniloratmosferice pe liniile electrice aeriene

Lovitura direct de trsnet pe conductoarele active ale L.E.A. produce o supratensiunecare se propag de-o parte i de alta a locului de impact a trsnetului cu conductorul activ fa de

pmnt poate provoca conturnarea izolaiei liniei. Dac trsnetul cade pe stlp sau pe conductoride protecie, cderea de tensiune dat de trecerea curentului de trsnet prin impedana stlpului

poate de asemenea provoca conturnarea izolaiei liniei.

Evaluarea comportrii liniilor la aciunea supratensiunilor atmosferice se face prinnumrul specific de declanri, ce reprezint numrul de declanri pe un an de exploatare alunei linii cu lungimea de 100 Km pentru 20 de zile de furtun pe an.

25

8/8/2019 TTI Curs

26/64

Comportarea liniilor electrice aeriene la supratensiunile atmosferice depinde i de nivelulde izolaie al liniei, de modul de tratare a neutrului reelei, de particularitile constructive aleliniei, de parametrii trsnetului i de numrul loviturilor de trsnet, care cad ntr-un an pe liniarespectiv. Pe baza a numeroase nregistrri s-a constatat c n cursul unei zile cu descrcriatmosferice cad n medie 0,15 trsnete pe km2 de sol.

Pentru o linie de lungime L situat la nlimea h fa de sol care trece printr-o zon cu

indicele keraunic nz=20, numrul trsnetelor se calculeaz cu relaia:310615,0 = zt nLhN trsnete/an, (2.140)unde 6h reprezint limea unui dreptunghi de lungime L de pe care linia aerian preia asupra eitrsnetele ce ar cdea pe o suprafa a solului.

..................................................................................................................................

2.2.7.2. Comportarea liniilor electrice aeriene la

supratensiuni datorate loviturilor directe de trsnet

Calculul tensiunii care se stabilete pe izolaia liniei n cazul loviturii acesteea de ctretrsnet se poate efectua cu ajutorul unei scheme electrice echivalente cu parametri concentra iconform regulii lui Petersen (fig. 2.33), n care Z0 este impedana caracteristic a canalului detrznet, iar Z este impedana echivalent a elementelor liniei prin care se scurge ctre pmntcurentul de trznet.

Z

Z0

2U0=Z0 t iU

iz

Fig. 2.33.Schema electric echivalent pentru calcululsupratensiunilor la lovituri directe de trznet.

Se poate scrie relaia:

2U0=Z0It=( Z0+Z) i (2.155)

iar curentul la locul cderii trznetului va fi:

ZZ

Zii t +

=0

0 (2.156)

Impedana Z se determin n funcie de locul de cdere a trznetului, putnd avea maimulte situaii ce vor fi descrise n continuare.

....................................................................................................................

26

8/8/2019 TTI Curs

27/64

2.2.7.3. Protecia liniilor electrice aeriene mpotriva

supratensiunilor atmosferice

Liniile de nalti foarte nalt tensiune se prevd cu conductoare de protecie, unghiulfiind de 20-30 . Dac se pot monta dou conductoare de protecie, unghiul de protecie se ia sub

25

. La liniile de 220 kV conductoarele de protecie se leag la fiecare stlp la pmnt, iar la celede 400 kV prevzute cu dou conductoare de protecie, ntre fiecare doi stlpi se formeaz obucl nchis prin conductoarele de protecie, n care apar pierderi de energie datorit t.e.m.induse n prezena cmpului electromagnetic intens, creat n jurul conductoarelor active. Pentru aevita aceste pierderi, conductoarele de protecie se monteaz pe izolatoare untate de eclatoare,care strpung nc din faza de lider a descrcrii atmosferice sau imediat dup ce lovitura detrznet a czut pe conductor; n acest fel conductoarele de protecie trec n regim de punere la

pmnt..................................................................................................................................

2.2.8. Protecia staiilori posturilor de transformare

mpotriva supratensiunilor atmosferice

Protecia stlpilor mpotriva supratensiunilor atmosferice are o deosebit importandeoarece avariile produse de ele n staii au ca rezultat ntreruperea alimentrii consumatoriloridistrugeri de aparataj costisitor, aparatajul staiilor avnd nivelul de izolaie mai sczut dect celal liniilor.

n staii pot exista urmtoarele cauze de supratensiuni:1. undele cltoare de pe linii;2. descrcarea de trsnet n elementele staiei, pe lng paratrsnet;

3. apariia de poteniale ridicate pe impedana proprie a paratarznetului i prizei depmnt, care poate determina o aa numit lovitur invers de trsnet, reprezentndo conturnare dinspre paratrsnet spre prile conductoare ale instalaiilor.

...................................................................................................

Pentru staiile de nalt i foarte nalt tensiune, schemele principale de protecie suntreprezentate

2.2.9. Supratensiuni datorate punerii la pmntmonofazate

2.2.9.1. Supratensiunea n regim staionar

n fig. 2.47. se consider un sistem simplificat format dintr-o linie de nalt tensiunealimentat de la un generator G prin transformatorul ridictor T1 , care alimenteaz unconsumator prin transformatorul cobortor T2 .

Punctele neutre ale transformatorului sunt legate la pmnt prin reactanele xn1, xn2.Presupunndu-se c linia este de lungime mic capacitile ntre faze CCCC TRSTR ===0 i

capacitile fazelor fa de pmnt 0CCCC TSR === pot fi considerate concentrate. Dac apareo punere la pmnt pe faza R, prin metoda componentelor simetrice se ajunge la schemaechivalent din fig. 2.48 obinut prin nserierea schemelor de succesiune direct, inversi

homopolar. Schema de succesiune direct cuprinde reactana sincron a generatorului (xgd),reactana de scpri a transformatoarelor (xT1di xT2d) i reactana direct a liniei (x2d).

27

8/8/2019 TTI Curs

28/64

Schema de succesiune invers cuprinde reactanele de scpri ale generatorului (xgix1 .Dac cele dou transformatoare sunt de aceeai putere atunci: xT1h= xT2h= xT1d= xT2d= xT

.

2.2.9.2.Supratensiuni n regim tranzitoriun cazul procesului tranzitoriu este posibil s apar supratensiuni superioare celor

ntlnite n regim staionar.Pentru a le analiza se consider schema echivalent din fig. 2.51., n care inductanele L

conin inductanele transformatorului T1i ale liniei din fig. 2.47, L0 este inductana de legare la

pmnt a neutrului transformatorului ridictor, C0 este capacitatea fa de pmnt a fazelor, iar Ceste capacitatea ntre faze.

== =

= =

=

G T

Xn2

2T T

R

SC

CX

1

n1

TR

0

CRS

CST

Fig. 2.47.Schema unui sistem energetic.

= =

~E XX X X

X X X X

3X3X

X X

XC2

C

2

T

T

gd t l

gi t i

T th

Tn1 n2

Fig. 2.48.Schema echivalent a sistemului din fig. 2.47.

~

~

~

=

== =

==

R

S

T

L

L

L

L

C

C

C

lu

u

u

o

o

o

o

R

S

T

C

C

C

Fig. 2.51.

Schema echivalent a reelei n regim tranzitoriu.

28

8/8/2019 TTI Curs

29/64

Pentru simplificarea calculelor nu se ia n considerare transformatorul cobortor T2.Dac Um este amplitudinea tensiunii pe fazi faza R este pus la pmnt, atunci UR=-Um

, Us=Um/2, iar tensiunile ntre fazele sntoase i cea pus la pmnt URS=URT=3Um/2. inndcont de acestea i de faptul c diferena de potenial ntre fazele S i T este nul, se poate realizaschema echivalent din fig. 2.52.a.

Punerea la pmnt este simultan prin nchiderea ntreruptorului I din schem. n primulmoment al procesului tranzitoriu are loc o redistribuire a sarcinilor pe capacitile legate de

paralel, iar tensiunea la bornele lor se egalizeaz, avnd forma:

0

0

0

0 33

2222

32

22

CC

CCU

CC

UC

UC

U m

mm

egal ++

=+

+= (2.176)

Diferena de potenial ntre punctele Ri S (T) va fi egal cu 3Um/2, iar capacitile 2C i2C0 legate n paralel vor fi ncrcate la tensiunea Uegal.

n continuare are loc rencrcarea capacitii 2(C+C0) de la tensiunea Uegal la 3Um/2

rezultnd schema echivalent din fig. 2.52.b. Pentru aceast schem, dup nchidereantreruptorului I , se pot scrie ecuaiile:........................................................................................................................

2.2.9.3. Compensarea curentului capacitiv de punerela pmnt

Deoarece majoritatea punerilor la pmnt monofazat n reelele electrice se fac prin arcelectric, este necesar pe ct posibil reducerea curentului de punere la pmnt la locul defectului.Aceast reducere se poate realiza prin compensarea componentei capacitive a curentului cu uncurent inductiv dat de o bobin de reactan instalat ntre punctul neutru al reelei i pmnt

(fig. 2.53.).

=

= =

RL L

L/2 L/2

L L

C

lU U

U U

o o

o

m m

m/2 m/2

2C 2(C+Co)=2Co

- -

3Um/2UegalUm/2

i

i1

oi l'

u

a) b)

Fig. 2.52.Schema echivalent n ipoteza punerii la mas la

trecrea prin maxim a tensiunii: redistribuireasarcinilor (a) i rencrcarea capacitii 2 (C+C0) (b).

= = =

T

S

Rr

L

I

II

C C Co

o

b pp

o o o

Fig. 2.53.Compensarea curentului capacitiv cu bobin de reactan.

29

8/8/2019 TTI Curs

30/64

n regim normal de funcionare, potenialul punctului neutru fa de sol este nul, deci prinbobina de stingere nu trece curent. Dac o faz este pus la pmnt, potenialul neutrului fa depmnt devine egal cu tensiunea de faz (Uf) i prin bobina de stingere trece curentul:

( )20000

00 Lr

LjrU

Ljr

UI f

f

b

+

=

+= (2.184)

care se nchide prin locul punerii la pmnt.Considernd c 2

8/8/2019 TTI Curs

31/64

8/8/2019 TTI Curs

32/64

Ele apar n regimul permanent ce se stabilete dup amortizarea oscilaiilor libere. ngrupa supratensiunilor temporare intr:

- supratensiunile puternic amortizate, a cror amplitudine iniial poate fi de 2-3 ori mai maredect amplitudinea tensiunii pe faz, dar care continu pe o durat de 2-3 perioade,c u o formsinusoidal avnd valoarea relativ egal cu 1,4;

- supratensiunile dinamice, ce se amortizeaz de obicei asimetric i au o valoare relativ cuprinsntre 1,5 -2,0; durata acestor supratensiuni poate atinge 30 perioade;

- supratensiunile ce apar la conectarea unei linii prevzute cu un transformator la capt; au formaunor unde sinusoidale, de aceeai frecven cu frecvena sursei, putermic deformate, valoarearelativ fiind: 1,4-2,0.

ntre valorile de vrf ale supratensiunilor i amplitudinea tensiunii pe faz n regimnormal se pot scrie relaiile:

fmfmsstmsm UKUKUKU ===..

(2.194)

unde:

Um - valoarea de vrf a tensiunii fa de pmnt n timpul procesului tranzitoriu;

Ustm - amplitudinea tensiunii de regim staionar;

Ufm - amplitudinea tensiunii de serviciu pe faz;

- coeficient de oc;.

sK

Kst- factor al supratensiunii temporare;

K- factor de supratensiune.

Factorul se supratensiune temporar depinde de structura i parametrii reelei, n aceleaicondiii pstrndu-i valoarea. Coeficientul de oc are ns un caracter statistic, dispersiavalorilor fiind legat de dispersia momentelor de singere sau aprindere ale arcului electric ntrecontactrele ntreruptorului, de dispersia momentelor conectrii diferitelor faze etc.

El reprezint raportul ntre valoarea de vrf asupra tensiunii i amplitudinea componenteiforate.

2.3.2. Supratensiuni la deconectarea circuitelorcapacitive

2.3.2.1. Supratensiuni la deconectarea sarcinilor

capacitive monofazate

Deconectarea sarcinilor capacitive poate fi studiat n urmtoarele situaii:

fr reamorsare de arc electric i fr smulgere de curent; cu reamorsare de arc electric, dar fr smulgere de curent; cu reamorsare de arc electric i cu smulgere de curent...

32

8/8/2019 TTI Curs

33/64

2.3.2.2. Supratensiuni la deconectarea sarcinilor

capacitive trifazate

Schema electric corespunztoare deconectrii unei baterii trifazate de condensatoare esteprezentat n fig. 2.57. a.

Se consider c dup separarea elementelor, de contact, separare acceptat ca fiindsincron pe cele trei faze, conducia electric n ntreruptor, este asigurat de arcul electric.

ntreruperea electric are loc mai nti la polul n care curentul trece primul prin valoareazero. Defazat n ntrzierea cu 900 se realizeaz, simultan, ntreruperea pe polii 2 i 3.Condensatorul de pe faza 1 se ncarc la tensiunea E i rmne astfel ncrcat i dupntreruperea pe faza 1, care dureaz un sfert de perioad, pn n momentul ntreruperii pe fazele2 i 3. Acest lucru se observ din diagrama fazorial din fig.2.57. b i diagrama valorilorinstantanee din fig.2.58., potenialul punctului 0 crescnd de la valoarea zero la valoarea E/2.

Fig.2.57.

Deconectarea unei sarcini capacitive trifazate:

Schema electric a i dia rama a orial b

Pentru schema electric din fig. 2.57 a se poate scrie:

ONUIZE += 232 (2.202)

unde: formulON

U - este tensiunea punctului C fa de pmnt, iar formul2

23

23

EI =

Din relaia (2.202) se obine 15,0 EUON = .

Pentru polul 1 tensiunea de restabilire u1 se obine prin nsumarea tensiunii ONU , cu o

tensiune normal de restabilire n regim monofazat cu amplitudinea E2 , rezultnd n final otensiune de 2,5 (fig. 2.58).E

Dup deconectarea electric pe faza 1 rezult c o baterie de condensatoare de capacitateC/2 este supus tensiunii E3 . ntreruperea are loc la trecerea curentului i23 prin zero, adic la un

defazaj n ntrziere cu2

fa de trecerea curentului prin zero n faza 1. ntreruperea are loc

simultan n polii 2 i 3 care sunt parcuri de acelai curent i23.

33

8/8/2019 TTI Curs

34/64

Tensiunile de restabilire u2 i u3 atingnd valoarea maxim E3 , deoarece valoarea

maxim aplicat polilor 2 i 3 este E32 .

...............................................................................................................................................

2.3.2.3. Supratensiuni la deconectarea liniilor electrice

aeriene n gol

Comutaia liniilor electrice aeriene n gol este asemntoare din punct de vedere alfenomenelor generate cu deconectarea bateriilor de condensatoare.

Deconectarea liniilor electrice aeriene n gol se caracterizeaz prin:

- efectul Ferranti i oscilaia liniei de frecvena fundamental, n cazul lipsei reamorsriiarcului electric la ntreruptor;

- efectul Ferranti i oscilaia liniei pe un numr mare de frecvene, n cazul reamorsriiarcului electric n ntreruptor.

n cele ce urmeaz se va urmri oscilaia liniei pe frecvena fundamental. EfectulFerranti apare sensibil la liniile aeriene, care funcioneaz n gol, cu o lungime mai mare de 200

km i const n creterea tensiunii liniei la extremitatea liber n raport cu tensiunea dealimentare.

.................................................................................................................................................

2.3.3. Supratensiuni la deconectarea sarcinilor mici inductive

Deconectarea sarcinilor mici inductive, cum sunt transformatoarele n gol, poate conducela ntreruperea arcului electric nainte de trecerea curentului n mod natural prin valoarea zero.Aceast ntrerupere are drept consecin formarea de supratensiuni care solicit nu numai izolaiantreruptorului, dari izolaia ntregii instalaii.

...........................................................................................................................................

i1

e1

e

i

u

i

e

u

i

u

3

3

3

2

2

2

23

1

t

tU

0,5

E

/2

3

E

3

E

/6

t

t/6

Fig.2.58.

Diagramele fazoriale pentru deconectarea sarcinilor capacitive

34

8/8/2019 TTI Curs

35/64

2.3.4. Supratensiuni la conectarea n gol a liniilor

electrice aeriene

n calculul analitic al acestor supratensiuni se fac dou ipoteze principale:

- se presupune c cele trei faze ale ntreruptorului sunt conectate simultan;- se neglizeaz rezistena i conductana liniei (R0 = G0 = 0).

Schema monifiliar a conectrii unei linii n gol este cea din fig. 2.71 a. n fig.2.71 b. estereprezentat schema echivalent prin cuadripol n T, la care supratensiunea la captul n gol alliniei este identic tensiunii de la bornele capacitii Ce.

Pentru linii de lungime medie (200-300 km), se obin rezultate destul de exacte cu aceastmodelare prin cuadripol T, calculele fiind efectuate pr echema din fig. 2.71 c.

Pentru linii mai lungi (300-400 km) se obin rezultate mai exacte utiliznd o modelare detip (fig.2.72).

n fig. 2.71 b. e reprezentat schema echivalent obinut n urma transfigurrilorobinuite regimului armonic permanent.

n aceast schem s-au notat:

Fig.2.71. Modelarea liniei prin

cuadripol n T

Fig.2.72. Modelarea liniei princuadripol

..............................................................................................................................

2.3.5. Supratensiuni la deconectarea motoarelor de nalt

tensiune

Deconectarea de la reea a motorului asincron, n gol sau cu o sarcin redus fa de ceanominal, ridic probleme specifice ntreruperii curenilor, mici inductivi. Trebuie s se in

seama de existena tensiunii electromotoare induse n statorul mainii ca urmare a faptului c nrotor curentul nu poate lua brusc valoarea zero. Exist mai multe cazuri de considerare:

.

35

8/8/2019 TTI Curs

36/64

Supratensiuni rezultate la deconectarea

avariilor anormale ale ntreruptoarelor

2.3.6.1. Deconectarea n opoziie de faz

Deconectarea n opoziie de faz este ntlnit n reelele de nalt tensiune,interconectate, alimentate de cel puin 2 centrale. Acest proces este studiat pe schema electricmonofazat din fig.2.76.

Ca urmare a deconectrii ntreruptorului, care asigur funcionarea n paralele a celordou generatoare, tensiunea de restabilire la frecvena industrial poate atinge valori de 2Un,unde Un este tensiunea nominal a reelei.

.

n regim trifazatopoziia de faz depinde de:

- poziia relativ dintre cele dou sisteme (gradul de opoziie)

- tratarea neutrului (punerea sau nu la pmnt);

- eventualele defecte din reea.

........................................................................................................

2.3.6.2. Defectul kilometric

Defectul kilometric apare pe linie i const n apariia unui scurtcircuit, nu imediat dupntreruptori nici la captul circuitului, ci undeva pe linie la civa km de ntreruptor, dup cumse indic n fig. 2.81. a i b.

Reeaua s-a reprezentat prin sursa de curent alternativ u, rzistena R1, inductivitatea L1,capacitatea C1, iar linia scurtcircuitat la un capt, prin inductivitatea L2, rezistena R2 icapacitatea C2. n fig. 2.81. c cu linie plin s-a trasat nivelul tensiunilor dup ridicareascurtcircuitului i amortizarea fenomenelor tranzitorii.

La durata scurtcircuitului valoarea de vrf a tensiunii la ambele borne ale ntreruptoruluieste U0, tensiunea punctului de scurctcircuit este nul, iar tensiunea sursei se menine practicconstant la valoarea de vrfU .

36

8/8/2019 TTI Curs

37/64

Fig.2.81.

Defectul kilometric

............................................................................................................................................

.2.3.6.3. Defectul evolutiv

Defectul evolutiv este un defect de scurtcircuit ntre o fazi pmnt sau ntre dou faze,ca urmare a supratensiunilor produse la deconectarea sarcinilor mici inductive sau capacitive.ntreruptorul se conecteaz n prima etap un curent mic inductiv sau capacitiv, iar n etapa adoua un curent de scurtcircuit. innd seama de probabilitatea redus de apariie a defectuluievolutiv, se admite ca valoarea curentului de scurtcircuit, care se deconecteaz la defectulevolutiv, s fie de 60% din valoarea curentului de scurtcircuit la verificarea normal a capacitiide deconectare.

2.3.7. Metode de determinare a supratensiunilorinterne

Complexitatea i diversitatea problemelor privind supratensiunile interne au necesitatabordarea studiului acestora prin diferite metode. Metodele directe de determinare asupratensiunilor prin ncercrile n sistem permit obinerea unor rezultate exacte pentruconfiguraiile i situaiile luate n considerare, ns generalizarea rezultatelor pentru alte sistemesau analizarea influenei diferiilor parametri n diferite condiii, ete limitat.

Calculele analitice prezint avantajul unor posibiliti largi de analiz a diferitelor situaii,

prin varierea, n limite mari, a valorilor diferiilor parametri.Pentru efectuarea calculului analitic se consider un model matematic. Rezultateleobinute cu ajutorul acestui model matematic permit studiul dezvoltrii n timp a fenomenului,domeniul de existen, limitele de variaie a unor mrimi etc.

Utilizarea calculatoarelor electronice d posibilitatea considerrii unui model matematicdezvoltat care s cuprind un numr mare de parametri.

Soluia corect a unei clase largi de fenomene tranzitorii din reelele electrice nu se poatedetermina opernd cu mrimi determinate. De aceea se utilizeaz teoria probabilitilor i astatisticii matematice care permite considerarea unui ansamblu suficient de mare de parametri.Cu ajutorul teoriei probabilitilor se stabilesc caracteristicile statistice ale unor mrimi aleatoaren funcie de caracteristicile statistice ale altor mprimi, dnd astfel posibilitatea ca rezultateleobinute pentru o clas de fenomene s poat fi generalizate pentru alte clase de fenomene, daccaracteristicile statistice sunt echivalente.

37

8/8/2019 TTI Curs

38/64

Utilizarea unui model probabilistic i studierea pe aceast cale a supratensiunilor interne,presupune cunoaterea caracteristicilor statistice ale mrimilor cu care se opereazi din aceastcauz nu se poate totdeauna aplica.

Cu ajutorul calculatoarelor digitale se poate efectua studiul regimurilor tranzitorii n cazulunor sisteme suficient de complexe. Se pot face generalizri teoretice sau cu caracter aplicativdatorit posibilitii de a varia n limite largi diferii parametrii.

Studiul regimurilor tranzitorii este comod cu ajutorul calculatoarelor analogice, darconsiderarea unei scheme mai complicate este limitat de numrul de elemente operaionale decare dispune calculatorul.

2.3.7.1. Utilizarea modelului analogic pentru studiulsupratensiunilor

Prin posibilitatea considerrii unui numr mare de cazuri ca i prin poosibilitatea variaiein limite largi a parametrilor, modelul analogic, reprezint un auxiliar de calcul deosebit de util.Pentru ca rezultatele obinute s fie suficient de exacte, este necesar reprezentarea corect aelementelor sistemului, care s ia n considerare dependena de frecven a unor parametri. Cu

ajutorul modelului analogic se poate efectua de asemenea, studiul supratensiunilor lund nconsiderare caracterul aleatoriu al unor mrimi de stare sau a fenomenelor care intervin n studiulefectuat.

1 2

3

4

Fig. 2.84.Schema bloc a modelului unei

re ele

Modelul fizic pentru studiul supratensiunilor, interne ntr-o reea, numit i analizortranzitoriu de reea are schema bloc din fig. 2.84. unde:

1. este modelul sursei de alimentare;

2. modelul ntreruptorului;3. blocul de comand al ntreruptorului sincronizat cu sursa de alimentare;

4. modelul de linie.Linia se modeleaz printr-un lan de cuadripoli trifazat, fiecare cuadripol coninnd

elemente de secven directi homopolar (fig.2.85.)

= =

=

= = =

r

r

r

r - rh d3

Ch

2

C - Cd h

6==

=

= ==

L

L

L - L Ch

2

C - Chd

6

h d3

L

Fig.2.85.Schema modelului unuitronson de linie

Deoarece linia se presupune simetric, modelarea liniei trifazate se poate considerareseparat, pe fiecare faz.

38

8/8/2019 TTI Curs

39/64

........................................................................................................................

2.3.7.2. Utilizarea calculatorului analogic n calcululsupratensiunilor

Modelarea fenomenelor pe un calculator analogic presupune modelarea ecuaiilor

difereniale care descriu fenomenul studiat, ceea ce presupune modelarea fiecrui element dinreea cu elemente conexe. n cazul liniilor lungi, linia se consider format dintr-un lan decuadripoli, n numr suficient d emare. n cazul unei structuri discrete, ecua iile telegrafitilor deordinul I se scriu n forma:

+=

+=

+

dt

duCugii

dt

diLiruu

k

ckckk

k

ckckk

1

1

(2.263)

n acesre relaii parametrii liniei avnd indicele c, se refer la cuadripol.Explicitnd derivatele n raport cu timpul se obine:

( )

( )

=

=

+

k

c

c

kk

c

c

k

c

c

kk

c

k

uC

gii

Cdt

du

iL

ruu

Ldt

di

1

1

1

1

(2.264)

Adugnd condiiile la limit i considernd condiiile iniiale nule, se poate trece laalctuirea schemei electrice pe calculatorul analogic.

.....................................................................................................................

2.3.7.3. Utilizarea calculatorului numeric n calculul

supratensiunilor

Calculatorul numeric (digital) constituie, de asemenea, un instrument eficace de calcul aproceselor, tranzitorii generatoare de suprateniuni i se recomand ndeosebi n cazul unor sistmenu foarte complexe. Pentru sistem complexe efectuarea calculelor cu ajutorul calculatoarelordigitale necesit un timp relativ mare. Se pot iniia programe de calcul pentru simularea practic aoricrui tip de echipament. Pentru asigurarea unei precizii de calcul pe un calculator numeric,este necesar s se stabileasc o bun concordan ntre parametri modelului matematic i celreal. Sub acest aspect trebuie s se in seama de dependena de frecven a unor parametri, decaracteristicile de magnetizare ale transformatoarelor su reactoarelor, de caracteristica neliniar adescrctoarelor. n unele cazuri este de dorit s se considere caracterul aleatoriu al unor

fenomene sau mrimi, momentul conectrii sau deconectrii ntreruptorului, tesniunea deamorsare a descrctoarelor, faza tensiunii n momentul apariiei unui scurtcircuit, etc.

La alctuirea algoritmului de calcul exist dou tendine:- utilizarea metodei Bergeron privind undele de pe linii i rezolvarea ecuaiilor diferenialereferitor la condiiile la limit;- utilizarea metodei undelor cltoare i a reflexiilori refraciilor succesive n nodurile reelei;

Sistemul de ecuaii difereniale se rezolv n acest caz prin metode numerice (Runge-Kutta i variante).

Calculul se poate mpri n dou pri distincte:- calculul propagrii undelor cltoare pe linii fr formare (liniile se comport ca elemente dentrziere);- calculul tensiunilor n noduri, prin rezolvarea numeric a sistemeelor de ecuaii diferenialecorespunztoare.

39

8/8/2019 TTI Curs

40/64

Exactitatea calculelor efectuate depinde de pasul ales care este funcie de frecvenamaxim a spectrului fmax.

Practic se recomand ca acest pas s aib o durat de circa patru ori mai mic dectconstanta de timp a circuitului real sau este necesar ca t < 1 /(2 fmax).

Pentru supratensiuni intrene fmax = 10 kHz, dect t < 50 s care se poate simplifica dacse nlocuires aceste elemente cu poriuni de linie fictiv cu impedana caracteristic diferit,

duncie de valoarea elementului respectiv i de mrimea pasului de calcul ales. Astfel, pentru olinie electric cu impedana caracteristic Z

C

L= , viteza de propagare

LCv

1= ,

inductivitatea totali capacitatea total fa de pmnt vor fi:

tZv

CCtZv

ZLL

t=====

llll

1; (2.265)

unde: t este timpul de propagare pe linie.Pentru calculul proceselor de propagare este necesar s se calculeze coeficienii de

refracie n fiecare nod j al schemei, corespunztor liniei care l leag de nodul i:

=j

ij

ij

Y

Y2 (2.266)

unde Yij este admitana caracteristic a liniei ntre nodurile i i j, iar Yj este admitanacaacteristic a nodului j.

Tensiunea n nodul j : Uj = ij Uij, iar tensiunile reflectate ctre celelalte noduri: Uji = Uj- Ui.

Pentru calculul tensiunii n nodurile cu transformatoare descrctoare, se folosescsubprograme corespunztoare.

40

8/8/2019 TTI Curs

41/64

CAPITOLUL III

COORDONAREA IZOLAIEIAPARATAJULUI ELECTRIC

3.1. CONSIDERAII GENERALE

Limitarea supratensiunilor care pot aprea ntr-o instalaie electric este posibil prin practicarea de msuri tehnice privind reducerea funcional a supratensiunilor i prin msuriprivind coordonarea izolaiei. Msurile tehnice ce pot fi luate n special n instalaiile cu tensiunifoarte mari sunt:

- compensarea liniilor prin metoda transversal (bobine) sau longitudinal(condensatoare);

- echiparea ntreruptoarelor cu rezistene serie pentru conectarea liniilor electrice;- testarea polaritii fazei la nchiderea ntreruptorului;

- echiparea liniilor electrice aeriene cu fire de gard i a staiilor cu paratrzneteFranklin.

Coordonarea izolaiei cuprinde un ansamblu de msuri privind dimensionarea izolaieiechipamentului electric pentru a realiza n mod economic o protecie supratensiunilori n scopulasigurrii continuitii n serviciu a unei instalaii electrice.

Coordonarea izolaiei reprezint un sistem coerent de raionamente care se dezvolt netape, prin aproximaii succesive. Punctul de plecare l reprezint o ipotez de lucru care este osolicitare estimat ntr-o reea dat asupra unui aparat sau tip de aparat. n aceste condiii se alegeizolaia care sin la aceast solicitare, cu eventuala prezena a unui echipament de protecie. Se

poate astfel cerceta coerena ansamblului: aparat - dispozitiv de protecie - solicitare, pentru toatetipurile de und. Se iau apoi n considerare, succesiv, celelalte aparate ale reelei, analizndu-sesuccesiunea mrimilor: solicitri - tensiuni de inere - coeficieni de siguran. Se construiete peaceast cale un sistem coerent de izolaii pentru echipamentele unei reele, apreciindu-sesensibilitatea soluiilor, din punct de vedere economic sau al coeficienilor de siguran, lavariaia diverselor ipoteze.

Pentru coordonarea izolaiei trebuie s se in seama deci, pe de o parte, de condiiile ncare echipamentul i instalaiile i menin izolaia, iar pe de alt parte, de caracteristiciledispozitivelor de protecie.

Principalele msuri care se preconizeaz n cadrul coordonrii izolaiei sunt:a) Introducerea descrctoarelor electrice, care au rolul de a limita supratensiunile

atmosferice i de comutaie ntr-o instalaie electric. Descrctoarele electrice sunt

aparate cu un nivel de izolaie inferior echipamentelor din instalaie, concepute iniialpentru a face fa, supratensiunilor de origine atmosferic dar care prin perfecionriconstructive au ajuns s aib o capacitate termic suficient pentru a face fa isupratensiunilor de comutaie.

b) Stabilirea unor nivele de tensiuni, la care se ncearc echipamentul nainte de a fimontat n instalaie, de forma: 1,2 / 50 s ; 250 / 2500 s i la frecvena industrialde 50 Hz sau 60 Hz. Dup cum se observ, alegerea unui ansamblu de izolaii idispozitive pentru un anumit sistem reprezint stabilirea unui optim pentru etaparespectiv tehnici de exploatare a sistemului.

Odat cu evoluia substanial a mijloacelor de protecie, datorit progresului tiinific itehnic a unor variaii brute n costul anumitor materiale i dispozitive de protecie, soluia

optim evolueaz.

41

8/8/2019 TTI Curs

42/64

3.2. NIVEL DE INERE. NIVEL DE PROTECIE

Publicaia CEI 71 definete condiiile de meninere a izolaiei prin doi parametri:- nivelul de inere la impuls, care este valoarea de vrf a tensiunii de impuls;- valoarea efectiv a tensiunii alternative, la frecvena industrial, aplicat timp de un

minut.Cei doi parametri determin nivelul de inere al izolaiei.n stadiul actual al dezvoltrii cunotinelor n privina intervalelor izolante, nu se pot

deduce relaii teoretice asupra acestor comportri, motiv pentru care se face apel la ncercri delaborator.

Pe baza acestor ncercri se deduc proprietile izolaei.innd cont de aspectul probabilistic al ncercrilor, pentru nivelul de inere la impuls

trebuie s se defineasc de fapt trei categorii de nivele de inere:- nivelul statistic de inere, respectiv valoarea de vrf a tensiunii aplicate n cadrul

ncercrii pentru care probabilitatea de inere este de 90%.Aceast categorie de nivel de inere se aplic numai izolaiilor autoregenerative.

- nivelul convenional de inere reprezentnd valoarea de vrf a tensiunii aplicate ncadrul ncercrii pentru care la aplicarea unui numr precizat de impulsuri izolaia nueste sediul nici unei descrcri, numrul de impulsuri i condiiile de aplicare; suntdiferite impulsuri i condiiile de aplicare sunt diferite dup natura intervalului izolantanalizat. Acest concept se aplic n general izolaiilor neutogenerative.

- nivelul normal de inere reprezentnd valoarea de vrf a tensiunii, prescris denorme n ceea ce privete ncercrile de inere. n funcie de tipul izolaiei, ncercrilede izolaie au drept scop s verifice, de la caz la caz, dac nivelul statistic sauconvenional de inere la impuls este cel puin egal cu nivelul nominal de inerela impuls.

Nivelul de inere cuprinde ntregul echipament electric cu excepia izolatoarelor liniiloraeriene, cablurilori dispozitivelor de protecie. Pentru aceast izolaie se prescrie tensiunea lacare exist 0% conturnri sau strpungeri.

Nivelul de protecie este realizat cu ajutorul descrctoarelori eclatoarelor de protecie. Nivelul de protecie se stabilete ca fiind cea mai mic tensiune la care exist 100%

amorsri ale descrctoarelor sau eclatoarelor.Reprezentnd, n coordonate U- t, nivelul de inere i nivelul de protecie, este de dorit ca

plaja curbelor de protecie s fie sub cea a curbelor de inere. Nu se recomand ns nici nivelede inere i de protecie prea ridicate pentru c duc la scumpirea izolaiei.

Diferena ntre nivelul de inere i nivelul de protecie este cam de 15 - 20% datoritcaracterului probabilistic al descrcrilor.

Pentru nivelul de inere la impuls i de protecie sunt prevzute valori diferite n funciede modul de tratare a neutrului reelei. n cazul neutrului legat efectiv la pmnt se dau valoriatt pentru izolaia plin ct i pentru izolaia redus. n cazul neutrului legat neefectiv la pmntcorespund valorile pentru izolaie plin.

ncepnd cu tensiunea de 400 kV se consider c se utilizeaz numai echipamente cuizolaie redus, aceast soluie prezentnd importante avantaje economice.

Nivelele de inere servesc la definirea nivelului de izolaie nominal pentru un intervalde echipament dat.

Definirea acestuia este diferit n funcie de tensiunea de funcionare cea mai ridicat aechipamentului. Cnd aceast tensiune este sub valoarea de 300 kV nivelul de izolaie nominalse compune din nivelul nominal de inere la impuls 1,2 / 50 s i nivelul de inere la

frecven industrial, iar cnd depete valoarea de 300 kV, nivelul de izolaie nominal estecaracterizat de nivelele nominale de inere la impulsuri 1,2 /50 s i 250 / 2500 s.

42

8/8/2019 TTI Curs

43/64

Corelarea nivelelor de protecie i de inere la impuls se face n direct dependen cucaracteristicile aparatelor de protecie. Astfel n cazul uti