Ghid de alegere a descarcatoarelor

GHID DE ALEGERE A DESCARCATOARELOR

Cap. 1 Introducere generala si definitii

1. 1 Introducere

Descarcatoarele reprezinta protectia primara contra diferitelor tipuri de supratensiuni (atmosferice sau de comutatie).

In general, ele sunt conectate in paralel cu echipamentul de protejat.

Elementele active (discurile) ale descarcatoarelor sunt fabricate dintr-un material ceramic cu rezistenta neliniara compus, in cea mai mare parte, din oxid de zinc amestecat cu alti oxizi metalici si sinterizati impreuna. De aceea, aceste descarcatoare sunt numite descarcatoare cu ZnO sau descarcatoare cu oxizi metalici.

O caracteristica tensiune- curent tipica este prezentata in figura 1.1. Informatii suplimentare sunt disponibile in literatura de specialitate.

Figura 1.1 Caracteristici tensiune-curent tipice pentru descarcatoare cu ZnO

Nota: Este prezentata numai componenta rezistiva din curentul total.

O diferenta majora fata de descarcatoarele cu rezistenta variabila si eclatoare consta in faptul ca, in cazul descarcatoarelor cu ZnO discurile sunt solicitate in mod continuu la tensiuni de serviciu ca si in conditii anormale de functionare. Este deci foarte important ca aceste descarcatoare sa fie dimensionate astfel incit sa reziste la aceste solicitari pe toata durata lor de viata. Esentiala este stabilitatea termica a descarcatoarelor.

Este necesar, de asemenea, sa se defineasca terminologia folosita inntr-o maniera clara si simplu de inteles.

1. 2 Definitii

Numai daca nu se specifica altfel, referirile se fac la sistemul normal de curent alternativ (15-62 Hz).

1. 2. 1 Tensiunea cea mai ridicata a retelei (U_m) este cea mai mare valoare efectiva a tensiunii intre faze care poate sa apara in conditii normale de functionare, in orice punct al retelei, intr-un moment oarecare.

1. 2. 2 Tensiunea de functionare continua efectiva (U_ca) este valoarea efectiva maxima a tensiunii de frecventa industriala, care poate fi aplicata permanent (mai mult de 2 ore) intre bornele descarcatorului.

1. 2. 3 Tensiunea de regim permanent (tensiunea de functionare continua) (U_c), prescurtat “COV” sau “MCOV”, este valoarea efectiva maxim admisa a tensiunii de frecventa industriala, care poate fi aplicata permanent intre bornele descarcatorului; astfel, U_c > U_ca. De retinut ca U_c pe intregul descarcator poate fi mai mica decit suma U_c a discurilor componente, cind repartitia potentialului de-a lungul descarcatorului nu este strict uniforma.

1. 2. 4 Supratensiuni temporare (TOV) sunt supratensiuni sub forma unor oscilatii neamortizate sau slab amortizate, care apar intr-un punct dat al unei retele, pentru o durata relativ mare.

Gama de frecvente ale TOV este de la citiva Hz la citeva sute de Hz si durata de la citeva ms la citeva ore (depinzind de timpul de eliminare a defectului, de exemplu).

Cea mai obisnuita forma de TOV apare pe fazele sanatoase ale unui sistem in timpul unei puneri la pamint.

Alte surse de TOV sunt ferorezonanta, deconectarea brusca a unei sarcini importante etc.

1. 2. 5 Tensiunea nominala (U_r) este valoarea maxima admisa a tensiunii efective de frecventa industriala pentru care descarcatorul este conceput sa functioneze corect in conditii de supratensiuni temporare, conform metodei de incercare la functionare.

Conform CEI 60099-4, un descarcator trebuie sa reziste la tensiunea nominala cel putin 10 s dupa ce a fost preincalzit la 60⁰C si a fost supus unei injectii de energie conform acestui standard.

Capacitatea descarcatorului de a suporta TOV timp de 10 s, conform CEI, trebuie sa fie minimum U_r. In plus, tensiunea nominala este folosita ca un parametru de referinta.

1. 2. 6 Factorul de tinere la supratensiuni temporare (T_r sau T_c) defineste capacitatea descarcatorului de a suporta TOV, exprimat in multipli de U_r sau U_c.

1. 2. 7 Impuls de curent sau de tensiune este o unda unidirectionala, care creste rapid la un maxim si scade, mai putin rapid, la zero. Forma undei este exprimata prin doua numere (T₁ / T₂).

T₁ se refera la timpul virtual al frontului iar T₂ la timpul virtual al semiamplitudinii; ambele se exprima in ms.

Exemple de citeva impulsuri de curent importante:

Impuls Forma de unda (T₁ /T₂) (ms/ms)

Impuls de curent cu front rapid                                  1/ <20

Impuls de curent de trasnet                            8/ 20

Impuls de curent de comutatie                                   30/ >60

Impuls de curent de mare amplitudine                      4/ 10

Un impuls special este impulsul de curent rectangular, care are o forma rectangulara. Durata obisnuita este de 2000 ms.

1. 2. 8 Caracteristica de tinere a izolatiei echipamentului este un termen general pentru tensiunile de tinere ale izolatiei echipamentului, si cuprinde:

Nivel de tinere Forma de unda a tensiunii

Nivel de tinere la unda taiata (CWWL)                      

Nivel de tinere la impuls de trasnet (LIWL)    1,2/50 ms

Nivel de tinere la impuls de comutatie (SIWL)           250/2500 ms

Nivel de tinere la frecventa industriala          50 sau 60 Hz, sinusoidal

1. 2. 9 Tensiunea reziduala(U_res) este tensiunea care apare intre bornele unui descarcator in timpul trecerii prin el a curentului de descarcare. Tensiunea reziduala depinde de amplitudinea si de forma curentului de descarcare si se exprima in valori de virf.

Pentru amplitudinile si formele de unda ale curentului care difera de curentul nominal de descarcare, tensiunea reziduala se exprima, in general, in procente din tensiunea reziduala la curentul nominal de descarcare.

1. 2. 10 Caracteristica de protectie a descarcatorului este combinatia tensiunilor reziduale la diferite impulsuri de curent. Pentru o protectie eficienta, caracteristica de protectie trebuie sa fie mult sub caracteristica de tinere a izolatiei echipamentului in toate punctele.

1. 2. 11 Nivelul de protectie la impuls de trasnet al descarcatorului (LIPL) este tensiunea reziduala la curentul nominal de descarcare.

1. 2. 12 Nivelul de protectie la impuls de comutatie al descarcatorului (SIPL) este tensiunea reziduala la un impuls de curent de comutatie specific.

1. 2. 13 Coeficientul de protectie este raportul dintre nivelul de tinere al izolatiei si nivelul de protectie corespunzator al descarcatorului.

1. 2. 14 Marja de protectie este coeficientul de protectie minus 1 si se exprima in procente. Ca minima absoluta, marja de protectie trebuie sa acopere cresterea de tensiune datorita conexiunilor intre descarcator si echipamentul de protejat, ca si cresterea de tensiune reziduala datorita diferentei de amplitudine si durata a frontului curentului real fata de curentul nominal de descarcare al descarcatorului.

1. 2. 15 Curentul permanent (I_c) este curentul care trece prin descarcator la tensiunea U_c. Acest curent este predominant capacitiv si se exprima, in general, ca valoare de virf.

1. 2. 16 Curentul de referinta (I_ref) este valoarea de virf a curentului rezistiv la frecventa industriala, la care se masoara tensiunea de referinta; de exemplu, la tipurile standard de descarcatoare curentul de referinta este cuprins in gama 0,4-100 mA valoare de virf.

1. 2. 17 Tensiunea de referinta (U_ref) este valoarea de virf divizata cu  a tensiunii de frecventa industriala, care trebuie aplicata la bornele descarcatorului pentru a obtine curentul de referinta.

1. 2. 18 Curentul nominal de descarcare (I_n) este valoarea de virf a impulsului de curent de forma 8/20 ms folosit pentru clasificarea descarcatorului.

1. 2. 19 Capacitatea energetica la impuls singular este cantitatea de energie maxima admisa, exprimata in kJ/kV (U_r), pe care descarcatorul este capabil sa o absoarba la un impuls singular de o anumita durata.

1. 2. 20 Factorul de defect la pamint (K_e) este raportul dintre tensiunea fazelor sanatoase in timpul si anterior punerii la pamint.

Daca neutrul sistemului este direct legat la pamint, atunci k < 1,4 in timp ce intr-un sistem cu neutrul izolat sau legat la pamint prin bobina k este aproximativ 1,73.

1. 2. 21 Clasa limitatorului de presiune reprezinta capacitatea descarcatorului ca, in caz de defect intern indiferent de cauza, sa conduca curentul de scurtcircuit fara explozia violenta a carcasei.

Dupa functionarea limitatorului de presiune, descarcatorul trebuie inlocuit.

Curentul de scurtcircuit poate avea diferite valori in functie de impedanta sistemului si/sau conditiile de legare la pamint. De aceea, limitatorul de presiune se verifica atit la valori mari de curent ( de ordinul kA) cit si la valori reduse (de regula, 800 A).

Cap. 2 Alegerea descarcatoarelor in functie de parametrii sistemului

(Alegerea lui U_c si U_r)

2. 1 Generalitati

Un descarcator este un echipament vital in statie. De aceea, el trebuie sa fie stabil in toate conditiile de functionare, ceea ce impune cunoasterea comportarii sistemului in special in conditii de supratensiuni temporare.Aceasta cerinta este valabila de obicei in cazul sistemelor de foarte inalta tensiune. In cazul in care nu exista date sigure in acest sens, descarcatorul trebuie ales cu o marja de siguranta suficienta.

Alegerea corecta a U_c si a stabilitatii la supratensiuni temporare este de o importanta deosebita.

In fiecare caz U_c trebuie sa fie mai mare sau egala cu U_ca, care este tensiunea efectiva la bornele descarcatorului in regim permanent la frecventa industriala. U_ca depinde de tensiunea sistemului ca si de modul de conectare al descarcatoarelor.

De exemplu, pentru un descarcator conectat intr-un sistem trifazat intre faza si pamint U_ca este U_m/, in timp ce pentru descarcatorul intre faze este U_m. Atit amplitudinea cit si durata supratensiunilor temporare sunt importante, deoarece impreuna determina solicitarea descarcatorului.

Alegerea unui descarcator pentru o destinatie specifica este un compromis intre nivelul de protectie, stabilitatea la supratensiuni temporare si capacitatea energetica. Marind stabilitatea la supratensiuni temporare (prin adaugarea de discuri in serie) creste durata de viata a descarcatorului la tensiunile din sistem, dar reduce marja de protectie asigurata de acesta la un nivel de izolatie dat.

Un descarcator cu capacitate energetica mare reduce riscul de avariere. Optimizarea depinde de cit de bine sunt cunoscute sau pot fi estimate solicitarile respectivului descarcator.

2. 2 Pasul 1. Determinarea parametrilor sistemului

2. 2. 1 Determinarea sau estimarea tensiunii maxime a sistemului (U_m)

Daca se da numai tensiunea nominala a sistemului, U_m poate fi estimata cu 5-10% mai mare.

2. 2. 2Conditii pentru defect cu pamintul

Cea mai cunoscuta supratensiune temporara este cea care apare in cazul unui defect monofazat cu pamintul. Amplitudinea ei se obtine prin multiplicarea U_m/ cu factorul de defect cu pamintul K_e, care la rindul lui este determinat din conditiile de punere la pamint.

In figura 2. 1 se da valoarea lui K_e in functie de rezistenta si reactantele sistemului pentru cea mai defavorabila rezistenta de defect. Daca acesti parametri sunt necunoscuti, K_e se estimeaza la 1,4 pentru sistemele cu neutrul legat direct la pamint si 1,73 pentru sistemele cu neutrul legat la pamint prin bobina sau cu neutrul izolat.

R₀=rezistenta de secventa homopolara

X₀=reactanta de secventa homopolara

X₁=reactanta de secventa directa

Fig. 2. 1 Relatia dintre R₀/X₁ si X₀/X₁ pentru valori constante ale K_e

Durata supratensiunii temporare depinde de timpul de eliminare a defectului si daca acesta nu este cunoscut, se estimeaza la 1-3 s in sistemele de I.T. cu neutrul legat direct la pamint si 3-10 s in sistemele de distributie cu neutrul legat direct la pamint. In sistemele cu neutrul izolat sau cu neutrul legat prin bobina durata este mare, de la citeva secunde la citeva ore, depinzind de folosirea sau nu a eliminarii defectului. Pentru durata de peste 2 ore, supratensiunea temporara trebuie considerata ca fiind permanenta si descarcatoarele alese corespunzator.

2. 3 Pasul 2. Determinarea conditiilor anormale de serviciu

Conditiile anormale de serviciu ca: temperatura mediului ambiant < -40^oC sau > 45^oC, frecventa < 15 Hz sau > 62 Hz, prezenta surselor de caldura linga descarcatoare ( de exemplu: furnale), pot conduce la alegerea unor U_c sau U_r mai mari si de aici rezulta necesitatea de a clarifica aceste conditii.

In aceste conditii, se recomanda consultarea fabricantului.

2. 4 Pasul 3. Determinarea altor cauze posibile de supratensiuni temporare

In general, intereseaza numai supratensiunile temporare care apar in cazul unui defect cu pamintul si pierderea de sarcina.

Anumite configuratii de retea pot da supratensiuni de rezonanta. Acestea se pot datora si nesimultaneitatii intreruptoarelor. Supratensiunile de rezonanta trebuie, in general, sa fie evitate prin proiectarea sistemului (mai ales pentru sistemele de transport si distributie normale) si nu trebuie luate in considerare la evaluarea capacitatii de a suporta supratensiuni temporare. In anumite cazuri se cauta reducerea curentului de punere la pamint prin legarea la pamint a neutrului unei parti a transformatoarelor, mentinind sistemul legat efectiv la pamint.

In astfel de cazuri exista posibilitatea ca anumite parti ale sistemului sa devina neefectiv legate la pamint (de exemplu cresterea valorii lui K_e) pentru anumite perioade cind unul sau mai multe transformatoare cu neutrul legat la pamint sunt scoase din functiune. Un defect cu pamintul in timpul acestei perioade poate conduce la o valoare superioara a supratensiunii temporare si in acest context trebuie luata in considerare posibilitatea avarierii descarcatorului. Deoarece astfel de evenimente sunt rare, poate fi justificata acceptarea riscului de avariere a descarcatorului in locul alegerii unui descarcator cu capacitate de a suporta supratensiuni temporare superioara, ceea ce inseamna un nivel de protectie mai ridicat.

Daca un defect cu pamintul apare in timpul unei pierderi de sarcina, supratensiunea temporara este mai mare decit daca defectul se petrece singur.

2. 5 Pasul 4. Alegerea tensiunii de regim permanent - U_c

Intr-un sistem trifazat cu descarcatoarele montate intre faza si pamint, U_ca=U_m /. Daca sistemul nu are conditiile anormale mentionate la pasul 2, U_c trebuie sa fie mai mare decit U_m /. Pentru a face alegerea mai usoara, tabelele din cataloage contin toate tensiunile retelelor (atit cele uzuale cit si citeva particulare). Trebuie observat ca daca tensiunea reala a retelei nu este mai mare decit tensiunea data in tabele, din toate descarcatoarele listate pentru o anumita tensiune se aleg cele corespunzatoare tensiunii de regim permanent.

Numai daca tensiunea efectiva este mai mare, coloana care cuprinde U_c se utilizeaza pentru alegerea descarcatorului corespunzator. Valoarea U_c necesara se calculeaza ca tensiunea efectiva a sistemului impartita la  si se alege din tabel un descarcator cu U_c mai mare sau egala cu valoarea astfel calculata.

2. 6 Pasul 5. Alegerea capacitatii de a suporta supratensiuni temporare

2. 6. 1 In general, descarcatoarele nu sunt folosite pentru protectia impotriva supratensiunilor temporare deoarece aceasta ar necesita un numar foarte mare de coloane de discuri in paralel. Astfel de cazuri pot fi luate in considerare numai cind se impune limitarea supratensiunilor de rezonanta. In aceste cazuri sunt necesare studii detaliate pentru a alege descarcatorul cu capacitate de descarcare convenabila.

Impedanta de scurtcircuit, vazuta de la descarcator in timpul in care exista conditii de supratensiuni temporare, joaca un rol important in determinarea conditiilor de energie pentru descarcatoare. Fig. 2.2 exemplifica aceasta pentru un descarcator cu ZnO.

REFERAT: Ce sa faceti inainte de inundatie? REFERAT: Executarea si receptionarea ancorajelor metalice tip inel-con si dorn

Figura 2. 2 Efectul curentului de scurtcircuit asupra energiei absorbite de un descarcator cu ZnO la supratensiunea temporara de 10 s

Dupa cum se vede pe curbele din fig. 2. 2, descarcatoarele pot rezista de 10 ori mai mult timp la supratensiunea temporara de 1,3 u.r. daca curentul de scurtcircuit scade de la

40 kA la 0,5 kA valoare efectiva. Pe de alta parte, curentul prin descarcator la 1,1 u.r.

este prea mic pentru a afecta supratensiunea posibila chiar si numai la curent de scurtcircuit de 0,5 kA valoare efectiva.

Alti factori care afecteaza capacitatea de a suporta supratensiuni temporare sunt energia absorbita inainte de aplicarea supratensiunii temporare (de exemplu temperatura initiala a discurilor) si tensiunea aplicata care insoteste supratensiunea temporara.

Pentru un tip de descarcator dat, tensiunea nominala (U_r) este o masura a capacitatii sale de a suporta supratensiuni temporare. Ca urmare, stabilitatea la supratensiuni temporare a descarcatorului poate fi exprimata ca un multiplu de U_r, asa cum se arata in figura 2. 3.

Aceasta exprimare este folosita pentru toate descarcatoarele EXLIM (alti producatori exprima stabilitatea la supratensiuni temporare prin multipli de U_c).

Curbele din figura 2. 3 sunt stabilite prin incercari cu tensiune de frecventa industriala. Pentru supratensiuni temporare cu frecvente mai joase se folosesc aceleasi curbe.Pentru frecvente mai mari decit frecventa industriala se poate aprecia ca descarcatorul rezista acelasi timp ca si pentru frecventa industriala, daca durata este mai mica de 10 s.

In alte cazuri trebuie consultat fabricantul.

Fig. 2. 3 Capacitatea de a suporta supratensiuni temporare a unui descarcator cu ZnO exprimata in multipli de U_r (T_r)

2. 6. 2 Pentru alegerea unui descarcator cu o capacitate de a suporta supratensiuni temporare suficienta, trebuie adoptate urmatoarele proceduri:

-se alege o tensiune preliminara (U_ro) bazata pe U_c ca U_ro=U_c/0,8 (U_c luata de la pasul 4 art. 2. 5, egala in mod obisnuit cu U_m/ );

-se determina amplitudinea supratensiunii temporare (TOV_e) si durata la defect cu pamintul

TOV_e=K_e U_m/ unde:

K_e< 1,4 pentru sisteme cu neutrul legat efectiv la pamint

K_e= 1,73 pentru sisteme legate la pamint prin bobina si sisteme cu neutrul izolat

Pentru alte cazuri a, a se vedea 2. 2. 1.

-se determina alte supratensiuni temporare TOV₁, TOV₂..TOV_n cu amplitudine si durata calculate sau estimate;

-se considera absorbirea posibila de energie W in kJ, anterioara supratensiunii si se calculeaza W/U_ro;

Pentru fiecare TOV se determina tensiunea nominala ceruta U_r1, U_r2.U_rn prin impartirea amplitudinii determinate a TOV la factorul de tinere la supratensiuni temporare T_r, determinat din grafice de genul celui din figura 2. 3 pentru durata reala a supratensiunii temporare si absorbtia de energie calculata W/U_ro.

Daca absorbtia de energie specifica calculata W/U_ro este mai mare decit valorile date in figura 2. 3 (sau figurile corespunzatoare), se creste U_ro sau se alege un tip de descarcator cu o capacitate energetica superioara.

Astfel U_re=TOV_e/T_re, U_r1=TOV₁/T_r1etc.

-se alege o tensiune nominala finala U_r, care este cea mai mare dintre valorile U_ro, U_re, U_r1U_rn. Daca aceasta nu este o valoare standardizata, se alege urmatoarea tensiune nominala din catalog.

Pentru sistemele trifazate cele mai obisnuite, nivelul supratensiunilor si durata acestora sunt prezentate in tabelul 2.1 .

Tabelul 2.1

Precizarile din tabelul 2. 1 pentru sistemele legate direct la pamint includ efectele combinate ale defectelor de punere la pamint si de aruncare a sarcinii asa cum s-a mentionat in art. 2. 4.

Cap. 3 Alegerea descarcatoarelor functie de parametrii sistemului

(Capacitatea energetica)

3. 1 Generalitati

Acest capitol este destinat in principal considerarii solicitarilor datorate comutatiei unei sarcini pe o linie, asupra descarcatoarelor instalate la capetele deschise ale liniei, conform figurii 3. 1 . Acest caz este, in general, de luat in considerare ca un caz decisiv. Alte cazuri vor fi numai mentionate.

Fig. 3. 1 Model monofazat simplu

Daca timpul de deschidere al descarcatorului este scurt comparativ cu un ciclu de frecventa industriala si Z₁ reprezinta o impedanta mica, curentul prin descarcator va avea o forma rectangulara cu durata egala cu de doua ori timpul de propagare al undei pe linie T. Curentul prin descarcator si tensiunea lui reziduala la cest curent sunt date de intersectia dintre caracteristica corespunzatoare supratensiunii tranzitorii de comutatie si caracteristica de sarcina ce pot fi determinate prin ridicarea unei diagrame de sarcina conform figurii 2. 3.

Intr-un caz real, curentul prin descarcator nu are o forma de unda rectangulara. Impedanta sursei Z₁ va afecta unda de tensiune aparuta pe linie la inchiderea intreruptorului, unda de tensiune va fi distorsionata in timpul propagarii sale pe linie, undele de intoarcere vor produce reflexii la capatul de emisie si, pentru sistemele polifazate, fazele vor interactiona.

Oricum, modelul simplu monofazat este util in multe cazuri.

Pentru a evita necesitatea unor computere scumpe si/sau studii pe analizoare de retea pentru regimuri tranzitorii (TNA), se aplica o metoda simplificata ca prima incercare de a estima tensiunile pe descarcator datorita comutatiei.

U_L = Supratensiunea estimata

Z = Impedanta caracteristica a liniei

I_a = Curentul descarcatorului

U_res = Tensiunea reziduala a descarcatorului

Fig. 3. 2 Diagrama de sarcina

Daca aceste calcule estimeaza energii mari, poate fi justificat un studiu mai detaliat.

In acest fel pot fi comparate mai usor diferite tipuri de descarcatoare, de diferite fabricatii, nefiind necesara o precizie absoluta privind tensiunile calculate.

3. 2 Pasul 1. Determinarea parametrilor de comutatie

Pentru a simplifica metoda, trebuie determinati intr-un mod asemanator parametrii din figura 3. 2.

Valori tipice pentru diferite tensiuni ale sistemului sunt date in tabelul 3. 1.

Tabelul 3. 1

Supratensiunile prezumate U_L depind de parametrii cum ar fi amplasarea descarcatorului, tipul operatiei de comutatie, prezenta sau absenta rezistentelor de preinsertie, variatia tensiunii in retea si compensarea paralela. Suplimentare fata de valorile tipice date in tabelul 3. 1 de mai sus, diagrama (publicata de CIGRE) prezentata in figura 3. 3 poate da un ghid pentru estimarea U_L pentru o situatie specifica.

Figura 3. 3 Evaluarea factorilor de supratensiune (valorile de 2%) in functie de felul actionarii, rezistentele de inchidere, reteaua de alimentare si compensarea paralel

(Sursa: CIGRE/ELECTRA)

In unele cazuri pot fi gasite in figura 3. 3 valori mai mari decit cele prezentate in tabelul

3. 1. In orice caz, acesti factori de supratensiune vor fi analizati critic inainte de a se utiliza in estimarea energiei descarcatorului pentru ca, in mod uzual, valorile mai ridicate gasite in figura 3. 3 apartin unor situatii rare, de exemplu in prima etapa a unui sistem de inalta tensiune cu o linie lunga radiala necompensata alimentata de la surse pur inductive.

Timpul de propagare al undei (T) depinde de lungimea liniei si de viteza de propagare a undei. Pentru linii aeriene si sisteme de bare cu izolatie in gaz, viteza de propagare este aproximativ egala cu viteza lumnii (0,3 km/ms). Pentru cabluri, viteza este mult mai mica (aproximativ 0,15 km/ms).

3. 3 Pasul 2. Calculul energiei abosrbite de descarcator

Energia (W), exprimata in J, absorbita de descarcator este data de ecuatia:

W= (U_L-U_res)/Z) x U_res x 2T x n

unde:

U_L supratensiunea posibila sau tensiunea de incarcare a liniei

U_res tensiunea reziduala a descarcatorului (kV)

Z impedanta tranzitorie (W

T timpul de propagare a undei (s)

T=l/v unde l lungimea liniei (km)

v viteza de propagare (km/s)

n numarul de descarcari consecutive

Se observa ca energia absorbita depinde de nivelul de protectie. Astfel, un nivel de protectie superior permite alegerea unui descarcator cu capacitate de absorbtie a energiei mai mica.

3. 4 Pasul 3. Alegerea unui descarcator cu capacitate energetica adecvata

In stadardele de descarcatoare, capacitatea de absorbtie a energiei la supratensiuni de comutatie se demonstreaza prin incercarea de descarcare a liniei.

Nota: parametrii claselor de descarcare a liniei propuse de CEI au ca rezultat incarcari de energie superioare pentru aceleasi tensiuni reziduale, comparate cu clasele

CEI 99-1/1970.

Energia absorbita de descarcator la incercarea de descarcare a liniei este functie atit de clasa de descarcare a liniei, cit si de nivelul de protectie la impuls de comutatie al descarcatorului. Aceasta se vede in figura 3. 4.

Pentru un tip de descarcator, o estimare a energiei absorbite la incercarea de descarcare a liniei poate fi obtinuta prin folosirea nivelului de protectie la supratensiuni de comutatie din catalog si verificind energia absorbita in figura 3. 4. Aceasta valoare este comparata cu valoarea rezultata din ecuatia de la 3. 3. Incercarea de descarcare a liniei conform CEI cuprinde descarcari repetate si stabilitatea termica a descarcatorului trebuie verificata la doua incercari consecutive la 50-60 sec. intre ele. Pentru functionari singulare, descarcatoarele pot fi solicitate cu o energie superioara, egala cu capacitatea energetica la impuls singular. In mod obisnuit, acest caz are o probabilitate mica de aparitie astfel ca este suficient sa se proiecteze pentru o singura functionare, nu pentru doua functionari consecutive. Capacitatea energetica la impuls singular este data in prospecte sau specificatiile tehnice ale fabricantilor.

In cazul in care capacitatea energetica aleasa nu este suficienta, cea mai economica solutie consta in cresterea tensiunii nominale a descarcatorului. Daca aceasta conduce la un nivel de protectie inacceptabil, atunci se alege un alt tip cu capacitate energetica superioara.

Fig. 3. 4 Energia specifica kJ pe kV de tensiune nominala Ur in functie de nivelul tensiunii reziduale la supratensiuni de comutatie U_res la valoarea efectiva a tensiunii nominale U_r a descarcatorului

Parametru: Clasa de descarcare a liniei (Sursa: CEI)

In unele cazuri, pentru a satisface necesitatile de energie mare, trebuie folosite descarcatoare in paralel. Descarcatoarele trebuie alese astfel incit sa se asigure o buna repartitie a curentului. Acest lucru trebuie cerut in mod special. Cu descarcatoarele standard nu se asigura, de regula, o repartitie buna a curentului.

3. 5 Pasul 4. Controlul capacitatii de absorbtie a energiei curentului de trasnet

La tensiuni mai mici ale retelei (sub 200 kV), energia datorata comutatiilor va fi in general mai mica. In acelasi timp, se acorda o atentie mai mica legarii la pamint efective si protectiei acestor retele.

Din aceasta cauza, capacitatea proiectata va fi determinata de solicitarile la trasnet.

O estimare buna a capacitatii energetice a descarcatorului la supratensiuni de trasnet se obtine din incercarea la curent de mare amplitudine de forma 4/10 ms. Aceasta unda supune descarcatorul la o energie inalta intr-un timp foarte scurt si de aici si la soc termic.

De notat ca descarcarile de amplitudinea prevazuta la incercare se produc in situatiile reale cu o probabilitate foarte mica. In consecinta, durata impulsului real poate fi mai mare decit durata impulsului prevazuta la incercare.

Conform ANSI/CEI, amplitudinile standard ale curentului sunt 65 kA si 100 kA.

Un descarcator cu discuri de diametru mai mare va rezista mai bine la incercarile de trasnet, din doua motive:

-densitatea de curent va fi mai mica;

-tensiunea reziduala va fi mai mica si, in consecinta, si energia descarcata.

Pentru acest motiv este avantajos sa se aleaga un descarcator cu discuri de diametru mare (si, in consecinta, o capacitate de descarcare mai mare) in urmatoarele cazuri:

-zone cu frecventa mare a descarcarilor atmosferice;

-instalatii importante;

-linii si statii unde conditiile de legare la pamint sau de protectie sunt inadecvate.

Cap. 4 Alegerea caracteristicilor mecanice

4. 1 Generalitati

Este important ca descarcatoarele sa fie proiectate mecanic astfel incit sa poata rezista in conditii normale cit si anormale, specifice.

Citeva din aceste conditii sunt detaliate in continuare.

4. 2 Temperatura

Descarcatoarele in general sunt proiectate pentru temperaturi ale mediului in gama -40^oC si +45^oC.

Cind apar cresteri temporare la +60^oC aceasta poate fi permis dar, in general, temperaturi mai mari decit +45^oC necesita proiectare speciala si trebuie consultat fabricantul.

4. 3 Racordurile terminale

Conductoarele liniei conectate la terminalele descarcatoarelor impun o sarcina acestora si un moment de torsiune bazei descarcatorului. Ambele valori pot fi reduse, in mod obisnuit, la valori acceptabile folosind cleme de racord in “T” mai usoare.

De observat ca descarcatoarele nu sunt parcurse de curent in mod continuu si deci nu sunt necesare conductoare de sectiune mare.

4. 4 Gheata (chiciura)

Chiciura trebuie luata in considerare deoarece contribuie la cresterea sarcinii pe racorduri.

4. 5 Vintul

Un vint mare creste sarcina orizontala pe descarcator. Viteza vintului pina la 100 km/h nu reprezinta, in general, o problema. Viteza vintului (in km/h) poate fi exprimata ca o presiune P_w (in N/m²), conform figurii 4. 1.

Fig. 4. 1 Presiunea vintului pe o suprafata   Fig. 4. 2 Factor de corectie pentru obiecte

plata in functie de viteza vintului                             cilindrice pentru a determina presiunea

vintului

Forta pe suprafata descarcatorului, conform H tte se exprima ca:

F_w=P_w x l x d x k_w, unde:

l -inaltimea descarcatorului (m)

d -diametru mediul al descarcatorului (m)

k_w -factorul de corectie pentru obiecte cilindrice conform figurii 4. 2.

Momentul de torsiune la baza descarcatorului (M_w) este atunci:

M_w=1/2 x F_w, considerind ca centrul de greutate este in mijlocul descarcatorului.

4. 6 Determinarea solicitarii portelanului

Momentul de torsiune al portelanului descarcatorului trebuie sa fie suficient pentru toate sarcinile mentionate mai sus. Informatiile fabricantilor date in prospecte sau specificatii tehnice trebuie sa cuprinda obligatoriu si solicitarile mecanice admisibile.

4. 7 Cutremur

Pentru zone cu riscuri seismice, trebuie verificata capacitatea descarcatorului de rezistenta la fortele seismice. Exista specificatii diferite si, in general, trebuie consultat fabricantul.

4. 8 Determinarea capacitatii limitatorului de presiune (supapa de presiune)

Ca masura de siguranta pentru personal si echipamentul din vecinatatea unui descarcator in cazul unei avarii, standardele cer ca descarcatoarele sa fie prevazute cu “limitator de presiune”, care trebuie sa functioneze suficient de rapid pentru a preveni o explozie violenta a carcasei de portelan.

Supapa este aleasa pe baza curentului de scurtcircuit simetric predeterminat la locul de amplasare a descarcatorului sau calculat cu formula:

I=P_k/( x U_m), unde:

I -curentul de scurtcircuit simetric predeterminat (posibil) (kA)

P_k -puterea de scurtcircuit trifazat in MVA in punctul unde este instalat descarcatorul

U_m -tensiunea maxima a sistemului (kV)

Daca nu se cunoaste P_k, poate fi folosita orientativ capacitatea de rupere a intreruptorului asociat.

4. 9 Performante la poluare

Pentru un nivel de poluare dat, performanta descarcatorului fara eclatoare poate fi imbunatatita prin folosirea uneia sau tuturor masurilor urmatoare:

-cresterea liniei de fuga a carcasei pentru reducerea curentului de fuga exterior;

-folosirea unor discuri cu ZnO cu volum mai mare pentru imbunatatirea capacitatii de absorbtie a energiei;

-imbunatatirea capacitatii de a suporta supratensiuni temporare, adica prin cresterea U_r pentru acelasi tip de descarcator;

-imbunatatirea mecanismului de transfer al caldurii;

-folosirea discurilor cu pierderi inferioare la U_c.

In mod obisnuit, se foloseste aceeasi linie de fuga pentru descarcatoare ca si pentru celelalte echipamente din statie.

4. 10 Izolatia externa a descarcatoarelor

Functia primara a descarcatoarelor este de a limita supratensiunile la care este expus echipamentul protejat. Este deci evident, asadar, ca izolatia lor proprie (atit externa, cit si interna) este cea mai bine protejata dintre toate.

Tensiunea pe descarcator nu poate fi niciodata mai mare decit cea determinata de caracteristicile de protectie ale descarcatorului. Numai necesitatea unui factor de siguranta suplimentar (statistic), inclusiv corectia de altitudine a instalatiei pot justifica d.p.d.v. tehnic o intarire mai mare a izolatiei externe. In general, riscul unei conturnari exterioare mai mic sau egal cu 10^-3 este considerat acceptabil, ceea ce conduce la un factor de cca 1,10 la 1,15 (excluzind corectia de altitudine) intre nivelurile de protectie ale descarcatorului si nivelurile de tinere la impuls de trasnet, respectiv de comutatie ale carcasei.

Ambele standarde internationale (CEI si ANSI) stipuleaza clar ca o astfel de marja este suficienta.

ANSI (C 62 11/1987) stipuleaza ca nivelul de tinere extern la impuls de trasnet al carcasei trebuie sa fie cu 20% peste tensiunea reziduala la 20 kA unda 8/20 plus un factor de altitudine de 9% pentru fiecare 3000 picioare(in mare egal cu 10% pentru fiecare 1000 m). CEI stipuleaza o marja a nivelului de tinere la impuls de trasnet de 15% peste tensiunea reziduala la curent nominal de descarcare plus un factor de altitudine de 13% pentru pina la 1000 m. Un descarcator mai lung poate, de fapt, sa conduca la o protectie efectiva mai mica la descarcarile cu panta mai mare pentru care inductanta descarcatorului devine mai importanta. Astfel, stipularea valorilor mari de tinere a izolatiei externe (de exemplu egale cu cele ale echipamentului protejat) poate fi dezavantajoasa pentru echipamentul protejat cit si pentru costul descarcatorului, care va fi mai mare.

Cap. 5 Conceptia de protectie. Alegerea caracteristicilor de protectie

5. 1 Introducere

Protectia contra supratensiunilor a unei statii, nu este numai intrebarea despre ce fel de descarcatoare trebuie sa alegem. Pentru aceasta este chiar mai important sa instalam descarcatoarele in cel mai eficient fel. Prin intermediul oscilogramelor si din diferite calcule, se poate vedea importanta legaturilor scurte intre descarcator si obiectul protejat. Un mare avantaj il ofera descarcatoarele suplimentare montate pe intrarile liniilor, dincolo de intreruptor. Acestea asigura protectia echipamentelor aflate pe partea liniei si in cazul in care intreruptorul este deschis. In prezent s-au realizat descarcatoare care se pot monta pe linie, in paralel cu izolatoarele existente pe ultimul stalp inainte de statie, sau chiar pot inlocui la ultimul stalp izolatoarele. Aceste descarcatoare reduc nivelul supratensiunilor propagate pe linii (destul de mari in cazul izolatiiilor compozite), creind astfel posibilitatea reducerii nivelului de protectie asigurat de descarcatoarele din statie.

Reducerea posibila a nivelurilor de izolatie prin folosirea unor descarcatoare imbunatatite a devenit si mai evidenta prin introducerea descarcatoarelor cu ZnO.

Oricum, aceasta cere o studiere mai detaliata a instalatiilor existente si a amplasarii descarcatoarelor in statie. Descarcatoarele pot fi necesare atit pe intrarile liniilor cit si la transformatoare. In instalatiile importante, complexe si speciale amplasarea descarcatoarelor este cel mai bine analizata folosind analiza computerizata.

Urmatorul capitol va prezenta un ghid general bazat pe consideratii simplificatoare.

5. 2 Consideratii privind caracteristicile de protectie

In cataloage, tensiunile reziduale maxime garantate pentru curentii de coordonare folositi uzual sunt date pentru fiecare tip si forma de descarcator.

Se dau tensiunile reziduale maxime garantate pentru curentii de impuls de forma 8/20 ms si 30/60 ms.

Pentru coordonarea la orice supratensiune de panta mai abrupta se prezinta explicit nivelul de tensiune la un impuls de curent cu timpul virtual de front de 1 ms sau procente din impulsul 8/20 ms.

Conform CEI unda de curent pentru incercari de acest tip utilizata in prezent poate avea un timp virtual al semiamplitudinii mai mic de 20 ms. Unda de curent este in acest sens 1/(2-20) ms.

In general caracteristicile de protectie sun prezentate sub forma de diagrama astfel cum este prezentata in figura 5.1.

Fig. 5.1 Caracteristicile de protectie pentru un tip de descarcator cu ZnO functie de durata

frontului

In aceasta figura, tensiunea reziduala se da in procente din tensiunea reziduala la curent nominal pentru diferiti timpi de front al undei de tensiune cu amplitudinea curentului drept parametru. Aceasta evaluare bazata pe timpul de front al undei de tensiune este adoptata in principal in tari care se orienteaza dupa ANSI.

Tensiunile reziduale sunt determinate cu 3 unde de curent avind timpul virtual de front de 8, 2 si 1 ms. Timpul efectiv al frontului tensiunii, care va fi ceva mai mic decit pentru curent, se masoara si apoi se extrapoleaza curbele catre timpi mai mici.

Tensiunea reziduala care se obtine la un timp de front al tensiunii de 0,5 ms este raportata la “tensiunea de amorsare pe frontul undei echivalente”. Curbele de tinere pentru echipamentele protejate de descarcator pot fi trasate pe aceeasi diagrama pentru a verifica daca exista o marja de siguranta suficienta.

Trebuie subliniat ca pentru acest tip de unda de tensiune foarte abrupta, efectul legaturilor, ca si al distantei dintre descarcator si echipamentul protejat trebuie luat in considerare pentru a determina solicitarea exacta cu tensiune a echipamentului.

In figura 5. 2 se prezinta ca exemplu caracteristicile de protectie ale unui tip de

descarcator cu ZnO pentru diferite forme de impuls de curent. Fabricantii prezinta caracterisitcile de protectie la diferite forme de unda, fie sub forma de tabel fie sub forma de diagrame.

Fig. 5. 2 Caracteristici de protectie pentru un tip de descarcator cu ZnO la diferite forme

de impulsuri de curent

De remarcat, caracteristica pentru supratensiuni de comutatie cu timpi de front mai mari este situata sub curba 30/60.

In figura 5. 2, tensiunile reziduale sunt trasate in procente din tensiunea reziduala la incercarile de rutina.

5. 3 Curenti de coordonare

5. 3. 1 Coordonarea fata de nivelul de tinere la impuls de trasnet

In general, este dificil de calculat curentul prin descarcator, mai ales cel produs de trasnet. Astfel, de multe ori se folosesc estimari acoperitoare. Variatia mica a tensiunii reziduale cu forma de unda a curentului si amplitudinea face aceasta estimare mai putin criticabila la descarcatoarele cu ZnO.

Pentru sistemele cu U_m<420 kV se propune curentul de coordonare de 10 kA, pentru U_m=550 kV curentul de 15 kA si pentru cele de 800 kV de 20 kA.

Forma de unda a curentului este luata de obicei 8/20. Pentru un timp de front al curentului mai mic , tensiunea reziduala arata o crestere de cel putin 10% la o reducere a timpului de front de la 8 ms la 1 ms. Oricum, mult mai important decit aceasta mica crestere este de a considera efectele asupra inductantelor si distantelor cind se doreste ca descarcatorul sa protejeze la avarii sau conturnari inverse apropiate de statii.

5. 3. 2 Coordonarea fata de nivelul de tinere la impuls de comutatie

Pina acum, supratensiunile de comutatie au determinat dimensionarea izolatiei in sistemele de I.T cu nulul legat direct la pamint. La descarcatoarele cu ZnO, nivelul de protectie la supratensiuni de comutatie devine atit de mic, incit trasnetul (sau performanta la poluare a echipamentului) va fi factorul de limitare pentru coordonarea izolatiei.

Oricum, pentru 400 kV si peste, supratensiunile de comutatie joaca inca un rol important.

Supratensiunile de comutatie produc curenti de amplitudini mici prin descarcatoare (cu valori maxime in limita de la 0,5 kA la tensiuni medii la 2 kA in sistemele de I.T. cu nulul legat direct la pamint).

In tabelul 5. 1 sunt prezentati curentii propusi pentru coordonare, care sunt si in conformitate cu prevederile noului CEI.

Tabelul 5. 1

Forma undei de curent se apreciaza a fi 30/60 ms. Chiar pentru timpi cu front mai mare, variatia tensiunii reziduale fata de unda 30/60 (la curent de aceeasi amplitudine) este foarte mica, de ordinul a citeva procente.

5. 4 Marja de protectie

Nivelul de protectie si nivelul de tinere a izolatiei se schimba in functie de panta, durata si amplitudinea impulsului aplicat. Marja de protectie trebuie sa fie suficient de mare, mai ales daca exista o distanta mare intre descarcator si obiectul protejat sau daca este necesara protectia impotriva loviturilor apropiate de trasnet si daca se foloseste un singur set de descarcatoare in statie. O solutie mai buna ar putea fi instalarea de descarcatoare pe intrarile liniilor.

5. 5 Distante de protectie

Se poate pune intrebarea de ce este necesara o marja de protectie ridicata. Raspunsul este ca marjele de protectie calculate sunt valabile atunci cind descarcatorul este montat direct pe obiectul protejat. Cind exista conductoare de legatura si o distanta intre descarcator si obiect, atunci obiectul protejat va fi supus unei supratensiuni mai mari. Situatia este ilustrata in figura 5. 3.

Fig. 5. 3 Cresterea de tensiune datorita efectului de distanta (metoda simplificata)

Formula veche, utilizata in general pentru a estima cresterea de tensiune datorita efectelor distantei, da:

U=U_res+(2xSxL)/v, unde:

U -tensiunea pe obiectul protejat (kV)

U_res -tensiunea reziduala a descarcatorului

S -panta undei incidente de tensiune (kV/ms)

L -distanta intre descarcator si obiectul protejat, inclusiv conductoarele de legatura si inaltimea descarcatorului (m)

v -viteza de propagare a undei (m/ms)

(aproximativ egala cu viteza luminii 300 m/ms, cu exceptia cablurilor pentru care se foloseste 150 m/ms)

Limita (marja) disponibila scade drastic cu cresterea distantelor de separare si cu cresterea pantei undei incidente.

Panta este functie de cit de aproape este statia fata de locul loviturii de trasnet pe linie.

Fig. 5. 4 Distanta de protectie a descarcatorului.

Comparatie-metoda simplificata si metoda pe calculator

Exemplu

Metoda simplificata, pentru calcule grosiere trebuie folosita cu o anumita precautie. Nu se ia in considerare nici o capacitate a obiectului protejat, nici efectele inductive, nici tensiunea initiala la momentul supratensiunii.

O comparatie intre formula simpla si calculul pe calculator este prezentata in figura 5. 4 pentru cazul unui transfor  mator de 145 kV cu nivel de tinere la impuls de trasnet de

650 kV, protejat cu un descarcator cu tensiunea nominala 120 kV, presupunind:

-lungimea descarcatorului si a conductoarelor de legatura=6 m;

-supratensiunea incidenta: 800 kv cu panta 1200 Kv/ms;

-nivelul de protectie la impuls de trasnet al descarcatorului: 276 kV.

Dupa cum se vede, metoda simplificata da un rezultat in zona sigura daca nu se asociaza nici o capacitate pentru transformator. Aceasta se datoreste faptului ca descarcatorul cu ZnO incepe sa conduca inainte de a fi atins nivelul de 276 kV. Pe de alta parte, daca transformatorul are capacitatea, de exemplu, de 2 nF, metoda simplificata da o marja de siguranta care nu exista in realitate pentru distante mai mici de 40 m.

Aproximatia grosiera poate fi ingrijoratoare daca se folosesc marje mici intre nivelul de protectie al descarcatorului si nivelul de tinere la impuls de trasnet al transformatorului. Mai mult, importanta distantelor mici si a conductoarelor de legatura nu pot fi supraevaluate in aceste cazuri.

5. 6 Lovituri de trasnet foarte apropiate

In ceea ce priveste loviturile de trasnet urmate de avarii sau conturnari inverse, este chiar mai important sa se acorde atentie instalarii corecte a descarcatoarelor. Pentru a obtine o protectie eficienta a echipamentului, vor fi necesare descarcatoare suplimentare pe intrarile liniilor.

Protectia oferita de descarcator trebuie combinata si cu alte masuri ca: impedanta mica a stilpilor liniilor si reducerea izolatiei  liniei in citeva deschideri linga statie.

CARACTERISTICI DESCARCATOARE CU ZnO

pentru retelele de 110 kV

Valorile corespund caracteristicii obtinute dupa energetizarea descarcatoarelor prin

aplicarea unui impuls de curent 4/10 ms cu amplitudinea corespunzatoare tipului, la

descarcatoarele de medie tensiune, sau a unui impuls de curent de lunga durata corespunzator in cazul descarcatoarelor de inalta tensiune.

	CARACTERISTICA TENSIUNE-TIMP PENTRU SUPRATENSIUNI TEMPORARE A DESCARCATOARELOR EXLIM R

	CARACTERISTICA TENSIUNE-TIMP PENTRU SUPRATENSIUNI TEMPORARE A DESCARCATOARELOR EXLIM Q

Anexa

Sinteza observatiilor la redactarea a I-a a ghidului de alegere a descarcatoarelor de MT si 110 kV