SOLICITARI ELECTRICE IN APARATE

SI INSTALATII ELECTRICE

Solicitarea electrica apare asupra unui izolant electric atunci cand doua regiuni ale sale se afla la potentiale diferite. Tensiunea aplicata intre cele doua regiuni tinde sa formeze o cale conducatoare de curent, fie prin strapungere, fie prin conturnarea izolantului. Se numeste strapungere formarea unui canal conducator de electricitate (fig.1) prin interiorul unui izolant solid, lichid sau gazos, iar conturnarea reprezinta formarea unui canal conducator pe suprafata unui izolant solid.

Fig. 1 Solicitarea izolatiilor

Cauzele solicitarilor electrice sunt supratensiunile ce solicita aparatele si instalatiile electrice si pot fi clasificate in:

- supratensiuni de origine atmosferica;

- supratensiuni datorate descarcarilor electrostatice;

- supratensiuni de comutatie;

- supratensiuni temporare (la frecventa industriala).

1 SUPRATENSIUNI IN RETELE ELECTRICE

Instalatiile electrice functioneaza la o tensiune nominala U_n. Aceasta functionare implica o solicitare dielectrica prin campului electric la care-i supus materialul izolant, solicitare produsa de valoarea de amplitudinea tensiunii nominale. La aparitia unei supratensiuni intr-o instalatie, campul electric creat depaseste valoarea produsa de amplitudinea tensiunii nominale si exista riscul strapungerii izolatiei. Problema care se ridica este cum putem dimensiona izolatia echipamentelor si instalatiilor electrice astfel incat sa reziste la solicitarile supratensiunilor ? Supratensiunile, conform prezentarii din acest capitol functie de tipul lor, au valori ale amplitudinii intr-o gama foarte mare. Intrebarea logica este la ce valoare a tensiunii trebuie sa reziste izolatia in scopul asigurarii continuitatii in serviciu a instalatiei sau echipamentului electric? O supradimensionare excesiva a izolatiei echipamentelor si instalatiei nu-i economica si totodata imposibila de realizat pentru toata gama de supratensiuni in special a celor de origine atmosferica. Nu ar fi mai economic dimensionarea pana la un anumit nivel de tensiune a instalatiei electrice in corelare cu practicarea unor masuri de reducere a supratensiunilor? Raspunsul la aceasta intrebare este afirmativ si poarta denumirea de coordonarea izolatiei ce cuprinde un ansamblu de masuri privind dimensionarea izolatiei echipamentelor electrice pentru a realiza in mod economic o protectie impotriva supratensiunilor si in scopul asigurarii continuitatii in serviciu a instalatiei electrice. Am ajuns astfel la alta intrebare: care este nivelul de tensiune cel mai economic si cum il obtinem? Raspunsul rezida din analiza supratensiunilor si caracterizarea acestora functie de amplitudine si durata. Raportand amplitudinea cea mai mare a supratensiunii la amplitudinea tensiunii nominale putem defini factorii de supratensiune. Clasificarea supratensiunilor pe categoriile prezentate (temporare ,comutatie, atmosferice) a fost realizata functie de factorii de supratensiune dar si de durata frontului. Analiza fiecarei categorii de supratensiune functie de factorii de supratensiune si durata acesteia poate determina severitatea solicitarii .

1.1 Nivelul supratensiunilor temporare

Supratensiunile temporare denumite si supratensiuni la frecventa industriala au cauze diverse, dar pot fi rezumate si caracterizate prin factori de supratensiune redusi (< ) si durata ridicata (> 1secunda). Dintre cele mai frecvente cauze ale acestor supratensiuni amintim:

Punerea la pamant a unei faze conform figurii 2 solicita izolatia dintre faza si pamant de pana la ori.

.

Fig. 2 Punerea la pamant a unei faze

Punerea la pamant a unei faze functie de modul de tratare al neutrului poate fi un scurtcircuit a carui durata este mai mare de o secunda motiv pentru care solicitarea electrica a izolatiei dintre faza si pamant este caracterizata numai prin factorul de supratensiune. Supratensiunea ce apare intre faza si pamant depinde de modul de tratare al neutrului, altfel spus de valoarea reactantei homopolare. Notand raportul reactanta homopolara X_o pe reactanta directa X_d prin factorul k=X_o/X_d, atunci se poate defini solicitarea dielectrica (severitatea acesteia)

  (1)

ce pentru:

• retelele cu neutru izolat:

X_o= (Z_n=) si S_s= (2)

• retelele cu neutru legat direct la pamant:

X_o=X_d (Z_n=0) iar S_d= 1.  (3)

• in cazul general al retelelor electrice X_o< 3 X_d , iar severitatea dielectrica are valoarea S_d= 1,25 (4)

In concluzie punerea la pamant a unei faze se caracterizeaza printr-o durata mai mare de o secunda si un factor de supratensiune cuprins intre 1< S_d <

efectul Ferranti

Liniile electrice (cabluri sau linii aeriene) constituie sarcini capacitive la functionarea lor in gol. Conductoarele liniilor avand potentiale diferite sunt parcurse de curenti capacitivi ce se inchid prin dielectricul dintre conductoare sau dintre conductoare si pamant. Trecerea curentului capacitiv prin reactanta inductiva a bobinei produce la extremitatea libera a liniei o tensiune mai mare in raport cu tensiunea de la extremitatea de alimentare (Efect Ferranti). Acest efect apare numai in cazul liniilor electrice lungi (sute de Km) intrucat inductivitatea specifica este redusa (0,05-0,1 mH/m pentru cabluri). In cazul liniilor electrice aeriene reactanta lineica in W/Km este pentru linii cu conductoare multiple de ordinul 300 W/Km.

Considerand linia de transport un cuadripol in p, conform figurii 3, tensiunea extremitatii libere U₃ poate fi exprimata functie de tensiunea extremitatii de alimentare U₂ din ecuatiile generale ale cuadripolului:

(5)

Pentru simplitatea calculelor, in determinarea supratensiunii ce solicita extremitatea libera a liniei poate fi considerata linia fara pierderi (fig. 13b). In acest caz avem:

- ; (6)

- ; (7)

- ; (8)

- . (9)

Impunand ecuatiilor cuadripolului conditia de functionare in gol (I₃=0), deducem factorul de supratensiune: (10)

Linia fiind cu extremitate libera pe care se propaga unda electromagnetica de lungime (T=20 ms), cu cat lungimea liniei se apropie mai mult de valoarea cu atat cresterea de tensiune este mai pronuntata.

Fig.3 Efectul Ferranti

Simuland numeric alimentarea cuadripolului de la o sursa de tensiune alternativa cu frecventa de 50 Hz si oscilografiind tensiunea in cele doua extremitati, rezulta o crestere mai pronuntata a tensiunii U₃ cu cat inductivitatea L este mai mare.

Fig. 4. Simularea numerica a efectului Ferranti

Comutarea acestei linii (inchiderea sau deschiderea)este insotita intotdeauna de supratensiuni ce solicita intreruptorul. Factorul de supratensiune total definit ca raport intre tensiunea la extremitatea libera si tensiunea sursei poate fi determinat din relatia:

(11)

conducand la: (12)

Cazul functionarii in gol a liniilor electrice apare foarte rar si, in special, il intalnim dupa un scurtcircuit cand actioneaza Reanclansarea Automata Rapida (R.A.R.). Pentru determinarea factorilor de supratensiune se cupleaza in ambele extremitati ale liniei reactante inductive pentru a face curentul, chiar la functionarea in gol a liniei, sa aiba un caracter inductiv.

In concluzie, efectul Ferranti are un factor de supratensiune

  (13)

ce, in cazul retelelor electrice cu lungimea de 300Km are valoarea 1,05 iar la o lungime de 500 Km are valoarea de 1,16. Durata supratensiunii este mai mare de o secunda .

Ferorezonanta este rezultatul rezonantei aparute intre capacitatea liniei si inductivitatea unei bobine cu miez de fier saturate cum ar fi bobina unui transformator electric conform figurii 5 . Unei tensiuni e a sursei de alimentare ii corespund trei valori ale curentului I marcate cu M,N P Functionarea la ferorezonanta (punctele N sau P) unde u_l=u_c conduce la existenta unor tensiuni pe elementele reactive (capacitatea este a retelei ) independente de valoarea tensiunii sursei si mult mai mari decat aceasta . Raportul tensiune pe condensator pe tensiunea sursei defineste solicitarea electrica a retelei ce poate atinge valoarea 2

Fig 5 Ferorezonanta

1.2 Nivelul supratensiunilor de comutatie

Cauza supratensiunilor de comutatie o constituie schimbarea brusca a structurii retelei rezultat al scurtcircuitelor ce conduce la nivele de tensiuni diferite in general foarte joase. Deconectarea scurtcircuitelor este intotdeauna insotita de aparitia tensiunii tranzitorii de restabilire caracterizata printr-o amplitudine mult mai ridicata si oscilatii pe frecvente superioare.

La o incarcare normala a retelei cu un factor de putere k_p=P/S mai mare de 0,7 nivelul supratensiunii (amplitudinea) este puternic atenuat din cauza caracterului rezistiv (P ridicat) al retelei. In acest caz, factorul de supratensiune are valori cuprinse intre 1,2-1,5 cu probabilitatea atingerii valorii 2 (factorul de oscilatie al tensiunii tranzitorii de restabilire impune nivelul supratensiunii) si frecvente de oscilatie cuprinse in gama 250-500 Hz

La curenti redusi de incarcare a retelei caderea de tensiune rezistiva este neglijabila si se manifesta reactanta liniei(C₂ si L₂) ce poate intra in rezonanta cu reactanta aparatului de comutatie. Rezonanta se caracterizeaza prin aparitia supratensiunilor cu frecventa proprie de oscilatie dependenta de tipul aparatului de comutatie, frecventa suprapusa undei de frecventa industriala. Spre exemplificare se prezinta in figura 6 deconectarea unei sarcini inductive L₂ de un aparat de comutatie ce prezinta inductivitatea proprie L_p1 si capacitatea proprie C_p1.Frecventa de oscilatie a circuitului D- Lp₁-C_p1 este de ordinul MHz,

(14)

a circuitului secundar D-C₁ -L_o-C_{2 ,} este intre 100-500 kHz

  (15)

iar a intregului circuit este cuprinsa intre 5-20 kHz

(16)

Dintre cele mai periculoase cauze ale acestor supratensiuni in retelele de medie si inalta tensiune amintim:

Defectul in linie, numit si defect kilometric, consta in aparitia unui scurtcircuit, nu imediat dupa intreruptor, ci pe o linie la cativa km de intreruptor dupa cum se indica in figura 7 b. Reteaua s-a reprezentat prin sursa de curent alternativ de tensiune u, rezistenta R₁, inductivitate L₁, capacitate C₁, iar linia scurtcircuitata la un capat prin inductivitatea L₂, rezistenta R₂ si capacitatea C₂. In figura 7c, cu linie plina s-a trasat nivelul tensiunilor efective pe durata scurtcircuitului, iar cu linie punctata - nivelul tensiunilor dupa ridicarea scurtcircuitului si amortizarea fenomenelor tranzitorii.

Pe durata scurtcircuitului valoarea de varf a tensiunii la ambele borne ale intreruptorului este u₀, tensiunea punctului de scurtcircuit este nula, iar tensiunea sursei se mentine practic constanta la valoarea de varf .

Fig. 7. Defectul in linie.

Dupa intreruperea curentului de scurtcircuit, tensiunea bornei 2 a intreruptorului oscileaza, tinzand catre valoarea zero iar tensiunea bornei 1 oscileaza, tinzand catre valoarea . Tensiunea oscilanta de restabilire intre bornele 1 si 2 este u_{1, 2} = u₁ - u₂ si constituie o solicitare dielectrica importanta a intreruptorului din cauza pantei mari in etapa initiala. Panta mare a tensiunii oscilante de restabilire se datoreaza frecventei ridicate de oscilatie a liniei de lungime relativ mica.

Tensiunea bornei 2 se calculeaza prin stabilirea unui circuit echivalent pentru linia intrerupta, cu o extremitate libera si cu cealalta conectata la pamant. Daca se neglijeaza amortizarea liniei rezulta o linie fara pierderi, care oscileaza pe sfert de lungime de unda, adica:

Pentru aceasta linie se poate stabili un circuit echivalent pentru fundamentala (n =0), daca se impune sa aiba aceeasi frecventa de oscilatie si acelasi curent capacitiv ca linia reala cu constante uniform distribuite. In aceste conditii, linia va oscila pe sfert de lungime de unda, ca in figura 8, iar frecventa proprie de oscilatie va fi:

(17)

unde:   - L = L₀l; C = C₀l; - l = lungimea liniei; - C₀, L₀ = constante uniform repartizate.

Fig. 8 Oscilatiile de curent si tensiune ale unei linii scurtcircuitate.

Conditia de a avea acelasi curent capacitiv este: , iar conditia de a obtine aceeasi frecventa de oscilatie este, sau de unde rezulta:

In ipoteza intreruperii curentului la trecerea prin valoarea zero, din circuitul echivalent al liniei din figura 7 b, rezulta:

sau

cu notatiile:

- ; - ; -

se obtine curentul:

iar tensiunea bornei 2 este:

In ipoteza amortizarii nule (R₂=0; d =0), expresia tensiunii u₂ devine

Tensiunea bornei 1 se calculeaza pe baza circuitului echivalent al retelei din figura 7 b. Daca se admite ca pe o durata mica, la trecerea curentului de scurtcircuit prin zero, tensiunea u a sursei are valoarea constanta, se scrie: sau , de unde rezulta:

unde: - ; - ; -

In ipoteza amortizarii nule, tensiunea devine:

Fig. 9 Diagrama tensiunii de restabilire la un defect in linie

In figura 9 s-au reprezentat grafic, curbele tensiunilor u₂ , u₁ si u ₁, ₂ = u₁ - u₂, care reprezinta tensiunea de restabilire la bornele intrerupatorului. Se constata ca frecventa de oscilatie a liniei este mult superioara frecventei de oscilatie a retelei si ca panta initiala a tensiunii u₁,₂ este accentuata.

Observatie:

Calculul efectuat pentru determinarea tensiunii de restabilire u₁,₂ este aproximativ, intrucat s-au facut ipoteze simplificatoare pentru a scoate in evidenta fenomenele principale. Pentru obtinerea unor rezultate mai exacte se recurge fie la modelarea retelei si a liniei, fie la utilizarea calculatoarelor electronice.

In cazurile practice, frecventa tensiunii u₂ este de ordinul 100 KHz, a tensiunii u₁ de ordinul 15 KHz, iar zona periculoasa este cuprinsa intre 0,8 si 9 km.

Pericolul defectului kilometric consta in reamorsarea arcului electric in intreruptor, deoarece din cauza vitezei mari de crestere a tensiunii de restabilire, aceasta intrece ca valoare tensiunea de tinere intre contactele intreruptorului.

Cu cat valoarea tensiunii u₀, existenta la ambele borne ale intreruptorului in momentul izolarii liniei, este mai mare, cu atat panta initiala a tensiunii oscilante de restabilire este mai mare, ceea ce se poate urmari si pe figura 18.

Valoarea maxima a tensiunii u₀ depinde de valoarea curentului de scurtcircuit si in prima aproximatie, de reactanta liniei scurtcircuitate, conform relatiei:

unde: - I - este curentul de scurtcircuit, ca valoare efectiva;

- l - lungimea liniei;

- X₀ - reactanta liniei pe unitatea de lungime.

In retelele in care curentul de scurtcircuit are valori moderate, adica mai mici decat 20 KA, valoarea tensiunii u₀ ramane relativ redusa, iar panta initiala a tensiunii oscilante de restabilire este mica si ca urmare nu se produc reamorsari in intreruptor. Defectul kilometric este sesizabil numai in retelele in care curentul de scurtcircuit este mai mare decat 20 KA si unde puterea de rupere a intreruptorului este apropiata de puterea de scurtcircuit a retelei in punctul considerat.

Dupa Pouard, severitatea (Sev) solicitarii intrerupatorului depinde de:

- solicitarea termica data de curentul de scurtcircuit I;

- valoarea U_A=2uo a primului maxim al tensiunii oscilante de restabilire;

- panta du_r/dt a tensiunii oscilante de restabilire pana la primul maxim, dupa relatia:

Curentul de scurtcircuit (valoarea efectiva) se calculeaza cu relatia:

unde: - X₁ - este reactanta retelei;

- X₀ - reactanta pe 1 km de linie;

- l - lungimea liniei.

Valoarea U_A a primului maxim se calculeaza aproximativ:

Panta tensiunii de restabilire se calculeaza aproximativ:

unde: - Z_C este impedanta caracteristica a liniei scurtcircuitate. Cu relatiile deduse expresia severitatii solicitarii devine:

Deconectarea unui scurtcircuit la bornele transformatorului

Acest proces de comutatie produce la bornele intreruptorului o tensiune oscilanta de restabilire cu panta mare, intocmai ca la deconectarea defectului kilometric. In figura 10, s-a reprezentat:

a) pozitia intreruptorului in reteaua cu scurtcircuit la bornele transformatorului;

b) schema electrica echivalenta, unde s-a neglijat influenta rezistentelor;

c) diagrama tensiunilor: u a sursei, u₁ a bornei intreruptorului spre retea, u₂ a bornei intreruptorului spre transformator si u_1,2 = u₁-u₂, care reprezinta tensiunea oscilanta de restabilire la bornele intreruptorului.

Pe durata scurtcircuitului raportul intre tensiunea la bornele transformatorului U_T si tensiunea U a sursei, presupusa de putere infinita, este:

unde:   - X_R - reactanta retelei;

- X_T reactanta transformatorului.

Cu cat transformatorul are o putere nominala mai mica, cu atat reactanta sa este mai mare, iar tensiunea la bornele transformatorului este mai mare. Pentru cazurile practice raportul U_T /U= 0,60,9.

Fig. 10 Deconectarea unui transformator cu scurtcircuit in secundar

Frecventa proprie de oscilatie a transformatorului la scurtcircuit variaza intre 10 KHz, la tensiuni de ordinul 400 KV si 2030 KHz, la tensiuni de ordinul 50 KV. Frecventa proprie de oscilatie a retelei din amonte este de ordinul 13 KHz.

Intocmai ca la defectul kilometric, solicitarea dielectrica produsa de tensiunea oscilanta de restabilire u₁,₂ este data atat de valoarea amplitudinii U_A, cat si de frecventa proprie de oscilatie a transformatorului in scurtcircuit. Se poate obtine astfel o panta de ordinul 5,9 KV/ms, pentru U_A = 148 KV, ceea ce reprezinta o solicitare extrem de dura pentru intreruptor.

In concluzie, deconectarea unui scurtcircuit in apropierea unui transformator poate conduce la solicitari dielectrice importante, daca puterea transformatorului este mica, spre exemplu ..10% fata de puterea de scurtcircuit a intreruptorului.

Deconectarea in opozitie de faza

Aceasta situatie poate aparea in retelele de inalta tensiune, interconectate, alimentate de cel putin doua centrale. Ca urmare a deconectarii intreruptorului, care asigura functionarea in paralel a celor doua centrale, tensiunea de restabilire la frecventa industriala poate atinge valori 2U_n, unde U_n este tensiunea compusa a retelei. Procesul va fi studiat pe schema electrica echivalenta monofazata din figura 11a.

a) circuit monofazat  b)configuratie reala

Fig.11 Deconectarea in opozitie de faza

Doua generatoare echivalente G₁ si G₂ alimenteaza consumatorul prin intermediul liniilor de inductivitate L₁ si L₂. In functionare normala, tensiunile la bornele celor doua generatoare sunt in faza. La aparitia unui scurtcircuit la bornele sarcinii Z, ambele generatoare vor contribui la obtinerea curentului de scurtcircuit cu valoarea:

Existenta scurtcircuitului face sa dispara sarcina activa a generatoarelor si, ca urmare, cele doua generatoare ies din sincronism. Dupa eliminarea scurtcircuitului, prin deschiderea intreruptorului B, intre cele doua generatoare se va stabili un curent de circulatie determinat de diferenta de faza existenta intre tensiunile la borne ale celor doua generatoare. Acest curent de circulatie este de natura unui curent de scurtcircuit, iar valoarea lui cea mai mare apare la opozitia de faza intre tensiunile la bornele celor doua generatoare. Daca U este tensiunea la borne a unui generator, acest curent este:

Raportul intre curentul de scurtcircuit in opozitie de faza si curentul I₁ de scurtcircuit normal este:

Raportul k are valoarea cea mai mare (k = 0,5) pentru L₁ = L₂. Curentul de scurtcircuit I₂ este intrerupt prin deschiderea intreruptorului A, iar tensiunea de restabilire, la frecventa industriala, este U_1,2 ca in figura 12.

Fig. 12. Diagrame fazoriale la deconectarea in opozitie de faza

In regim de scurtcircuit, dupa deconectarea intrerupatorului B, tensiunea U_1,2 se aplica deconectarea in opozitie de faza inductivitatilor L₁ si L₂. Tensiunea de restabilire U_B a intreruptorului B este redusa ca marime si ca urmare intreruptorul B deconecteaza scurtcircuitul in conditii usoare. Tensiunea oscilanta de restabilire u_1,2 a intreruptorului A, pentru cazul opozitiei totale de faza, este indicata calitativ in figura 13 si rezulta ca o diferenta a tensiunilor de restabilire u₁ si u₂ care exista la bornele condensatorului C₁, respectiv C₂.

Fig. 13 Diagrame de marimi instantanee la deconectarea in opozitie de faza.

Frecventele proprii de oscilatie ale acestor tensiuni de restabilire sunt diferite:

deci, in general f₁ f₂. Ca urmare si valorile de varf ale tensiunilor nu coincid in timp si deci factorul de oscilatie y, considerat la valoarea de varf , este mai mic adica in acest caz g=1,2. Pentru constructorii de aparate, deconectarea in opozitie de faza impune conditii grele in realizarea intreruptorului. Acesta urmeaza sa reziste la o solicitare dielectrica egala cu de doua ori valoarea de varf a tensiunii de exploatare si la curent de rupere de 0,5 din curentul de scurtcircuit al retelei. Deoarece iesirea din sincronism a celor doua generatoare este posibila, dar ajungerea in opozitie de faza completa este putin probabila, in scopul realizarii unor constructii economice de intreruptoare se convine intre constructori si exploatatori ca valoarea curentului de rupere, la incercarea in opozitie de faza, sa fie redusa de la 0,5I₁ la 0,25I₁.

Concluzie:

Supratensiunile de comutatie sunt caracterizate prin amplitudini ridicate de nivel 2 - 4 dar si prin frecvente ridicate deci front de crestere ridicat t=1/f =(1/5-1/20)10^-3 =0,2-0,05 milisecunde .

1.3 Nivelul supratensiunilor datorate descarcarilor atmosferice si electrostatice

Mecanismul incarcarii norilor cu sarcini electrice este un fenomen natural ce nu este deplin elucidat. Norul, incarcat cu sarcini electrice, este, fata de pamant, un veritabil dipol. In climat temperat (cazul tarii noastre) majoritatea norilor contin sarcini negative in partea inferioara. Problema incarcarii si orientarii dipolilor constituenti ai norului se presupune ca este functie de traseul ascendent sau descendent de miscare a maselor de aer.

Pentru aparitia unei descarcari electrice intensitatea campului electric trebuie sa depaseasca 20 KV/m. Procesul fizic al descarcarii sub forma de trasnet este studiat cu ajutorul camerei fotografice Boys. Descarcarea atmosferica incepe de la norul negativ si inainteaza cu o viteza de cateva sute de Km/s, pana cand aceasta descarcare se stinge. Urmeaza o predescarcare de la nor la punctul de stingere al descarcarii pilot (fig. 14).

In momentul in care predescarcarea a ajuns la extremitatea canalului format anterior de descarcarea pilot, aceasta extremitate straluceste puternic datorita formarii unui camp electric si a unei ionizari intense. Din aceasta extremitate pleaca o noua descarcare pilot pe o distanta de 15 - 80 m. Procesul este reluat de mai multe zeci de ori cu panze de 60 - 70 ms pana cand o predescarcare atinge solul.

Fig. 14 Descarcarea atmosferica

Practic, pana in acest moment se formeaza un canal ionizant intre nor si sol. In momentul atingerii solului incepe descarcarea principala de la sol la nor. Urmeaza apoi mai multe lovituri de traznet separate prin intervale de timp de 2ms - 0,5 secunde. Fiecare lovitura de traznet corespunde unei predescarcari de la nor la sol si a unei descarcari principale de la sol la nor.

Fig. 15 Curentul descarcarii atmosferice

In figura 15 sunt redate loviturile de traznet pe o durata de 0,5 secunde, lovituri ce evidentiaza cresteri ale curentului cuprinse intre 50- 100 KA/ms pentru prima descarcare.

In tabelul 1 este prezentata statistic valoarea curentului si probabilitatea obtinerii lui din energia descarcarii atmosferice.

Tabelul 1

Din aceasta statistica rezulta ca supratensiunile de origine atmosferica sunt unipolare cu o durata a semiamplitudinii de 50 ms. Descarcarile atmosferice pot fi directe sau indirecte.

A Descarcarea atmosferica directa se obtine daca traznetul cade pe un conductor activ al unei linii electrice aeriene. Amplitudinea acestei supratensiuni se calculeaza cu relatia divizorului de tensiune: (31)

unde:

- - reprezinta supratensiunea pe linie fata de pamant;

- - tensiunea norului fata de pamant;

- - impedanta caracteristica a liniei;

- - impedanta caracteristica a canalului ionizant nor-linie.

Relatia se explica cu ajutorul figurii 14 unde lovitura de traznet cade pe linia de impedanta Z_c si se propaga spre stanga si spre dreapta, motiv pentru care in calcul a fost o portiune de linie de impedanta Z_c / 2. Intensitatea curentului de descarcare este calculata cu relatia: si are valori conform tabelului 2 (25 - 200 KA).

Supratensiunea atmosferica se propaga pe linie sub forma unei unde calatoare care, in punctele de modificare a impedantei caracteristice () sufera o frangere (fig. 16).

Locurile de modificare ale impedantei caracteristice sunt trecerea de la o linie aeriana la cablu, la o instalatie capsulata sau in cazul terminarii unei linii (statie). In aceste locuri, unda de amplitudine U₁ se frange intr-o unda transmisa U_t ce se propaga mai departe si o unda care se reflecta de amplitudine U_r. Notand cu k indicele de reflexie (k=U_r/U₁), atunci unda transmisa poate fi scrisa sub forma:

(32)

intrucat U_r are sens opus undei incidente si conform relatiilor:

(33)

sau, in modul . (34)

Fig. 16 Unda de supratensiune atmosferica

Din cauza reflexiilor multiple si a frangerii undei supratensiunea poate atinge valoarea dubla a amplitudinii undei incidente. Pentru a descarca supratensiunea pe o linie, la orice modificare de impedanta caracteristica a liniei, trebuie sa se monteze descarcatoare electrice in acord cu principiile coordonarii izolatiei. Pentru a proteja conductoarele active (fig. 17) de descarcarile atmosferice directe se utilizeaza conductoare de garda.

 

Fig. 17 Protectia liniilor aeriene

Tot o descarcare atmosferica de tip invers se obtine in cazul in care traznetul loveste stalpul liniei aeriene (fig. 17.a).

Considerand rezistenta stalpului metalic si respectiv inductivitatea sa , atunci tensiunea la care este supus lantul de izolatoare poate fi determinata utilizand circuitul din figura 18b.cu relatia

B Descarcarea atmosferica indirecta

Intr-o descarcare atmosferica indirecta, presupunem ca traznetul loveste un corp din apropierea unui post de transformare (fig. 18).

Fig. 18 Descarcare atmosferica indirecta

Presupunand D distanta fata de punctul de impact, potentialul intr-un punct oarecare poate fi aproximat cu relatia: (36)

unde: - I - curentul descarcarii atmosferice;

- - rezistenta solului.

Calculand potentialul pentru cazul instalatiei din figura 18 cu , , , , se obtine potentialul prizei neutrului de 40 KV, iar cel al prizei instalatiei de 80 KV. Rezulta astfel o diferenta de potential de 40 KV ce solicita instalatia de joasa tensiune. Acest exemplu demonstreaza posibilitatea aparitiei unei supratensiuni ridicate intr-o instalatie de joasa tensiune, caz foarte rar, tinand cont de faptul ca aceasta supratensiune este functie de distanta fata de punctul de impact si rezistenta solului.

C Supratensiuni datorate descarcarilor electrostatice

Descarcarea atmosferica ce loveste stalpul induce sarcini in linie, sarcini ce se scurg pe circuitul din figura 18.b, fie prin interiorul izolatorilor (strapungerea), fie pe suprafata acestora (conturnarea). Durata de crestere a frontului de unda este de ordinul nanosecundelor .In momentele premergatoare unei descarcari atmosferice , norul dipolar induce (fig. 19) in liniile aeriene sarcini.

Fig. 19 Descarcari electrostatice

Aceste sarcini induse cresc pe o durata foarte scurta potentialul conductoarelor, implicit campul electric fata de pamant . Capacitatile partiale linie - pamant sunt supuse unor tensiuni de 150-500 kV ce produc campuri electrice mai mari de 30KV/m ce strapung aerul dintre linie si sol. Apare astfel o descarcare electrostatica a sarcinilor induse in linie Pentru protectie se utilizeaza eclatoare si descarcatoare cu rezistenta variabila, conform principiilor coordonarii izolatiei.

Tot o descarcare de scurta durata apare in cazul topirii fuzibilului sigurantelor ultrarapide pentru protectia componentelor semiconductoare. In figura 20.a este prezentata schema electrica simplificata necesara exemplificarii functionarii la scurtcircuit a sigurantei fuzibile (SF). Parametrii retelei sunt L_R, R_R, C_P, iar impedanta receptorului scurtcircuitat este Z_R. In figura 20 b sunt trasate diagramele de tensiuni si curenti, cu explicatiile din legenda. Procesul formarii supratensiunii se explica pe baza ecuatiei de functionare a schemei din figura 20 a, considerand ca rezistenta echivalenta R_R, este mult mai mica decat rezistenta echivalenta a arcului electric si apoi a 'omizii' incandescente din siguranta:

Fig. 20 Supratensiuni la topirea fuzibilului

In aceasta ecuatie se considera trei etape reprezentative:

Etapa 1, in care curentul este crescator in timp, iar tensiunea sursei u_S este mai mare decat tensiunea u a arcului electric, formata din suma tensiunilor de arc elementare, intre picaturile de metal lichid. Numarul de picaturi de metal topit este relativ mic si, corespunzator, si tensiunea de arc este redusa. Relatiile care caracterizeaza aceasta etapa sunt:

Etapa 2, poate fi considerata punctuala, curentul i ajunge la valoarea maxima i_l (de limitare). Numarul de picaturi de lichid si de arcuri electrice elementare este cel mai mare, iar relatiile sunt:

Etapa 3, este caracterizata prin valori descrescatoare ale curentului, iar tensiunea arcului electric este mai mare decat tensiunea sursei. Tensiunea suplimentara a arcului electric este de autoinductie, iar energia suplimentara corespunzatoare provine din energia campului magnetic. Relatiile corespunzatoare sunt:

Aceasta este etapa de formare a supratensiunii de amplitudine. Procesul formarii supratensiunii se poate scoate in evidenta, in mod simplu, daca se admite ca evolutia curentului, cu panta negativa, este liniara de forma:

unde t_a - este durata de ardere a arcului electric. Ecuatia tensiunilor se transforma in:

Cantitatea cu care tensiunea u depaseste valoarea de varf a tensiunii sursei se numeste supratensiune si este direct proportionala cu durata arcului electric. Valoarea de varf a tensiunii de comutatie solicita izolatia nu numai a sigurantei fuzibile, ci si a intregii instalatii electrice, si de aceea - prin recomandarile C.E.I., publicatia 282-1, in concordanta cu normele de coordonare a izolatiei - valoarea u este limitata prin raportul:

Nota:

Tensiunea u poate avea si un usor caracter oscilant, avand in vedere capacitatea parazita C_P si inductivitatea L_R. Pe durata arcului electric in siguranta fuzibila si a formarii "omizii" de nisip sinterizat rezistenta electrica a intervalului intre bornele sigurantei fuzibile creste. Aceasta rezistenta este de natura sa amortizeze puternic procesul oscilant.

Concluzii:

Supratensiunile datorate descarcarilor electrostatice si atmosferice analizate in acest capitol sunt caracterizate prin supratensiuni foarte ridicate 10⁷ V, deci factori de supratensiune mai mari de 4 , dar si prin fronturi de crestere ridicate cuprinse intre 1- 10 microsecunde producand campuri electrice de ordinul 1000 kV/.

Sintetic, toate supratensiunile analizate si caracterizate prin amplitudine si durata sunt prezentate in tabelul urmator:

Reprezentarea grafica a factorului de supratensiune si tipul supratensiunii reda nivelurile de tensiuni din instalatii electrice .

2 NIVELUL TENSIUNII DE IZOLATIE IN INSTALATII ELECTRICE

Coordonarea izolatiei cuprinde un ansamblu de masuri privind dimensionarea izolatiei echipamentelor electrice pentru a realiza in mod economic o protectie impotriva supratensiunilor si in scopul asigurarii continuitatii in serviciu a instalatiei electrice.

Protectia economica impotriva supratensiunilor se refera la

costul izolatiei;

costul echipamentului de protectie;

costul lucrarilor de inlocuire a echipamentului defect, a echipamentului inlocuit dar si costul intreruperii alimentarii cu energie a consumatorilor;

Stabilirea nivelului de protectie la care rezista echipamentul electric si instalatia fara alte masuri suplimentare este o problema tehnologica dependenta de caracteristicile echipamentelor utilizate si a instalatiei. O prima masura , utilizata este de supradimensionarea izolatiei instalatiei si echipamentului electric pentru a rezista la supratensiuni cu nivel mai mic de 2.

Protectia la supratensiuni cu nivel mai ridicat de 2 este posibila prin introducerea unor elemente de protectie a caror zona de protectie trebuie bine definita. Zona de protectie trebuie sa fie delimitata functie de nivelul de tensiuni dar si localizata fizic .

Delimitarea si limitarea zonei de protectie trebuie realizata pentru intreaga gama a nivelurilor de tensiuni.

Nivelele de izolatie au doua componente, si anume:

Nivelul tensiunii de tinere, la care echipamentul incercat trebuie sa reziste, in sensul ca nu sufera nici conturnare, nici strapungere.

Nivelul tensiunii de protectie.

2.1 Nivelul tensiunii de tinere

Nivelul tensiunii de tinere (rezistenta) deriva din doua notiuni: strapungerea (gaze, lichide, solide) si conturnarea (numai pe suprafata materialelor izolante solide).

Tensiunea de tinere (de rezistenta) este functie de tipul supratensiunii aplicate, de frecventa acesteia, de panta de crestere si de durata. Factorii de baza care o influenteaza sunt pentru:

Solide: - conditiile de mediu (umiditatea, poluarea, radiatiile ultraviolete);

- valoarea campului electric permanent;

Gaze: - variatia presiunii aerului cu altitudinea;

- variatia presiunii in camera de stingere.

Tensiunea de tinere , fiind functie de tipul supratensiunii aplicate, trebuie analizata pentru fiecare categorie de supratensiuni, astfel:

Supratensiunile de frecventa industriala (temporare)

Tensiunea de tinere a unei retele sau echipament electric trebuie sa fie mai mare decat nivelul acestor supratensiuni temporare. Supratensiunile temporare, caracterizate printr-un factor de supratensiune si cu o durata cuprinsa intre o secunda si cateva ore, conduc la tensiuni de tinere caracterizate printr-un nivel superior () si o durata de un minut. Astfel, in retelele de joasa tensiune (), tensiunea de tinere are o valoare de 2500 V c.a. aplicata timp de 1 minut. Incercarea echipamentului de joasa tensiune se face la o tensiune de frecventa industriala cu valoarea 2,5 KV cu ajutorul MW si se considera ca echipamentul rezista daca rezistenta de izolatie este mai mare de 10 MW

In retelele de inalta tensiune, tensiunea de tinere are nivelul 3 ceea ce presupune incercarea echipamentului si izolatiei la o tensiune alternativa de frecventa industriala cu valoarea aproximativa timp de 1 minut.

Standardul CEI - 171 prezinta valoarea tensiunii aplicate de frecventa industriala timp de 1 minut functie de valoarea tensiunii nominale a liniei conform tabelului urmator:

Supratensiunile de comutatie sunt caracterizate prin factori de supratensiune cuprinsi in gama 2 - 4 si durata scurta. Rezistenta echipamentului si a instalatiei la astfel de supratensiuni, implicit determinarea tensiunilor de tinere constituie obiectul unor studii de probabilitate, fiind dependenta de frontul de crestere al supratensiunii (figura 21) si de durata acesteia (T₂ - timp de injumatatire a primei amplitudini), iar parametru este distanta dintre partile conductoare (distanta dintre doua plane conductoare aflate in aer).

Fig. 21 Tensiunea de tinere

Analiza minimului de rezistenta la front de crestere variabil al undei aplicate si la durata de aplicare variabila a condus la definirea prin recomandarea CEI - 60 a unui impuls standardizat de incercare la supratensiuni de comutatie a echipamentelor electrice. In datele prezentate in figura 21 ,tensiunea U₅₀ are un minim (U₅₀ reprezinta tensiunea la care probabilitatea aparitiei arcului este de peste 50%) si conduce la un impuls de tensiune aplicat pe medie si inalta tensiune cu un front de crestere de 250 ms si o durata de 2500 ms (durata masurata pana in momentul injumatatirii amplitudinii impulsului).

Amplitudinea impulsului este functie de tensiunea nominala a retelei fiind redata sintetic in tabelul 3

Fig. 22 Impuls standardizat pentru tensiuni de comutatie

Impulsul standardizat pentru incercarea la supratensiuni de comutatie pe joasa tensiune a circuitelor inductive respectiv capacitive este redat in figura 22 b si c cu valoarea amplitudinii de 1000 V

Supratensiunile datorate descarcarilor electrostatice si atmosferice au un front de crestere mult mai rapid si o durata foarte scurta. Aceleasi studii probabilistice au determinat unda impuls de tensiune ce are front de crestere de 1,2 cu o durata de 50 ms si numai de polaritate pozitiva. Amplitudinea impulsului este functie de tensiunea nominala a retelei fiind redata sintetic in tabelul 3.

Impulsul de curent, conform recomandarii CEI - 60 este de 8/20 ms, ceea ce corespunde unei cresteri a frontului de 8 ms cu o durata de 20 ms.

Fig. 23 Impuls standardizat a) - de curent b) - de tensiune

Intrucat in astfel de incercari apare arc electric, izolatiile respective se numesc autoregeneratoare deoarece rigiditatea dielectrica a mediului se reface dupa disparitia arcului electric de conturnare.

Probabilitatea de strapungere, respectiv de tinere a unei izolatii este indicata in figura 24 pentru unda de impuls data. Valoarea U₅₀ reprezinta valoarea tensiunii aplicate la care se produc 50 % amorsari ale arcului prin izolatie.

Fig. 24 Riscul de clacare al izolatiei

In retelele de inalta si medie tensiune, aceasta tensiune este calculata functie de distanta de conturnare prin relatia:. (44)

Tensiunea de tinere se alege sub valoarea tensiunii U₅₀ pentru a avea probabilitatea de tinere mai mare decat probabilitatea de clacare. Formula de determinare a tensiunii de tinere functie de distanta este:

. (45)

In ambele cazuri tensiunea este exprimata in MV iar distanta in metri.

Nivelul tensiunii de protectie

Solicitarile electrice impun coordonarea izolatiei prin definirea factorilor de supratensiunea tipurilor de supratensiuni, a tensiunii de tinere si a tensiunii de protectie conform urmatoarei diagrame.

Pana in prezent au fost studiate masurile ce sunt luate pentru a face echipamentele si instalatiile electrice sa reziste la supratensiuni. Aceste masuri nu sunt suficiente si trebuie completate cu masuri de reducere a supratensiunilor.

In acest sens, in retelele electrice se introduc elemente ce limiteaza supratensiunile si, totodata, se iau masuri de compensare a liniilor. Compensarea liniilor se realizeaza longitudinal prin introducerea de condensatoare si transversal prin introducerea de bobine. Elementele ce descarca liniile de supratensiuni sunt descarcatoarele. Acestea sunt construite cu un nivel de izolatie inferior echipamentului din instalatie.

Descarcatoarele au fost concepute initial pentru protectia impotriva descarcarilor de origine atmosferica iar, in faza actuala, prin dezvoltarea capacitatii termice, pot face fata si supratensiunilor de comutatie. Din aceste motive, descarcatoarele au o tensiune nominala de tinere (rezistenta) superioara nivelului supratensiunii provocate de punerea la pamant a unei faze iar tensiunea de protectie (nivelul tensiunii de lucru) apartine nivelului supratensiunilor de comutatie si atmosferice.

In figura 25 (a-d), sunt date cateva exemple privind locul descarcatorului intr-o retea electrica, dupa cum urmeaza:

a) Intre neutrul unui transformator si pamant. O unda de supratensiune care ar patrunde in transformator se poate reflecta in locul de modificare a impedantei, adica in punctul neutru.

b) Intre linia aeriana si pamant, in posturile de transformare rurale, pentru a limita supratensiunile atmosferice si a proteja transformatorul.

c) La intrarea unei linii aeriene intr-o statie de conexiuni sau de transformare.

d) La conexiunea prin cablu a unui motor electric.

Fig. 25 Relativ la locul descarcatoarelor in instalatii electrice

Eclatoarele sunt utilizate in retelele de medie si inalta tensiune, fiind plasate in punctele de intrare al statiilor de transformare, inclusiv in cele de medie si joasa tensiune. Functia lor este de a crea in anumite puncte de control a retelei o slabire a izolatiei prin arcul ce se formeaza daca tensiunea retelei depaseste valoarea unei tensiuni impuse (nivel de tensiune).

Constructiv, primele eclatoare si cele mai vechi dispozitive de protectie contin doi electrozi arcuiti , conectati unul la pamant iar al doilea la conductorul ce trebuie protejat. Electrozii plasati in aer sunt fixati la o distanta reglabila de un suport izolator.

Principiul de functionare al eclatoarelor este foarte simplu, constand in amorsarea arcului intre electrozi, daca tensiunea depaseste un nivel impus. Arcul creat intre electrozi se dezvolta conducand la scurgerea supratensiunii liniei.

Fig. 26 Eclatoare (Merlin Gerin)

Unele eclatoare contin intre cei doi electrozi o vergea (tija) cu scopul de a preveni scurtcircuitele datorate stationarii pasarilor pe electrozi.

Reglarea distantei dintre electrozi conduce la ajustarea nivelului de protectie. Aceste dispozitive, foarte simple si economice dar au o serie de dezavantaje, precum:

- tensiunea de amorsare a arcului are o mare dispersie si dependenta de conditiile atmosferice (variatie de pana la 40%);

- nivelul de amorsare a arcului (caracteristica arcului) este dependenta de amplitudinea supratensiunii (fig.27)

- creste durata de amorsare a arcului la descresterea supratensiunii.

Fig. 27 Nivelul de amorsare a arcului in eclatoare

In aceste conditii, un impuls de tensiune poate sa produca arc (strapungere) intr-un dispozitiv cu o tensiune de tinere mai mare decat a eclatorului, pentru simplu motiv ca acest dispozitiv are o intarziere mai mica a amorsarii arcului (exemplu: in cabluri apare strapungerea). Mai mult, in eclatoare, dupa amorsarea arcului dintre electrozi din cauza aerului ionizat, arcul continua sa existe si la disparitia supratensiunii. In acest caz apare, rezultat al unei supratensiuni, o punere la pamant in retelele cu neutru. Acest curent de punere la pamant este sesizat de dispozitivele de protectie a curentului de defect ce comanda deconectarea liniei iar apoi reaclansarea automata rapida (R.A.R.)

Pentru inlaturarea acestor neajunsuri in retele electrice se utilizeaza descarcatoarele ce au capacitatea de a impiedica scurgerea de curent a eclatoarelor dupa disparitia supratensiunii

Rolul functional al descarcatorului electric este de a limita supratensiunile de origine atmosferica si cele de comutatie, in acord cu principiile coordonarii izolatiei.

Din punct de vedere constructiv, dupa cum se vede in figura 28 un descarcator este alcatuit din:

- coloana de eclatoare 1. Numarul acestora depinde de tensiunea nominala a retelei. Pentru retelele de joasa tensiune descarcatorul are un singur eclator;

- rezistentele nelineare 2, care asigura repartizarea tensiunii in mod uniform pe spatiile disruptive;

- rezistenta nelineara principala 3, formata din inserierea mai multor discuri realizate din carbura de siliciu sau oxid metalic (ZnO 90%, Bi₂0₃, CoO);

- anvelopa din portelan 4, care adaposteste reperele 1, 2, 3.

Reperele l, 2, 3 se afla in atmosfera de azot; anvelopa este inchisa ermetic avand in vedere ca rezistentele nelineare sunt higroscopice si ca amorsarea eclatoarelor depinde de umiditatea continuta in atmosfera. Se poate folosi si pentaoxidul de fosfor pulbere pentru eliminarea umiditatii reziduale.

Functionarea descarcatorului se initiaza prin amorsarea eclatorului la aparitia unei supratensiuni. Relatia de dependenta intre curentul i si tensiunea u aplicata rezistentei nelineare este de forma: unde c = (650700) V/A^a si a = 0,160,3, la rezistentele din carbura de siliciu (SiC). La rezistentele din oxizi metalici. a = 2050, adica rezistenta este extrem de nelineara. Unele firme constructoare realizeaza descarcatoare pana la cele mai mari tensiuni nominale numai cu rezistente nelineare din oxizi metalici si deci fara eclatoare. Dupa scurgerea sarcinilor electrice, intensitatea curentului electric scade, rezistenta nelineara creste foarte mult si eclatoarele se sting.

Fig.28 Schita unui descarcator 1 - coloana cu eclatoare; 2 - rezistenta nelineara cu rol de divizor de tensiune 3 - rezistenta nelineara principala; A, B - bornele aparatului

Exista o mare varietate constructiva de descarcatoare ce depinde de marimea si felul tensiunii nominale a instalatiei.

Pentru tensiuni joase (U_n< 1.000 V) descarcatorul are un singur eclator (fig.29 ).

Fig. 29 Eclatorul unui descarcator de joasa tensiune:

1, 3 - electrozi de Am; 2 - saiba izolanta de mica

Pentru tensiuni medii eclatorul este inglobat in rezistenta nelineara, care, intocmai unui divizor de tensiune, asigura o egala repartizare a tensiunii pe intervalele disruptive (fig.30). La tensiunea nominala, in absenta unei supratensiuni, din geometria constructiei si neuniforma intensitate a campului electric se realizeaza o stare de preionizare in zone imediat apropiate intervalelor disruptive.

Fig. 30 Eclator cu rezistente de uniformizare pentru descarcator de medie tensiune

1 - electrod; 2 - rezistenta nelineara; 3 - canal de expandare; 4 - spatiu preionizat

Pentru tensiuni continue relativ joase (U_n = I.000 3.000 V) eclatorul este prevazut cu un sistem de suflaj magnetic care introduce arcul electric intr-o camera de stingere cu pereti reci si fanta progresiv ingustata in vederea stingerii (fig.31).

Fig. 31 Eclatorul descarcatorului de curent continuu:

magnet permanent; 2, 3 - electrozii eclatorului

Pentru tensiuni inalte si foarte inalte descarcatorul este construit din module conectate in serie. In figura 32 este prezentata schema electrica a unui modul de 810 kV, al unui descarcator electric cu suflaj magnetic. Un asemenea modul cuprinde mai multe eclatoare de amorsare si stingere E_as, conectate in serie cu un subansamblu format din bobina de suflaj L si rezistenta nelineara R₁ si cu rezistenta nelineara principala R₂. Fiecare modul este suntat de rezistenta nelineara R₃, care asigura repartizarea uniforma a tensiunii pe module.

Fig. 32 Un modul de descarcator cu suflaj magnetic

La tensiuni nominale fiecare modul este prevazut si cu condensator de capacitate C = 50 100 pF, pentru a asigura o repartitie inca mai uniforma pe module. In principiu, prin constructie este necesar sa se asigure suflaj magnetic. repartizarea uniforma a tensiunii pe eclatoarele unui modul si scoaterea de sub influenta diferitelor cuplaje capacitive a coloanei eclatoarelor. Aceasta se realizeaza prin introducerea eclatoarelor(figura 30) in interiorul unui tub, care reprezinta rezistentele 2 din figura 28 si reperul 2 din figura 29.

Functionarea descarcatorului se urmareste pe diagramele din figura 33 a si schema electrica din figura 32. Ca referinta s-a luat diagrama tensiunii u_i. In absenta unei supratensiuni, prin rezistenta R₃ trece un curent de ordinul miliamperilor. In momentul t₁ apare o supratensiune, iar in momentul t₂ amorseaza eclatoarele E_as la tensiunea de amorsare u_a. Curentul de descarcare i_d trece prin rezistenta R₁ de suntare a bobinei B. Prin aceasta nu trece un curent important, deoarece impedanta ei este practic infinita pentru armonicele de frecventa inalta ale curentului de descarcare t_d. Acest curent parcurge si rezistenta nelineara principala R₂. Tensiunea cea mai mare, dupa amorsare, la bornele descarcatorului este tensiunea reziduala u_r. Dupa conducerea la pamant a sarcinilor electrice ale descarcarii, eclatoarele isi conserva ionizarea, iar prin descarcator va trece, incepand cu momentul t₃, curentul de insotire i_i. Acesta este limitat la cateva sute de amperi de catre rezistentele R₂. Curentul de insotire fiind de frecventa relativ redusa (50 sau 60 Hz) va trece prin bobinele de suflaj magnetic L. Acestea determina inductia magnetica B in zona eclatoarelor si astfel se dezvolta forte Lorentz, care imping arcul electric in camerele de stingere cu fanta si pereti reci. Datorita racirii intense a arcului electric, tensiunea lui de ardere creste si in cele din urma arcul electric se stinge (momentul t₄). Dupa cum se vede in figura 33 b, curentul de insotire este determinat de tensiunea sursei si de impedanta buclei de scurtcircuit, in care intra si rezistenta arcului electric in eclatoare si rezistenta principala R₂.

Fig. 33 Functionarea unui descarcator:

a) diagrame de marimi electrice; b) formarea curentului de insotire i_i

In absenta descarcatorului supratensiunea ajunge, dupa linia punctata, la valoarea u_stn. Tensiunea de protectie a descarcatorului u_pd este practic tensiunea de amorsare sau cea reziduala.

Rezistenta nelineara. Aceasta se prezinta sub forma de discuri cu diametrul de 7..100 mm si grosime 1..20 mm. Caracteristic pentru un asemenea disc este dependenta nelineara intre tensiune si curent.

In figura 34 este data caracteristica volt-amper a unui disc din carbura de siliciu (material cu caracteristica nelineara), obtinuta la aplicarea unui impuls de curent. Tensiunea cea mai mare obtinuta se numeste tensiune reziduala u_r la valoarea maxima a curentului, care in figura 34 este de 10 kA.

Fig. 34 Caracteristica nelineara a unui disc de SiC, din componenta rezistentei R₂

Carbura de siliciu (SiC) este obtinuta la temperatura arcului electric din reactia carbunelui (C) cu nisipul de cuart (SiO₂). Materialul rezultat este spalat de fier cu ajutorul acizilor, macinat, deferizat din nou cu ajutorul separatorului magnetic si sortat dupa granulatie. In aceasta stare materialul primeste un liant (de exemplu: sticla lichida) este aglomerat sub forma de discuri cu ajutorul presei hidraulice si apoi calcinat la aproximativ 600°C. Pentru a stabiliza nelinearitatea discurilor se aplica cateva socuri (impuls 10/20 ms) de amplitudine egala cu intensitatea nominala, de exemplu 10 kA.

Performantele unui descarcator sunt determinate in mare masura de nelinearitatea rezistentelor si precizia amorsarii si stingerii eclatoarelor. Cu cat rezistentele sunt mai nelineare conducerea sarcinilor electrice la pamant, sub forma curentului de impuls, este mai rapida, iar in etapa finala a vehicularii sarcinilor electrice, cand intensitatea curentului este redusa, rezistenta ia valori mari, ceea ce favorizeaza stingerea arcului electric. Precizia la amorsarea si stingerea eclatoarelor se obtine printr-un control riguros al tensiunii ce revine fiecarui eclator. Din punct de vedere practic, acest control se realizeaza cu ajutorul divizoarelor capacitive, rezistive sau mixte.

Specificatiile principale ale unui descarcator sunt:

a) Tensiunea nominala, care se alege in functie de tensiunea de serviciu a liniei si de coeficientul de punere la pamant. Tensiunea nominala a descarcatorului trebuie sa fie usor superioara tensiunii fazelor sanatoase in situatia punerii la pamant a unei faze.

b) Tensiunea de amorsare la unda 1.2/20 ms. Aceasta tensiune poate fi definita prin relatia:

unde n este numarul eclatoarelor conectate in serie, iar u_a1 este tensiunea de amorsare a unui eclator.

c) Tensiunea reziduala, care este definita prin relatia:

unde u_ri reprezinta tensiunea reziduala individuala a unui disc, iar m este numarul discurilor care formeaza rezistentele de tip R₂ ale descarcatorului (fig.32).

d) Tensiunea de amorsare pe frontul undei 1,2/50 ms. Tensiunea de amorsare la unda de 1,2/50 ms, aceea de amorsare pe frontul undei 1,2/50 ms, divizata cu 1,15 si tensiunea reziduala au valori apropiate si constituie nivelul de protectie. Raportul intre nivelul de tinere la unda 1,2/50 ms si nivelul de protectie trebuie sa fie minimum 1,2. Pentru supratensiunile de comutatie (unda 250/2500 ms) acest raport este de minimum 1,1

e) Curentul nominal este curentul maxim de impuls 10/20 ms, care se poate repeta fara a deteriora descarcatorul. Valori nominalizate sunt de 5 kA si 10 kA. La aceasta se asociaza curentul singular pe care il poate suporta un descarcator, spre exemplu 100 kA.

f) Curentul de insotire poate ajunge la 1 000 A_max, iar durata lui se poate prelungi pana la cateva ms. La descarcatoarele moderne tensiunea maxima obtinuta la trecerea curentului de insotire nu depaseste de 2, 3 ori tensiunea nominala a descarcatorului.

Nota: Diferenta functionala intre un descarcator si un eclator apare din examinarea caracteristicii volt-secunda in varianta amorsarii pe frontul undei de impuls de tensiune. In figura 35 s-au trasat amplitudinile tensiunii de impuls pentru pante diferite ale frontului undei, sub forma unor zone - pentru a tine seama de caracterul statistic al descarcarii - in cazurile urmatoare:

- un transformator, curba l, reprezentand nivelul de tinere;

- un descarcator cu rezistenta variabila, curba 2, reprezentand nivelul de protectie;

- un eclator, curba 3, reprezentand nivelul de protectie sub forma cea mai ordinara.

Se constata astfel ca descarcatorul cu rezistenta variabila 2 protejeaza transformatorul 1 pentru orice pante ale tensiunii de impuls, ca de exemplu:

200 kV/ms, dreapta a; 100 kV/ms, dreapta b; 18,75 kV/ms, dreapta c,

Fig. 35 Caracteristica volt - secunda pe frontul undei: 1 - transformator; 2 - descarcator; 3 - eclator

Eclatorul nu ofera protectie decat pentru unde cu pante reduse (18,75 kV/ms, dreapta c). Rezulta de aici ineficacitatea protectiei cu ajutorul eclatoarelor, care, desi sunt aparate simple, au neajunsurile de a provoca scurtcircuite la pamant, deoarece nu sunt capabile sa stinga arcul electric al curentului de insotire la frecventa industriala, de a produce o unda de impuls taiata si de a amorsa cu intarziere relativ mare.

Fig. 5.36 Diagrame comparative:

a) tensiunea limitata de descarcator

b) tensiunea taiata de eclator